CN112743519B - 具有俯仰转动的空间三移动和一转动的四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有俯仰转动的空间三移动和一转动的四自由度并联机构，包括：支撑在框架组件的四个不同位置的四个驱动支链，每个驱动支链包括滑块和连杆组件，四个驱动支链的滑块都被设置成沿互相平行的直线方向运动，该连杆组件的第一端通过球面副与滑块连接；具有自转轴的动平台，该动平台分别与每个驱动支链的连杆组件的第二端通过球面副连接；其中，四个驱动支链包括第一驱动支链、与第一驱动支链相邻布置的第二驱动支链、与第一驱动支链相对布置的第三驱动支链和与第二驱动支链相对布置的第四驱动支链。本发明的机构能实现四自由度运动，且刚度大、结构紧凑、易于装配。

Description

具有俯仰转动的空间三移动和一转动的四自由度并联机构

技术领域

本发明属于机器人设备技术领域，尤其涉及一种通过直线驱动的空间三移动和一转动的四自由度并联机构。本发明可广泛用于制造、装配、分拣等应用领域。

背景技术

并联机构是由多个独立运动链连接动平台和定平台所形成的闭环机构，以并联方式进行驱动。相较串联机构，其具有无累计误差、刚度大、结构紧凑等特点，故有着广泛的工程和工业应用前景。

上海交通大学提出了一种三移动一转动四自由度转动移动完全解耦并联机构(公开号为CN104942800A)，其需要第一和第二驱动支链所有转动副轴线汇聚于第三驱动支链转动副轴线上，实现时较为复杂，对加工和装配的要求较高，且工作空间较小。

佳木斯大学提出了一种三移动一转动型四自由度空间并联机构(公开号为CN105345810A)，其使用的四个直线驱动安装并不平行和对称，对加工和装配的要求较高。

在实际分拣和装配时，仅仅实现空间上任意移动的三自由度并联机构往往不能满足需求。加入一个转动自由度可以胜任更复杂的任务，也能使得末端运动更加平稳。但是引入一个转动自由度，不仅可能导致机构复杂化或难以安装，更往往会导致机构存在许多奇异位姿或是工作空间受限。此外，转动部分和移动部分之间也可能会存在强烈的耦合性，不便于控制，因此这些技术问题亟待解决。

发明内容

本发明提供一种四自由度并联机构，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为一种四自由度并联机构，其包括：支撑在框架组件的四个不同位置的四个驱动支链，每个驱动支链包括滑块和连杆组件，四个驱动支链的滑块都被设置成沿互相平行的直线方向运动，该连杆组件的第一端通过球面副与所述的滑块连接；具有自转轴的动平台，该动平台分别与每个驱动支链的连杆组件的第二端通过球面副连接；其中，所述的四个驱动支链包括第一驱动支链、与所述的第一驱动支链相邻布置的第二驱动支链、与所述的第一驱动支链相对布置的第三驱动支链和与所述的第二驱动支链相对布置的第四驱动支链，其中，所述的第二驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点、所述的第三驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点、以及所述的第四驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点与所述的动平台的自转轴基本重合，并且其中，所述的第一驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点和所述的第三驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点之间的连线与所述的动平台的自转轴相交。

进一步，所述的第一驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点和所述的第三驱动支链的连杆组件的第二端的球面副的公共中心点之间的连线与所述的动平台的自转轴基本垂直。

进一步，所述的每个驱动支链包括直线运动输出装置，该直线运动输出装置包括丝杆螺母零件和旋转电机，或者所述直线运动输出装置包括直线电机；在每个驱动支链中，所述的连杆组件的第一端通过至少一个上球铰与滑块连接，并且所述的连杆组件的第二端通过至少一个下球铰与所述的动平台连接。

进一步，在所述每个驱动支链中：连杆组件包括平行设置的一对连杆；每个连杆的第一端通过一个上球铰与滑块连接，每个连杆的第二端通过一个下球铰与所述的动平台连接，其中，多个的上球铰和下球铰的球心的连线形成平行四边形。

