CN114367961B - 一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，涉及五自由度并联机构技术领域。不仅结构简单，而且运动平台平面始终有且只有垂直方向的力偶，确保运动平台在全域全方位能实现稳定的两转三移运动。该五自由度并联机构包括机架、运动平台、横向直线模组、纵向直线模组、横梁组件、第一支链和两个第二支链；横向直线模组的固定端和纵向直线模组的固定端均连接在机架的底部；第一支链的两端分别与横向直线模组的滑动端和运动平台铰接；横梁组件与横向直线模组平行设置；纵向直线模组的滑动端连接在横梁组件中部，两个第二支链的固定端分别铰接在横梁组件的两端；两个第二支链的伸缩端均铰接在运动平台上。

Description

一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构

技术领域

本申请涉及五自由度并联机构技术领域，尤其涉及一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构。

背景技术

并联机构具有多闭环的结构特征，通过多个运动支链协同作用实现末端的运动输出，是与传统机构互为补充的机构。并联机构与串联机构相比具有累积误差小、精度较高、动态响应好、结构紧凑、刚度高、承载能力大等优点引起了广大学者的研究。少自由度并联机构是指自由度少于6的并联机构,可应用于许多适于并联机构操作但不需要全部6个自由度的工作任务，例如曲面加工、焊接、切割、装配等，其要求机器人末端操作器的空间自由度至少为5，同时与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件少、构件少、控制简单方便、易于制造、价格低廉等优点。

少自由度并联机构目前有两种主要的结构，一种是在并联机构的运动平台安装AC摆头实现两转三移的5自由度运动，但是由于这种结构的姿态调整是两个串联摆动轴的合成运动，姿态工作空间内部存在极点，极点姿态对应多组逆解。由于自身结构的限制，刀具需要暂停进给优先进行姿态调整，或以倒锥面路径运动从而避开极点，降低了姿态调整效率甚至划伤零件表面。另一种是通过将两转三移5自由度约束支链与无约束支链进行组合，结构较为复杂。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，不仅结构简单，而且运动平台平面始终有且只有垂直方向的力偶，确保运动平台在全域全方位能实现稳定的两转三移运动。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，包括机架、运动平台、横向直线模组、纵向直线模组、横梁组件、第一支链和两个第二支链；所述横向直线模组的固定端和纵向直线模组的固定端均连接在所述机架的底部；所述第一支链的两端分别与所述横向直线模组的滑动端和所述运动平台铰接；所述横梁组件与所述横向直线模组平行设置；所述纵向直线模组的滑动端连接在所述横梁组件中部，两个所述第二支链的固定端分别铰接在所述横梁组件的两端；两个所述第二支链的伸缩端均铰接在所述运动平台上。

进一步地，所述第一支链的伸缩端通过球副组件连接在所述运动平台上；所述第一支链的固定端通过第一转动副组件连接在所述横向直线模组的滑动端；两个所述第二支链的伸缩端均通过虎克铰连接在所述运动平台上；两个所述第二支链的固定端均通过第二转动副组件连接在所述横梁组件的两端。

进一步地，所述球副组件为球铰链；所述第一转动副组件和所述第二转动副组件均为转动关节，且所述第二转动副组件的转动中心与所述第一转动副组件的转动中心相互垂直。

进一步地，所述运动平台为正三角形，所述第一支链和两个所述第二支链分别连接在对应的顶点处。

进一步地，所述机架的底部设有两个滑轨；所述横梁组件包括与所述横向直线模组平行设置的连接板，所述连接板的上表面的两端均设有与所述滑轨相适配的横梁滑台；所述连接板的下表面的两端分别连接两个所述第二转动副组件；所述连接板的上表面的中部通过第二M形连接件连接在所述纵向直线模组上。

进一步地，所述机架包括矩形水平框架和分别设置在所述矩形水平框架的四个顶点处的四个支腿；所述横向直线模组、所述纵向直线模组和所述横梁组件均连接在所述矩形水平框架的底面上。

进一步地，所述横向直线模组和所述横梁组件均连接在所述矩形水平框架的边梁上。

进一步地，所述横向直线模组包括第一电机支撑座、第一壳体、第一滑台和第一滚珠丝杠；所述第一滚珠丝杠设置在所述第一壳体内，所述第一电机支撑座内设有第一电机，所述第一电机与所述第一滚珠丝杠的输入端传动连接；所述第一滚珠丝杠的输出端连接所述第一滑台；所述第一转动副组件通过第一M形连接件连接在所述第一滑台上。

