CN113547509B - 一种四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度并联机构，包括定平台、动平台、第一支链和第二支链，四者两两相连形成一闭环结构，动平台在两条支链的配合作用下，可实现三个平动和一个转动运动的四个自由度的运动。本发明具有运动简单，刚度大，奇异位形少，工作空间大，可广泛应用于工业自动化装配、物料拾取、包装分拣等领域。

Description

一种四自由度并联机构

技术领域

本发明属于并联机器人技术领域，具体涉及一种四自由度并联机构。

背景技术

相比起串联式SCARA机器人，并联机器人具有更高的负载、刚度和精度，更快的速度以及更好的动力学性能。之前有人提出了一种运动速度快、定位精度高、成本低廉的三自由度Delta并联机器人，适用于加工装配等工业操作。

但是在后期实践中发现，四自由度并联机器人具有四个运动自由度，包括x、y、z方向的平动自由度和绕z轴的转动自由度，在物料搬取、表面装配、零件加工等工业领域具有广泛应用。为了满足更多的工业需求，相继发明了四支链的H4、I4、Heli4及Par4等机构，其中具有四支链、双动平台的可实现SCARA运动的H4型并联机构成功实现商业化，典型代表产品如Adept Quattro系列，但是该类并联机构也存在运动构件多、运动学复杂等特点。除此之外，清华大学也提出一种对称的四支链四自由度并联机构，结构简单且具有单动平台，但工作空间较小。

综上，目前用于高速抓取作业的少自由度并联机器人仍以两自由度、三自由度居多，往往难以满足工业需求，而四自由度并联机器人又存在运动构件多，结构复杂，具有较多的奇异位形等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种四自由度并联机构，从而克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种四自由度并联机构，包括

定平台、动平台、第一支链和第二支链，所述第一支链和第二支链的两端均分别与所述定平台和动平台相连，且所述定平台、第一支链、动平台和第二支链连接形成一闭环结构，所述第一支链和第二支链均包括主动驱动单元和传动单元，所述主动驱动单元与所述定平台滑动相连且所述主动驱动单元自身可主动转动，所述传动单元一端与所述主动驱动单元相连，另一端与动平台转动连接；

所述第一支链的主动驱动单元和第二支链的主动驱动单元，在与定平台所在平面相平行的第一平面上沿第一方向同步直线运动时，驱动所述动平台沿所述第一方向移动，反之，不同步直线运动时，驱动所述动平台绕第二方向转动；

所述第一支链的主动驱动单元和第二支链的主动驱动单元同向或反向转动时，分别通过所述第一支链的传动单元和第二支链的传动单元，在与所述第一平面相垂直的第二平面上，带动所述动平台沿第三方向移动或者沿第二方向移动；

所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

在一优选实施例中，所述定平台包括基座、第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨分别位于基座第三方向上的两端，且两者均沿第一方向延伸。

在一优选实施例中，所述主动驱动单元包括第一单元，所述第一单元包括滑块和下端转轴，所述第一支链的滑块和第二支链的滑块分别与第一导轨和第二导轨滑动连接，所述下端转轴设置于所述滑块上，且沿第一方向延伸，且可主动转动。

在一优选实施例中，所述传动单元包括第二单元和第三单元，所述第二单元的一端与所述第一单元转动相连，在第一单元下端转轴的转动驱动下，将第一单元的转动输入转变为第二平面上的平动输出；另一端与第三单元的一端相连，所述第三单元的另一端与动平台转动连接，将第二单元的平动输入转变为平动输出。

在一优选实施例中，所述第二单元包括连杆、皮带、滑轮组件和上端转轴，所述连杆的一端安装在滑块上且与下端转轴连接，通过下端转轴的转动带动所述连杆转动，所述滑轮组件包括上端滑轮和下端滑轮，所述下端滑轮安装在滑块上且与下端转轴连接，所述上端滑轮与上端转轴相连，所述皮带通过下端滑轮与上端滑轮相连，所述上端转轴沿第一方向延伸。