进一步，所述的动平台包括：连接台，该连接台具有用于固定连接所述的第一驱动支链和所述的第三驱动支链的下球铰的螺纹孔；两个球铰连接件，其中一个球铰连接件具有用于固定连接所述的第二驱动支链的下球铰的螺纹孔，另一个球铰连接件具有用于固定连接所述的第四驱动支链的下球铰的螺纹孔；其中，两个所述的球铰连接件还分别与所述的连接台的两侧转动地连接，并且每个所述的球铰连接件相对于连接台的转轴与所述的动平台的自转轴(AR)重合。

进一步，所述的球铰连接件包括：球铰连接部，球铰连接部设有第一螺纹孔，用于固定连接所述的下球铰；从所述的球铰连接部的侧面延伸的末端轴，该末端轴的轴端设有第二螺纹孔；其中，所述的第一螺纹孔和所述的第二螺纹孔的中心线基本垂直。

进一步，所述的连接台包括：朝向一侧的第一叉指部；朝向相反的另一侧的第二叉指部、第三叉指部和第四叉指部，所述的第二叉指部和第四叉指部分别位于第三叉指部的两侧；其中，第一叉指部和第三叉指部分别设有螺纹通孔，分别用于固定连接所述的第一驱动支链和所述的第三驱动支链的下球铰；其中，第二叉指部和第四叉指部设有通孔，分别用于与所述的球铰连接件的末端轴同轴配合。

进一步，其中一个球铰连接件的末端轴从第二叉指部远离第三叉指部的外侧安装至所述的第二叉指部的通孔；另外一个球铰连接件的末端轴从第四叉指部远离第三叉指部的外侧安装至所述的第四叉指部的通孔。

进一步，所述的动平台还包括分别设置在所述的第二叉指部和第四叉指部的通孔中的多个旋转轴承，该旋转轴承的内圈与球铰连接件的末端轴配合；分别安装在第二叉指部和第四叉指部的两侧的轴承盖，用于维持所述的旋转轴承在通孔中不滑出，而且允许球铰连接件的末端轴安装到旋转轴承中；其中，通过紧固到所述的末端轴的轴端的第二螺纹孔的螺丝，使所述的末端轴与旋转轴承的内圈固紧。

进一步，所述的动平台的底部设置有夹具的安装孔。

本发明的有益效果如下。

空间三移动和一转动的四自由度并联机构的驱动输入来自四个可以具有对称性的驱动支链的直线运动输出装置，结构简单，加工和装配方便。而且由于驱动输入均为直线驱动且存在对称性，在所有平行的平面上工作性能均相同，使得并联机构的工作空间受到较少限制。本发明的并联机构末端动平台的移动自由度和转动自由度之间不存在耦合，因此基于该并联机构的机器人运动控制较为方便。根据本发明的四自由度并联机构，可以实现动平台的转轴与框架组件的基座底面平行，更符合装配和分拣应用场景中的实际需求。

附图说明

图1是根据本发明实施例的四自由度并联机构的立体图。

图2是根据本发明实施例的四自由度并联机构的底视图。

图3是图1的并联机构中的每个驱动支链的细节立体图。

图4是根据本发明实施例的并联机构的动平台的立体图。

图5是根据本发明实施例的并联机构的动平台的俯视图。

图6是图5所示的动平台沿剖面线B-B的剖视图。

图7是图5所示的动平台的球铰连接件的立体图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1至图2，在一些实施例中，根据本发明的四自由度并联机构包括(具有水平基座的)框架组件300、四个直线驱动支链和动平台150。框架组件300可以是由型材组成的或者是钢材焊接而成的立方体框架。由框架组件300支撑的直线驱动支链通过杆件与动平台150分别通过球面副连接，以实现动平台150在图1所示的虚线工作空间中进行四自由度运动。

