CN207104903U

CN207104903U - 2r1t三自由度过约束并联机构

Info

Publication number: CN207104903U
Application number: CN201720941648.8U
Authority: CN
Inventors: 张俊; 方汉良; 汤腾飞
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2027-07-31

Abstract

本实用新型涉及一种2R1T三自由度过约束并联机构，包括运动平台、静平台、第一支链、第二支链以及第三支链，所述运动平台经第一支链、第二支链以及第三支链与静平台连接在一起，从而实现所述运动平台相对静平台的两转动与一平动动作。本实用新型不仅结构设计简单、合理，而且承载能力大、刚度大、精度高模块化程度高，既可以作为独立运动模块实现2R1T动作，亦可通过串接不同形式的末端执行器实现多种作业，在高速、精密加工及多向3D打印领域都有着广泛的应用前景。

Description

2R1T三自由度过约束并联机构

技术领域

本实用新型涉及一种2R1T三自由度过约束并联机构。

背景技术

相比于传统的开链式串联机构，并联机构具有结构紧凑、大承载力、高刚度、高精度、动态响应快等优点，一定程度上弥补了串联机构在工业应用上的不足，在机械加工、医疗康复、空间技术、3D打印技术等领域具有很好的应用前景，得到了学术界和工业界的广泛关注和深入研究。现今并联机构已从最开始的六自由度机构逐渐发展出各种少自由度并联机构，其中具有两转动一平动(2R1T)的空间三自由度并联机构，凭借其结构简单、紧凑、制造和控制成本相对较低等优点已然成为并联机构领域的一大研究热点。有赖于2R1T并联机构良好的定位精度、结构刚度、加工性能以及动力学性能，目前工业上的五自由度混联机器人普遍采用这类机构串接具有两自由度转动头的设计方案，其中最具代表性的有：专利WO2006054935中的Exechon机构、专利US4732525中的Tricept机构、专利CN1524662A中的TriVariant机构等。

虽然该类机构为已被广泛应用于搭建混联机器人的主体机构，实现了工业上的应用，但值得注意的是并联机构所具有的杆件和关节数直接影响了其整机刚度、精度，从而无法满足一些特定加工的要求。例如Tricept五轴混联加工中心的并联机构3UPS-UP的关节数目为二十一，虽然具有优秀的运动学性能，但较多的关节数目使其在高强度的航空航天铝、钛合金结构件加工领域仍有所局限。因此，这类2R1T机构的实现仍有待进一步研究和探索。为弥补上述Tricept所存在的不足，K.E.Nanmann博士提出了仅有十三个关节的Exechon机构，不仅很好的实现了机构2R1T运动输出，并被证实是目前实际应用中关节数最少的并联机构。实验的验证及理论上的分析均证实了Exechon机构具有优良的机构性能，能够满足大量高刚度、高精度的复杂形状加工要求。鉴于此，越来越多的研究人员将目光投向了这类既能满足所需运动形式且关节数较少、无效自由度少、精度和刚度较高的过约束并联机构。

实用新型内容

鉴于现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种2R1T三自由度过约束并联机构，不仅结构设计合理，而且高效便捷。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种2R1T三自由度过约束并联机构，包括运动平台、静平台、第一支链、第二支链以及第三支链，所述运动平台经第一支链、第二支链以及第三支链与静平台连接在一起，从而实现所述运动平台相对静平台的两转动与一平动动作。

优选的，所述第一支链为UPR型运动支链，所述第一支链包含第一U副、第一移动副P副以及第一转动副R副，所述第一U副与静平台相连接，所述第一移动副P副是主动驱动，所述第一转动副R副与运动平台相连接。

优选的，所述第二支链为UPR型运动支链，所述第二支链包含第二U副、第二移动副P副以及第二转动副R副，所述第二U副与静平台相连接，所述第二移动副P副是主动驱动，所述第二转动副R副与运动平台相连接。

优选的，所述第三支链为RPS型运动支链，所述第三支链包含第三转动副R副、第三移动副P副以及球副S副，所述第三转动副R副与静平台相连接，所述第三移动副P副是主动驱动，所述球副S副与运动平台相连接。

