CN112959300A

CN112959300A - 一种面对称型两转动一移动并联机构

Info

Publication number: CN112959300A
Application number: CN202110163977.5A
Authority: CN
Inventors: 车林仙; 林雪冬; 李雨宣; 陆钰娟; 蒋海义
Original assignee: Chongqing Vocational Institute of Engineering
Current assignee: Chongqing Vocational Institute of Engineering
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2021-06-15

Abstract

本发明属于并联机器人机构领域，具体公开了一种面对称型两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台和四条支链，四条支链分别为第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，第一支链由第一虎克铰和第一移动副通过连杆依次连接而成，第二支链和第三支链结构相同，都是由第三移动副、第三虎克铰和第三转动副通过连杆依次连接而成，第四支链是由第四移动副、第四虎克铰和第四球铰通过连杆依次连接而成。采用本方案，可以使得在不增加机构结构的复杂度的情况下，实现机构耦合度为零以及位置正解具有封闭式解析解。

Description

一种面对称型两转动一移动并联机构

技术领域

本发明属于并联机器人机构领域，具体涉及一种面对称型两转动一移动并联机构。

背景技术

并联机器人机构是由动平台、定平台以及联接两平台的若干条支链组成(支链数≥2)。相对于串联机构，并联机构具有承载能力强、精度高、刚度大、速度响应快和自重负荷比小等优点。并联机器人机构在工业机器人、并联机床、医疗机器人、微操作机器人、飞行模拟器等领域具有广阔应用前景。

为此公开号CN100446940C的中国专利公开了一种非对称空间5自由度混联机器人，它包括固定架、三个长度调节装置、动平台和定位头；第一长度调节装置的上部通过由内外两个同心环构成的铰链设置在固定架上，其末端与动平台刚性连接；第二、第三长度调节装置的上部分别通过两个叉形结构构成的铰链对称设置在固定架一个端面的两侧，它们的末端分别与动平台铰链连接；所述的定位头连接在所述动平台的底部。其优点是：模块化设计，可实现即插即用；运动构件数量少，可降低运动过程中构件间产生干涉的可能性；末端执行件可实现5自由度运动，具有高速度、高精度、高刚度的性能和工作空间大的特点。

上述方案简化了并联机构的整体结构，但其位置正解无法得到解析解，使得机构的运动学正解和动力学求解十分困难，从而影响了开发与应用。

因此需要一种面对称型两转动一移动并联机构，在不增加机构结构的复杂度的情况下实现机构耦合度为零以及位置正解具有封闭式解析解。

发明内容

本发明的目的在于提供种面对称型两转动一移动并联机构，在不增加机构结构的复杂度的情况下实现机构耦合度为零。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种面对称型两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台和四条支链，所述四条支链分别为第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，所述第一支链由第一虎克铰和第一移动副通过连杆依次连接而成，

所述第一虎克铰包括轴线垂直的第一转动副和第二转动副，第一转动副与定平台相连接，第二转动副则与第一移动副相连接，且第二转动副轴线垂直于第一移动副导轨；

所述第二支链和第三支链结构相同，都是由第三移动副、第三虎克铰和第三转动副通过连杆依次连接而成，且关于所述第一支链左右对称，所述第三移动副与定平台相连接；

所述第三虎克铰包括轴线垂直的第四转动副和第五转动副，第四转动副与第三移动副相连接，且第四转动副与第三移动副共轴线；第五转动副与连杆相连接，且第五转动副轴线与连杆垂直相交；所述第三转动副与动平台相连接，且第三转动副之间轴线互相平行且位于动平台内；

所述第四支链是由第四移动副、第四虎克铰和第四球铰通过连杆依次连接而成，所述第四移动副与定平台相连接，且第四移动副轴线与所述第二支链的第三移动副和所述第三支链的第三移动阀的导轨轴线垂直相交；

所述第四虎克铰包括轴线垂直的第六转动副和第七转动副，第六转动副与所述第四移动副相连接，且第六转动副与第四移动副共轴线；第七转动副与连杆相连接，且第七转动副与连杆垂直相交；所述第四球铰通过连杆与所述第四虎克铰相连接，且与动平台相连接；

