CN111975752B - 具有连续转动能力的四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种具有连续转动能力的四自由度并联机构，其特征在于，包括：定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的四个支链；在所述定平台上对称布置有四个驱动装置；所述四个支链结构相同，均包括驱动臂、上连接杆、左连杆及右连杆；所述驱动臂的一端与所述定平台通过转动副连接，该转动副为主动驱动副，并由其中一个对应的驱动装置进行驱动；所述动平台包括十字架、偏心轮轴、连接块A、连杆A、连接块B、连杆B、连接块C、连杆C、连接块D、连杆D。本发明借助对称布置的偏心轮机构，通过错开排列各组偏心轮机构的死点，可以使偏心轮轴顺利地通过死点，从而实现末端执行器在顺时针方向或逆时针方向的无限转动。

Description

具有连续转动能力的四自由度并联机构

技术领域

本发明属于机器人机构设计领域，特别是涉及一种具有连续转动能力的四自由度空间并联机构。

背景技术

具有三维平动和一维转动自由度的并联机构可满足操作对象的空间搬运操作，因此被广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域的自动化生产线上。在该领域内，最先实现应用的并联机构是Clavel提出的Delta机构。但单纯的Delta机构只具有空间平动的三个自由度，不能实现转动自由度。为此，Pierrot等提出了具有铰接动平台的H4、I4和Par4等类型的四自由度并联机构。其中，Par4型并联机构的铰接动平台为一平行四边形，通过增速机构将平行四边形两对边的相对运动转换为末端执行器的转动。由于Par4的整个动平台是通过转动副铰接而成的，使得Par4能实现高速的拾取操作，因此Par4也实现了产业应用，其商品型号为Adept Quattro机械手。类似地，利用平行四边形铰接动平台，专利ZL201110149529.6提出了另一种可实现三维平动和一维转动自由度的并联机构。专利201710056591.8与201910851728.8提出的四自由度并联机构则是利用滑块摇杆机构与锥齿轮实现一维转动。以上提出的四自由度并联机构虽然都能实现一维转动，但转动的范围有限。因为受制于动平台之间的干涉，或转化机构的死点，虽然可以利用增速机构扩大转动范围，但仍然存在转动范围的界限，不能实现顺时针方向或逆时针方向的无限转动。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题，提出了一种具有连续转动能力的四自由度并联机构。本发明的技术方案如下：

一种具有连续转动能力的四自由度并联机构，其包括：定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；在所述定平台上对称布置有四个驱动装置；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同，均包括驱动臂、上连接杆、左连杆及右连杆；所述驱动臂的一端与所述定平台通过转动副连接，该转动副为主动驱动副，并由其中一个对应的驱动装置进行驱动；所述驱动臂的另一端与所述上连接杆固接；所述上连接杆包括左、右两个球接头；所述左连杆和右连杆结构相同，均包括上端与下端两个铰接孔，所述左连杆和右连杆的上端铰接孔与所述上连接杆的左、右两个球接头分别连接。