进一步地，所述纵向直线模组与所述横向直线模组的结构相同。

进一步地，所述第一支链和所述第二支链均为电动推杆。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

本申请采用少自由度支链加无约束支链的思路，其少自由度支链采用单自由度移动副加两转两移的四自由度闭环的结构设计来达到两转三移的五自由度约束支链的要求，使得运动平台平面始终有且只有垂直方向的力偶，确保运动平台在全域全方位能实现稳定的两转三移运动。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构的立体结构示意图1；

图2为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构的立体结构示意图2(去掉机架后)；

图3为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中横向直线模组的立体结构示意图；

图4为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中第一滚珠丝杠和第一滑台的连接结构示意图；

图5为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中第一支链的立体结构示意图；

图6为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中光轴座、减速箱组件和丝杠的连接结构示意图；

图7为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中轮轴和轴承的连接结构示意图；

图8为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中纵向直线模组的立体结构示意图1；

图9为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中纵向直线模组的立体结构示意图2；

图10为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中横梁组件的立体结构示意图；

图11为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中第二转动副组件的立体结构示意图；

图12为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中第二支链的立体结构示意图；

图13为本申请实施例可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构中虎克铰的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1和图2，本申请的实施例提供了一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，包括机架1、运动平台2、横向直线模组3、纵向直线模组4、横梁组件5、第一支链6和两个第二支链11。横向直线模组3的固定端和纵向直线模组4的固定端均连接在机架1的底部。第一支链6的两端分别与横向直线模组3的滑动端和运动平台2铰接。横梁组件5与横向直线模组3平行设置。纵向直线模组4的滑动端连接在横梁组件5中部，两个第二支链11的固定端分别铰接在横梁组件5的两端；两个第二支链11的伸缩端均铰接在运动平台2上。

机架1包括矩形水平框架101和分别设置在矩形水平框架101的四个顶点处的四个支腿102。横向直线模组3、纵向直线模组4和横梁组件5均连接在矩形水平框架101的底面上，且横向直线模组3和横梁组件5均连接在矩形水平框架101的边梁上。

运动平台2为正三角形，第一支链6和两个第二支链11分别连接在对应的顶点处。

参照图3和图4，横向直线模组3包括第一壳体、第一电机支撑座32、第一滑台33和第一滚珠丝杠34。第一壳体包括第一型材31、第一封盖37和第一滚珠丝杠支撑板36，第一滚珠丝杠34设置在第一型材31内，第一电机支撑座32内设有第一电机，第一电机与第一滚珠丝杠34中丝杠的一端传动连接，丝杠的另一端连接第一滚珠丝杠支撑板36上。第一滚珠丝杠34的输出端连接第一滑台33。第一型材31的上表面连接在矩形水平框架101的底面上。第一滑台33的底面连接第一M形连接件35。

参照图5至图7，第一支链6为电动推杆。具体的，第一支链6包括光轴座61、减速箱组件62、丝杠63、螺母64、定位圈65、光杠66和端盖67。

减速箱组件62包括减速箱外壳621、减速箱端盖622、大轮623、小轮624、皮带625、轮轴626、轴承627、轴承座628和轴承座螺母629。小轮624外接伺服电机并通过皮带625与大轮623形成带传动，大轮623与轮轴626通过紧定螺钉固连。轴承座628通过螺钉连接在减速箱端盖622与光轴座61之间，并套在轮轴626外。轴承座628、轮轴626之间安装轴承627，轮轴626、轴承627、轴承座628三者同轴心，同时通过固定轴承座628一端的轴承座螺母629限制轴承627的轴向移动使其固定。

丝杠63通过螺钉与轮轴626固定连接，二者同轴心，丝杠外套螺母629，并通过定位圈65实现螺母64与光杆66固定连接。端盖67套在光杠66外侧并通过螺钉固定在光轴座61一端，使光轴座61封住内部的定位圈65、螺母64与丝杠63，如此一来光杠66便与光轴座61、减速箱组件62形成移动副。减速箱外壳621通过螺钉与减速箱端盖622固连，封装大轮623、小轮624、皮带625、轮轴626。

光杠66的底部连接球副组件8，减速箱外壳621的顶部连接第一转动副组件7。球副组件8连接在运动平台2上。第一转动副组件7连接在第一M形连接件35上。

具体的，球副组件8为球铰链，包括球座81和球头82，球座81通过螺纹与光杠66连接，球头82固定在运动平台2的其中一个顶点上。

参照图3，第一转动副组件7为转动关节，包括第一耳座垫板71、第一双耳座72、第一单耳座73和第一转轴74。第一双耳座72固定在第一耳座垫板71上，第一单耳座73通过第一转轴74与第一双耳座72连接形成转动副。第一耳座垫板71连接在第一M形连接件35上，第一单耳座73连接在减速箱外壳621上。

