CN112621723A - 一种5ups-2rp(u)冗余驱动并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5UPS‑2RP(U)冗余驱动并联机器人，包括静平台和动平台，还包括连接静平台、动平台的五条UPS驱动支链和两条RP(U)被动约束支链；每条驱动支链的结构相同，均包括移动副一，移动副一作为驱动关节，其上端通过虎克铰与静平台连接，下端通过球副与动平台连接；五条UPS驱动支链均匀分布在被动约束支链周围，被动约束支链位于结构中心位置对称分布，两条被动约束支链结构相同，均包括移动副二，两个移动副二作为被动关节，上端分别与静平台通过转动副连接，下端通过同一虎克铰与动平台中心主轴连接。本发明涉及的并联机器人具有四个自由度和五个驱动支链数目，具有较好的刚度和承载能力，可以进行驱动力优化，改善并联机构的支链之间的内力。

Description

一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人

技术领域

本发明涉及并联机器人技术领域，特别是一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人。

背景技术

并联机器人虽然具有刚度大、精度高的特点，但是对于一些机构在某些姿态容易存在奇异位形，解决方式便是采用冗余驱动进行改善。一般冗余驱动并联机构多是直接添加驱动支链、把被动关节改为驱动关节，或者是前两种方法的混合方式，使得驱动数目大于自由度数目。这样设计所需要的自由度的冗余驱动并联机构，需要先找到对应的并联机构构型才能添加驱动支链或驱动关节，设计方法较为复杂，而且无法有针对性地对限制自由度方向进行约束的加强，较难改善机构性能。

发明内容

本发明提供一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，采用两条约束支链和五条驱动支链组合的方式获得冗余驱动并联机构，约束支链的存在使组合而来的机构自由度数目小于驱动的数目，可以实现两个转动和两个平动的运动自由度，提高了机构的刚度和承载力。

本发明采用的技术方案如下：

一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，包括静平台和动平台，还包括连接静平台、动平台的五条UPS驱动支链和两条RP(U)被动约束支链；每条所述驱动支链的结构相同，均包括移动副一，所述移动副一作为驱动关节，其上端通过虎克铰与静平台连接，下端通过球副与动平台连接；

五条UPS驱动支链均匀分布在两条所述被动约束支链周围，所述被动约束支链S2包括移动副二，两条所述被动约束支链的移动副二作为被动关节，上端各通过一转动副与静平台连接，下端通过同一虎克铰与所述动平台的中心连接。

所述移动副一包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副一的固定端通过虎克铰一与所述静平台连接，所述移动副一的伸缩端通过所述球副与所述动平台连接；

所述移动副二包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，两个所述移动副二的固定端各通过一个所述转动副与所述静平台连接，两个所述移动副二的伸缩端通过虎克铰二与安装在所述动平台中心位置的连接主轴连接，使得所述动平台具有绕所述虎克铰二的两个转轴进行转动的两个转动自由度，以及在两个所述移动副二的轴线构成的平面内沿垂直方向和水平方向的两个平移自由度。

所述虎克铰二的铰支座与所述连接主轴固定连接，所述铰支座通过转轴一和与其垂直的转轴二连接，两个所述移动副二的伸缩端分别与所述转轴二的两端连接。

所述静平台上沿周向均匀开有五个通孔，分别用于容纳五个移动副一的固定端穿设于其中，所述虎克铰一设置于所述通孔孔口的外部，且五个虎克铰一分布于以两个所述转动副对称中心点为圆心的圆上。

五条UPS驱动支链的五个球副，分布于以所述连接主轴为圆心的圆上。

两条所述被动约束支链关于静平台和动平台中心位置的连线对称。

所述移动副一采用直线驱动装置。

所述移动副一采用电动缸、气缸或液压缸，或者采用由电机驱动的伸缩杆机构。

所述移动副二的固定端为定位套筒，所述移动副二的伸缩端为沿所述定位套筒的轴向滑动的伸缩杆。即所述移动副二没有驱动作用，为被动关节。

本发明的有益效果如下：

本发明通过增加约束支链，使得机构具有两条约束支链，即通过约束机构的部分自由度，使自由度数目小于驱动的数目，使得机构具有冗余驱动的优越性能。本发明具有两个旋转和两个平移共四个自由度，可满足数控机床和重载搬运等大载荷应用的大多数需求，具有较好的应用前景。