进一步地，所述动平台包括十字架、偏心轮轴、连接块A、连杆A、连接块B、连杆B、连接块C、连杆C、连接块D、连杆D；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D结构相同，均包括两个球接头与一个转动轴；所述连接块A的两个球接头分别与所述第一支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块B的两个球接头分别与所述第二支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块C的两个球接头分别与所述第三支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块D的两个球接头分别与所述第四支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D分别与所述十字架的一端通过移动副连接；所述连接块A与所述连接块C的移动方向相互重合；所述连接块B与所述连接块D的移动方向相互重合；所述偏心轮轴对称固设有偏心轮盘A、偏心轮盘B、偏心轮盘C、偏心轮盘D；所述偏心轮盘A与偏心轮盘B间隔布置，且偏心方向相同；所述偏心轮盘C与偏心轮盘D间隔布置，且偏心方向与所述偏心轮盘A与偏心轮盘B的偏心方向相反，两者夹角为180度；所述偏心轮盘C位于所述偏心轮盘A的上方；所述偏心轮盘D位于所述偏心轮盘B的下方；所述连杆A的一端通过转动副与所述偏心轮盘A连接，所述连杆A的另一端通过转动副与所述连接块A的转动轴连接；所述连杆B的一端通过转动副与所述偏心轮盘B连接，所述连杆B的另一端通过转动副与所述连接块B的转动轴连接；所述连杆C的一端通过转动副与所述偏心轮盘C连接，所述连杆C的另一端通过转动副与所述连接块C的转动轴连接；所述连杆D的一端通过转动副与所述偏心轮盘D连接，所述连杆D的另一端通过转动副与所述连接块D的转动轴连接；所述连杆A、连杆C、偏心轮盘A、偏心轮盘C位于所述十字架的上方；所述连杆B、连杆D、偏心轮盘B、偏心轮盘D位于所述十字架的下方；所述十字架的中心位置开有圆孔；所述偏心轮轴的中间轴端与所述十字架的中心圆孔组成转动副，允许所述偏心轮轴相对于所述十字架进行相对连续转动；所述偏心轮轴的下端安装有末端执行器。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明具有的优点和积极效果是：(1)本发明采用四组对称布置的偏心轮机构，通过错开排列各组偏心轮机构的死点，可以使偏心轮轴顺利地通过死点并进行连续转动；(2)四组支链只需要相对十字架作特定的往复直线运动，偏心轮轴就可以实现顺时针方向或逆时针方向的无限转动；(3)对称设计的偏心轮机构以及偏心轮轴，可以完全平衡各组偏心轮机构产生的惯性力与惯性力矩，提高整个机构的动态响应品质；(4)偏心轮轴的转动是通过四组支链的配合运动实现的，因此每一组支链都与偏心轮轴的转动相关，从而可以提高整个机构在转动方向上的刚度以及运动精度。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的结构示意图；

图2为本发明的第一支链的结构示意图；

图3为本发明的动平台的结构示意图；

图4为本发明的偏心轮轴的结构示意图；

图5为本发明的十字架的结构示意图；

图6为本发明的连接块A的结构示意图；

图7为本发明的连杆A的结构示意图；

其中，第一支链-1，第二支链-2，第三支链-3，第四支链4，动平台-5，定平台-6，驱动臂-7，驱动装置-8，上连接杆-9，左连杆-10，右连杆-11，连杆A-51，连接块A-52，十字架-53，连接块B-54，连杆B-55，末端执行器-56，连接块C-57，连杆C-58，连接块D-59，连杆D-510，偏心轮轴-511，偏心轮盘A-12，偏心轮盘B-13，偏心轮盘C-14，偏心轮盘D-15，中心圆孔-17，转动轴-18，球接头-19。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提出的一种具有连续转动能力的四自由度并联机构，其特征在于：包括定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；在所述定平台上对称布置有四个驱动装置；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同，均包括驱动臂、上连接杆、左连杆、右连杆；所述驱动臂的一端与所述定平台通过转动副连接，该转动副为主动驱动副，并由其中一个驱动装置进行驱动；所述驱动臂的另一端与所述上连接杆固接；所述上连接杆包括左、右两个球接头；所述左连杆和右连杆结构相同，均包括上端与下端两个铰接孔；所述左连杆和右连杆的上端铰接孔与所述上连接杆的左、右两个球接头分别连接；所述动平台包括十字架、偏心轮轴、连接块A、连杆A、连接块B、连杆B、连接块C、连杆C、连接块D、连杆D；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D结构相同，均包括两个球接头与一个转动轴；所述连接块A的两个球接头分别与所述第一支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块B的两个球接头分别与所述第二支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块C的两个球接头分别与所述第三支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块D的两个球接头分别与所述第四支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D分别与所述十字架的一端通过移动副连接；所述连接块A与所述连接块C的移动方向相互重合；所述连接块B与所述连接块D的移动方向相互重合；所述偏心轮轴对称固设有偏心轮盘A、偏心轮盘B、偏心轮盘C、偏心轮盘D；所述偏心轮盘A与偏心轮盘B间隔布置，且偏心方向相同；所述偏心轮盘C与偏心轮盘D间隔布置，且偏心方向与所述偏心轮盘A与偏心轮盘B的偏心方向相反，两者夹角为180度；所述偏心轮盘C位于所述偏心轮盘A的上方；所述偏心轮盘D位于所述偏心轮盘B的下方；所述连杆A的一端通过转动副与所述偏心轮盘A连接，所述连杆A的另一端通过转动副与所述连接块A的转动轴连接；所述连杆B的一端通过转动副与所述偏心轮盘B连接，所述连杆B的另一端通过转动副与所述连接块B的转动轴连接；所述连杆C的一端通过转动副与所述偏心轮盘C连接，所述连杆C的另一端通过转动副与所述连接块C的转动轴连接；所述连杆D的一端通过转动副与所述偏心轮盘D连接，所述连杆D的另一端通过转动副与所述连接块D的转动轴连接；所述连杆A、连杆C、偏心轮盘A、偏心轮盘C位于所述十字架的上方；所述连杆B、连杆D、偏心轮盘B、偏心轮盘D位于所述十字架的下方；所述十字架的中心位置开有圆孔；所述偏心轮轴的中间轴端与所述十字架的中心圆孔组成转动副，允许所述偏心轮轴相对于所述十字架进行相对连续转动；所述偏心轮轴的下端安装有末端执行器。