参照图8和图9，纵向直线模组4与横向直线模组3的结构相同。包括纵向直线模组4包括第二型材41、第二电机支撑座42、第二滚珠丝杠43、第二滑台44、第二滚珠丝杠支撑板46和第二封盖47。第二电机支撑座42、第二滚珠丝杠支撑板46分别安装在型材41两端用于固定第二滚珠丝杠43。具体的连接关系此处不再详述。第二型材41的上表面连接在矩形水平框架101的底面上。第二滑台44的底面连接第二M形连接件45。

参照图1和图10，机架1的底部设有两个滑轨55。横梁组件5包括与横向直线模组3平行设置的连接板51，连接板51的上表面的两端均设有与滑轨55相适配的横梁滑台52。连接板51的下表面的两端分别连接两个第二转动副组件9。连接板51的上表面的中部通过第二M形连接件45连接在纵向直线模组4上。具体的，横梁滑台52通过固定块53和连接块54连接在连接板51上，且连接块54靠近连接板51设置，固定块53靠近横梁滑台52设置。

参照图11，第二转动副组件9包括第二双耳座91、第二单耳座92和第二转轴93，第二双耳座91连接在连接板51其中一端的下表面上，第二单耳座92通过第二转轴93连接第二双耳座91形成转动副。第二转动副组件9转动中心与第一转动副组件7的转动中心相互垂直。

参照图12，两个第二支链11也均为电动推杆，其结构均与第一支链6相同，此处不再详述。两个第二支链11的伸缩端均通过虎克铰10连接在运动平台2对应的顶点上。两个第二支链11的固定端分别通过一个第二转动副组件9连接在横梁组件5的两端。

参照图13，虎克铰10包括第一轴端联轴器1001、第二轴端联轴器1002、十字轴1003、万向节连接件1004组成,轴端联轴器1001与第二支链11的伸缩端固定连接，万向节连接件1004通过螺钉固定在运动平台2对应的端点上，第二轴端联轴器1002与万向节连接件1004通过螺钉固定，第一轴端联轴器1001、第二轴端联轴器1002通过十字轴1003连接形成万向节。第一轴端联轴器1001连接第二支链11的伸缩端，万向节连接件1004连接运动平台2。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，

包括机架、运动平台、横向直线模组、纵向直线模组、横梁组件、第一支链和两个第二支链；

所述横向直线模组的固定端和纵向直线模组的固定端均连接在所述机架的底部；所述第一支链的两端分别与所述横向直线模组的滑动端和所述运动平台铰接；

所述横梁组件与所述横向直线模组平行设置；所述纵向直线模组的滑动端连接在所述横梁组件中部，两个所述第二支链的固定端分别铰接在所述横梁组件的两端；两个所述第二支链的伸缩端均铰接在所述运动平台上

所述第一支链的伸缩端通过球副组件连接在所述运动平台上；所述第一支链的固定端通过第一转动副组件连接在所述横向直线模组的滑动端；两个所述第二支链的伸缩端均通过虎克铰连接在所述运动平台上；两个所述第二支链的固定端均通过第二转动副组件连接在所述横梁组件的两端；

所述机架的底部设有两个滑轨；

所述横梁组件包括与所述横向直线模组平行设置的连接板，所述连接板的上表面的两端均设有与所述滑轨相适配的横梁滑台；

所述连接板的下表面的两端分别连接两个所述第二转动副组件；

所述连接板的上表面的中部通过第二M形连接件连接在所述纵向直线模组上。

2.根据权利要求1所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述球副组件为球铰链；所述第一转动副组件和所述第二转动副组件均为转动关节，且所述第二转动副组件的转动中心与所述第一转动副组件的转动中心相互垂直。

3.根据权利要求1所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述运动平台为正三角形，所述第一支链和两个所述第二支链分别连接在对应的顶点处。

4.根据权利要求1所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述机架包括矩形水平框架和分别设置在所述矩形水平框架的四个顶点处的四个支腿；所述横向直线模组、所述纵向直线模组和所述横梁组件均连接在所述矩形水平框架的底面上。

5.根据权利要求4所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述横向直线模组和所述横梁组件均连接在所述矩形水平框架的边梁上。

6.根据权利要求1所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述横向直线模组包括第一电机支撑座、第一壳体、第一滑台和第一滚珠丝杠；所述第一滚珠丝杠设置在所述第一壳体内，所述第一电机支撑座内设有第一电机，所述第一电机与所述第一滚珠丝杠的输入端传动连接；所述第一滚珠丝杠的输出端连接所述第一滑台；所述第一转动副组件通过第一M形连接件连接在所述第一滑台上。

7.根据权利要求6所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述纵向直线模组与所述横向直线模组的结构相同。

8.根据权利要求1所述的可实现三维平动二维转动的新型五自由度并联机构，其特征在于，所述第一支链和所述第二支链均为电动推杆。