CN112192550A - 一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构 - Google Patents

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柴馨雪
徐灵敏
李秦川
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Abstract

本发明涉及工业机器人领域。技术方案是：一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支；所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一移动副、第一球铰、第一连杆以及第二球铰；所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的第二移动副、第一转动副、第二连杆以及第一虎克铰；第二分支中：第一虎克铰的第一转动轴与动平台相连，与第二连杆相连的第一虎克铰的第二转动轴轴线与第一转动副轴线平行且垂直于第二移动副移动轴线。该并联机构具有精度/刚度高、操作速度快、动态性能好、承载能力大的优点。

Description

一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，具体是一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构。
背景技术
并联机构为空间多闭环机构，其定平台和动平台由两条及以上的分支并联起来，通过驱动分支改变动平台的位置和姿态，实现多自由度输出。相比于传统的串联机构，并联机构具有整体刚度好、精度高、负载能力强、动态性能佳等优势，在学界和工业界得到了广泛的关注与应用，已用于物料搬运分拣、焊接喷涂、曲面打磨加工等。
在少自由度并联机构的构型中，大多为三自由度并联机构，如两转动一移动三自由度并联机构(如Z3并联主轴头)可通过结合两个串联移动导轨或两自由度串联摆角头形成五自由度混联加工机器人，用于航空结构件的加工打磨等领域。相比于三自由度并联机构，两转动两移动四自由度并联机构的相关构型设计较少，其可用于物料搬运和零件加工等领域，亦可通过结合单自由度移动导轨形成五自由度混联加工机器人，该方式中由于单自由度串联导轨带来的误差较小，在高精度领域具有一定优势。另外，通过构型可设计出约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，可提高承载能力和避免一些奇异位型。因此，设计出一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，该并联机构具有精度/刚度高、操作速度快、动态性能好、承载能力大的优点。
本发明提供的技术方案是：
一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支；
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一移动副、第一球铰、第一连杆以及第二球铰；
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的第二移动副、第一转动副、第二连杆以及第一虎克铰；第二分支中：第一虎克铰的第一转动轴与动平台相连，与第二连杆相连的第一虎克铰的第二转动轴轴线与第一转动副轴线平行且垂直于第二移动副移动轴线。
所述两个第一分支对称于第二分支布置，所述两个第二分支对称于第一分支布置；两个第二分支中：两个第一虎克铰的第一转动轴轴线重合；两个第一虎克铰的第二转动轴轴线相互平行。
所述第一移动副包括与机架连接的第一移动副导轨，以及与第一球铰连接且与第一移动副导轨滑动配合的第一移动副滑块；所述第二移动副包括与机架连接的第二移动副导轨，以及与第一转动副连接且与第二移动副导轨滑动配合的第二移动副滑块。
所述第一移动副导轨轴线与第二移动副导轨轴线均垂直于水平面布置。
所述第一移动副与第二移动副为驱动副；所述第一移动副与第二移动副的驱动机构均为电机带动的滚珠丝杠机构。
一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支；
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一轴承座和第二轴承座、第三虎克铰、第三移动副以及第三球铰；第三虎克铰的第一转动轴，与安装在机架上的第一轴承座和第二轴承座配合形成转动副；第三移动副滑块与第三移动副连杆配合形成第三移动副；第三虎克铰的第二转动轴与第三移动副滑块连接；第三虎克铰的第二转动轴轴线垂直于第三移动副轴线；
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的机架转动副、第四移动副以及第四虎克铰；机架转动副由安装在机架上的第三轴承座和第四轴承座，与连接第四移动副滑块的转轴配合形成；所述第四移动副由第四移动副滑块，与连接第四虎克铰的第四移动副连杆配合形成；与第四移动副连杆连接的第四虎克铰的第二转动轴轴线，平行于机架转动副轴线且垂直于第四移动副轴线。