本发明通过添加约束支链的方式获得冗余驱动，机构自由度与约束支链相同，设计构型的方式相对简单，还可以有针对性地对限制自由度方向进行约束的加强，改善机构性能。

本发明相对于传统的非冗余驱动并联机器人优势在于，驱动支链数目多于机构自由度数目，具有冗余驱动特性，改善了机构的刚度和承载能力，并可以消除并联机构工作空间内的奇异位形。

本发明驱动结构与约束结构都采用常见直线运动装置和运动副关节，制造难度低，结构简单，工作可靠性高，适用于多自由度操作的大载荷应用领域。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为图1的另一视角。

图3为本发明虎克铰二的安装结构示意图。

图中：1、虎克铰一；2、移动副一；3、球副；4、转动副；5、移动副二；6、虎克铰二；7、静平台；8、动平台；9、连接主轴；10、电机；S1、驱动支链；S2、被动约束支链；21、连接套筒；22、连接杆；51、定位套筒；52、伸缩杆；60、铰支座；61、转轴一；62、转轴二。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1和图2所示，本实施例的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，包括静平台7和动平台8，还包括连接静平台7、动平台8的五条UPS驱动支链S1和两条RP(U)被动约束支链S2；

每条驱动支链S1的结构相同，均包括移动副一2，移动副一2作为驱动关节，其两端分别与静平台7、动平台8通过虎克铰连接；

五条UPS驱动支链S1均匀分布在被动约束支链S2周围，被动约束支链S2包括移动副二5，移动副二5作为驱动关节，其上端与静平台7通过转动副4连接，下端与动平台8中心连接主轴9通过虎克铰连接。

进一步地，移动副一2包括固定端、沿固定端相对移动的伸缩端，移动副一2的固定端通过虎克铰一1与静平台7连接，移动副一2的伸缩端通过球副3与动平台8连接；

移动副二5包括固定端、沿固定端相对移动的伸缩端，两个移动副二5的固定端分别通过转动副4与静平台7连接，两个移动副二5的伸缩端通过同一个虎克铰二6与动平台8中心连接主轴9连接，使得所述动平台8具有绕所述虎克铰二6的两个转轴进行转动的两个转动自由度，以及在两所述移动副二5的轴线构成的平面内沿垂直方向和水平方向的两个平移自由度。

具体地，如图1所述，本实施例的虎克铰一1采用本领域常用的“虎克铰”结构，包括与静平台7连接的铰座和一个与移动副一2固定端连接的框体，铰座的铰接孔中的转轴与框体转动连接，框体内设有一与移动副一2固定端连接的转轴，框体内的转轴与铰座上的转轴的轴线交于一点。

如图3所示，本实施例采用的虎克铰二6的结构包括一个与动平台8中心的连接主轴9固定连接的铰支座60，铰支座60中的铰接孔中设有转轴一61，转轴一61上设有与其垂直相接的转轴二62，转轴二62两端分别与两个移动副二5的伸缩端连接。

如图2、图3所示，虎克铰二6的转轴一61与转动副4的转轴方向相一致。

作为一种实施形式，移动副二5的固定端为定位套筒51，所述移动副二5的伸缩端为沿所述定位套筒51轴向滑动的伸缩杆52。

静平台7上沿周向均匀开有五个通孔，分别用于容纳五个移动副一2的固定端穿设于其中，虎克铰一1设置于通孔孔口的外部，且五个虎克铰一1分布于以所述转动副对称中心点为圆心的圆上。