其中，第一支链、第二支链和第三支链恒共面。

本方案的技术原理是：第一转动副、第二支链的第四转动副和第三支链的第四转动副的轴线使得第一支链、第二支链和第三支链所在平面及动平台可沿该三个转动副轴线转动，即沿X轴转动，而第一移动副的作用是使得第一支链、第二支链和第三支链所在平面及动平台沿第一移动副轴线移动，即沿Z轴移动，因为第四支链中第四球铰的设置，使得第四支链具有6自由度，对动平台2无约束。

第六转动副、第二支链的第五转动副和第三支链的第五转动副的设置实现了第一支链、第二支链和第三支链所在平面及动平台沿该三个转动副轴线转动，即沿Y轴转动。

因机构动平台的输出运动为各支链输出运动的交集，故动平台的输出运动为绕X,y轴的转动和沿z轴(动平台法线方向)的移动，即机构具有3自由度。

本方案的技术效果是：第一转动副、第二支链的第四转动副和第三支链的第四转动副的轴线使得第一支链、第二支链和第三支链所在平面及动平台可沿该三个转动副轴线转动，即沿X轴转动，对于第一支链、第二支链和第三支链构成的混合支链，当给定第二支链的第三移动副和第三支链的第三移动副驱动位移时，可求得第一支链的长度和动平台绕Y轴转动的姿态角，且为封闭式解析解。再给定第四移动副驱动位移时，可求得动平台绕X轴转动的姿态角，仍为封闭式解析解，所以整个机构耦合度为0，位置正解具有封闭式解析解；同时结构也十分简单，实现了在不增加机构结构的复杂度的情况下到达机构耦合度为零。

进一步的，所述定平台和所述动平台均为等腰三角形。

附图说明

图1为本发明实施例一种面对称型两转动一移动并联机构的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

实施例一基本如附图1所示：一种面对称型两转动一移动并联机构，由定平台、动平台和4条支链组成，动平台为等腰△A₁A₂A₃，其底边A₁A₂的中点为A₀，A₀A₃为底边A₁A₂上的高。机构拓扑结构为(2PUR-UP)-PUS(其中，P——移动副，U——虎克铰，R——转动副，S——球铰)。P₁,P₂和P₃副为驱动副(图中运动副下标表示支链序号)，相应驱动位移为分别为q₁,q₂和q₃，即该机构为线性外副驱动并联机构。

在本实施例中U_i副(i＝0,1,2,3)分别表示为第一支链的第一虎克铰，第二支链的第三虎克铰、第三支链的第三虎克铰、第四支链的第四虎克铰。其中，U_i副(i＝0,1,2,3)均等效为轴线垂直相交的两个串联转动副R_i1和R_i2。

P_i副(i＝0,1,2,3)分别表示为第一支链的第一移动副，第二支链的第二移动副，第三链的第三移动副，第四支链的第四移动副。

R₀₁和R₀₂副依次为第一支链的第一和第二转动副；R₁,R₁₁和R₁₂副依次为第二支链的第三、第四和第五转动副；R₂,R₂₁和R₂₂副依次为第三支链的第六、第七和第八转动副；R₃₁和R₃₂副依次为第四支链的第九和第十转动副。

S₃为第四球铰。

第一支链为{-U₀-P₀-}链，U₀副中心为点B₀。U₀和P₀副分别与定、动平台相联接，P₀副导轨与动平台平面A₁A₂A₃垂直相交于点A₀。U₀副包括两个轴线垂直相交于点B₀的R₀₁和R₀₂副；R₀₁副与定平台相联接，而R₀₂副则与P₀副相联接，且R₀₂副轴线垂直于P₀副导轨。

第二支链和第三支链结构相同，为{-P_i-U_i-R_i-}链(i＝1,2)，U_i和R_i副的中心分别为点B_i和A_i；

第四支链为{-P₃-U₃-S₃-}链，U₃和S₃副的中心为点B₃和A₃。

R₁,R₂和S₃副与动平台相联接，R₁和R₂轴线互相平行且位于动平台平面内，R₁,R₂副轴线分别与连杆B₁A₁,B₂A₂垂直相交于点A₁,A₂；P₁,P₂和P₃副与定平台相联接，且P₁和P₂的导轨共轴线，P₃的导轨轴线与P₁和P₂的导轨轴线垂直相交于点B₀。

