CN114559422B - 一种完全解耦的3r1t并联机构 - Google Patents

一种完全解耦的3r1t并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种完全解耦的3R1T并联机构，属于机器人技术领域。该并联机构包括：定平台和动平台，以及定平台与动平台之间连接的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；驱动电机均安装在定平台上，转动副R11、移动副P21、移动副P31，移动副P41分别连接驱动电机；本发明通过并联机构3个驱动电机控制机构使用欧拉角表示的3个空间转动运动，1个驱动分别控制1个移动运动，克服了一般3R1T并联机构运动控制复杂的问题，且4个电机分别单独控制3个欧拉角的转动运动和1个移动运动，具有动态性能好、可控性能强的特点，解决了驱动电机放置在运动构件上动态性能低，3R1T并联机构运动控制复杂的问题。

Description

一种完全解耦的3R1T并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种完全解耦的3R1T并联机构。
背景技术
并联机器人机构为空间多自由度多环闭链形式；并联机构具有2、3、4、5或6个自由度，目前，并联机构自由度的减少将使得机构结构更为简单，制造和控制成本相对较低，故在满足预期工作要求的情况下，少自由度并联机器人有其独特的优势；
目前，现有的完全解耦的3R1T机构均存在驱动电机安装在运动构件上动态性能低，实现完全解耦的控制时，需要驱动副的转动依次按顺序进行，现有3R1T机构不具有完全解耦的特征，且运动控制复杂。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种完全解耦的3R1T并联机构。所述并联机构包括：定平台和动平台；
所述定平台和所述动平台之间连接有第一支链、第二支链和第三支链和第四支链；
所述第一支链包括依次连接的转动副R11、第一连杆、转动副R12，第二连杆、转动副R13、第三连杆；
所述第一连杆为弧形连杆，
所述第二连杆为“T”型连杆；第二连杆一端设有移动副P35，第二连杆另一端设有移动副P45，
所述转动副R11安装在定平台上，所述转动副R13安装在第三连杆上；
所述第二支链包括依次连接的移动副P21、第四连杆、球副S22、第五连杆以及球副S23，
所述移动副P21安装在定平台上，所述球副S23连接在第二连杆上，所述第二连杆和第五连杆通过球副S23活动连接，
所述第三支链包括依次连接的移动副P31、第六连杆、转动副R32、第七连杆、移动副P33，第八连杆、转动副R34、第九连杆、移动副P35；
所述移动副P31安装在定平台上；
所述第九连杆为“V”型杆，所述第九连杆一端设有螺旋副H37，所述第九连杆另一端设有第二连杆；
所述第九连杆上还依次连接有移动副P36、第十连杆、螺旋副H37，所述第九连杆通过移动副P35与第二连杆一端连接，所述移动副P35连接在第二连杆上；
所述螺旋副H37安装在第三连杆上，所述第十连杆通过螺旋副H37与第三连杆活动连接；
所述第四支链包括依次连接的移动副P41、第十二连杆、转动副R42、第十三连杆、移动副P43、第十四连杆、转动副R44、第十五连杆、移动副P46、第十六连杆；
所述移动副P41安装在定平台上，
第十五连杆与第二连杆另一端通过移动副P45连接；
第十四连杆为“V”型杆，所述第十四连杆一端设置移动副P43，所述第十四连杆另一端设置转动副R44，
第十五连杆为“V”型杆，所述第十五连杆一端设置转动副R44，所述第十五连杆另一端设置移动副P46，
第十四连杆一端与第十五连杆一端通过转动副R44转动连接；
所述第十六连杆与动平台通过转动副R47连接；
所述第三连杆与动平台通过移动副P48连接；
进一步，所述转动副R11的转动轴线平行于X轴方向；
转动副R12沿Y轴方向，转动副R12与转动副R11轴线方向垂直；
转动副R13与转动副R12轴线方向垂直，转动副R13轴线沿Z轴方向。
进一步，所述移动副P21的移动方向沿X轴方向；
移动副P21的移动方向与转动副R11轴线重合；
进一步，所述移动副P31移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R32轴线与转动副R11轴线重合；
移动副P33移动方向与转动副R32轴线夹角为45°，移动副P33的移动方向与移动副P35的移动方向夹角为45°，移动副P35移动方向与转动副R34轴线重合；
