CN115213873B - 一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于并联机器人设计领域，涉及一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，包括包括基座、动平台、布置在基座与动平台之间的多个支链组以及连接杆组；基座上、下对称布置有多个驱动装置，驱动装置与支链组连接；本发明通过动平台的变形即可实现曲轴的转动；可变结构动平台包括三组曲柄滑块机构，借助于各个滑块的特定运动，并通过错开各组机构的死点，即可实现曲轴在正负两个方向上的无限制连续转动；同时使用了两组呈一定夹角布置的3R支链，由于只包括转动副，因此该动平台的摩擦阻力低；得益于使用的连接杆组，该动平台在水平两个方向上的转动角度超过正负90度，再考虑曲轴的无限制连续转动，因此动平台具有大姿态工作空间。

Description

一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人

技术领域

本发明属于并联机器人设计领域，涉及一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人。

背景技术

与串联机构相比，并联机构具有刚度高、累积误差小、动态特性好等特点，因此广泛应用于运动模拟器、定位平台、高速操作手、机床加工等领域。例如，常规的六自由度Stewart平台包括一个动平台与定平台，以及六条UPS支链(U表示虎克副、P表示移动副、S表示球面运动副)，虽然具有三个移动与三个转动自由度，但工作空间范围较小，尤其是姿态工作空间。受限于动平台与支链之间的干涉，其动平台与水平面的夹角不超过40度。另外一种名为Hexa的六自由度并联机构采用了六条RUS支链(R表示转动副)，面临同样的问题，即转动角度有限。为增加输出的角度，一些学者设计了含有铰接动平台的并联机构。例如，Pierrot等提出了具有铰接动平台的H4、I4和Par4等类型的四自由度并联机构。其中，Par4型并联机构的铰接动平台为一平行四边形，通过增速机构将平行四边形两对边的相对运动转换为末端执行器的整周转动。虽然这类含铰接动平台的并联机构具有整周转动的能力，但只有一个转动自由度的输出，难以满足复杂运动的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，解决以上现有的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，包括包括基座、动平台、布置在基座与动平台之间的多个支链组以及连接杆组；基座上、下对称布置有多个驱动装置，驱动装置与支链组连接。

可选的，支链组分别为第一支链组、第二支链组、第三支链组，第一支链组、第二支链组和第三支链组结构相同；第一支链组由A支链和B支链组成。

可选的，A支链由A主动臂、A从动臂、A虎克铰、B虎克铰组成；A虎克铰与B虎克铰结构相同，由A转轴与B转轴配合连接而成。

可选的，A主动臂一端与驱动装置通过转动副连接，另一端与A虎克铰的A转轴通过转动副连接；A从动臂一端与A虎克铰的B转轴通过转动副连接，另一端与B虎克铰的A转轴通过转动副连接。

可选的，B支链由B主动臂、B-1从动臂、B-2从动臂、A连杆轴组成；B主动臂一端与驱动装置通过转动副连接，另一端通过转动副与A连杆轴连接；B-1从动臂与B-2从动臂结构相同，其中一端分别与A连杆轴的两端通过转动副连接。

可选的，连接杆组分别为第一连接杆组、第二连接杆组、第三连接杆组；第一连接杆组由B连杆轴、A万向铰、B-1万向铰组成；第二连接杆组由B连杆轴、A万向铰、B-2万向铰、B-3万向铰组成。

可选的，第二连接杆组与第三连接杆组结构相同；B连杆轴与A连杆轴结构相同，B连杆轴依次穿过A万向铰，B-1万向铰或B-2万向铰，并通过转动副连接；B连杆轴两端分别与B-1从动臂、B-2从动臂通过转动副连接；A万向铰与B虎克铰的B转轴通过转动副连接；B-3万向铰与B-2万向铰的转轴通过转动副连接。

可选的，动平台由云台、曲轴和阵列式连接的多组曲柄传动机构组成；曲柄传动机构分别为第一曲柄传动机构、第二曲柄传动机构、第三曲柄传动机构，第一曲柄传动机构、第二曲柄传动机构与第三曲柄传动机构结构相同。

可选的，第一曲柄传动机构由A1连杆、A2连杆、B1连杆、B2连杆、C连杆、滑块组成；A1连杆、A2连杆、B1连杆、B2连杆与C连杆结构相同；A1连杆一端与滑块的A转轴通过转动副连接，另一端与A2连杆通过转动副连接；A2连杆另一端与云台通过转动副连接；B1连杆一端与滑块的B转轴通过转动副连接，另一端与B2连杆通过转动副连接；B2连杆另一端与云台通过转动副连接；C连杆一端与滑块的C转轴通过转动副连接，另一端与曲轴的B转轴通过转动副连接；第一曲柄传动机构的滑块的D转轴与第一连接杆组的B-1万向铰通过转动副连接。