所述两个第一分支对称于两个第二分支布置；两个第一分支中：与机架连接的两个第三虎克铰的第一转动轴轴线重合，两个第三虎克铰的第二转动轴轴线平行；两个第二分支对称于两个第一分支布置；两个第二分支中：与动平台连接的两个第四虎克铰的第一转动轴轴线重合，两个第四虎克铰的第二转动轴轴线平行。
所述第三移动副连杆与第三球铰连接；第四移动副滑块与机架转动副的转轴连接。
所述第三移动副与第四移动副为驱动副；所述第三移动副与第四移动副的驱动机构均为电机带动的滚珠丝杠机构。
本发明的有益效果是：
本发明提出的并联机构是一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，具有刚度/精度高、动态响应性能好、承载能力大等优点，可用于复杂曲面的打磨抛光加工、物料分拣搬运等领域。
附图说明
图1为本发明实施例一的立体结构示意图。
图2为图1中第一分支的立体结构示意图。
图3为图1中第二分支的立体结构示意图。
图4为本发明实施例二的立体结构示意图。
图5为图4中第一分支的立体结构示意图。
图6为图4中第二分支的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图所示的实施例，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例一
如图1，2，3所示，一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，包括机架(图中省略)、动平台1以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支。
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一移动副导轨11、第一移动副滑块12(第一移动副导轨与第一移动副滑块配合形成第一移动副)、第一球铰13、第一连杆14以及第二球铰15；第一分支中：第一球铰连接于第一连杆与第一移动副之间，第二球铰连接于第一连杆与动平台之间。
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的第二移动副导轨21、第二移动副滑块22(第二移动副导轨与第二移动副滑块配合形成第二移动副)、第一转动副23、第二连杆24以及第一虎克铰25；第二分支中：第一虎克铰的第一转动轴与动平台相连，与第二连杆相连的第一虎克铰的第二转动轴轴线与第一转动副轴线平行且垂直于第二移动副移动轴线。
所述两个第一分支对称于第二分支布置，所述两个第二分支对称于第一分支布置。两个第二分支中：两个第一虎克铰的第一转动轴轴线重合；两个第一虎克铰的第二转动轴轴线相互平行。
本实施例中，所述第一移动副导轨与第二移动副导轨均垂直于水平面布置。
本实施例中，驱动副为第一分支和第二分支中的移动副，驱动机构可选用为电机带动的滚柱丝杠(图中省略)；当驱动副运动时，该并联机构可作两转动两移动四自由度运动。其中的两转动分别是绕两个第一虎克铰第一转动轴轴线的转动和绕两个第二球铰中心连线的转动，两移动分别是沿着移动副导轨方向的移动和沿着垂直于两个第二移动副导轨平面方向的移动。
实施例二
如图4，5，6所示，一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，包括机架(图中省略)、动平台1以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支。
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一轴承座31和第二轴承座32(两个轴承座的转动轴线共轴)、第三虎克铰33、第三移动副滑块34、第三移动副连杆35(第三移动副滑块与第三移动副连杆配合形成第三移动副)、第三球铰36；第一轴承座和第二轴承座安装在机架上，与第三虎克铰的第一转动轴配合形成转动副；第三移动副滑块与第三虎克铰的第二转动轴37连接，第三移动副连杆与第三球铰连接；第三虎克铰的第二转动轴轴线(即第三虎克铰与第三移动副滑块连接的转动轴轴线)垂直于转动副轴线和第三移动副轴线。
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的第三轴承座41和第四轴承座42(两个轴承座的转动轴线共轴)、第四移动副滑块43、第四移动副连杆44(第四移动副滑块与第四移动副连杆配合形成第二移动副)、第四虎克铰45；第三轴承座和第四轴承座安装在机架上，与第四移动副滑块连接的转轴46与第三轴承座和第四轴承座配合形成机架转动副；第四移动副滑块与机架转动副的转轴46连接；第四虎克铰的第二转动轴轴线(即第四虎克铰与第四移动副连杆连接的转动轴轴线)平行于机架转动副轴线，且垂直于第四移动副轴线。
所述两个第一分支对称于两个第二分支布置；两个第一分支中：与机架连接的两个第三虎克铰的第一转动轴轴线重合；两个第三虎克铰的第二转动轴轴线平行。所述两个第二分支对称于两个第一分支布置；两个第二分支中：与动平台连接的两个第四虎克铰第一转动轴轴线重合；两个第四虎克铰第二转动轴轴线相互平行。
本实施例中，驱动副为第一分支和第二分支中的移动副，驱动机构可选用为电机带动的滚柱丝杠(图中省略)；当驱动副运动时，该并联机构可作两转动两移动四自由度运动。其中的两转动分别是绕两个第四虎克铰第一转动轴轴线的转动和绕两个第三球铰中心连线的转动，两移动分别是垂直于由四个轴承座的轴孔中心线所组成平面的移动和沿着两个第四移动副滑块中心连线的移动。

