CN210998693U - 一种二自由度并联差动运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种二自由度并联差动运动平台。包括下平台、上平台和连接结构，所述连接结构包括第一平面支承机构、第二平面支承机构和驱动机构，第一平面支承机构与第二平面支承机构设置在下平台上，第一平面支承机构与第二平面支承机构均各自连接一个驱动机构，驱动机构还与上平台连接，驱动机构为能够带动上平台相对于下平台在平面内移动的结构。本实用新型通过差动式驱动机构，实现了上平台的移动和摆动独立控制，特别是可实现上平台绕任一点做扇形摆动，最大限度地提供了上平台调姿的灵活性。

Description

一种二自由度并联差动运动平台

技术领域

本实用新型涉及一种工业机器人技术领域，具体涉及一种二自由度并联差动运动平台。

背景技术

生产制造领域中，自动化装配平台是自动化装配生产线常见的自动化装置，可以代替人工完成重复性动作，从而保证生产效率和生产质量。现有的二自由度运动平台多是基于串联机构，传统的串联结构是多个运动副依次串联而成的一个开链式机构，这种机构本身存在着承载能力弱、刚度低、误差大、运动质量大及精度低等缺点。与串联机构相对的是并联机构，并联机构具有承载能力强、刚度高、误差小、运动质量小及精度高等优点。

目前常见的二自由度并联机器人，其连接两个平台的连接结构多为通过连杆连接，可完成平面工作空间内任一点定位，但由于操作末端是一个点，如果该点固接一个动平台，那么运动过程中动平台的姿态将会发生变化，所以现有的并联机器人并不能保证操作末端作纯平移运动。而且由于它由许多连杆和关节组成，连杆的刚性差、整体结构复杂、成本高。

发明内容

发明目的：

本实用新型提供给一种二自由度并联差动运动平台，通过两个独立的驱动单元，实现移动和摆动的独立控制，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种二自由度并联差动运动平台，包括下平台、上平台和连接结构，所述连接结构包括第一平面支承机构、第二平面支承机构和驱动机构，第一平面支承机构与第二平面支承机构设置在下平台上，第一平面支承机构与第二平面支承机构均各自连接一个驱动机构，驱动机构还与上平台连接，驱动机构为能够带动上平台相对于下平台在平面内移动的结构。

第一平面支承机构包括第一下支承座和第一万向轴承，第一下支承座与下平台连接，第一下支承座上设置有第一万向轴承，第一万向轴承与上平台接触。第一平面支承机构限制上平台相对于下平台仅能做平面运动。

第一平面支承机构还设置有第一上支承座，第一上支承座为U字形结构，第一上支承座的上开口端与上平台固定连接；第一下支承座穿过第一上支承座，第一上支承座能相对于第一下支承座移动。

也就是说第一上支承座开口向上并且从底部绕过（或者叫兜住）第一下支承座后与上平台固定连接。

第一上支承座与第一下支承座之间存在空隙。

第二平面支承机构包括第二下支承座、第二万向轴承和铰接轴，第二下支承座与下平台连接，第二下支承座上设置有第二万向轴承，第二万向轴承与上平台接触，铰接轴设置在第二下支承座上平面。第二平面支承机构与第一平面支承机构一起限制上平台相对于下平台仅能做平面运动。

上平台上与铰接轴相对应的位置设置有滑槽，铰接轴伸入滑槽内且铰接轴能通过轴承在滑槽内运动。

第二平面支承机构还设置有第二上支承座，第二上支承座为U字形结构，第二上支承座的上开口端与上平台固定连接；第二下支承座穿过第二上支承座，第二上支承座为能相对于第二下支承座移动的结构。

也就是说第二上支承座开口向上，并从底部绕过（或者叫兜住）第二下支承座且与上平台固定连接。

第二上支承座第二上支承座第二上支承座第二上支承座与第二下支承座之间存在空隙。

第一平面支承机构上设置有直线导线机构，直线导向机构包括轴承和导向轴，轴承套在导向轴上，导向轴垂直固定在第一下支承座上，上平台上与导向轴相对应的位置设置有滑槽，导向轴伸入滑槽内且导向轴能通过轴承在滑槽内运动。直线导向机构限制了导向轴仅能通过轴承在上平台上的滑槽做线性运动。

驱动机构包括丝杆、螺母、连接件、减速机、伺服电机和连接片，伺服电机固定在上平台上，伺服电机连接减速机，减速机通过连接件连接丝杆，使得伺服电机通过减速机和连接件能够驱使丝杆旋转，螺母与连接片固定连接（螺母不转）。

