CN209533446U - 一种三自由度并联关节机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三自由度并联关节机构，包括固定装置、十字铰结构、Z轴驱动器、Y轴驱动器和X轴驱动器，Z轴驱动器、Y轴驱动器和X轴驱动器的输出轴两两正交，Z轴驱动器、Y轴驱动器和X轴驱动器的输出轴的相对位置通过固定装置相对固定，X轴驱动器的输出轴可带动十字铰结构连续旋转，十字铰输出轴为动平台。本实用新型的三自由度并联关节机构，可获得较大的转角范围，尤其是其中沿X轴转动自由度的转角可无穷大，绕Y轴、Z轴的转角范围为±90度，且分别只与Y轴驱动器和Z轴驱动器的转角相关，每个方向的转动可分别进行，也可任意两个方向同时进行，还可三个方向同时进行。

Description

一种三自由度并联关节机构

技术领域

本实用新型涉及多自由度关节技术领域，特别涉及一种三自由度并联关节机构。

背景技术

三自由度关节机构指具有三个转动自由度的关节机构，在机器人、五轴加工中心、雷达或相机位姿调整器等大量应用中，都广泛需要用到三自由度关节机构。相比传统的串联式关节机构，并联式关节机构具有精度高、承载能力强等优势，现有的三自由度并联关节机构均具有3支链，动平台具有绕三轴转动的自由度，相比两自由度并联关节机构并联机构，三自由度并联关节机构更加复杂，能够成功应用的构型也比较少，但应用领域非常广阔。如图1所示，为加拿大学者Gosselin提出的Agile eye三转动自由度的并联机构，可实现固定在动平台上的相机快速、灵活的转动，Agile eye机构尽管比较灵活，但结构复杂，零件数量多且较难加工，体积也不易缩小；每个转动自由度的转角都比较小，如想使动平台有较大角度的转动，需使三轴联动，因此难以满足要求较为苛刻的应用环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种三自由度运动部分解耦、转角范围大、被动副数量少、结构简单的三自由度并联关节机构。

本实用新型的技术方案是：一种三自由度并联关节机构，包括固定装置、十字铰结构、X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器和关节机构输出轴，X轴驱动器、Y轴驱动器和Z轴驱动器的输出轴的相对位置通过固定装置相互固定，X轴驱动器的输出轴通过十字铰结构带动关节机构输出轴绕第一轴线转动，Y轴驱动器的输出轴带动关节机构输出轴绕第二轴线转动，Z轴驱动器的输出轴带动关节机构输出轴绕第三轴线转动。

进一步地，十字铰结构包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框分别连接X轴驱动器的输出轴和关节机构输出轴。

进一步地，X轴驱动器的输出轴连接X轴转动轴，X轴转动轴连接第一U型框，通过X轴驱动器输出轴的旋转带动第一U型框、第二U型框、关节机构输出轴绕第一轴线转动，实现第一自由度的旋转运动。

进一步地，Y轴驱动器的输出轴连接Y轴转动轴，Y轴转动轴通过Y轴连杆组件与关节机构输出轴连接，Y轴连杆组件与关节机构输出轴之间通过转动副连接，通过Y轴驱动器输出轴的旋转带动关节机构输出轴绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动。

进一步地，Z轴驱动器的输出轴连接Z轴转动轴，Z轴转动轴通过Z轴连杆组件与关节机构输出轴连接，Z轴连杆组件与关节机构输出轴之间通过转动副连接，通过Z轴驱动器输出轴的旋转带动关节机构输出轴绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动。

进一步地，上述第一轴线与X轴驱动器的输出轴的轴线重合，和/或上述第二轴线与Y轴驱动器的输出轴的轴线重合，和/或上述第三轴线与Z轴驱动器的输出轴的轴线重合。

进一步地，关节机构输出轴可绕第一轴线连续单圈或多圈旋转。

进一步地，X轴驱动器的输出轴与X轴转动轴为一体结构，和/或Y轴驱动器的输出轴与Y轴转动轴为一体结构，和/或Z轴驱动器的输出轴与Z轴转动轴为一体结构。

进一步地，上述Y轴连杆组件、Z轴连杆组件均分别包括驱动器连接件、第一连杆、第二连杆、输出轴接连件；各个部件依次通过铰链连接；驱动器连接件分别与Y轴转动轴、Z轴转动轴连接，输出轴接连件分别通过轴承与关节机构输出轴连接。

