CN1546287A - 一种空间五自由度并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

一种空间五自由度并联机器人机构，属于机械制造技术领域。本发明公开了一种空间五自由度并联机器人机构，包括相互连接的定平台、中间平台和动平台；动平台通过四个结构相同分支与定平台连接，形成并联闭环结构，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个铰链与动平台和定平台连接；动平台与中间平台通过虎克铰连接；中间平台通过三个结构相同且平行的分支与定平台连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰与中间平台和定平台连接，三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。本发明把空间的移动和转动有机的结合起来，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能等优点。

Description

一种空间五自由度并联机器人机构
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种空间五自由度并联机器人机构。
背景技术
在现有机器人中，有串联和并联两类机构。串联式是各杆件通过运动副依次相连的开式链，这类机器人具有大的作业空间和高的灵活性，缺点是：精度低、刚度低、惯量大、动力学性能很差。因此串联机器人在需要高定位和力控制精度的作业场合很不适用，为避免这类缺点，机器人机构可以采用并联式。
并联机器人机构是一种闭环机构，其动平台通过至少两个独立的运动链和机架相连接。一种完全并联机构必备的要素是：
a.末端执行器必须具有运动自由度；
b.这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；
c.每个运动链至多含有两个杆件；
d.每个分支或运动链有唯一的移动副或移动副驱动。
与串联机构相比，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，因此在70年代末到80年代初，并联机构被用到工业机器人的机构。目前，并联机构特别是少自由度(自由度少于6)的并联机构在机床、微动操作台、机器人用力与力矩传感器、飞行模拟器等行业中越来越得到重视。
并联机构在1949年就出现过，是美国一个叫Gough的人设计来检测轮胎的，在60年代，这种机构被重新发掘出来，原来是因为这种机构在飞行模拟器上更适用。在1965年，stewart利用6自由度的并联机构做了一个飞行模拟器，并把这种机构称为Stewart机构。因此一开始，并联机构多指6自由度的Stewart或Gough-Stewart机构。但6自由度并联机构目前还有很多无法解决的难题，比如其运动学正解、精度标定等，这严重的阻碍了6自由度并联机构在实际中的进一步应用。
目前的并联机构多具有2、3、4、5和6个自由度，根据有关文献，现有公开的并联机构中5自由度很少，其原因在于人们还没有找到一种途径能够把空间三个移动、三个转动自由度分解开，对于并联机构来说，这是件不容易的事情；另一个原因是从结构对称的角度出发，5自由度的并联机构很难具备这种要求。5自由度的并联机构少，并不表示实际中不需要或需要的少，恰恰相反，5自由度的并联机构在工业中应用更广泛。
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三维移动两维转动五轴驱动并联机器人机构，本发明的空间五自由度并联机器人机构把空间的移动和转动有机的结合起来；使其具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能；机构运动学正反解十分简单等诸多优点。
本发明提供了一种空间五自由度并联机器人机构，包括相互连接的定平台、中间平台和动平台，其特征在于：所述动平台通过四个结构相同分支与定平台连接，形成并联闭环结构，每个分支各含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个铰链与所述动平台和定平台连接；所述动平台与中间平台通过虎克铰连接；所述中间平台通过三个结构相同且平行的分支与定平台连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台和定平台连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
所述连接动平台和定平台的各分支分别通过两个三自由度球铰，或者一个三自由度球铰和一个虎克铰，或者一个三自由度球铰和一个圆柱副与所述动平台和定平台连接。
本发明的另一种方案为：空间五自由度并联机器人机构包括相互连接的定平台、中间平台和动平台，其特征在于：所述动平台通过四个结构相同分支与定平台连接，形成并联闭环结构，每个分支包括固定在定平台上的滑道、设在所述滑道上的滑块和定长连杆，所述定长连杆的两端分别通过铰链与所述滑块和动平台相连；所述动平台与中间平台通过虎克铰连接；所述中间平台通过三个结构相同且平行的分支与定平台连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台和定平台连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
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与传统的串联式机器人机构相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能结构简单，相同零件数量多，成本低，易制造等特性；
2、本发明的空间五自由度并联机器人机构的运动平台具有明确的运动形式：空间三个移动，两个转动；
3、本发明的空间五自由度并联机器人机构在需要三个移动、两个转动的作业中有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的总体结构示意图。
图2是本发明实施例2的总体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本发明的一种实施例的总体结构如图1所示，该并联机器人机构包括定平台1、中间平台7、动平台11、连接动平台7与定平台1的分支、连接中间平台7与定平台1的分支，以及连接动平台11和中间平台7的分支。动平台11和定平台1通过四个结构完全相同的分支9、10、13、14连接，形成并联闭环结构，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或者一个三自由度球铰和一个虎克铰，或者一个三自由度球铰和一个圆柱副与动平台11和定平台1连接；动平台11与中间平台7通过虎克铰连接；中间平台7通过三个结构完全相同且平行的分支4、5、16与定平台1连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台7和定平台1连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
实施例2
本发明的另一种实施例的总体结构如图2所示，该并联机器人机构包括定平台1、中间平台7、动平台11、连接动平台7与定平台1的分支、连接中间平台7与定平台1的分支，以及连接动平台11和中间平台7的分支。动平台11和定平台1通过四个结构完全相同的分支连接，形成并联闭环结构，每个分支包括固定在定平台上的滑道、设在所述滑道上的滑块18、19、23、25和定长连杆21、20、22、24，所述定长连杆的一端与设置在滑块上的虎克铰连接，另一端通过三自由度球铰与动平台11相连，所述动平台11与中间平台7通过虎克铰连接；中间平台7通过三个结构完全相同且平行的分支4、5、16与定平台1连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台7和定平台1连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
在实施例2中，所述滑块上还可以设置三自由度球铰，所述定长连杆的一端与所述滑块上的三自由度球铰连接，而另一端则可以通过三自由度球铰或虎克铰与动平台11相连。