驱动机构分为第一驱动机构和第二驱动机构；

与第一平面支承机构连接的驱动机构为第一驱动机构，第一驱动机构通过连接片与导向轴铰接，孔套在导向轴上，就是连接片上设置一个孔，孔套在导向轴上，使得连接片能以导向轴为轴转动，与第二平面支承机构连接的驱动机构为第二驱动机构，第二驱动机构通过连接片与铰接轴铰接，同理，在第二驱动机构的连接片上设置一个孔，孔套在铰接轴上，使得连接片能以铰接轴为轴转动。

丝杆的外螺纹与螺母的内螺纹相匹配。由于螺母与连接片固定连接，所以丝杆旋转时能够带动螺母在其轴向方向移动；或者在螺母的轴向位置上设置有限位卡销，确保丝杆旋转时螺母在其轴向上移动。

所述连接件可为齿轮带动齿轮转动的结构，伺服电机与第一齿轮通过减速机连接，伺服电机通过第一齿轮能够带动第二齿轮转动，第二齿轮与丝杆一体连接，进而驱使丝杆旋转，螺母能够随着丝杆旋转带动连接片沿着螺母的轴向运动，第一齿轮与第二齿轮相互啮合。

所述连接件还可以为涡轮和蜗杆的转动结构，涡轮与蜗杆采用现有产品，伺服电机与涡轮通过减速机连接，伺服电机通过涡轮能够带动蜗杆转动，进而驱使丝杆旋转，螺母能够随着丝杆旋转带动连接片沿着螺母的轴向运动，涡轮与蜗杆相互啮合。

所述驱动机构还可以不设置连接件，即伺服电机通过减速机直接连接丝杆，伺服电机工作带动丝杆旋转，螺母能够随着丝杆旋转带动连接片沿着螺母的轴向运动。

驱动机构上均设置有旋转编码器（可以采用大连三斯电子有限公司，GM58S10K6MA12WN）。伺服电机驱动第一齿轮转动进而带动与旋转编码器连接的第二齿轮转动。精确反馈上平台的位置姿态。

连接片的运动轨道上均设置至少一个限位开关。能够精确控制上平台运动量程与范围。提供上平台的极限位置反馈。

第一下支承座与下平台之间设置有力传感器，第二下支承座与下平台之间设置有力传感器（蚌埠大洋传感系统工程有限公司，DYLF-102）。力传感器至少设置为两个。提供上平台的偏载情况及碰撞反馈。

优点效果：

本实用新型为扁平化设计，在满足移动和摆动功能的情况下，结构进行了优化，整体结构简单、易于维护，并提高了二自由度并联差动运动平台的结构强度和刚度。

本实用新型通过差动式驱动机构，实现了上平台的移动和摆动独立控制，特别是可实现上平台绕任一点做扇形摆动，最大限度地提供了上平台调姿的灵活性。

另外，本实用新型还可通过力传感器的反馈，提供了偏载和碰撞情况下的反馈和保护。

附图说明

图1为一种二自由度并联差动运动平台设计总体示意图；

图2为第一支承机构平面示意图；

图3为第二支承机构平面示意图；

图4为运动平台在第一平面支承机构侧的剖视图；

图5为驱动机构示意图；

图6为直线导向机构示意图；

图7为第一支承机构与第一驱动结构的连接关系示意图；

图8为第二支承机构与第二驱动结构的连接关系示意图；

图9为平台静止时示意图；

图10为平台扇形运动方式示意图；

图11为平台平移运动方式示意图；

图12为平台绕任一点扇形运动示意图；

1、下平台，2、上平台，3、第一平面支承机构，4、第二平面支承机构，5、驱动机构，5-1、第一驱动机构，5-2、第二驱动机构，6、第一下支承座，7、第一万向轴承，8、第一上支承座，9、第二下支承座，10、第二万向轴承，11、第二上支承座，12、铰接轴，13、轴承，14、滑槽，15、导向轴，16、丝杆，17、螺母，18、减速机，19、伺服电机，20、连接片，20-1、孔，21、第一齿轮，22、第二齿轮，23、第三齿轮，24、旋转编码器，25、限位开关，26、力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。

如图1所示，一种二自由度并联差动运动平台，包括下平台1、上平台2和连接结构，所述连接结构包括第一平面支承机构3、第二平面支承机构4和驱动机构5，第一平面支承机构3与第二平面支承机构4设置在下平台1上，第一平面支承机构3与第二平面支承机构4均各自连接一个驱动机构5，驱动机构5还与上平台2连接，驱动机构5为能够带动上平台2相对于下平台1在平面内移动的结构。