进一步地，X轴驱动器的输出轴和Y轴驱动器的输出轴的交点与十字结构的中心重合；和/或X轴转动轴与关节机构输出轴同轴设置，并且其轴线通过十字结构的中心。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的三自由度并联关节机构结构简单，可获得较大的转角范围，尤其是绕第一轴线(X轴)转动的自由度无穷大，同时绕第二轴线(Y轴)、绕第三轴线(Z轴)的转角范围为±90度，绕第二轴线(Y轴)、绕第三轴线(Z轴)的两个摆动运动的转角分别仅取决于Y轴驱动器和Z轴驱动器，实现了部分解耦。每个方向的转动可分别进行，也可两两同时进行，还可三个方向同时进行。本实用新型的三自由度并联关节机构除了可以用于机器人的关节驱动外，因为输出轴可跟随X轴驱动器连续旋转，这一特点可使本实用新型用于加工设备，X轴驱动器作为主轴电机控制主轴速度；X轴驱动器也可以驱动车轮，整个机构可实现车轮姿态的控制，除此之外还能够用于三自由度动平台的驱动，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是Agile eye三转动自由度的并联机构结构示意图。

图2是本实用新型结构示意图。

图3是本实用新型绕X轴轴线转动示意图。

图4是本实用新型绕Y轴轴线转动示意图。

图5是本实用新型绕Z轴轴线转动示意图。

图6是本实用新型绕X、Y、Z三轴轴线同时转动示意图。

图7是本实用新型在仿人机器人肩关节的应用实例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图2所示，一种三自由度并联关节机构，包括固定装置2、十字铰结构14、X轴驱动器15、Y轴驱动器3和Z轴驱动器1，X轴驱动器15、Y轴驱动器3和Z轴驱动器1的输出轴的轴线可两两相交或三者相交于一点，优选正交。X轴驱动器15、Y轴驱动器3和Z轴驱动器1的输出轴的相对位置通过固定装置2相对固定，本实施例中，固定装置2包括两个L型固定板2，X轴驱动器15和Y轴驱动器3的输出轴的相对位置通过一个固定板2相对固定，Y轴驱动器3和Z轴驱动器1的输出轴的相对位置通过另一个固定板2相对固定，只要能实现三者相对固定，其它结构型式的固定装置均可采用，关节机构通过固定装置2固定到其他零部件上，该固定装置2也可以与其他零部件一体形成。

十字铰结构14包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框分别连接X轴转动轴17和关节机构输出轴8，关节机构输出轴8可与动平台连接。X轴转动轴17与关节机构输出轴8优选同轴设置，并且其轴线优选通过十字结构的中心。

X轴驱动器15的输出轴连接X轴转动轴17，可带动第一U型框、第二U型框、关节机构输出轴8绕第一轴线连续单圈多圈旋转，实现第一自由度的旋转运动

Y轴驱动器3的输出轴连接Y轴转动轴18，Y轴转动轴18通过Y轴连杆组件与关节机构输出轴8连接，Y轴连杆组件与关节机构输出轴8之间通过转动副，优选第一轴承9连接，通过Y轴驱动器3输出轴的旋转带动关节机构输出轴8绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动，第二自由度转动角度可达±90度。

Z轴驱动器1的输出轴连接Z轴转动轴19，Z轴转动轴19通过Z轴连杆组件与关节机构输出轴8连接，Z轴连杆组件与关节机构输出轴8之间通过转动副，优选第二轴承10连接，通过Z轴驱动器1输出轴的旋转带动关节机构输出轴8绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动，第三自由度转动角度也可达±90度。

第一自由度优选为横滚自由度，第二自由度优选为俯仰自由度，第三自由度优选为偏航自由度。

上述第一轴线与X轴驱动器15的输出轴的轴线优选重合，上述第二轴线与Y轴驱动器3的输出轴的轴线优选重合，上述第三轴线与Z轴驱动器1的输出轴的轴线优选重合。

上述Y轴连杆组件、Z轴连杆组件均分别包括驱动器连接件4，16、第一连杆5，13、第二连杆6，12、输出轴接连件7，11；各个部件依次通过铰链连接，Y轴连杆组件中的三处铰链可平行于Z轴，Z轴连杆组件中的三处铰链均平行于Y轴；驱动器连接件4，16分别与Y轴转动轴18、Z轴转动轴19连接，输出轴接连件7，11分别通过第一轴承9、第二轴承10与关节机构输出轴8连接。上述六个铰链避免了绕第二轴线的第二自由度运动与绕第三轴线的第三自由度运动之间的干涉，实现了俯仰自由度与偏航自由度的解耦。Y轴连杆组件、Z轴连杆组件整体成L型，其它结构型式的连接组件均可采用。

关节机构输出轴8绕第一轴线连续单圈或多圈旋转时，还可绕第二轴线和/或第三轴线摆动，当然也可以不绕Y轴和/或Z轴轴线摆动。

第二自由度(俯仰)和第三自由度(偏航)的转动及转动角度仅取决于各自驱动器的输出，即Y轴驱动器3和X轴驱动器15的输出。为了使转动角度最大，Z轴驱动器1的输出轴、Y轴驱动器3的输出轴和X轴驱动器15的输出轴的交点优选与十字结构的中心重合。

