CN111331581B - 一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构，其包括固定基座，第一动平台，第二动平台，第三动平台以及第一驱动支链和第二驱动支链。此机构具有三平动一转动自由度。本发明优点为：主梁与次梁保持空间垂直交叉与相互独立，进而由两根梁控制第一动平台，第一驱动支链独立控制第一动平台的两个移动自由度，第二驱动支链独立控制第一动平台另一个移动自由度，并通过螺旋副控制一个转动自由度，实现部分解耦，易于后续控制系统的设计开发。第一动平台通过传动螺旋副实现360°的转动，增大了工作空间。机构支链少，只采用转动副、移动副与螺旋副等简单运动副，整体结构奇异性少，运动稳定。

Description

一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构
技术领域
本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构。
背景技术
并联机器人因其高刚度、高速度、轻重量等优点而在电子、医药、食品等工业中得到了广泛应用，尤其在物料搬运、包装、分拣等方面具有十分突出的优势，已成为工业机器人需求增长不可忽视的新生力量。
三平动一转动四自由度机器人有着广泛的市场应用前景。但大多数三平动一转动并联机器人因其具有三平动的自由度，多采用平行四边形支链，因此结构复杂，刚度低且大多数具有强耦合性，一般具有转动自由度的并联机构转动空间较小，很少能达到360°，目前已有的部分解耦的三平动一转动并联机构大多具有复杂的支链，不利于制造与应用。因此研究结构简单，具有部分解耦性质的三平动一转动并联机构能拓展并联机构在各个领域的适用范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构。
为了达到上述目的，本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构包括基座、第一动平台、第二动平台、第三动平台、第一驱动支链和第二驱动支链；所述基座为板状结构；第一驱动支链包括两个第一铰接支座、两根第一伸缩杆和主梁；两个第一铰接支座以轴线平行的方式固定在基座的表面两对角处；每根第一伸缩杆的下端铰接在一个第一铰接支座上；主梁的两端分别铰接在一根第一伸缩杆的上端；第三动平台包括第一滑块、两根支撑杆和上平台；第一滑块的中部形成有一个套在主梁上的通孔，因此第一滑块能够沿主梁的长度方向进行移动；两根支撑杆平行设置，上下端分别连接在上平台的底面和第一滑块的顶面两侧部位；上平台的中部形成有一个贯穿孔，顶面上位于贯穿孔外侧的部位向下凹陷形成有一个环形轨道；第二驱动支链包括两个第二铰接支座、两根第二伸缩杆和次梁；两个第二铰接支座以轴线平行且与第一铰接支座的轴线相垂直的方式固定在基座的表面另两对角处；每根第二伸缩杆的下端铰接在一个第二铰接支座上；次梁的中部位于第三动平台上两根支撑杆之间，两端分别铰接在一根第二伸缩杆的上端；第二动平台包括第二滑块和螺套；第二滑块的中部形成有一个套在次梁上的通孔，因此第二滑块能够沿次梁的长度方向进行移动；螺套的下端固定在第二滑块的顶面中部；第一动平台包括台板、螺杆和圆环形凸台；台板的底面中部设有一个圆环形凸台；螺杆的上端连接在位于圆环形凸台内侧的台板的底面，外表面上形成的螺线，并且转动轴线与圆环形凸台中心线共线，中部贯穿设置在上平台的贯穿孔内，下部螺纹连接在螺套的内部，同时圆环形凸台位于第三动平台的环形轨道内，此时台板的底面与上平台的表面呈面接触，以承担第一动平台的正压力。
所述的基座为六边形或矩形板状结构。
所述的台板为矩形板状结构。
本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构具有如下优点：
1.主梁与次梁保持空间垂直交叉与相互独立，进而由两根梁控制第一动平台，第一驱动支链独立控制第一动平台的两个移动自由度，第二驱动支链独立控制第一动平台另一个移动自由度，实现部分解耦，易于后续控制系统的设计开发。
2.第一动平台通过传动螺旋副实现360°的转动，增大了工作空间。