优选的，所述第一U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述第二U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述转动轴线与转动轴线重合，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

优选的，所述第一转动副R副包含转动轴线所述第二转动副R副包含转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

优选的，所述第三转动副R副包含转动轴线所述转动轴线平行于转动轴线与转动轴线

优选的，所述第一移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第二移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第三移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线

优选的，所述球副S副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且异面。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型实现运动平台2R1T的空间三自由度运动输出；

(2)本实用新型关节数少，仅为十三个，结构紧凑，有利于机构整体刚度的提高；

(3)本实用新型克服了并联机构存在的杆件多、关节数多所导致的刚度不足这一问题；

(4)本实用新型第一支链、第二支链的运动平面重合，存在两个过约束，机构的运动学逆解唯一、求解简单，并易于实现运动控制；

(5)本实用新型承载能力大、刚度大、精度高模块化程度高，既可以作为独立运动模块实现2R1T动作，亦可通过串接不同形式的末端执行器实现多种作业，在高速、精密加工及多向3D打印领域都有着广泛的应用前景。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的构造示意图。

图2为本实用新型实施例的构造示意图。

图3为本实用新型实施例第一支链的构造示意图。

图4为本实用新型实施例第二支链的构造示意图。

图5为本实用新型实施例第三支链的构造示意图。

图6为本实用新型实施例球副S副的构造示意图。

图7为本实用新型实施例机构简图。

图中：

1-运动平台，2-静平台，3-第一支链，301-第一滑块，302-第一丝杆，303-第一直线导轨，304-第一连杆，305-第一伺服电机，4-第二支链，401-第二滑块，402-第二丝杆，403-第二直线导轨，404-第二连杆，405-第二伺服电机，5-第三支链，501-第三滑块，502-第三丝杆，503-第三直线导轨，504-第三连杆，505-第三伺服电机；

U₁-第一U副，P₁-第一移动副P副，R₁-第一转动副R副；

U₂-第二U副，P₂-第二移动副P副，R₂-第二转动副R副；

R₃-第三转动副R副，P₃-第三移动副P副，S-球副S副。

具体实施方式

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1～7所示，鉴于现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种2R1T三自由度过约束并联机构，不仅结构设计合理，而且高效便捷。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种2R1T三自由度过约束并联机构，包括运动平台1、静平台2、第一支链3、第二支链4以及第三支链5，所述运动平台1经第一支链3、第二支链4以及第三支链5与静平台2连接在一起，从而实现所述运动平台1相对静平台2的两转动与一平动动作，也就是运动平台1相对静平台2的2R1T动作，所述运动平台1作为机构的输出部件。

在本实用新型实施例中，所述第一支链3为UPR型运动支链，所述第一支链3包含第一U副、第一移动副P副以及第一转动副R副，所述第一U副与静平台2相连接，所述第一移动副P副是主动驱动，所述第一转动副R副与运动平台1相连接。

在本实用新型实施例中，所述第二支链4为UPR型运动支链，所述第二支链4包含第二U副、第二移动副P副以及第二转动副R副，所述第二U副与静平台2相连接，所述第二移动副P副是主动驱动，所述第二转动副R副与运动平台1相连接。

在本实用新型实施例中，所述第三支链5为RPS型运动支链，所述第三支链5包含第三转动副R副、第三移动副P副以及球副S副，所述第三转动副R副与静平台2相连接，所述第三移动副P副是主动驱动，所述球副S副与运动平台1相连接。

在本实用新型实施例中，所述第一U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述第二U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述转动轴线与转动轴线重合，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

在本实用新型实施例中，所述第一转动副R副包含转动轴线所述第二转动副R副包含转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

在本实用新型实施例中，所述第三转动副R副包含转动轴线所述转动轴线平行于转动轴线与转动轴线

在本实用新型实施例中，所述第一移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第二移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第三移动副P副包含移动轴线所述移动轴线与转动轴线相互垂直。