如图1所示，以逆时针方向的次序，第一驱动支链110、第二驱动支链120、第三驱动支链130和第四驱动支链140依次安装在框架组件300的四个不同的柱子位置，以充分利用框架的空间结构。即是说，第二驱动支链120与第一驱动支链110相邻布置，第三驱动支链130与第一驱动支链110相对布置，第四驱动支链140与第二驱动支链120相对布置。应理解，“第一”至“第四”驱动支链的命名方式是方便本文描述技术方案中的位置关系，但不作为对本发明的保护范围的限制。

在一些实施例中，四个直线驱动支链的安装方向都是平行的，比如参照图1所示，四个直线驱动支链可以都是基本垂直于基座的方式安装在框架组件300的立柱上。参照图2，四个直线驱动支链为间角距为90°的圆周阵列。

参照图3，每个驱动支链包括直线运动输出装置101、滑块102和连杆组件104。每个驱动支链的滑块102都被直线运动输出装置101带动，以沿直线方向运动。具体地，滑块102可以被直线导轨引导，以沿直线方向运动。对于每个驱动支链，连杆组件104的第一端(参照图3所示的方位为上端)通过球面副与滑块102连接，连杆组件104的第二端(参照图3所示的方位为下端)通过球面副与动平台150连接。

参照图4和图5，为了实现本发明的并联机构的三移动且一转动的四自由度，第二驱动支链120的连杆组件104的下端的球面副的公共中心点P2、第三驱动支链130的连杆组件104的下端的球面副的公共中心点P3、以及第四驱动支链140的连杆组件104的下端的球面副的公共中心点P3与动平台150的自转轴AR重合；并且，第一驱动支链110的连杆组件104的下端的球面副的公共中心点P1和第三驱动支链130的连杆组件104的下端的球面副的公共中心点P3之间的连线与动平台150的自转轴AR基本垂直。

因此，在四个驱动支链各自的直线运动输出装置101推动连杆组件104，进而推拉动平台150进行图4所示的前后平移自由度T1、左右平移自由度T2、上下升降自由度T3以及绕自转轴AR的俯仰转动自由度R1。即是，实现了3T1R自由度。

在本实施例中，当球面副元件只有一个的时候，球面副的公共中心点为该球面副元件的球心。如果球面副元件的数量是一对或者多个的时候，球面副的公共中心点为这些球面副元件的球心连线的汇集中点。

在一个实施例中，直线运动输出装置101可以包括丝杆螺母机构和旋转电机，其中旋转电机带动丝杆旋转，从而推动与丝杆配合的螺母进行直线运动，同时滑块102受到导轨的引导，从而使得连接至螺母的滑块102进行直线运动。优选地，直线运动输出装置101可以包括直线电机，以直接驱动滑块102进行直线运动。优选地，可以在直线运动输出装置101附加直线光栅传感器、接近传感器、限位传感器等电气元件，以满足控制精度和运动限位的需求。

返回参照图2和图3，在一个实施例中，每个驱动支链包括平行设置的一对连杆和两对球铰件(共四个球铰件)。其中，每个连杆的上端通过一个上球铰103与滑块102连接，每个连杆的下端通过一个下球铰105与动平台150连接。其中，每个驱动支链的所有的上球铰103和下球铰105的球心的连线形成平行四边形。具体地，球铰件可以为杆端关节轴承，而连杆的两端攻有螺纹部，使得连杆的两端通过螺纹安装到图3所示的上下两个杆端关节轴承的螺纹孔内。此外，连杆的两端的螺纹部分别预先拧入安装有两个螺母，然后再使螺纹部拧入杆端关节轴承的螺纹孔，从而可以通过再次扭动螺母来调节连杆两端的杆端关节轴承的姿态，并且还可以通过双螺母的互相逼紧来防松。在另外的实施例中，连杆可以由合金铝材、碳纤维等材料制成，以减轻运动重量并且满足刚度的需求。