上述驱动器为电机或气动摆动缸或液压摆动缸，驱动器中还可包括减速器。

如图3所示，本实用新型的三自由度并联关节机构绕X轴转动示意图，不与Y轴、Z轴的转动干涉，转动角度取决于3个驱动器的运动输出。

如图4所示，本实用新型的三自由度并联关节机构绕Y轴转动示意图，不与X轴、Z轴的转动干涉，且转动角度取决于Y轴驱动器3的运动输出。

如图5所示，本实用新型的三自由度并联关节机构绕Z轴转动示意图，不与X轴、Y轴的转动干涉，且转动角度取决于Z轴驱动器1的运动输出。

如图6所示，本实用新型的三自由度并联关节机构同时绕X、Y、Z三轴轴线转动示意图，三轴转动互不干涉。关节机构输出轴8发生绕X轴的横滚和绕Z轴的偏航时，Y轴驱动器仍能驱动关节机构输出轴8发生俯仰；关节机构输出轴8发生绕X轴的横滚和绕Y轴的俯仰时，Z轴驱动器仍能驱动关节机构输出轴8发生偏航。

如图7所示，是本实用新型的三自由度并联关节机构在机器人上的一个应用实例，三自由度并联关节机构可作为机器人手臂的肩关节使用，可实现机器人手臂三个方向转动。

本实用新型的三自由度并联关节机构除了可以用于机器人的关节驱动外，还能够用于三自由度平台的驱动，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三自由度并联关节机构，包括固定装置(2)、十字铰结构(14)、X轴驱动器(15)、Y轴驱动器(3)、Z轴驱动器(1)和关节机构输出轴(8)，X轴驱动器(15)、Y轴驱动器(3)和Z轴驱动器(1)的输出轴的相对位置通过固定装置(2)相互固定，其特征在于：X轴驱动器(15)的输出轴通过十字铰结构(14)带动关节机构输出轴(8)绕第一轴线转动，Y轴驱动器(3)的输出轴带动关节机构输出轴(8)绕第二轴线转动，Z轴驱动器(1)的输出轴带动关节机构输出轴(8)绕第三轴线转动。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：十字铰结构(14)包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框分别连接X轴驱动器(15)的输出轴和关节机构输出轴(8)。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(15)的输出轴连接X轴转动轴(17)，X轴转动轴(17)连接第一U型框，通过X轴驱动器(15)输出轴的旋转带动第一U型框、第二U型框、关节机构输出轴(8)绕第一轴线转动，实现第一自由度的旋转运动。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：Y轴驱动器(3)的输出轴连接Y轴转动轴(18)，Y轴转动轴(18)通过Y轴连杆组件与关节机构输出轴(8)连接，Y轴连杆组件与关节机构输出轴(8)之间通过转动副连接，通过Y轴驱动器(3)输出轴的旋转带动关节机构输出轴(8)绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动。

5.根据权利要求4所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：Z轴驱动器(1)的输出轴连接Z轴转动轴(19)，Z轴转动轴(19)通过Z轴连杆组件与关节机构输出轴(8)连接，Z轴连杆组件与关节机构输出轴(8)之间通过转动副连接，通过Z轴驱动器(1)输出轴的旋转带动关节机构输出轴(8)绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：上述第一轴线与X轴驱动器(15)的输出轴的轴线重合，和/或上述第二轴线与Y轴驱动器(3)的输出轴的轴线重合，和/或上述第三轴线与Z轴驱动器(1)的输出轴的轴线重合。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：关节机构输出轴(8)可绕第一轴线连续单圈或多圈旋转。

8.根据权利要求3或4或5所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(15)的输出轴与X轴转动轴(17)为一体结构，和/或Y轴驱动器(3)的输出轴与Y轴转动轴(18)为一体结构，和/或Z轴驱动器(1)的输出轴与Z轴转动轴(19)为一体结构。

9.根据权利要求4或5所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：上述Y轴连杆组件、Z轴连杆组件均分别包括驱动器连接件(4，16)、第一连杆(5，13)、第二连杆(6，12)、输出轴接连件(7，11)；各个部件依次通过铰链连接；驱动器连接件(4，16)分别与Y轴转动轴(18)、Z轴转动轴(19)连接，输出轴接连件(7，11)分别通过轴承(9，10)与关节机构输出轴(8)连接。

10.根据权利要求2或3或4或5所述的一种三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(15)的输出轴和Y轴驱动器(3)的输出轴的交点与十字结构的中心重合；和/或X轴转动轴(17)与关节机构输出轴(8)同轴设置，并且其轴线通过十字结构的中心。