在本实用新型实施例中，所述球副S副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且异面；优选的，所述转动轴线与转动轴线相互平行，所述运动轴线沿第三移动副P副的轴线方向，所述转动轴线同时垂直于转动轴线与转动轴线但不局限于此。

在本实用新型实施例中，所述第一U副与第二U副可以采用虎克铰，所述第一移动副P副、第二移动副P副以及第三移动副P副可以采用伺服电机驱动的丝杠螺母机构、丝杆滑台机构，也可以采用由直线电机、液压、气压推杆等驱动的直线运动机构，所述第一转动副R副、第一转动副R副以及第一转动副R副可以采用销轴与轴承进行铰接，所述球副S副采用关节轴承或是三轴复合式转动关节，但不局限于此。

在本实用新型实施例中，所述第一移动副P副、第二移动副P副以及第三移动副P副采用丝杆滑台机构，所述第一移动副P副包含第一滑块301、第一丝杆302、与第一滑块301相配合的第一直线导轨303、第一连杆304以及驱动第一丝杆302的第一伺服电机305，所述第一滑块301作为第一移动副P副的承导件，所述第一滑块301固定连接在第一U副上，所述第一直线导轨303作为第一移动副P副的运动件，固定连接在所述第一连杆304；当第一伺服电机305工作，由于所述第一滑块301经第一U副与静平台2相连接，所述第一滑块301不能发生移动，所述第一丝杆302带动第一连杆304相对第一滑块301发生移动，从而所述第一支链3相对静平台2发生移动，从而带动所述运动平台1发生运动。

在本实用新型实施例中，所述第二移动副P副包含第二滑块401、第二丝杆402、与第二滑块401相配合的第二直线导轨403、第二连杆404以及驱动第二丝杆402的第二伺服电机405，所述第二滑块401作为第二移动副P副的承导件，所述第二滑块401固定连接在第二U副上，所述第二直线导轨403作为第二移动副P副的运动件，固定连接在所述第二连杆404；当第二伺服电机405工作，由于所述第二滑块401经第二U副与静平台2相连接，所述第二滑块401不能发生移动，所述第二丝杆402带动第二连杆404相对第二滑块401发生移动，从而所述第二支链4相对静平台2发生移动，从而带动所述运动平台1发生运动。

在本实用新型实施例中，所述第三移动副P副包含第三滑块501、第三丝杆502、与第三滑块501相配合的第三直线导轨503、第三连杆504以及驱动第三丝杆502的第三伺服电机505，所述第三滑块501作为第三移动副P副的承导件，所述第三滑块501固定连接在第三转动副R副上，所述第三直线导轨503作为第三移动副P副的运动件，固定连接在所述第三连杆504；当第三伺服电机505工作，由于所述第三滑块501经第三U副与静平台2相连接，所述第三滑块501不能发生移动，所述第三丝杆502带动第三连杆504相对第三滑块501发生移动，从而所述第三支链5相对静平台2发生移动，从而带动所述运动平台1发生运动。

在本实用新型实施例中，本实用新型以所述静平台2作为机构机架、运动平台1作为输出部件，所述第一移动副P副、所述第二移动副P副以及所述第三移动副P副为机构的主运动副，实现运动平台1相对静平台2在进动角ψ、章动角θ及高度方向的两转动一平动运动输出。

如图1所示，结合本实用新型实施例对本实用新型的运动进行说明。

在本实用新型实施例中，所述第一转动副R副的中心、第二转动副R副的中心以及球副S副的中心相对运动平台1的位置分布不受限制；所述第一U副的中心、第二U副的中心以及第三转动副R副的中心相对静平台2的位置分布不受限制；优选的，所述第一转动副R副的中心、第二转动副R副的中心以及球副S副的中心以等腰直角三角形分布在运动平台1上，所述第一U副的中心、第二U副的中心以及第三转动副R副的中心以等腰直角三角形分布在静平台2上，其结构参数如下：

a	340mm	d1min	800mm
				b	450mm	d2min	800mm
d1	d1min＜d1＜d1max	d3min	800mm
				d2	d2min＜d2＜d2max	d1max	1500mm
d3	d3min＜d3＜d3max	d2max	1500mm
						d3max	1500mm