参照图4至图6，在一个实施例中，动平台150包括连接台151和两个球铰连接件152。如图4所示，连接台151和球铰连接件152都是轴对称的零件。

如图7所示，每个球铰连接件152包括球铰连接部1521和从球铰连接部1521的侧面延伸的末端轴1522。球铰连接部1521设有第一螺纹孔，用于固定连接下球铰105。末端轴1522的轴端设有第二螺纹孔，并且，第一螺纹孔和第二螺纹孔的中心线基本垂直。两个球铰连接件152分别与连接台151的两侧转动地连接，并且每个球铰连接件152相对于连接台151的转轴与动平台150的自转轴AR重合。这样的结构和几何布局关系，使得实现了动平台150在3T1R四自由度中的旋转运动R1与三个平移运动T1、T2、T3的解耦。

而连接台151为“三叉戟”形构造，以形成空间来容纳下球铰105的杆端关节轴承的连接杆。具体地，连接台151具有多个螺纹孔，用于固定连接第一驱动支链110和第三驱动支链130的下球铰105的多个连接杆，如图4和图5所示。

进一步，连接台151包括：朝向一侧的第一叉指部1511；朝向相反的另一侧的第二叉指部1512、第三叉指部1513和第四叉指部1514，第二叉指部1512和第四叉指部1514分别位于第三叉指部1513的两侧；其中，第一叉指部1511和第三叉指部1513分别设有螺纹通孔，分别用于固定连接第一驱动支链110和第三驱动支链130的下球铰105；其中，第二叉指部1512和第四叉指部1514设有通孔，分别用于与球铰连接件152的末端轴1522同轴配合。

如图6所示，其中一个球铰连接件152的末端轴1522从第二叉指部1512远离第三叉指部1513的外侧安装至第二叉指部1512的通孔；另外一个球铰连接件152的末端轴1522从第四叉指部1514远离第三叉指部1513的外侧安装至第四叉指部1514的通孔。

继续参照图6，在一个实施例中，动平台150还包括多个(比如可以是2个或3个)的旋转轴承153和多个轴承盖154。

多个旋转轴承153分别设置在第二叉指部1512和第四叉指部1514的通孔中，旋转轴承153的内圈与球铰连接件152的末端轴1522配合。两个轴承盖154分别安装在第二叉指部1512或第四叉指部1514的两侧，用于维持旋转轴承153在通孔中不滑出。而且轴承盖154中间设有孔，以允许球铰连接件152的末端轴1522安装到旋转轴承153中。此外，还通过紧固到末端轴1522的轴端的第二螺纹孔的螺丝，使末端轴1522与旋转轴承153的内圈固紧，这样一来球铰连接部1521既能绕第二叉指部1512和第四叉指部1514的通孔的轴线转动，又不会脱离连接台151。

本发明可广泛用于加工制造、装配、分拣等应用领域。例如，可以在动平台150的底部设置有螺纹孔来安装夹具(比如，夹爪400)，从而可以让并联机构的动平台150带动夹具拾放工件，以进行精密装配(如3C装配)工作。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (9)

1.一种四自由度并联机构，其特征在于，包括：

支撑在框架组件(300)的四个不同位置的四个驱动支链，每个驱动支链包括滑块(102)和连杆组件(104)，四个驱动支链的滑块(102)都被设置成沿互相平行的直线方向运动，该连杆组件(104)的第一端通过球面副与所述的滑块(102)连接；

具有自转轴(AR)的动平台(150)，该动平台(150)分别与每个驱动支链的连杆组件(104)的第二端通过球面副连接；

其中，所述的四个驱动支链包括第一驱动支链(110)、与所述的第一驱动支链(110)相邻布置的第二驱动支链(120)、与所述的第一驱动支链(110)相对布置的第三驱动支链(130)和与所述的第二驱动支链(120)相对布置的第四驱动支链(140)，

其中，所述的第二驱动支链(120)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P2)、所述的第三驱动支链(130)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P3)、以及所述的第四驱动支链(140)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P3)与所述的动平台(150)的自转轴(AR)基本重合，

并且其中，所述的第一驱动支链(110)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P1)和所述的第三驱动支链(130)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P3)之间的连线与所述的动平台(150)的自转轴(AR)相交，

