CN111482986A - 混联型三自由度旋转机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混联型三自由度旋转机构，包括：第一连杆、第一旋转副、第二连杆、第二旋转副、第三连杆、第四连杆、第一球铰副、第一球杆、第一万向副、第二球铰副、第二球杆、连第二万向副、第一驱动机构、第二驱动机构以及第三驱动机构；通过第一、第二驱动机构调节第一、第二球铰副的位置，可调节第三连杆绕第一、第二旋转轴线旋转的角度，通过第三驱动机构可调节第四连杆绕第三旋转轴线旋转的角度，使第四连杆可进行绕X、Y和Z轴旋转的姿态变换。本发明的机构与纯并联机构相比，增大了工作空间，并且可以把驱动部件都固定安装在前置杆件上，可以大幅减轻后置机构的质量，降低前置驱动部件的功率，从而可以使整个机构更紧凑、更灵活。

Description

混联型三自由度旋转机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种混联型三自由度旋转机构。

背景技术

根据运动链的数目，运动机构可分为串联机构和并联机构。串联机构是指若干个单自由度的基本杆件顺序联接，每一个前置杆件的输出运动是后置杆件的输入，从基座到末端执行器之间只有一条运动链的开环机构；并联机构是指定平台（基座）和动平台（末端执行器）通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

串联机构和并联机构各有优缺点。

串联机构具有工作空间大、结构简单和控制算法成熟等优点，目前被广泛应用于工业机械臂等领域。然而，串联机构每个单自由度的杆件都必须配置驱动部件，如电机、电动缸、液压缸或液压马达等，越靠近基座的杆件不但要承担与之相连的下一个杆件的载荷，而且还有来自相应驱动部件的重量。考虑到驱动部件的质量往往比较大，它们在机器人工作时会产生很大的离心载荷，结果就需要功率更大的前置驱动部件，消耗更多的能源。而且，为了保证足够的强度和刚度，串联机械臂的结构常常设计得非常“粗壮”，整个机器人都比较笨重。

并联机构具有以下优点：无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大；完全对称的并联机构具有较好的各向同性。与串联机构相比，并联机构的缺点也比较明显，即工作空间较小。

混联机构是适当整合了串、并联机构优点的一种集成式机构，通常即利用了并联机构的优点，同时又避免了纯并联机构工作空间狭小的缺点。所以混联机构具有很好应用前景，但当前对于实现三自由度旋转驱动的混联型机构，缺少可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混联型三自由度旋转机构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种混联型三自由度旋转机构，包括：第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、通过第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构、用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构以及用于对所述第四连杆提供驱动力以使所述第四连杆相对所述第三连杆转动的第三驱动机构；

所述第一旋转副的第一旋转轴线与Z轴平行，所述第二旋转副的第二旋转轴线与Y轴平行，所述第三旋转副的第三旋转轴线与第二旋转轴线不平行；

分别通过所述第一驱动机构、第二驱动机构调节所述第一球铰副和第二球铰副的位置，可调节所述第二连杆绕所述第一旋转轴线和绕第二旋转轴线旋转的角度，通过第三驱动机构可调节所述第四连杆绕所述第三旋转轴线旋转的角度，从而使所述第四连杆可进行绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态变换。

优选的是，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换。

优选的是，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副。

优选的是，所述第二旋转副和所述第三连杆之间增加一个旋转轴与所述第二旋转轴线不平行的第四旋转副时，所述第一球铰副和/或第二球铰副替换为万向副。

优选的是，所述第一旋转副与第二旋转副位置互换；

所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副与第二旋转副之间通过第三万向副连接。

优选的是，所述第三万向副替换为球铰副时，所述第一球铰副和/或第二球铰副替换为万向副。

优选的是，所述第一驱动机构通过曲柄、滑块或连杆与所述第一球铰副连接时，所述第一驱动机构设置在所述第一连杆上；

所述第二驱动机构通过曲柄、滑块或连杆与所述第二球铰副连接时，所述第二驱动机构设置在所述第一连杆上。

优选的是，所述第三驱动机构通过万向联轴器与第三旋转副连接时，所述第三驱动机构设置在所述第一连杆上。

优选的是，所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，所述第二连杆省去，所述第一连杆与第三连杆通过十字轴连接；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机，所述第一球铰副通过第一曲柄与所述第一电机的输出轴驱动连接，所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机，所述第二球铰副通过第二曲柄与所述第二电机的输出轴驱动连接，所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第三连杆连接；