Claims (9)

1.一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台(1)以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支；
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一移动副、第一球铰(13)、第一连杆(14)以及第二球铰(15)；
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的第二移动副、第一转动副(23)、第二连杆(24)以及第一虎克铰(25)；第二分支中：第一虎克铰的第一转动轴与动平台相连，与第二连杆相连的第一虎克铰的第二转动轴轴线与第一转动副轴线平行且垂直于第二移动副移动轴线。
2.根据权利要求1所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述两个第一分支对称于第二分支布置，所述两个第二分支对称于第一分支布置；两个第二分支中：两个第一虎克铰的第一转动轴轴线重合；两个第一虎克铰的第二转动轴轴线相互平行。
3.根据权利要求2所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述第一移动副包括与机架连接的第一移动副导轨(11)，以及与第一球铰连接且与第一移动副导轨滑动配合的第一移动副滑块(12)；所述第二移动副包括与机架连接的第二移动副导轨(21)，以及与第一转动副连接且与第二移动副导轨滑动配合的第二移动副滑块(22)。
4.根据权利要求3所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述第一移动副导轨轴线与第二移动副导轨轴线均垂直于水平面布置。
5.根据权利要求4所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述第一移动副与第二移动副为驱动副；所述第一移动副与第二移动副的驱动机构均为电机带动的滚珠丝杠机构。
6.一种约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台(1)以及并联连接在机架与动平台之间的两个第一分支和两个第二分支；
所述第一分支包括依次连接在机架与动平台之间的第一轴承座(31)和第二轴承座(32)、第三虎克铰(33)、第三移动副以及第三球铰(36)；第三虎克铰的第一转动轴，与安装在机架上的第一轴承座(31)和第二轴承座(32)配合形成转动副；第三移动副滑块(34)与第三移动副连杆(35)配合形成第三移动副；第三虎克铰的第二转动轴(37)与第三移动副滑块(34)连接；第三虎克铰的第二转动轴轴线垂直于第三移动副轴线；
所述第二分支包括依次连接在机架与动平台之间的机架转动副、第四移动副以及第四虎克铰(45)；机架转动副由安装在机架上的第三轴承座(41)和第四轴承座(42)，与连接第四移动副滑块的转轴(46)配合形成；所述第四移动副由第四移动副滑块(43)，与连接第四虎克铰的第四移动副连杆(44)配合形成；与第四移动副连杆(44)连接的第四虎克铰的第二转动轴轴线，平行于机架转动副轴线且垂直于第四移动副轴线。
7.根据权利要求6所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述两个第一分支对称于两个第二分支布置；两个第一分支中：与机架连接的两个第三虎克铰的第一转动轴轴线重合，两个第三虎克铰的第二转动轴轴线平行；两个第二分支对称于两个第一分支布置；两个第二分支中：与动平台连接的两个第四虎克铰的第一转动轴轴线重合，两个第四虎克铰的第二转动轴轴线相互平行。
8.根据权利要求7所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述第三移动副连杆(35)与第三球铰(36)连接；第四移动副滑块(43)与机架转动副的转轴(46)连接。
9.根据权利要求8所述的约束冗余的两转动两移动四自由度并联机构，其特征在于：所述第三移动副与第四移动副为驱动副；所述第三移动副与第四移动副的驱动机构均为电机带动的滚珠丝杠机构。
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