CN1772443A

CN1772443A - 一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构

Info

Publication number: CN1772443A
Application number: CN 200510101134
Authority: CN
Inventors: 张宪民; 袁剑锋; 邱志成
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: CN100427276C

Abstract

本发明公开了一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，包括静平台、动平台、连接静平台与动平台的分支，动平台通过五个分支与静平台相连，静平台上有三条相互平行的导轨，分支一、分支二相互交叉布置，与同一条导轨相连；分支三、分支四没交叉布置，与另一条导轨相连；分支五与第三条导轨相连。本发明通过分支的移动副在各自的导轨上移动，可以实现动平台五自由度运动。由于分支一的分支杆与分支二的分支杆在交叉部位形成一个平面副，增强了机构整体的刚度。本发明可适用于需要五个空间运动的作业中。

Description

一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构

技术领域

本发明属于机器人机构领域，尤其涉及一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构。

背景技术

在机器人化作业的现有机器人中，有两类机构：串联机构和并联机构。串联机构具有工作空间大、灵活性高的优点，同时，也存在一些不足之处：存在各杆件的误差累积、末端精度低；惯性大、刚度低、动态性能较差。

并联机构是一种具有多个运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构。并联机器人相对串联机器人而言，具有刚度大、承载能力强、位置误差不累积、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点。基于并联机构的各种装备成为传统串联装备的一个重要补充，在许多领域发挥重要作用。目前，并联机器人主要应用于医用外科设备、移动机器人、运动模拟、机械制造、自动化装配、精密加工与测量、微电子制造及娱乐行业等领域，如飞行模拟器、虚拟轴机床、坐标测量机、微动机器人、机器人用力与力矩传感器、步行器及爬壁机器人腿以及大型矿山机械等。

目前，已经提出的并联机构约一百多种，但五自由度的并联机构依然不多。空间少自由度并联机器人相对具有结构简单、控制容易、造价低等特点。并联机构的标定与位置正解有密切的关系，其解决方案和结果对机构的标定精度有很大的影响。少自由度如二、三、四、五自由度并联机构的正解多数能够得到其封闭解，所以少自由度机构在工业应用中很受欢迎。

最近几年，出现了以外副驱动机构为主动机构的并联机器人机构。内副驱动的并联机构很容易实现多坐标联动，动平台的位姿能力较强，且结构对称。外副驱动以静平台外移动(转动)铰作为主动铰。同内副驱动的并联机构相比，外副驱动并联机构的优点是：作业空间与机构体积比较大、机械结构简单、标准化强、工艺性比较好、具有优势运动方向。而且采用定尺寸杆，很大程度上减少了热效应的影响，降低了进行受热补偿的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，它把空间的移动和转动有机结合起来，具有精度和刚度高、惯性小、高动态性能、工作空间较大、具有优势运动方向、运动学正解和反解简单等优点。

本发明的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，包括静平台、动平台、连接静平台与动平台的分支，动平台通过五个分支与静平台相连，所述静平台上有三条相互平行的导轨，分支一、分支二相互交叉布置，与同一条导轨相连；分支三、分支四没交叉布置，与另一条导轨相连；分支五与第三条导轨相连；分支一、分支二各包括一个移动副、两个虎克铰和一根分支杆，分支一、分支二的一端分别通过虎克铰与动平台相连，另一端分别通过由移动副与虎克铰固联组成的复合运动副与静平台相连；分支三、分支四、分支五各包括一个移动副、两个球副和一根分支杆，分支三、分支四、分支五的上端分别通过球副与动平台相连，下端分别通过由移动副与球副固联组成的复合运动副与静平台相连。

所述分支一的分支杆是中空结构的，中空结构为方形，其它三个分支的分支杆为实心结构。

所述分支一的分支杆与分支二的分支杆在交叉部位形成一个平面副。

所述每个分支的移动副是本机构的主动输入端；每个分支的分支杆长度是固定的。

每个分支通过移动副在各自的导轨上移动，这样本机构的动平台就具有三维平动和二维转动自由度，可以实现动平台五自由度运动。

由于分支一和分支二是交叉布置的且共用一条导轨，这样分支一的分支杆与分支二的分支杆在交叉部位形成一个平面副，可增强整个机构的刚度。

本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构与传统串联机构相比，具有高精度、高刚度、低惯性、高动态性能的优点；