转动副R34轴线与转动副R12轴线重合；
移动副P33移动方向与移动副P35移动方向夹角为45°，移动副P36移动方向与螺旋副H37轴线方向夹角为45°，螺旋副H37轴线与转动副R13轴线重合；
进一步，所述转动副R11、转动副R12、转动副R13轴线相交于坐标系OXYZ点O；
转动副R34、转动副R32转动轴线相交于点O，螺旋副H37轴线过点O，移动副P31、移动副P21、移动副P35移动方向过点O；
进一步，所述移动副P41移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R42轴线与转动副R11轴线重合；
移动副P43移动方向与转动副R42轴线夹角为45°，移动副P43与移动副P45夹角为45°，移动副P45移动方向与转动副R44轴线重合；
转动副R44轴线与转动副R12轴线重合；
移动副P45移动方向与移动副P46移动方向夹角为45°，移动副P46移动方向与移动副P48移动方向夹角为45°，转动副R47轴线与转动副R13轴线重合；
进一步，所述转动副R11上连接有电机，作为转动驱动副；
进一步，所述移动副P21、移动副P31和移动副P41上均连接有电机，作为移动驱动副；
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在本发明中所述的3R1T转动并联机构指的是三转动一移动运动模式的四自由度并联机构；通过转动副R11控制动平台绕转动副轴R11线的转动；移动副P21控制动平台绕转动副R12轴线的转动；移动副P31控制动平台绕转动副R13轴线的转动。移动副P41控制动平台沿移动副P48的移动；转动副R11上连接电机，作为转动驱动副，移动副P21、移动副P31和移动副P41上连接驱动电机，作为移动驱动副；
本发明通过并联机构3个驱动电机控制机构使用欧拉角表示的3个空间转动运动，1个驱动分别控制1个移动运动，克服了一般3R1T并联机构运动控制复杂的问题，且4个驱动电机分别单独控制3个欧拉角的转动运动和1个移动运动，具有动态性能好、可控性能强的特点，解决了驱动电机放置在运动构件上动态性能低，3R1T并联机构运动控制复杂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明提供的一种完全解耦的3R1T并联机构结构示意图；
附图标记：1-第一连杆，2-第二连杆，3-第三连杆，4-第四连杆，5-第五连杆，6-第六连杆，7-第七连杆，8-第八连杆，9-第九连杆，10-第十连杆，11-定平台，12-第十二连杆，13-第十三连杆，14-第十四连杆，15-第十五连杆，16-第十六连杆，17-动平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
根据附图1所示的一种完全解耦的3R1T并联机构，所述并联机构包括：定平台11和动平台17；
所述定平台11和所述动平台17之间连接有第一支链、第二支链和第三支链和第四支链；
所述第一支链包括依次连接的转动副R11、第一连杆1、转动副R12，第二连杆2、转动副R13、第三连杆3；
所述第一连杆1为弧形连杆，
所述第二连杆2为“T”型连杆；第二连杆2一端设有移动副P35，第二连杆2另一端设有移动副P45，
所述转动副R11安装在定平台11上，所述第三转动副R13安装在第三连杆3上；
所述转动副R11的转动轴线平行于X轴方向；
转动副R12轴线沿Y轴方向，转动副R12与R11轴线方向垂直；
转动副R13与转动副R12轴线方向垂直，转动副R13轴线沿Z轴方向；
转动副R11上连接有电机，作为转动驱动副；
所述第二支链包括依次连接的移动副P21、第四连杆4、球副S22、第五连杆5以及球副S23，
所述移动副P21安装在定平台11上，所述球副S23连接在第二连杆2上，所述第二连杆2和第五连杆5通过球副S23活动连接；
所述移动副P21的移动方向沿X轴方向；移动副P21的移动方向与R11轴线重合；
移动副P21移动的方向与R11轴线重合；
所述第三支链包括依次连接的移动副P31、第六连杆6、转动副R32、第七连杆7、移动副P33，第八连杆8、转动副R34、第九连杆9、移动副P35；
所述移动副P31安装在定平台11上；
所述第九连杆9为“V”型杆，所述第九连杆9一端设有螺旋副H37，所述第九连杆9另一端设有第二连杆2；
所述第九连杆9上还依次连接有移动副P36、第十连杆10、螺旋副H37，所述第九连杆9通过移动副P35与第二连杆2一端连接，所述移动副P35连接在第二连杆2上；