所述第三驱动机构包括设置在所述第三连杆上的第三电机，所述第四连杆与所述第三电机的输出轴驱动连接。

优选的是，所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，所述第二连杆省去，所述第一连杆与第三连杆通过空心十字轴连接；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机，所述第一球铰副通过第一平行四连杆机构与所述第一电机的输出轴驱动连接，所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机，所述第二球铰副通过第二平行四连杆机构与所述第二电机的输出轴驱动连接，所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第三连杆连接；

所述第三驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第三电机，所述万向联轴器穿过所述空心十字轴中部的空腔，驱动连接所述第四连杆与所述第三电机的输出轴。

本发明的有益效果是：

本发明提出的混联型三自由度旋转驱动机构，与纯并联机构相比，增大了工作空间，并且可以把驱动部件都固定安装在前置杆件上，可以大幅减轻后置机构的质量，降低前置驱动部件的功率，从而可以使整个机构更紧凑、更灵活；该机构可很好的应用于多自由度机械臂中，尤其是机械臂后置关节中。

附图说明

图1为本发明的混联型三自由度旋转机构的原理结构示意图；

图2为本发明的实施例1中的混联型三自由度旋转机构的结构示意图；

图3为本发明的实施例1中的混联型三自由度旋转机构的另一个视角的结构示意图；

图4为本发明的实施例2中的混联型三自由度旋转机构的结构示意图；

图5为本发明的实施例2中的混联型三自由度旋转机构的另一个视角的结构示意图。

附图标记说明：

1—第一连杆；2—第一旋转副；3—第二连杆；4—第二旋转副；5—第三连杆；6—第三旋转副；7—第四连杆；8—第一球铰副；9—第一球杆；10—第一万向副；11—第二球铰副；12—第二球杆；13—第二万向副；14—第一驱动机构；15—第二驱动机构；16—第三驱动机构；17—十字轴；18—第一电机；19—第一曲柄；20—第一万向节；21—第二电机；22—第二曲柄；23—第二万向节；24—第三电机；25—空心十字轴；26—第一平行四连杆机构；27—第二平行四连杆机构；28—万向联轴器；260—第一后曲柄；261—第一摇杆；262—第一前曲柄；270—第二后曲柄；271—第二摇杆；272—第二前曲柄。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种混联型三自由度旋转机构，包括：第一连杆1（L_i-1）、通过第一旋转副2（R₁）与第一连杆1连接的第二连杆3（L_i）、通过第二旋转副4（R₂）与第二连杆3连接的第三连杆5（L_i+1）、通过第三旋转副6（R₃）与第三连杆5连接的第四连杆7（L_i+2）、第一球铰副8（S₁）、第一端与第一球铰副8连接的第一球杆9（l ₁）、连接于第一球杆9的第二端和第三连杆5之间的第一万向副10（U₁）、第二球铰副11（S₂）、第一端与第二球铰副11连接的第二球杆12（l ₂）、连接于第二球杆12的第二端和第三连杆5之间的第二万向副13（U₂）、用于对第一球铰副8提供驱动力的第一驱动机构14、用于对第二球铰副11提供驱动力的第二驱动机构15以及用于对第四连杆7提供驱动力以使第四连杆7相对第三连杆5转动的第三驱动机构16；