可选的，第二曲柄传动机构的滑块的D转轴与第二连接杆组的B-3万向铰通过转动副连接；第三曲柄传动机构的滑块的D转轴与第三连接杆组的B-3万向铰通过转动副连接；曲轴穿过云台，曲轴的A转轴与云台通过转动副连接。

本发明的有益效果在于：(1)本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，提出了一种具有可变结构的动平台，通过动平台的变形即可实现曲轴的转动；(2)该可变结构动平台包括三组曲柄滑块机构，借助于各个滑块的特定运动，并通过错开各组机构的死点，即可实现曲轴在正负两个方向上的无限制连续转动；(3)为保证滑块的直线运动，使用了两组呈一定夹角布置的3R支链(R表示转动副)，由于只包括转动副，因此该动平台的摩擦阻力低；(4)得益于使用的连接杆组，该动平台在水平两个方向上的转动角度超过正负90度，再考虑曲轴的无限制连续转动，因此动平台具有大姿态工作空间。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的整体结构示意图；

图2为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的基座示意图；

图3为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的第一支链组示意图；

图4为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A支链示意图；

图5为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A主动臂示意图；

图6为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A从动臂示意图；

图7为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A虎克铰示意图；

图8为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的B支链示意图；

图9为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的B从动臂示意图；

图10为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的B-1从动臂示意图；

图11为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A连杆轴示意图；

图12为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的第一连接杆组示意图；

图13为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的A万向铰示意图；

图14为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的B-1万向铰示意图；

图15为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的第二连接杆组示意图；

图16为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的B-2万向铰示意图；

图17为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的动平台示意图；

图18为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的第一曲柄传动机构示意图；

图19为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的滑块示意图；

图20为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的云台示意图；

图21为本发明一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人的曲轴示意图。

附图标记：基座1、动平台2、第一连接杆组3、第二连接杆组4、第三连接杆组5、第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8、驱动装置9、A支链10、B支链11、A主动臂12、A从动臂13、A虎克铰14、B虎克铰15、A转轴16、B转轴17、B主动臂18、A连杆轴19、B-1从动臂20、B-2从动臂21、B连杆轴22、A万向铰23、B-1万向铰24、B-2万向铰25、B-3万向铰26、第一曲柄传动机构27、第二曲柄传动机构28、第三曲柄传动机构29、云台30、曲轴31、滑块32、A1连杆33、A2连杆34、C连杆35、B1连杆36、B2连杆37、滑块的A转轴38、滑块的B转轴39、滑块的C转轴40、滑块的D转轴41、曲轴的A转轴42、曲轴的B转轴43。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图21，为一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，包括包括基座1、动平台2、布置在基座1与动平台2之间的多个支链组以及连接杆组；基座1上、下对称布置有多个驱动装置9，驱动装置9与支链组连接，支链组分别为第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8，第一支链组6、第二支链组7和第三支链组8结构相同；第一支链组6由A支链10和B支链11组成，A支链10由A主动臂12、A从动臂13、A虎克铰14、B虎克铰15组成；A虎克铰14与B虎克铰15结构相同，由A转轴16与B转轴17配合连接而成，A主动臂12一端与驱动装置9通过转动副连接，另一端与A虎克铰14的A转轴16通过转动副连接；A从动臂13一端与A虎克铰14的B转轴17通过转动副连接，另一端与B虎克铰15的A转轴16通过转动副连接，B支链11由B主动臂18、B-1从动臂20、B-2从动臂21、A连杆轴19组成；B主动臂18一端与驱动装置9通过转动副连接，另一端通过转动副与A连杆轴19连接；B-1从动臂20与B-2从动臂21结构相同，其中一端分别与A连杆轴19的两端通过转动副连接，连接杆组分别为第一连接杆组3、第二连接杆组4、第三连接杆组5；第一连接杆组3由B连杆轴22、A万向铰23、B-1万向铰24组成；第二连接杆组4由B连杆轴22、A万向铰23、B-2万向铰25、B-3万向铰26组成，第二连接杆组4与第三连接杆组5结构相同；B连杆轴22与A连杆轴19结构相同，B连杆轴22依次穿过A万向铰23，B-1万向铰24或B-2万向铰25，并通过转动副连接；B连杆轴22两端分别与B-1从动臂20、B-2从动臂21通过转动副连接；A万向铰23与B虎克铰15的B转轴17通过转动副连接；B-3万向铰26与B-2万向铰25的转轴通过转动副连接，动平台2由云台30、曲轴31和阵列式连接的多组曲柄传动机构组成；曲柄传动机构分别为第一曲柄传动机构27、第二曲柄传动机构28、第三曲柄传动机构29，第一曲柄传动机构27、第二曲柄传动机构28与第三曲柄传动机构29结构相同，第一曲柄传动机构27由A1连杆33、A2连杆34、B1连杆36、B2连杆37、C连杆35、滑块32组成；A1连杆33、A2连杆34、B1连杆36、B2连杆37与C连杆35结构相同；A1连杆33一端与滑块的A转轴38通过转动副连接，另一端与A2连杆34通过转动副连接；A2连杆34另一端与云台30通过转动副连接；B1连杆36一端与滑块的B转轴39通过转动副连接，另一端与B2连杆37通过转动副连接；B2连杆37另一端与云台30通过转动副连接；C连杆35一端与滑块的C转轴40通过转动副连接，另一端与曲轴的B转轴43通过转动副连接；第一曲柄传动机构27的滑块的D转轴41与第一连接杆组3的B-1万向铰24通过转动副连接，第二曲柄传动机构28的滑块的D转轴41与第二连接杆组4的B-3万向铰26通过转动副连接；第三曲柄传动机构29的滑块的D转轴41与第三连接杆组5的B-3万向铰26通过转动副连接；曲轴31穿过云台30，曲轴的A转轴42与云台30通过转动副连接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种具有大姿态工作空间的六自由度并联机器人，其特征在于：包括包括基座、动平台、布置在所述基座与动平台之间的多个支链组以及连接杆组；所述基座上、下对称布置有多个驱动装置，所述驱动装置与所述支链组连接；所述支链组分别为第一支链组、第二支链组、第三支链组，所述第一支链组、第二支链组和所述第三支链组结构相同；所述第一支链组由A支链和B支链组成；