所述螺旋副H37安装在第三连杆3上，所述第十连杆10通过螺旋副H37与第三连杆3活动连接；
所述移动副P31移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R32轴线与转动副R11轴线重合；
移动副P33移动方向与转动副R32轴线夹角为45°，移动副P33的移动方向与移动副P35的移动方向夹角为45°，移动副P35移动方向与转动副R34轴线重合；
转动副R34轴线与转动副R12轴线重合；移动副P33移动方向与移动副P35移动方向夹角为45°，移动副P36移动方向与螺旋副H37轴线方向夹角为45°，移动副P36移动方向与移动副P35移动方向夹角45°，螺旋副H37轴线与转动副R13轴线重合；所述转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线相交于坐标系OXYZ点O；
转动副R34、转动副R32转动轴线相交于点O，螺旋副H37轴线过点O，移动副P31、移动副P21、移动副P35移动方向过点O；
所述第四支链包括依次连接的移动副P41、第十二连杆12、转动副R42、第十三连杆13、移动副P43、第十四连杆14、转动副R44、第十五连杆15、移动副P46、第十六连杆16；
所述移动副P41安装在定平台11上，
第十五连杆15与第二连杆2另一端通过移动副P45连接；
第十四连杆14为“V”型杆，所述第十四连杆14一端设置移动副P43，所述第十四连杆14另一端设置转动副R44，
第十五连杆15为“V”型杆，所述第十五连杆15一端设置转动副R44，所述第十五连杆15另一端设置移动副P46，
第十四连杆14一端与第十五连杆15一端通过转动副R44转动连接；
所述第十六连杆16与动平台17通过转动副R47连接；
所述第三连杆3与动平台17通过移动副P48连接；
所述移动副P41移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R42与转动副R11轴线重合；
移动副P43移动方向与转动副R42轴线夹角为45°，移动副P43与移动副P45夹角为45°，移动副P45移动方向与转动副R44轴线重合；
转动副R44轴线与转动副R12轴线重合；
移动副P45移动方向与移动副P46移动方向夹角为45°，移动副P46移动方向与移动副P48移动方向夹角为45°，转动副R47轴线与转动副R13轴线重合；
需要说明的是，在本发明中所述的3R1T转动并联机构指的是三转动一移动运动模式的四自由度并联机构；
本发明在定平台11上安装有四个驱动电机，4个驱动电机均安置在定平台11的固定基座上，四个驱动电机分别连接四个运动链，所述转动副R11上连接有驱动电机，作为转动驱动副；所述移动副P21、移动副P31和移动副P41上分别连接有驱动电机，作为移动驱动副；
本发明的并联机构中通过3个驱动电机控制机构使用欧拉角表示的3个空间转动运动，1个驱动分别控制1个移动运动，转动副R11控制动平台17绕转动副R11轴线的转动；移动副P21控制动平台17绕转动副R12轴线的转动；移动副P31控制动平台17绕转动副R13轴线的转动；移动副P41控制动平台17沿移动副P48的移动；
本发明的并联机构中3个驱动电机控制机构使用欧拉角表示的3个空间转动运动，1个驱动分别控制1个移动运动，克服了一般3R1T并联机构运动控制复杂的问题，且4个驱动电机分别单独控制3个欧拉角的转动运动和1个移动运动，具有动态性能好、可控性能强的特点，动平台17相对于基座的运动不需要同时控制四个分支上的驱动电机，减少控制难度，只需根据需要的自由度驱动相应的电机，从而减少控制的复杂度，提高控制的精确性，完全解耦的3R1T球面并联机构可应用于运动仿真、激光扫描、雷达跟踪、姿态调整、机器人手腕等领域。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，所述并联机构包括：定平台（11）和动平台（17）；
所述定平台（11）和所述动平台（17）之间连接有第一支链、第二支链和第三支链和第四支链；
所述第一支链包括依次连接的转动副R11、第一连杆（1）、转动副R12，第二连杆（2）、转动副R13、第三连杆（3）；
所述第一连杆（1）为弧形连杆，
所述第二连杆（2）为“T”型连杆；第二连杆（2）一端设有移动副P35，第二连杆（2）另一端设有移动副P45，
所述转动副R11安装在定平台（11）上，所述转动副R13安装在第三连杆（3）上；