第一旋转副2的第一旋转轴线与Z轴平行，第二旋转副4的第二旋转轴线与Y轴平行，第三旋转副6的第三旋转轴线与第二旋转轴线不平行；

分别通过第一驱动机构14、第二驱动机构15提供的驱动力F ₁和F ₂驱动调节第一球铰副8和第二球铰副11的位置，可调节第二连杆3绕第一旋转轴线和绕第二旋转轴线旋转的角度，也即绕Z轴和Y轴，通过第三驱动机构16提供的力矩M ₃可调节第四连杆7绕第三旋转轴线旋转的角度，从而使第四连杆7可在F ₁、F ₂和力矩M ₃的驱动控制下进行绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态变换。

本发明可主要应用于机器人，作为机械臂的三自由度驱动机构。

其中，第一、第二旋转副2、4，第一、第二、第三连杆1、3、5，第一、第二球铰副8、11，第一、第二球杆9、12，第一、第二万向副10、13，第一、第二驱动机构14、15构成二自由度并联旋转关节；第三驱动机构16、第三旋转副6、第四连杆7构成一个单自由度的旋转关节；总体上看，该混联型三自由度旋转机构由一个二自由度并联旋转关节和一个单自由度旋转关节串联而成。

在一种实施例中，第一球杆9两端的第一球铰副8与第一万向副10位置互换，和/或第二球杆12两端的第二球铰副11与第二万向副13位置互换。

在一种实施例中，第一万向副10替换为球铰副，和/或第二万向副13替换为球铰副。

在一种实施例中，第二旋转副4和第三连杆5之间增加一个旋转轴与第二旋转轴线不平行的第四旋转副时，第一球铰副8和第二球铰副11均可替换为万向副。

在一种实施例中，第一旋转副2与第二旋转副4位置可互换；

特别的，第一旋转轴线和第二旋转轴线相交时，第二连杆3省去，第一旋转副2与第二旋转副4之间通过第三万向副连接。

进一步的，第三万向副替换为球铰副时，第一球铰副8和第二球铰副11均可替换为万向副。

在一种实施例中，当第一旋转轴线、第二旋转轴线、第三旋转轴线相交于一点时，机构则能构成机械臂球型手腕。

在一种实施例中，第一驱动机构14通过曲柄、滑块或连杆与第一球铰副8连接时，第一驱动机构14可设置在第一连杆1上；第二驱动机构15通过曲柄、滑块或连杆与第二球铰副11连接时，第二驱动机构15可设置在第一连杆1上。通过将第一驱动机构14、第二驱动机构15安装在该旋转机构的远端（靠近第一连杆1的一端），能减小整体的驱动力或力矩。

在一种实施例中，第三驱动机构16通过万向联轴器28与第三旋转副6连接时，第三驱动机构16可设置在第一连杆1上。进一步的，通过将第三驱动机构16也安装在该旋转机构的远端（靠近第一连杆1的一端），能进一步减小整体的驱动力或力矩。

在一种实施例中，二自由度并联旋转关节可单独作为机械臂的一个驱动机构。

以下在上述基础上提供更为详细的实施例，以对本发明做进一步说明。

实施例1

参照图2-3，本实施例中，第一、第二万向副10、13均选择为万向节；

第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，第二连杆3省去，第一连杆1与第三连杆5通过十字轴17连接（十字轴17相当于集成第一旋转副2和第二旋转副4）；

第一驱动机构14包括设置在第一连杆1上的第一电机18，第一球铰副8通过第一曲柄19与第一电机18的输出轴驱动连接，第一球杆9的第二端通过第一万向节20与第三连杆5连接；

第二驱动机构15包括设置在第一连杆1上的第二电机21，第二球铰副11通过第二曲柄22与第二电机21的输出轴驱动连接，第二球杆12的第二端通过第二万向节23与第三连杆5连接；

第三驱动机构16包括设置在第三连杆5上的第三电机24，第四连杆7与第三电机24的输出轴驱动连接（其中，第三电机24的输出轴相当于第三旋转副6）。当然，第四连杆7也可通过一转轴与第三电机24的输出轴驱动连接（此时，转轴相当于第三旋转副6）。