U_i(i＝1,2,3)副包括两个轴线垂直相交于点B_i的R_i1和R_i2副。R_i1(i＝1,2,3)副分别与P_i副相联接，且R_i1与P_i副共轴线；

R_i2(i＝1,2,3)副分别与连杆B_iA_i相联接，且R_i2副轴线与B_iA_i垂直相交于点B_i。

R₀₂,R₁₂,R₂₂,R₁和R₂副轴线互相平行，即第一支链、第二支链和第三支链恒共面，且该平面恒垂直于动平台平面A₁A₂A₃；R₀₁,R₁₁和R₂₁副共轴线，且与P₁和P₂副导轨轴线重合。第一支链为被动链，第二支链、第三支链和第四支链为主动链。该机构为关于平面B₀YZ对称的并联机构。

实施例二

实施例二与实施例一不同之处在于：所述第一转动副包括主轴和副轴，所述主轴与副轴之间开设有环形凹槽，所述环形凹槽上设有温度传感器，所述环形凹槽左右两侧上开设有通孔，温度传感器通过左侧通孔与单片机电连接，单片机固定连接与主轴的外壁上，所述单片机又与风扇电连接，所述风扇的出风处固定于右侧通孔的正上方，同时连杆上还设有压力传感器。

并联机构在进行重物的承载时，主轴与副轴之间会受到一个驱动力的作用，又因为主轴与副轴之间的摩擦力是与驱动力成正比的，两者之间的摩擦力越大其两者之间的温度也就越高，温度达到某个临界值时就会导致整个转动副使用寿命缩短。

在主轴和副轴之间开设环形凹槽，环形凹槽内固定连接有温度传感器，温度传感器与单片机电连接，单片机与风扇电连接，单片机比较大，不好固定在环形凹槽内，故通过在环形凹槽的左右两侧开设通孔，左侧通孔用于温度传感器与单片机之间的导线的铺设，为了达到更好的散热效果，将风扇的出风口固定连接在右侧通孔的正上方。同时为了避免整个机构承载的物体过重造成转动副的力矩增大，使得转动副的使用寿命缩短，在连杆上固定连接有压力传感器，来检测压力的大小。

具体的散热逻辑：温度传感器对主轴与副轴之间的温度进行采集，当温度达到预设最小阈值时，单片机会控制风扇进行间隔式的规定时长的散热作业，如每5分钟进行一次长达2分钟的散热工作；在温度上升的预设最小阈值就对其进行间隔式的规定时长的散热可以确保转动副的工作是处于最佳的工作状态，延长转动副的使用寿命。

当温度达到预设最大阈值时，转动副会停止作业，同时单片机会控制风扇进行预设时长的散热工作，在完成散热工作后，再一次进行温度采集，若温度小于预设最小阈值时，则转动副会重新进行作业，若温度大于预设最小阈值，则单片机又会控制风扇再进行一次预设时长的散热工作。在温度达到预设最大阈值时说明转动副的工作已经达到极限，为了确保转动副不会报废，通过停止转动副的作业，并对转动副进行散热，为了保证下一次作业时能够正常工作，需要把温度降到预设最小阈值之下才可，所以通过前后多次的温度检测，确保温度小于预设最小阈值，在未小于预设最小阈值时，通过风扇进行预设时长的散热工作，避免出现再一次运行时转动副报废，使用寿命缩短的问题。同时在温度大于预设最小阈值时，通过增加驱动力的力矩来减少摩擦力的大小，即给予驱动力的驱动电机上足够多的动力，使得驱动力增大。

本实施例中温度传感器为PT100热敏电阻，单片机为STC89c52单片机，压力传感器为简易硅压阻式压力传感器PC24。

通过这一系列的操作即对承载物体的检测、对转动副的转动产生的温度的检测以及散热的过程和增加力矩的过程，使得整个转动副的使用寿命更长，转动的更加流畅，同时也使得整个机构的使用更加的流畅以及使用的周期更长。

以上仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域。方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力；所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，均不影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种面对称型两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台和四条支链，其特征在于：所述四条支链分别为第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，所述第一支链由第一虎克铰和第一移动副通过连杆依次连接而成；

所述第四虎克铰包括轴线垂直的第六转动副和第七转动副，第六转动副与所述第四移动副相连接，且第六转动副与第四移动副共轴线；第七转动副与连杆相连接，且第七转动副与连杆垂直相交；所述第四球铰通过连杆与上述第四虎克铰相连接，且与动平台相连接；

其中，第一支链、第二支链和第三支链恒共面。

2.根据权利要求1所述的面对称型两转动一移动并联机构，其特征在于：所述定平台和所述动平台均为等腰三角形。