3.机构支链少，只采用转动副、移动副与螺旋副等简单运动副，整体结构简单且奇异性少，运动稳定。
附图说明
图1为本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构总体结构示意图。
图2为本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构中第一动平台示意图。
图3为本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构中基座示意图。
图4为本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构中第三动平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构进行详细说明。
如图1—图4所示，本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构包括基座1、第一动平台11、第二动平台9、第三动平台5、第一驱动支链Ⅰ和第二驱动支链Ⅱ；所述基座1为板状结构；第一驱动支链Ⅰ包括两个第一铰接支座101、两根第一伸缩杆2和主梁4；两个第一铰接支座101以轴线平行的方式固定在基座1的表面两对角处；每根第一伸缩杆2的下端铰接在一个第一铰接支座101上；主梁4的两端分别铰接在一根第一伸缩杆2的上端；第三动平台5包括第一滑块504、两根支撑杆505和上平台506；第一滑块504的中部形成有一个套在主梁4上的通孔501，因此第一滑块504能够沿主梁4的长度方向进行移动；两根支撑杆505平行设置，上下端分别连接在上平台506的底面和第一滑块504的顶面两侧部位；上平台506的中部形成有一个贯穿孔503，顶面上位于贯穿孔503外侧的部位向下凹陷形成有一个环形轨道502；第二驱动支链Ⅱ包括两个第二铰接支座102、两根第二伸缩杆6和次梁7；两个第二铰接支座102以轴线平行且与第一铰接支座101的轴线相垂直的方式固定在基座1的表面另两对角处；每根第二伸缩杆6的下端铰接在一个第二铰接支座102上；次梁7的中部位于第三动平台5上两根支撑杆505之间，两端分别铰接在一根第二伸缩杆6的上端；第二动平台9包括第二滑块3和螺套10；第二滑块3的中部形成有一个套在次梁7上的通孔，因此第二滑块3能够沿次梁7的长度方向进行移动；螺套10的下端固定在第二滑块3的顶面中部；第一动平台11包括台板113、螺杆114和圆环形凸台111；台板113的底面中部设有一个圆环形凸台111；螺杆114的上端连接在位于圆环形凸台111内侧的台板113的底面，外表面上形成的螺线112，并且转动轴线与圆环形凸台111中心线共线，中部贯穿设置在上平台506的贯穿孔503内，下部螺纹连接在螺套10的内部，同时圆环形凸台111位于第三动平台5的环形轨道502内，此时台板113的底面与上平台506的表面呈面接触，以承担第一动平台11的正压力。
所述的基座1为六边形或矩形板状结构。
所述的台板113为矩形板状结构。
所述第一驱动支链Ⅰ和第二驱动支链Ⅱ的位置关系为：两根第一伸缩杆2连接基座1的转动轴线平行且不共线，两根第二伸缩杆6连接基座1的转动轴线平行且不共线，第一伸缩杆2和第二伸缩杆6的转动轴线相互垂直，因此使主梁4与次梁7保持空间垂直交叉与相互独立；主梁4可独立控制第三动平台5的左右方向移动自由度与竖直方向移动自由度，次梁7可独立控制第二动平台9的前后方向移动自由度与竖直方向移动自由度，第三动平台5独立控制第一动平台11的左右方向移动自由度与竖直方向移动自由度，第二动平台9独立控制第一动平台11的前后方向移动自由度，并通过螺套10和螺杆114的配合控制第一动平台11的竖直方向转动自由度，由此实现部分解耦。
现以主梁4中心线方向作为x轴方向，次梁7中心线方向作为y轴方向，垂直方向作为z轴方向对本发明提供的部分解耦的交叉式四自由度并联机构的工作原理阐述如下：