2.本发明的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构运动学正解、反解简单，正解具有解析解；

3.本发明把空间的转动和移动有机结合，具有明确的运动形式，即三个移动，两个转动；

4.本发明采用外副驱动结构，作业空间与机构体积比较大、机械结构简单、标准化强、工艺性比较好，三条平行导轨方向为本机构的优势运动方向；

5.本发明采用定尺寸杆，很大程度上减少了热效应的影响，降低了进行受热补偿的难度。

附图说明

图1是本发明的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构的结构示意图。

图中：1-静平台 2-动平台 3、4、5-导轨 6、7、8、9、10-分支 11-移动副 12-虎克铰 13-球副

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，包括静平台1、动平台2、连接静平台1与动平台2的分支，动平台2通过五个分支6、7、8、9、10与静平台1相连，所述静平台1上有三条相互平行的导轨3、4、5，分支6、分支7相互交叉布置，与导轨3相连；分支8、分支9没交叉布置，与导轨4相连；分支10与导轨5相连；分支6、分支7各包括一个移动副11、两个虎克铰12和一根分支杆，分支6、分支7的一端分别通过虎克铰12与动平台2相连，另一端分别通过由移动副11与虎克铰12固联组成的复合运动副与静平台1相连；分支8、分支9、分支10各包括一个移动副11、两个球副13和一根分支杆，分支8、分支9、分支10的上端分别通过球副13与动平台2相连，下端分别通过由移动副11与球副13固联组成的复合运动副与静平台1相连。

上述分支6的分支杆是中空结构的，中空结构为方形，其它三个分支的分支杆为实心结构；由于分支6和分支7是交叉布置的且共用导轨3，分支6的分支杆和分支7的分支杆可在交叉部位形成一个平面副，增强了整个机构的刚度。

每个分支的移动副11是本机构的主动输入端；每个分支的分支杆长度是固定的；每个分支通过移动副11在各自的导轨上移动，由于虎克铰12具有二个自由度，这样本机构的动平台就具有三维平动和二维转动自由度，可以实现动平台五自由度运动。

本发明把空间的转动和移动有机结合，具有明确的运动形式，而且采用定尺寸杆，很大程度上减少了热效应的影响，降低了进行受热补偿的难度；另外本发明由于采用外副驱动结构，作业空间与机构体积比较大、机械结构简单、标准化强、工艺性比较好，具有高精度、高刚度、低惯性、高动态性能的优点。

Claims

1.一种三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，包括静平台、动平台、连接静平台与动平台的分支，动平台通过五个分支与静平台相连，其特征在于所述静平台上有三条相互平行的导轨，分支一、分支二相互交叉布置，与同一条导轨相连；分支三、分支四没交叉布置，与另一条导轨相连；分支五与第三条导轨相连；分支一、分支二各包括一个移动副、两个虎克铰和一根分支杆，分支一、分支二的一端分别通过虎克铰与动平台相连，另一端分别通过由移动副与虎克铰固联组成的复合运动副与静平台相连；分支三、分支四、分支五各包括一个移动副、两个球副和一根分支杆，分支三、分支四、分支五的上端分别通过球副与动平台相连，下端分别通过由移动副与球副固联组成的复合运动副与静平台相连。

2.根据权利要求1所述的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，其特征在于所述分支一的分支杆是中空结构的，中空结构为方形，其它三个分支的分支杆为实心结构。

3.根据权利要求2所述的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，其特征在于所述分支一的分支杆与分支二的分支杆在交叉部位形成一个平面副。

4.根据权利要求1所述的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，其特征在于所述每个分支的移动副是本机构的主动输入端。

5.根据权利要求1所述的三维平动二维转动的五自由度并联机器人机构，其特征在于所述每个分支的分支杆长度是固定的。