其中，第一、第二、第三驱动机构14、15、16中还可以包括与电机连接的减速器。

本实施例中的混联型三自由度旋转机构构成近端驱动的机械臂正交球型手腕。参照图3，其工作原理为：第一电机18工作带动第一曲柄19转动，驱动第一球铰副8的位置改变，通过第一球杆9、第一万向节20带动第三连杆5转动；第二电机21工作带动第二曲柄22转动，驱动第二球铰副11的位置改变，通过第二球杆12、第二万向节23带动第三连杆5转动。

第三连杆5绕Z轴和Y轴的旋转是通过第一电机18与第二电机21的配合实现，具体为：

当第一电机18与第二电机21工作使第一球铰副8、第二球铰副11的位置均向前移动（由第一连杆1朝向第四连杆7的方向，即图3中的球铰副旁的箭头所示方向）或是均向后移动时，实现第三连杆5俯仰方向的旋转（即绕Y轴方向，且均向前移动时，第三连杆5仰向旋转，如图3中第三连杆5上的箭头所示方向；均向后移动时，第三连杆5俯向旋转）；

当第一电机18与第二电机21工作，使第一球铰副8、第二球铰副11的位置一个向前一个向后时，实现第三连杆5回转角度调节（即绕Z轴方向，且第一球铰副8向前、第二球铰副11向后移动时，在图3中，第三连杆5逆时针旋转；第一球铰副8向后、第二球铰副11向前移动时，第三连杆5顺时针旋转）；

第三电机24工作直接带动第四连杆7绕第三旋转轴线转动，与绕Z轴和Y轴的旋转叠加，则可实现第四连杆7绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态变换。

实施例2

参照图4-5，本实施例中，第一万向副10、第二万向副13均选择为万向节；第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，第二连杆3省去，第一连杆1与第三连杆5通过空心十字轴25连接（空心十字轴25相当于集成第一旋转副2和第二旋转副4）；

第一驱动机构14包括设置在第一连杆1上的第一电机18，第一球铰副8通过第一平行四连杆机构26与第一电机18的输出轴驱动连接，第一球杆9的第二端通过第一万向节20与第三连杆5连接；

第二驱动机构15包括设置在第一连杆1上的第二电机21，第二球铰副11通过第二平行四连杆机构27与第二电机21的输出轴驱动连接，第二球杆12的第二端通过第二万向节23与第三连杆5连接；

第三驱动机构16包括设置在第一连杆1上的第三电机24，万向联轴器28穿过空心十字轴25中部的空腔，驱动连接第四连杆7与第三电机24的输出轴。此时，万向联轴器28作为第三旋转副6。

第一平行四连杆机构26包括第一后曲柄260、与第一后曲柄260转动连接的第一摇杆261以及下端与第一摇杆261转动连接的第一前曲柄262，第一前曲柄262的上端与第一连杆1转动连接。

第二平行四连杆机构27包括第二后曲柄270、与第二后曲柄270转动连接的第二摇杆271以及下端与第二摇杆271转动连接的第二前曲柄272，第二前曲柄272的上端与第一连杆1转动连接。

本实施例中的混联型三自由度旋转机构构成远端驱动的机械臂正交球型手腕。与实施例1的主要区别是采用了平行四连杆机构以及第三电机24固定在第一连杆1（前置杆件）上，即处于机械臂的远端，从而能进一步减轻机械臂关节处（第四连杆7，即后置机构）的重量，从而降低前置驱动部件的功率，可以使整个机械臂结构更紧凑、更灵活。

参照图4和图5，其工作原理与实施例1类似，具体为：

第一电机18工作通过第一平行四连杆机构26驱动第一球铰副8的位置改变（第一电机18带动第一后曲柄260转动，从而使第一摇杆261摆动，再带动第一前曲柄262转动，从而驱动第一球铰副8的位置改变），再通过第一球杆9、第一万向节20带动第三连杆5转动；

第二电机21工作通过第二平行四连杆机构27驱动第二球铰副11的位置改变（第二电机21带动第二后曲柄270转动，从而使第二摇杆271摆动，再带动第二前曲柄272转动，从而驱动第二球铰副11的位置改变），再通过第二球杆12、第二万向节23带动第三连杆5转动；

