CN114888780A - 一种三分支6+3自由度运动冗余并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域。目的是提供一种三分支6+3自由度运动冗余并联机构，该机构应具有定向工作空间大、精度高、动力学性能好、可避开Ⅱ类奇异点等优点。技术方案是：一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，包括定平台、动平台以及并联连接在定平台与动平台之间的三条支链；其特征在于：所述三条支链的结构相同，每条支链包括依次连接在定平台与动平台之间的移动副的导轨、移动副的滑块、平面四杆机构、球铰、冗余连杆以及第六转动副。

Description

一种三分支6+3自由度运动冗余并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种应用于医疗机器人的三分支6+3自由度的运动冗余并联机构。
背景技术
随着科学技术发展，将新型技术、新材料应用到医疗器械成为发展趋势。医疗机器人主要被应用在医疗辅助康复护理、转运药品和病人、医疗手术等方面。手术机器人相比较医护人员具有提供组织和神经线路、给予准确的定位和视野、避免人为操作的手颤、缓解手术人员的疲劳、失血量少等优势。
传统的串联手术机器人由于各个运动副之间存在误差，往往会造成机构末端产生较大的累积误差和运动误差。与串联机构相比，并联机构自身有着无累积误差、精度高、较好的动力学性能等机构特性，因此并联机构被广泛应用于现代生产中。因并联机构的高精度性，使其在医疗手术等应用场合能够实现高精度的微操作与精密的定位。
但相比于传统的六自由度非冗余并联机构，运动冗余并联机构具有更大的平移以及旋转工作空间，同时能够避开动平台的Ⅱ类奇异点，因此更适合应用于医疗器械等领域。特别地，与经典六自由度Gough-Stewart平台相比，其最大的旋转工作空间只能达到45°，而运动冗余的6+3自由度并联机构的定向旋转工作空间可以达到90°-135°。因此，提出一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构应用于医疗机器人是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种三分支6+3自由度运动冗余并联机构，该机构应具有定向工作空间大、精度高、动力学性能好、可避开Ⅱ类奇异点等优点。
本发明的技术方案是：
一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，包括定平台、动平台以及并联连接在定平台与动平台之间的三条支链；其特征在于：所述三条支链的结构相同，每条支链包括依次连接在定平台与动平台之间的移动副的导轨、移动副的滑块、平面四杆机构、球铰、冗余连杆以及第六转动副。
所述平面四杆机构包括依次连接在连接座上的第一驱动转动副、第一连杆、第三转动副、第三连杆、第四转动副、第四连杆、第五转动副、第二连杆以及铰接在连接座上第二驱动转动副；所述移动副的导轨与定平台固定，连接座与移动副的滑块固定；所述第四连杆从第五转动副中继续往背离第四转动副的一端延伸若干距离后再连接所述球铰。
所述三条支链的第六转动副轴线互相平行并且垂直于动平台；所述第一驱动转动副轴线与第二驱动转动副轴线同轴布置；所述第一驱动转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线、移动副轴线互相平行。
所述三条支链的移动副导轨中心线垂直于定平台且过其中心的轴线作圆周分布。
所述第一转动副、第二转动副、移动副为驱动副。
所述第一驱动转动副、第二驱动转动副为伺服电机。
所述移动副为电机带动的滚珠丝杠机构。
本发明的有益效果是：
本发明提出的并联机构拥有较大平移工作空间以及定向旋转工作空间，能够将奇异点配置于工作空间以外进而避开Ⅱ类奇异点，因此具有精度高、动力学性能好等优点，可用于医疗手术等需要较高精度以及较大工作空间的领域。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的单条支链的立体结构示意图。
图3是本发明的四杆机构的立体结构示意图。
图4是本发明的冗余连杆与动平台的立体结构示意图。
图5是本发明的移动副的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，包括定平台1、动平台2以及并联连接在定平台与动平台之间的三条支链3。
这三条支链的结构相同，因此对其中一条支链进行具体描述(图2、图3、图4、图5所示)：所述支链包括依次连接在定平台与动平台之间的移动副4、平面四杆机构5、球铰16、冗余连杆18以及第六转动副19。
所述移动副的导轨与移动副的滑块配合形成移动副，移动副的导轨与定平台固定。三条支链的移动副的导轨均匀布置在定平台上。三条支链的移动副的导轨中心线垂直于定平台且过其中心的轴线作圆周分布。三条支链的第六转动副轴线互相平行并且垂直于动平台。
所述平面四杆机构包括依次连接在连接座17上的第一驱动转动副7、第一连杆9、第三转动副10、第三连杆11、第四转动副12、第四连杆13、第五转动副14、第二连杆15、铰接在连接座上第二驱动转动副8。
所述移动副的导轨21与定平台固定，连接座与移动副的滑块20固定。所述第四连杆从第五转动副中继续往背离第四转动副的一端延伸若干距离后再连接所述的球铰。所述球铰的底座设置在第四连杆的一端，第四转动副设置在第四连杆的另一端，第五转动副设置在第四连杆两端点之间。所述第一连杆的一端与第一驱动转动副铰接，第一连杆的另一端与第三连杆一端通过第三转动副连接，第三连杆的另一端与第四连杆一端通过第四转动副连接，第二连杆的一端与位于第四连杆两端点之间的第五转动副连接，第二连杆的另一端与第二驱动转动副铰接。
每条支链中，第一驱动转动副轴线与第二驱动转动副轴线同轴布置，第一驱动转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线、移动副轴线互相平行。
该运动冗余并联机构中，第一驱动转动副、第二驱动转动副、移动副为驱动副。所述第一驱动转动副、第二驱动转动副为伺服电机。所述移动副为电机带动的滚珠丝杠机构。
该运动冗余并联机构的工作原理是：
从初始位置开始，通过合适地控制移动副的运动来驱动冗余连杆，进而控制冗余连杆与直线A(经过动平台中心点、第六转动副中心点的直线)的夹角角度值来避免Ⅱ类奇异点，再通过合适地控制第一驱动转动副与第二驱动转动副的旋转角度，可以操控动平台三个转动与三个平移方向的运动，进而控制动平台在空间运动。