表中，a表示所述第一转动副R副的中心、第二转动副R副的中心以及球副S副的中心所成三角形的外接圆半径；b表示所述第一U副的中心、第二U副的中心以及第三转动副R副的中心所成三角形的外接圆半径；d1表示第一转动副R副中心到第一U副中心的距离；d2表示第二转动副R副中心到第二U副中心的距离；d3表示球副S副中心到第三转动副R副中心的距离。

z表示所述第一转动副R副的中心、第二转动副R副的中心以及球副S副的中心所成三角形的外接圆的圆心与所述第一U副的中心、第二U副的中心以及第三转动副R副的中心所成三角形的外接圆的圆心之间的距离。

例如：以ψ＝0°，θ＝0°，z＝100mm作为机构的初始位姿，此时d1，d2，d3分别为1006.032mm，1006.032mm，1006.032mm。

(1)以姿态ψ＝30°，θ＝30°，z＝100mm作为目标，根据机构的逆运动学，可得d’1，d’2，d’3分别为1073.609mm，1248.633mm，931.029mm，由此可得第一移动副P副、所述第二移动副P副以及所述第三移动副P副的移动量Δd1＝67.577mm，Δd2＝242.601mm，Δd3＝75mm。

(2)以姿态ψ＝0°，θ＝0°，z＝130mm作为目标，根据机构的逆运动学，可得d’1，d’2，d’3分别为1304.646mm，1304.646mm，1304.646mm，由此可得第一移动副P副、所述第二移动副P副以及所述第三移动副P副的移动量Δd1＝298.614mm，Δd2＝298.614mm，Δd3＝298.614mm。

(3)以姿态ψ＝15°，θ＝15°，z＝120mm作为目标，根据机构的逆运动学，可得d’1，d’2，d’3分别为1160.719mm，1335.874mm，1129.836mm，由此可得第一移动副P副、所述第二移动副P副以及所述第三移动副P副的移动量Δd1＝154.687mm，Δd2＝329.843mm，Δd3＝123.804mm。

本实用新型的工作方法，包含以下步骤：根据并联机构运动机理，在第一移动副P副、第二移动副P副、第三移动副P副中至少一个主动驱动的驱动下，唯一确定运动平台1一个位姿，从而实现运动平台1相对静平台2两转动与一平动动作。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可以得出其他各种形式的2R1T三自由度过约束并联机构。凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims

1.一种2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：包括运动平台、静平台、第一支链、第二支链以及第三支链，所述运动平台经第一支链、第二支链以及第三支链与静平台连接在一起，从而实现所述运动平台相对静平台的两转动与一平动动作。

2.根据权利要求1所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第一支链为UPR型运动支链，所述第一支链包含第一U副、第一移动副P副以及第一转动副R副，所述第一U副与静平台相连接，所述第一移动副P副是主动驱动，所述第一转动副R副与运动平台相连接。

3.根据权利要求2所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第二支链为UPR型运动支链，所述第二支链包含第二U副、第二移动副P副以及第二转动副R副，所述第二U副与静平台相连接，所述第二移动副P副是主动驱动，所述第二转动副R副与运动平台相连接。

4.根据权利要求3所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第三支链为RPS型运动支链，所述第三支链包含第三转动副R副、第三移动副P副以及球副S副，所述第三转动副R副与静平台相连接，所述第三移动副P副是主动驱动，所述球副S副与运动平台相连接。

5.根据权利要求3所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第一U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述第二U副包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述转动轴线与转动轴线重合，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

6.根据权利要求3所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第一转动副R副包含转动轴线所述第二转动副R副包含转动轴线所述转动轴线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相平行。

7.根据权利要求4所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第三转动副R副包含转动轴线所述转动轴线平行于转动轴线与转动轴线

8.根据权利要求4所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述第一移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第二移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第三移动副P副包含移动轴线所述移动轴线垂直于转动轴线

9.根据权利要求4所述的2R1T三自由度过约束并联机构，其特征在于：所述球副S副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且异面。