本四自由度并联机构选取第一驱动支链Ⅰ、第二驱动支链Ⅱ上的第一伸缩杆2及第二伸缩杆6作为主动副，靠彼此间移动或转动配合实现第一动平台11的四自由度的控制。首先第一驱动支链Ⅰ上的两个第一伸缩杆2两端的转动轴线平行于x轴方向，使主梁4保持与x轴方向平行，控制主梁4的y轴方向与z轴方向的两个移动自由度。第二驱动支链Ⅱ与第一驱动支链Ⅰ结构相同，使次梁7保持与y轴方向平行，控制次梁7的x轴方向与z轴方向的两个移动自由度。第三动平台5通过第一滑块504在主梁4上的x轴方向移动自由度，结合主梁4的y轴方向与z轴方向自由度，使第三动平台5具有三个方向的移动自由度，同样的，第二动平台9也具有三个方向的移动自由度。第一动平台11与第三动平台5通过环形轨道502与圆环形凸台111连接及配合，具有三个移动自由度和z轴方向的转动自由度，第一驱动支链Ⅰ独立控制第一动平台11的y轴方向移动自由度与z轴方向移动自由度。第一动平台11与第二动平台9通过螺杆114和螺套10连接及配合，使第二动平台9与第三动平台5的z轴方向距离转化为第一动平台11在z轴方向的转动，同时传动螺旋副10与圆形轨道502转动轴线共线，使三个动平台在x轴方向与y轴方向位置保持相同，第二驱动支链Ⅱ控制x轴方向移动自由度，整体即第一驱动支链Ⅰ独立控制第一动平台11的y轴方向与z轴方向移动自由度，第二驱动支链Ⅱ独立控制x轴方向移动自由度，两驱动支链耦合控制z轴方向转动自由度，使第一动平台11具有三平动一转动共四个自由度。

Claims (3)

1.一种部分解耦的交叉式四自由度并联机构，其特征在于：所述的部分解耦的交叉式四自由度并联机构包括基座(1)、第一动平台(11)、第二动平台(9)、第三动平台(5)、第一驱动支链(Ⅰ)和第二驱动支链(Ⅱ)；所述基座(1)为板状结构；第一驱动支链(Ⅰ)包括两个第一铰接支座(101)、两根第一伸缩杆(2)和主梁(4)；两个第一铰接支座(101)以轴线平行的方式固定在基座(1)的表面两对角处；每根第一伸缩杆(2)的下端铰接在一个第一铰接支座(101)上；主梁(4)的两端分别铰接在一根第一伸缩杆(2)的上端；第三动平台(5)包括第一滑块(504)、两根支撑杆(505)和上平台(506)；第一滑块(504)的中部形成有一个套在主梁(4)上的通孔(501)，因此第一滑块(504)能够沿主梁(4)的长度方向进行移动；两根支撑杆(505)平行设置，上下端分别连接在上平台(506)的底面和第一滑块(504)的顶面两侧部位；上平台(506)的中部形成有一个贯穿孔(503)，顶面上位于贯穿孔(503)外侧的部位向下凹陷形成有一个环形轨道(502)；第二驱动支链( Ⅱ ) 包括两个第二铰接支座(102)、两根第二伸缩杆(6)和次梁(7)；两个第二铰接支座(102)以轴线平行且与第一铰接支座(101)的轴线相垂直的方式固定在基座(1)的表面另两对角处；每根第二伸缩杆(6)的下端铰接在一个第二铰接支座(102)上；次梁(7)的中部位于第三动平台(5)上两根支撑杆(505)之间，两端分别铰接在一根第二伸缩杆(6)的上端；第二动平台(9)包括第二滑块(3)和螺套(10)；第二滑块(3)的中部形成有一个套在次梁(7)上的通孔，因此第二滑块(3)能够沿次梁(7)的长度方向进行移动；螺套(10)的下端固定在第二滑块(3)的顶面中部；第一动平台(11)包括台板(113)、螺杆(114)和圆环形凸台(111)；台板(113)的底面中部设有一个圆环形凸台(111)；螺杆(114)的上端连接在位于圆环形凸台(111)内侧的台板(113)的底面，外表面上形成的螺线(112)，并且转动轴线与圆环形凸台(111)中心线共线，中部贯穿设置在上平台(506)的贯穿孔(503)内，下部螺纹连接在螺套(10)的内部，同时圆环形凸台(111)位于第三动平台(5)的环形轨道(502)内，此时台板(113)的底面与上平台(506)的表面呈面接触，以承担第一动平台(11)的正压力。
2.根据权利要求1所述的部分解耦的交叉式四自由度并联机构，其特征在于：所述的基座(1)为六边形或矩形板状结构。
3.根据权利要求1所述的部分解耦的交叉式四自由度并联机构，其特征在于：所述的台板(113)为矩形板状结构。
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