CN1544210A - 一种二自由度转动并联机器人机构 - Google Patents

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王立平
关立文
汪劲松
段广洪
张帆
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Abstract

一种二自由度并联机器人机构，属于机器人和机械制造领域。本发明公开的二自由度并联机器人机构包括定平台、动平台及连接定平台和动平台的分支，动平台上设有两条滑轨，并通过五个分支与定平台连接；五个分支中四个分支结构相同，四分支各包括一个沿动平台上滑轨移动的滑块和一个作为驱动副的可伸缩连杆，各可伸缩连杆的一端与定平台固连，另一端通过转动副与对应的滑块相连；第五个分支为约束分支，一端与定平台固连，另一端通过虎克铰与动平台相连；四条相同分支以约束分支为中心均布，相对两分支的驱动为运动方向相反的联动，动平台上两条滑轨分别与约束分支上对应的虎克铰的轴线平行。本发明具有高刚度、高精度、运动方式明确等特性。

Description

一种二自由度转动并联机器人机构
技术领域
本发明属于机器人和机械制造领域。
背景技术
并联机器人机构是一种闭环机构，其动平台或称末端执行器通过至少两个独立的运动链与机架相连接。与串联机器人机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点。目前，并联机器人机构在机床、机器人、医疗器械、航空、航天、航海、娱乐、仿真等行业中越来越得到重视。
目前并联机器人机构通常具有2、3、4、5和6自由度，从运动实现角度看，6自由度并联机器人机构是最理想的机构，但该种类型机构存在如工作空间小、灵活度不高、运动学正解不封闭、尺度综合困难等缺点，并且制造成本高。与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有结构简单、工作空间较大、设计与控制比较简单等优点，因此基于少自由度的并联机器人机构成为工业中的骄子。少自由度并联机构的另一个优点是：可以通过增加多余约束来提高系统的刚度而不影响系统的运动特性，包括运动形式和能力。
并联机床(parallel machine tool，PMT)又称为并联运动机器(parallel kinematicsmachine，PKM)或虚(拟)轴机床(virtual axis machine)，它是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，并联机床与传统机床相比，具有高刚度、高精度、响应快、功能强、结构灵活成本低等优点，因而并联机床具有广阔的发展和应用前景。目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床以及基于并联构型的各类机械装备非常重视。
在并联机器人机构中，定位和定向机构是应用非常广泛的重要机构，定向机构实现绕一点的旋转，现有的定向并联机构中以实现三自由度转动的并联机构为主，如Hayward在1993年提出的并联机构、Cheng在1995年提出的并联机构等。二自由度转动机构可以应用于摆头机构、机床刀头等领域，实现二维转动通常采用两个作为驱动副的转动副构成的串联机构，其结构简单，但刚度、动力性能等不好。
综上所述，目前实现二维转动的机构类型较少，在性能方面还存在不足，机器人机构、机械制造等的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新构型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种二自由度并联机器人机构，即是二维转动的并联机器人机构。具有高刚度、高精度、高动态性能，运动方式明确，运动学正、反解简单等特性。
本发明提出了一种二自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台，以及连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述动平台上设有两条滑轨，并通过五个分支与定平台连接；所述五个分支中四个分支结构相同，所述四分支各包括一个沿动平台上滑轨移动的滑块和一个作为驱动副的可伸缩连杆，所述各可伸缩连杆的一端与定平台固连，另一端通过转动副与对应的滑块相连；第五个分支为约束分支，一端与定平台固连，另一端通过虎克铰与动平台相连；所述四条相同分支以所述约束分支为中心均布，相对两分支的驱动为运动方向相反的联动，动平台上两条滑轨分别与所述约束分支上对应的虎克铰的轴线平行。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明的并联机器人机构是实现绕一点二维转动的并联机器人机构。
2、本发明的并联机器人机构运动学正、反解简单。
3、本发明的并联机器人机构每一个转动分别由两个运动方向相反的移动驱动副实现，改善了机构受理状况，提高了机构刚度。
4、本发明的并联机器人机构与传统的串连式机器人机构相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能等特性。
5、本发明二自由度转动并联机器人机构在需要二个空间运动的作业中有着广泛的运用前景。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明中动平台与约束分支间另外一种形式虎克铰的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明的总体结构如图1所示，包括定平台1、动平台7，以及连接定平台1和动平台7的五个分支，五个分支中四个分支结构相同，四个分支分别包括沿动平台7上滑轨移动的滑块和相互平行的作为驱动副的可伸缩连杆，可伸缩连杆5、8、14、15分别与定平台1交于A、B、C和D点，可伸缩连杆5、8、14、15分别与滑块6、9、10和12通过以r1、r2、r3、r4为轴的转动副相连，滑块6和10、9和12分别沿a-a、b-b滑轨滑动，轴r1、r3与滑轨b-b平行，轴r2、r4与滑轨a-a平行；第五个分支包括固定在定平台1上的连杆4，连杆4通过一个虎克铰与动平台7相连，动平台上虎克铰轴线c2与滑轨a-a平行，定平台上虎克铰轴线c1在可伸缩连杆8、15所在平面内，且与BD连线平行；约束分支与定平台交于O点，A、B、C和D相对于O均布。作为驱动副的四个可伸缩连杆为运动方向相反的联动，保证了虎克铰中心位置不变，从而提高机构的刚度。
约束分支中的虎克铰有两种形式，一种如图1所示，另一种如图2所示，构件16相当于图1中虎克铰的十字架，包含两个轴线相互垂直的圆柱面，并通过两个圆柱面分别与连杆4和动平台7上相应的圆柱面构成转动副。后一种虎克铰较前一种具有更高的刚度，采用此种虎克铰亦可实现本发明。

Claims (1)

1.一种二自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台，以及连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述动平台上设有两条滑轨，并通过五个分支与定平台连接；所述五个分支中四个分支结构相同，所述四分支各包括一个沿动平台上滑轨移动的滑块和一个作为驱动副的可伸缩连杆，所述各可伸缩连杆的一端与定平台固连，另一端通过转动副与对应的滑块相连；第五个分支为约束分支，一端与定平台固连，另一端通过虎克铰与动平台相连；所述四条相同分支以所述约束分支为中心均布，相对两分支的驱动为运动方向相反的联动，动平台上两条滑轨分别与所述约束分支上对应的虎克铰的轴线平行。
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