Claims (5)

1.一种空间五自由度并联机器人机构，包括相互连接的定平台、中间平台和动平台，其特征在于：所述动平台通过四个结构相同分支与定平台连接，形成并联闭环结构，每个分支各含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个铰链与所述动平台和定平台连接；所述动平台与中间平台通过虎克铰连接；所述中间平台通过三个结构相同且平行的分支与定平台连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台和定平台连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
2.根据权利要求1所述的空间五自由度并联机器人机构，其特征在于：所述连接动平台和定平台的各分支分别通过两个三自由度球铰，或者一个三自由度球铰和一个虎克铰，或者一个三自由度球铰和一个圆柱副与所述动平台和定平台连接。
3.一种空间五自由度并联机器人机构，包括相互连接的定平台、中间平台和动平台，其特征在于：所述动平台通过四个结构相同分支与定平台连接，形成并联闭环结构，每个分支包括固定在定平台上的滑道、设在所述滑道上的滑块和定长连杆，所述定长连杆的两端分别通过铰链与所述滑块和动平台相连；所述动平台与中间平台通过虎克铰连接；所述中间平台通过三个结构相同且平行的分支与定平台连接，每个分支含有一个作为驱动副的可伸缩连杆，两端分别通过两个三自由度球铰，或一个三自由度球铰和一个虎克铰与所述中间平台和定平台连接，所述三个平行分支的驱动为联动，保证中间平台相对于定平台平动。
4.根据权利要求3所述的空间五自由度并联机器人机构，其特征在于：所述滑块上设有三自由度球铰，所述定长连杆的一端与所述滑块上的三自由度球铰连接，另一端通过三自由度球铰或虎克铰与动平台相连。
5.根据权利要求3所述的空间五自由度并联机器人机构，其特征在于：所述滑块上设有虎克铰，所述定长连杆的一端与所述滑块上的虎克铰连接，另一端通过三自由度球铰与动平台相连。
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