第三连杆5绕Z轴和Y轴的旋转是通过第一电机18与第二电机21的配合实现，与实施例1中原理相同，具体为：

当第一电机18与第二电机21工作，使第一球铰副8、第二球铰副11的位置均向前移动（由第一连杆1朝向第四连杆7的方向）或是均向后移动时，实现第三连杆5俯仰方向的旋转（即绕Y轴方向，且均向前移动时，第三连杆5仰向旋转；均向后移动时，第三连杆5俯向旋转）；

当第一电机18与第二电机21工作，使第一球铰副8、第二球铰副11的位置一个向前一个向后时，实现第三连杆5回转角度调节（即绕Z轴方向，且第一球铰副8向前、第二球铰副11向后移动时，第三连杆5逆时针旋转；第一球铰副8向后、第二球铰副11向前移动时，第三连杆5顺时针旋转）；

第三电机24工作，通过万向联轴器28带动第四连杆7绕第三旋转轴线转动，与绕Z轴和Y轴的旋转叠加，则可实现第四连杆7绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态变换。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种混联型三自由度旋转机构，其特征在于，包括：第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、通过第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构、用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构以及用于对所述第四连杆提供驱动力以使所述第四连杆相对所述第三连杆转动的第三驱动机构；

所述第一旋转副的第一旋转轴线与Z轴平行，所述第二旋转副的第二旋转轴线与Y轴平行，所述第三旋转副的第三旋转轴线与第二旋转轴线不平行；

分别通过所述第一驱动机构、第二驱动机构调节所述第一球铰副和第二球铰副的位置，可调节所述第二连杆绕所述第一旋转轴线和绕第二旋转轴线旋转的角度，通过第三驱动机构可调节所述第四连杆绕所述第三旋转轴线旋转的角度，从而使所述第四连杆可进行绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态变换。

2.根据权利要求1所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换。

3.根据权利要求1所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副。

4.根据权利要求1所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第二旋转副和所述第三连杆之间增加一个旋转轴与所述第二旋转轴线不平行的第四旋转副时，所述第一球铰副和/或第二球铰副替换为万向副。

5.根据权利要求1所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一旋转副与第二旋转副位置互换；

所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副与第二旋转副之间通过第三万向副连接。

6.根据权利要求5所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第三万向副替换为球铰副时，所述第一球铰副和/或第二球铰副替换为万向副。

7.根据权利要求5所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一驱动机构通过曲柄、滑块或连杆与所述第一球铰副连接时，所述第一驱动机构设置在所述第一连杆上；

所述第二驱动机构通过曲柄、滑块或连杆与所述第二球铰副连接时，所述第二驱动机构设置在所述第一连杆上。

8.根据权利要求5所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第三驱动机构通过万向联轴器与第三旋转副连接时，所述第三驱动机构设置在所述第一连杆上。

9.根据权利要求7所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，所述第二连杆省去，所述第一连杆与第三连杆通过十字轴连接；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机，所述第一球铰副通过第一曲柄与所述第一电机的输出轴驱动连接，所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机，所述第二球铰副通过第二曲柄与所述第二电机的输出轴驱动连接，所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第三连杆连接；

所述第三驱动机构包括设置在所述第三连杆上的第三电机，所述第四连杆与所述第三电机的输出轴驱动连接。

10.根据权利要求8所述的混联型三自由度旋转机构，其特征在于，所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相交，所述第二连杆省去，所述第一连杆与第三连杆通过空心十字轴连接；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机，所述第一球铰副通过第一平行四连杆机构与所述第一电机的输出轴驱动连接，所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机，所述第二球铰副通过第二平行四连杆机构与所述第二电机的输出轴驱动连接，所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第三连杆连接；

所述第三驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第三电机，所述万向联轴器穿过所述空心十字轴中部的空腔，驱动连接所述第四连杆与所述第三电机的输出轴。

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