五条UPS驱动支链S1的五个球副3，分布于以移动副二5的伸缩端与动平台8中心连接主轴9的连接点为圆心的圆上。

具体地，根据实际需求和空间布置需求，五个虎克铰一1间距相同，且相邻虎克铰一1与中心点圆心形成的角度均为72度。

具体地，根据实际需求和空间布置需求，五个球副3间距相同，且相邻球副3与中心点圆心形成的角度均为72度。

具体地，移动副一2采用直线驱动装置，如电动缸、液压缸或气缸等，或者采用由电机10驱动的伸缩杆机构。

如图2所示，伸缩杆机构具体为：包括连接套筒21和连接杆22，连接杆22可由电机10驱动沿连接套筒21移动。

如图2所示，连接主轴9穿插于动平台8中心，上端固定有虎克铰二6，下端可用于安装末端执行器或连接加工部件。

具体地，静平台7、动平台8具体平台的支撑和连接功能，其具体结构形式可根据实际应用需求进行设计即可。

本实施例采用的静平台7为矩形(或圆形)平台、动平台8为圆形平台，两被动约束支链S2关于两平台中心位置的连线对称，五条驱动支链S1沿矩形平台的中心点圆周均匀分布。

工作时，静平台7与固定机架固定安装，并利用动平台8上的连接主轴9安装末端执行器进行工作。以五条驱动支链S1的移动副一2作驱动，带动动平台8绕所述虎克铰二6的两个转轴做转动，以及在两个移动副二5的轴线构成的平面内沿垂直方向和水平方向做平动。

本实施例的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人驱动支链数目多于机构自由度数目，为具有四自由度的冗余驱动并联机器人，其中，两个转动及两个平动的自由度如图2中箭头所示。

本发明中U、P、S、R为本领域常用的关于运动副的英文缩写，分别表示虎克铰、移动幅、球幅和转动副。本发明名称中“RP(U)”中的“()”的含义为两条被动约束支链S2共用一个U连接，特此说明。

Claims (9)

1.一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，包括静平台(7)和动平台(8)，其特征在于，还包括连接静平台(7)、动平台(8)的五条UPS驱动支链(S1)和两条RP(U)被动约束支链(S2)；

每条所述驱动支链(S1)的结构相同，均包括移动副一(2)，所述移动副一(2)作为驱动关节，其上端通过虎克铰与静平台(7)连接，下端通过球副(3)与动平台(8)连接；

五条UPS驱动支链(S1)均匀分布在两条所述被动约束支链(S2)周围，所述被动约束支链(S2)包括移动副二(5)，两条所述被动约束支链(S2)的移动副二(5)作为被动关节，上端各通过一转动副(4)与静平台(7)连接，下端通过同一虎克铰与所述动平台(8)的中心连接。

2.根据权利要求1所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副一(2)包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副一(2)的固定端通过虎克铰一(1)与所述静平台(7)连接，所述移动副一(2)的伸缩端通过所述球副(3)与所述动平台(8)连接；

所述移动副二(5)包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，两个所述移动副二(5)的固定端各通过一个所述转动副(4)与所述静平台(7)连接，两个所述移动副二(5)的伸缩端通过虎克铰二(6)与安装在所述动平台(8)中心位置的连接主轴(9)连接，使得所述动平台(8)具有绕所述虎克铰二(6)的两个转轴进行转动的两个转动自由度，以及在两个所述移动副二(5)的轴线构成的平面内沿垂直方向和水平方向的两个平移自由度。

3.根据权利要求2所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述虎克铰二(6)的铰支座(60)与所述连接主轴(9)固定连接，所述铰支座(60)通过转轴一(61)和与其垂直的转轴二(62)连接，两个所述移动副二(5)的伸缩端分别与所述转轴二(62)的两端连接。

4.根据权利要求2所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述静平台(7)上沿周向均匀开有五个通孔，分别用于容纳五个移动副一(2)的固定端穿设于其中，所述虎克铰一(1)设置于所述通孔孔口的外部，且五个虎克铰一(1)分布于以两个所述转动副(4)对称中心点为圆心的圆上。

5.根据权利要求2所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，五条UPS驱动支链(S1)的五个球副(3)，分布于以所述连接主轴(9)为圆心的圆上。

6.根据权利要求2所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，两条所述被动约束支链(S2)关于静平台(7)和动平台(8)中心位置的连线对称。

7.根据权利要求2-6之一所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副一(2)采用直线驱动装置。

8.根据权利要求7所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副一(2)采用电动缸、气缸或液压缸，或者采用由电机(10)驱动的伸缩杆机构。

9.根据权利要求2-6之一所述的5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副二(5)的固定端为定位套筒(51)，所述移动副二(5)的伸缩端为沿所述定位套筒(51)轴向滑动的伸缩杆(52)。

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