所述第二支链包括依次连接的移动副P21、第四连杆（4）、球副S22、第五连杆（5）以及球副S23，
所述移动副P21安装在定平台（11）上，所述球副S23连接在第二连杆（2）上，所述第二连杆（2）和第五连杆（5）通过球副S23活动连接，
所述第三支链包括依次连接的移动副P31、第六连杆（6）、转动副R32、第七连杆（7）、移动副P33，第八连杆（8）、转动副R34、第九连杆（9）、移动副P35；
所述移动副P31安装在定平台（11）上；
所述第九连杆（9）为“V”型杆，所述第九连杆（9）一端设有螺旋副H37，所述第九连杆（9）另一端设有第二连杆（2），
所述第九连杆（9）上还依次连接有移动副P36、第十连杆（10）、螺旋副H37，所述第九连杆（9）通过移动副P35与第二连杆（2）一端连接，所述移动副P35连接在第二连杆（2）上；
所述螺旋副H37安装在第三连杆（3）上，所述第十连杆（10）通过螺旋副H37与第三连杆（3）活动连接；
所述第四支链包括依次连接的移动副P41、第十二连杆（12）、转动副R42、第十三连杆（13）、移动副P43、第十四连杆（14）、转动副R44、第十五连杆（15）、移动副P46、第十六连杆（16）；
所述移动副P41安装在定平台（11）上，
第十五连杆（15）与第二连杆（2）另一端通过移动副P45连接；
第十四连杆（14）为“V”型杆，所述第十四连杆（14）一端设置移动副P43，所述第十四连杆（14）另一端设置转动副R44，
第十五连杆（15）为“V”型杆，所述第十五连杆（15）一端设置转动副R44，所述第十五连杆（15）另一端设置移动副P46，
第十四连杆（14）一端与第十五连杆（15）一端通过转动副R44转动连接；
所述第十六连杆（16）与动平台（17）通过转动副R47连接；
所述第三连杆（3）与动平台（17）通过移动副P48连接;
所述转动副R11上连接有驱动电机，作为转动驱动副；
所述移动副P21、移动副P31和移动副P41上分别连接有驱动电机，作为移动驱动副。
2.根据权利要求1所述的一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，
所述转动副R11的转动轴线平行于X轴方向；
转动副R12轴线沿Y轴方向，转动副R12与转动副R11轴线方向垂直；
转动副R13与转动副R12轴线方向垂直，转动副R13轴线沿Z轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，所述移动副P21的移动方向沿X轴方向；移动副P21的移动方向与转动副R11轴线重合。
4.根据权利要求1所述的一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，所述移动副P31移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R32轴线与转动副R11轴线重合；
移动副P33移动方向与转动副R32轴线夹角为45°，移动副P33的移动方向与移动副P35的移动方向夹角为45°，移动副P35移动方向与转动副R34轴线重合；
转动副R34轴线与转动副R12轴线重合；
移动副P36移动方向与螺旋副H37轴线方向夹角为45°，螺旋副H37轴线与转动副R13轴线重合。
5.根据权利要求4所述的一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，所述转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线相交于坐标系OXYZ点O；
转动副R34、转动副R32转动轴线相交于点O，螺旋副H37轴线过点O，移动副P31、移动副P21、移动副P35移动方向过点O。
6.根据权利要求1所述的一种完全解耦的3R1T并联机构，其特征在于，所述移动副P41移动方向与转动副R11轴线重合；
转动副R42与转动副R11轴线重合；
移动副P43移动方向与转动副R42轴线夹角为45°，移动副P43与移动副P45夹角为45°，移动副P45移动方向与转动副R44轴线重合；
转动副R44轴线与转动副R12轴线重合；
移动副P45移动方向与移动副P46移动方向夹角为45°，移动副P46移动方向与移动副P48移动方向夹角为45°，转动副R47轴线与转动副R13轴线重合。
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