在一优选实施例中，所述连杆包括前端连杆和后端连杆，所述皮带和滑轮组件设置于所述前端连杆和后端连杆之间。

在一优选实施例中，所述第三单元包括传动件和连接件，所述传动件一端与上端转轴相连，另一端与连接件相连，所述连接件连接动平台。

在一优选实施例中，所述传动件包括前端平行四边形和后端平行四边形，所述前端平行四边形和后端平行四边形在第一方向前后分布。

在一优选实施例中，所述连接件垂直于所述第一平面。

在一优选实施例中，所述第一支链的第二单元与所述第二支链的第二单元，在初始位置时均垂直于所述定平台，且在初始位置时所述机构关于动平台的中心轴完全对称。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

本发明提供的四自由度并联机构采用双支链结构，可以实现三平动和一转动运动，沿第一方向的工作空间理论上可无限延伸，每条支链可在主动驱动单元作用下作整周转动，因此可大大增加动平台在第二平面的工作空间；另外，此传动单元不存在局部奇异，使其转动更加灵活。综上，该四自由度并联机构具有运动简单，刚度大，奇异位形少，工作空间大，可广泛应用于工业自动化装配、物料拾取、包装分拣等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的四自由度并联机构的结构示意图；

图2为本发明提供的四自由度并联机构第一或第二支链的第二单元结构示意图；

图3为本发明提供的四自由度并联机构第一或第二支链的第三单元结构示意图；

图4为本发明提供的四自由度并联机构转动状态的结构示意图；

图5为本发明提供的四自由度并联机构沿z方向移动示意图；

图6为本发明提供的四自由度并联机构沿x方向移动示意图；

图7为本发明提供的四自由度并联机构工作状态示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明所揭示的一种四自由度并联机构，采用双支链结构，可以实现三平动和一转动运动，具有运动简单，刚度大，奇异位形少，工作空间大，可广泛应用于工业自动化装配、物料拾取、包装分拣等领域。

参照附图1-4，对本发明进行较详细地说明。本发明实施例所揭示的一种四自由度并联机构，包括定平台10、动平台501、第一支链20和第二支链30，四者两两相连形成一闭环结构，动平台501在两条支链的配合作用下，可实现三个平动和一个转动运动的四个自由度的运动。

具体地，本实施例中，定平台10包括基座101、第一导轨102和第二导轨103，其中，定义与基座101所在平面相平行的平面为第一平面(即x-o-y平面)，第一导轨102和第二导轨103分别位于基座101第三方向(为了便于理解，定义这里的第三方向即是图1中的左右方向，即x轴方向)上的两端，且两者均沿第一方向(为了便于理解，定义这里的第一方向即是图1中的前后方向，即y轴方向)延伸。

第一支链20的一端与第一导轨102滑动相连，另一端与动平台501转动连接。本实施例中，第一支链具体20包括第一单元、第二单元、第三单元，其中，第一单元为驱动单元，其与定平台10相连，具体包括滑块201和下端转轴202，所述滑块201作为主动移动关节，其与第一导轨102滑动连接，可沿第一导轨102在第一方向(即y方向)上直线滑动。所述下端转轴202作为主动转动关节，其穿过滑块201，且沿第一方向延伸，且其自身可主动转动。实施时，滑块201可采用线性驱动方式，如直线电机、齿轮齿条、伺服电机加滚珠丝杠等驱动方式。