本发明的工作原理：本发明采用了四组具有相同结构的支链，并分别通过所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D与动平台相连；所述动平台包含四组对称布置的偏心轮机构，通过偏心轮轴将四组偏心轮机构连接起来，形成具有一个转动自由度的组合偏心轮机构；通过控制所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链中的驱动臂，实现所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D的三维平移运动；当所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D相对所述十字架作特定的往复直线运动时，通过组合偏心轮机构，可以实现所述末端执行器的一维无限转动。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种具有连续转动能力的四自由度并联机构，其特征在于，包括：

定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；在所述定平台上对称布置有四个驱动装置；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同，均包括驱动臂、上连接杆、左连杆及右连杆；所述驱动臂的一端与所述定平台通过转动副连接，该转动副为主动驱动副，并由其中一个对应的驱动装置进行驱动；所述驱动臂的另一端与所述上连接杆固接；所述上连接杆包括左、右两个球接头；所述左连杆和右连杆结构相同，均包括上端与下端两个铰接孔，所述左连杆和右连杆的上端铰接孔与所述上连接杆的左、右两个球接头分别连接；

所述动平台包括十字架、偏心轮轴、连接块A、连杆A、连接块B、连杆B、连接块C、连杆C、连接块D、连杆D；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D结构相同，均包括两个球接头与一个转动轴；所述连接块A的两个球接头分别与所述第一支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块B的两个球接头分别与所述第二支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块C的两个球接头分别与所述第三支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块D的两个球接头分别与所述第四支链中的左连杆、右连杆的下端铰接孔连接；所述连接块A、连接块B、连接块C、连接块D分别与所述十字架的一端通过移动副连接；所述连接块A与所述连接块C的移动方向相互重合；所述连接块B与所述连接块D的移动方向相互重合；所述偏心轮轴对称固设有偏心轮盘A、偏心轮盘B、偏心轮盘C、偏心轮盘D；所述偏心轮盘A与偏心轮盘B间隔布置，且偏心方向相同；所述偏心轮盘C与偏心轮盘D间隔布置，且偏心方向与所述偏心轮盘A与偏心轮盘B的偏心方向相反，两者夹角为180度；所述偏心轮盘C位于所述偏心轮盘A的上方；所述偏心轮盘D位于所述偏心轮盘B的下方；所述连杆A的一端通过转动副与所述偏心轮盘A连接，所述连杆A的另一端通过转动副与所述连接块A的转动轴连接；所述连杆B的一端通过转动副与所述偏心轮盘B连接，所述连杆B的另一端通过转动副与所述连接块B的转动轴连接；所述连杆C的一端通过转动副与所述偏心轮盘C连接，所述连杆C的另一端通过转动副与所述连接块C的转动轴连接；所述连杆D的一端通过转动副与所述偏心轮盘D连接，所述连杆D的另一端通过转动副与所述连接块D的转动轴连接；所述连杆A、连杆C、偏心轮盘A、偏心轮盘C位于所述十字架的上方；所述连杆B、连杆D、偏心轮盘B、偏心轮盘D位于所述十字架的下方；所述十字架的中心位置开有圆孔；所述偏心轮轴的中间轴端与所述十字架的中心圆孔组成转动副，允许所述偏心轮轴相对于所述十字架进行相对连续转动；所述偏心轮轴的下端安装有末端执行器。

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