Claims (7)

1.一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，包括定平台(1)、动平台(2)以及并联连接在定平台与动平台之间的三条支链(3)；其特征在于：所述三条支链的结构相同，每条支链包括依次连接在定平台与动平台之间的移动副(4)、平面四杆机构(5)、球铰(16)、冗余连杆(18)以及第六转动副(19)。
2.根据权利要求1所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述平面四杆机构包括依次连接在连接座(17)上的第一驱动转动副(7)、第一连杆(9)、第三转动副(10)、第三连杆(11)、第四转动副(12)、第四连杆(13)、第五转动副(14)、第二连杆(15)以及铰接在连接座上第二驱动转动副(8)；所述移动副的导轨(21)与定平台固定，连接座与移动副的滑块(20)固定；所述第四连杆从第五转动副中继续往背离第四转动副的一端延伸若干距离后再连接所述球铰。
3.根据权利要求2所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述三条支链的第六转动副轴线互相平行并且垂直于动平台；所述第一驱动转动副轴线与第二驱动转动副轴线同轴布置；所述第一驱动转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线、移动副轴线互相平行。
4.根据权利要求3所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述三条支链的移动副导轨中心线垂直于定平台且过其中心的轴线作圆周分布。
5.根据权利要求4所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述第一转动副、第二转动副、移动副为驱动副。
6.根据权利要求5所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述第一驱动转动副、第二驱动转动副为伺服电机。
7.根据权利要求6所述的一种三分支6+3自由度的运动冗余并联机构，其特征在于：所述移动副为电机带动的滚珠丝杠机构。
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