第二单元为传动单元，介于第一单元和第三单元之间，具体地，其一端与第一单元相连，另一端与第三单元的一端相连，用于将第一单元的转动输入转变为平动输出。具体地，本实施例中，第二单元包括前端连杆306、后端连杆301、下端滑轮302、上端滑轮304、皮带303和上端转轴305，其中，前端连杆306和后端连杆301在y方向前后平行设置，且两者均一端安装在滑块201上，并且与下端转轴202连接，通过下端转轴202的转动带动前端连杆306和后端连杆301在第二平面(即x-o-z平面)上转动。下端滑轮302、上端滑轮304和皮带303位于前端连杆306、后端连杆301之间，且下端滑轮302固定在滑块201上，且与下端转轴202连接，即下端滑轮302不会随着下端转轴202的转动而转动。皮带通过下端滑轮302与上端滑轮304连接，上端滑轮304与上端转轴305连接，上端滑轮304在皮带303的作用下进行平动运动，上端转轴305通过键连接前端连杆306、上端滑轮304以及后端连杆301，确保上端转轴305在运动过程中方向保持不变。图2为第一支链20或第二支链30中第二单元的爆炸图，为清楚地表达各支链的第二单元结构，所以在图1中将前端连杆306隐藏。但在本发明的并联机构中，前端连杆306与后端连杆301将下端滑轮302、上端滑轮304与皮带303固定在中间，保证机构的可行性与运动的安全性。

第三单元也为传动单元，介于第二单元和动平台501之间，具体地，其一端与第二单元相连，另一端与动平台501相连，用于将第二单元的平动输入转变为平动输出。具体地，本实施例中，第三单元包括前端平行四边形401、后端平行四边形402和连接件403，其中，前端平行四边形401和后端平行四边形402在y方向上前后平行设置，且两者的一端与上端转轴305相连，另一端通过连接件403与动平台501相连，连接件403与动平台501转动连接，连接件垂直于第一平面，由于上端转轴305方向保持不变，所以连接件403在运动过程中始终垂直于第一平面(即x-o-y平面)。图3为第一支链20或第二支链30中第三单元的结构示意图，前端平行四边形401与后端平行四边形402的两端通过分别与上端转轴305和连接件403固连，这种结构可增加支链的刚度，使机构具有良好的动力学特性。

第二支链20一端与定平台501的第二导轨102相连，另一端与动平台501相连，本实施例中，第一支链20和第二支链30的结构完全相同，所以这里不做赘述。且第一支链20的第二单元与第二支链30的第二单元，在初始位置时均垂直于定平台501，且在初始位置时本发明的并联机构关于动平台501的中心轴完全对称。

动平台501在第一支链20和第二支链30的共同作用下，具有沿x、y、z方向的移动自由度，以及通过两条支链在y方向上的相对运动，产生绕z轴转动的自由度，从而实现三平动一转动的四自由度运动。具体原理为：第一支链20和第二支链30的两个滑块201分别沿第一导轨102和第二导轨103同步移动时，如均沿导轨201在y方向向前移动或向后移动，则驱动动平台501沿y方向前后移动，实现动平台501y方向的平动自由度，反之，若不同步移动时，如沿导轨相对移动时，具体地，如一个滑块201沿对应的导轨向前移动，另一个滑块201沿对应的导轨向后移动，则驱动动平台501绕z方向转动一定的角度，实现动平台501z方向的转动自由度，结合图4和图7所示。第一支链20的下端转轴202和第二支链30的下端转轴202分别向同一方向转动时，如均顺时针转动时，分别驱动与之相连的第二单元在x方向上向右平动，从而带动动平台501在x方向上向右平动，如均逆时针转动时，分别驱动与之相连的第二单元在x方向上向左平动，从而带动动平台501在x方向上向左平动，从而实现动平台501x方向的平动自由度，结合图6和图7所示；反之，第一支链20的下端转轴202和第二支链30的下端转轴202分别向不同方向转动时，如第一支链20的下端转轴202顺时针转动且第二支链30的下端转轴202逆时针转动，分别驱动与之相连的第二单元在x方向上向右平动和向左平动，分别带动与第二单元相连的第三单元的被动转动，从而带动动平台501在z方向上向下平动，如第一支链20的下端转轴202逆时针转动且第二支链30的下端转轴202顺时针转动，分别驱动与之相连的第二单元在x方向上向左平动和向右平动，分别带动与第二单元相连的第三单元的被动转动，从而带动动平台501在z方向上向上平动，从而实现动平台501z方向的平动自由度，结合图5和图7所示。