并且其中，所述的动平台(150)包括：

连接台(151)，该连接台(151)具有用于固定连接所述的第一驱动支链(110)和所述的第三驱动支链(130)的下球铰(105)的螺纹孔；

两个球铰连接件(152)，其中一个球铰连接件(152)具有用于固定连接所述的第二驱动支链(120)的下球铰(105)的螺纹孔，另一个球铰连接件(152)具有用于固定连接所述的第四驱动支链(140)的下球铰(105)的螺纹孔；

其中，两个所述的球铰连接件(152)还分别与所述的连接台(151)的两侧转动地连接，并且每个所述的球铰连接件(152)相对于连接台(151)的转轴与所述的动平台(150)的自转轴(AR)重合。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述的第一驱动支链(110)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P1)和所述的第三驱动支链(130)的连杆组件(104)的第二端的球面副的公共中心点(P3)之间的连线与所述的动平台(150)的自转轴(AR)基本垂直。

3.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于：

所述的每个驱动支链包括直线运动输出装置(101)，该直线运动输出装置(101)包括丝杆螺母零件和旋转电机，或者所述直线运动输出装置(101)包括直线电机；

在每个驱动支链中，所述的连杆组件(104)的第一端通过至少一个上球铰(103)与滑块(102)连接，并且所述的连杆组件(104)的第二端通过至少一个下球铰(105)与所述的动平台(150)连接。

4.根据权利要求1或3所述的四自由度并联机构，其特征在于，在每个驱动支链中：

连杆组件(104)包括平行设置的一对连杆；

每个连杆的第一端通过一个上球铰(103)与滑块(102)连接，每个连杆的第二端通过一个下球铰(105)与所述的动平台(150)连接，其中，多个的上球铰(103)和下球铰(105)的球心的连线形成平行四边形。

5.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述的球铰连接件(152)包括：

球铰连接部(1521)，球铰连接部(1521)设有第一螺纹孔，用于固定连接所述的下球铰(105)；

从所述的球铰连接部(1521)的侧面延伸的末端轴(1522)，该末端轴(1522)的轴端设有第二螺纹孔；

其中，所述的第一螺纹孔和所述的第二螺纹孔的中心线基本垂直。

6.根据权利要求5所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述的连接台(151)包括：

朝向一侧的第一叉指部(1511)；

朝向相反的另一侧的第二叉指部(1512)、第三叉指部(1513)和第四叉指部(1514)，所述的第二叉指部(1512)和第四叉指部(1514)分别位于第三叉指部(1513)的两侧；

其中，第一叉指部(1511)和第三叉指部(1513)分别设有螺纹通孔，分别用于固定连接所述的第一驱动支链(110)和所述的第三驱动支链(130)的下球铰(105)；

其中，第二叉指部(1512)和第四叉指部(1514)设有通孔，分别用于与所述的球铰连接件(152)的末端轴(1522)同轴配合。

7.根据权利要求6所述的四自由度并联机构，其特征在于：

其中一个球铰连接件(152)的末端轴(1522)从第二叉指部(1512)远离第三叉指部(1513)的外侧安装至所述的第二叉指部(1512)的通孔；

另外一个球铰连接件(152)的末端轴(1522)从第四叉指部(1514)远离第三叉指部(1513)的外侧安装至所述的第四叉指部(1514)的通孔。

8.根据权利要求6或7所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述的动平台(150)还包括分别设置在所述的第二叉指部(1512)和第四叉指部(1514)的通孔中的多个旋转轴承(153)，该旋转轴承(153)的内圈与球铰连接件(152)的末端轴配合；

分别安装在第二叉指部(1512)和第四叉指部(1514)的两侧的轴承盖，用于维持所述的旋转轴承(153)在通孔中不滑出，而且允许球铰连接件(152)的末端轴安装到旋转轴承(153)中；

其中，通过紧固到所述的末端轴的轴端的第二螺纹孔的螺丝，使所述的末端轴与旋转轴承的内圈固紧。

9.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述的动平台的底部设置有夹具的安装孔。

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