所述A支链由A主动臂、A从动臂、A虎克铰、B虎克铰组成；所述A虎克铰与所述B虎克铰结构相同，由A转轴与B转轴配合连接而成；

所述A主动臂一端与所述驱动装置通过转动副连接，另一端与所述A虎克铰的A转轴通过转动副连接；所述A从动臂一端与所述A虎克铰的B转轴通过转动副连接，另一端与所述B虎克铰的A转轴通过转动副连接；

所述B支链由B主动臂、B-1从动臂、B-2从动臂、A连杆轴组成；所述B主动臂一端与所述驱动装置通过转动副连接，另一端通过转动副与所述A连杆轴连接；所述B-1从动臂与B-2从动臂结构相同，其中一端分别与所述A连杆轴的两端通过转动副连接；

所述连接杆组分别为第一连接杆组、第二连接杆组、第三连接杆组；所述第一连接杆组由B连杆轴、A万向铰、B-1万向铰组成；所述第二连接杆组由B连杆轴、A万向铰、B-2万向铰、B-3万向铰组成；

B-1万向铰左侧支腿、右侧支腿上分别有一个通孔，B-2万向铰左侧支腿、右侧支腿上分别有一个通孔；所述第二连接杆组与所述第三连接杆组结构相同；所述B连杆轴与A连杆轴结构相同，在第一连接杆组中B连杆轴穿过B-1万向铰左侧支腿和右侧支腿的通孔，A万向铰设置在B-1万向铰左侧支腿的通孔与右侧支腿的通孔之间并套接在B连杆轴上；在第二连接杆组与第三连接杆组中，B连杆轴穿过B-2万向铰左侧支腿和右侧支腿的通孔，A万向铰设置在B-2万向铰左侧支腿的通孔与右侧支腿的通孔之间并套接在B连杆轴上；所述B连杆轴两端分别与所述B-1从动臂、B-2从动臂通过转动副连接；所述A万向铰与所述B虎克铰的B转轴通过转动副连接；所述B-3万向铰与所述B-2万向铰的转轴通过转动副连接；

所述动平台由云台、曲轴和阵列式连接的多组曲柄传动机构组成；所述曲柄传动机构分别为第一曲柄传动机构、第二曲柄传动机构、第三曲柄传动机构，所述第一曲柄传动机构、第二曲柄传动机构与所述第三曲柄传动机构结构相同；

所述第一曲柄传动机构由A1连杆、A2连杆、B1连杆、B2连杆、C连杆、滑块组成；所述A1连杆、A2连杆、B1连杆、B2连杆与所述C连杆结构相同；所述A1连杆一端与所述滑块的A转轴通过转动副连接，另一端与所述A2连杆通过转动副连接；所述A2连杆另一端与所述云台通过转动副连接；所述B1连杆一端与所述滑块的B转轴通过转动副连接，另一端与所述B2连杆通过转动副连接；所述B2连杆另一端与所述云台通过转动副连接；所述C连杆一端与所述滑块的C转轴通过转动副连接，另一端与所述曲轴的B转轴通过转动副连接；所述第一曲柄传动机构的滑块的D转轴与所述第一连接杆组的B-1万向铰通过转动副连接；

所述第二曲柄传动机构的滑块的D转轴与所述第二连接杆组的B-3万向铰通过转动副连接；所述第三曲柄传动机构的滑块的D转轴与所述第三连接杆组的B-3万向铰通过转动副连接；所述曲轴穿过所述云台，所述曲轴的A转轴与所述云台通过转动副连接。