本发明可以根据两个下端转轴202的转动角度和两个滑块201沿导轨方向的位移差，可通过运动学的位置分析计算得到末端动平台501的姿态参数。

优选地，动平台501在第一支链20和第二支链30的作用下，不仅可在导轨之间及其上、下方工作，还可以在将工作空间延伸到导轨两侧以外，这取决于第一支链20、第二支链30中前端连杆306、后端连杆301和前端平行四边形401、后端平行四边形402的杆长。

本发明的四自由度并联机构采用双支链结构，沿导轨方向的工作空间理论上可无限延伸；每条支链采用二连杆模式，与驱动关节(即滑块201)相连的连杆可视为曲柄机构，可在转动驱动关节(即下端转轴202)作用下作整周转动，因此可大大增加动平台在第二平面(即x-o-z平面)的工作空间；另外，此曲柄机构不存在局部奇异，使其转动更加灵活；与动平台相连的支链采用双平行四边形机构，可增加支链刚度，提高动力学性能。综上，该四自由度并联机构运动简单，刚度大，奇异位形少，工作空间大，可广泛应用于工业自动化装配、物料拾取、包装分拣等领域。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

Claims (3)

1.一种四自由度并联机构，其特征在于，包括定平台、动平台、第一支链和第二支链，所述第一支链和第二支链的两端均分别与所述定平台和动平台相连，且所述定平台、第一支链、动平台和第二支链连接形成一闭环结构，所述第一支链和第二支链均包括主动驱动单元和传动单元，所述主动驱动单元与所述定平台滑动相连且所述主动驱动单元自身可主动转动，所述传动单元一端与所述主动驱动单元相连，另一端与动平台转动连接；

所述第一支链的主动驱动单元和第二支链的主动驱动单元，在与定平台所在平面相平行的第一平面上沿第一方向同步直线运动时，驱动所述动平台沿所述第一方向移动，反之，不同步直线运动时，驱动所述动平台绕第二方向转动；

所述第一支链的主动驱动单元和第二支链的主动驱动单元同向或反向转动时，分别通过所述第一支链的传动单元和第二支链的传动单元，在与所述第一平面相垂直的第二平面上，带动所述动平台沿第三方向移动或者沿第二方向移动；

所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；

所述定平台包括基座、第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨分别位于基座第三方向上的两端，且两者均沿第一方向延伸；

所述主动驱动单元包括第一单元，所述第一单元包括滑块和下端转轴，所述第一支链的滑块和第二支链的滑块分别与第一导轨和第二导轨滑动连接，所述下端转轴设置于所述滑块上，且沿第一方向延伸，且可主动转动；

所述传动单元包括第二单元和第三单元，所述第二单元的一端与所述第一单元转动相连，在第一单元下端转轴的转动驱动下，将第一单元的转动输入转变为第二平面上的平动输出；另一端与第三单元的一端相连，所述第三单元的另一端与动平台转动连接，将第二单元的平动输入转变为平动输出；

所述第二单元包括连杆、皮带、滑轮组件和上端转轴，所述连杆的一端安装在滑块上且与下端转轴连接，通过下端转轴的转动带动所述连杆转动，所述滑轮组件包括上端滑轮和下端滑轮，所述下端滑轮安装在滑块上且与下端转轴连接，所述下端滑轮不会随着下端转轴的转动而转动，所述皮带通过下端滑轮与上端滑轮相连，所述上端转轴沿第一方向延伸，所述连杆包括前端连杆和后端连杆，所述皮带和滑轮组件设置于所述前端连杆和后端连杆之间，所述上端转轴通过键连接前端连杆、上端滑轮以及后端连杆；

所述第三单元包括传动件和连接件，所述传动件一端与上端转轴相连，另一端与连接件相连，所述连接件连接动平台；

所述传动件包括前端平行四边形和后端平行四边形，所述前端平行四边形和后端平行四边形在第一方向前后分布。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机构，其特征在于：所述连接件垂直于所述第一平面。

3.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机构，其特征在于：所述第一支链的第二单元与所述第二支链的第二单元，在初始位置时均垂直于所述定平台，且在初始位置时所述机构关于动平台的中心轴完全对称。

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