如图2所示，第一平面支承机构3包括第一下支承座6和第一万向轴承7，第一下支承座6与下平台1连接，第一下支承座6上设置有第一万向轴承7，第一万向轴承7与上平台2接触。就是说上平台2能在第一万向轴承7上移动；

第一平面支承机构3还设置有第一上支承座8，第一上支承座8为U字形结构，第一上支承座8开口向上，且从底部扣住第一下支承座6然后与上平台2固定连接。第一上支承座8的侧壁与第一下支承座6的侧壁之间存在一个可供相对移动的空隙H以方便图12的摆动需要，但是第一上支承座8的底部与第一下支承座6底部之间只需要满足第一上支承座8能相对于第一下支承座6移动即可，间隙要做到尽量小，例如0.5毫米左右，当然也可以更小。第一上支承座8主要起到上下方向的限位的作用，第一平面支承机构3限制上平台2相对于下平台1仅能做平面运动。

如图3所示，第二平面支承机构4包括第二下支承座9、第二万向轴承10和铰接轴12，第二下支承座9与下平台1连接，第二下支承座9上设置有第二万向轴承10，第二万向轴承10与上平台2接触，铰接轴12设置在第二下支承座9上平面。第二平面支承机构4与第一平面支承机构3一起限制上平台2相对于下平台1仅能做平面运动。

第二平面支承机构4还设置有第二上支承座11，第二上支承座11为U字形结构，第二上支承座11开口向上且从底部扣住第二下支承座9且与上平台2固定连接。第二上支承座11与第二下支承座9之间存在空隙H，空隙H的限位原理与前述相同，此处不赘述。

如图4和图6所示，第一平面支承机构3上设置有直线导线机构，直线导向机构包括轴承13和导向轴15，轴承13套在导向轴15上，导向轴15固定在第一下支承座6上，上平台2上与导向轴15相对应的位置设置有滑槽14，导向轴15伸入滑槽14内且导向轴15能通过轴承13在滑槽14内运动。直线导向机构限制了导向轴15仅能通过轴承13在上平台2上的滑槽14做线性运动。

另一端可以不用设置滑槽，如图6所示，上层平台为一个带有一定厚度的结构，其中设置滑槽14的一端是在底部设置一个衬板，滑槽就直接设置在该衬板上，而另一端的底部没有衬板直接就是个敞开的结构，这样就实现了一端有滑槽，另一端没有滑槽的结构，滑槽的作用就是限位。

如图1和图5所示，驱动机构5包括丝杆16、螺母17、连接件、减速机18、伺服电机19和连接片20，伺服电机19固定在上平台2上，伺服电机19通过减速机18与连接件连接，伺服电机19通过连接件能够驱使丝杆16旋转，螺母17与连接片20固定连接，螺母17保持不转，如图1和图7所示，与第一平面支承机构3连接的驱动机构为第一驱动机构5-1，第一驱动机构5-1通过连接片与导向轴15铰接，如图1和图8所示，与第二平面支承机构4连接的驱动机构为第二驱动机构5-2，第二驱动机构5-2通过连接片与铰接轴12铰接。

丝杆16的外螺纹与螺母17的内螺纹相匹配。连接片20上设置有孔20-1，孔20-1套在导向轴15或铰接轴12上，连接片20能以导向轴15或铰接轴12为轴转动，因为螺母17与连接片20固定连接，连接片20又套在导向轴15或铰接轴12上，所以丝杆16旋转时，螺母17不会转动，就能使得丝杆16相对于螺母17在其轴向方向做相对于螺母17的伸缩移动；所述连接件可为齿轮带动齿轮转动的结构，伺服电机19与第一齿轮21通过减速机18连接，第一齿轮21与第二齿轮22相互啮合；伺服电机19通过第一齿轮21能够带动第二齿轮22转动，第二齿轮22与丝杆16连接，进而驱使丝杆16旋转并做轴向伸缩移动。

所述连接件还可以为涡轮和蜗杆的转动结构，涡轮与蜗杆采用现有产品，伺服电机19与涡轮通过减速机18连接，涡轮与蜗杆相互啮合，伺服电机19通过涡轮能够带动蜗杆转动，蜗杆连接丝杆16，进而驱使丝杆16旋转。

所述驱动机构5还可以不设置连接件，即伺服电机19通过减速机18直接连接丝杆16，伺服电机19工作带动丝杆16旋转，螺母17能够随着丝杆16旋转带动连接片20一起做相对于螺母17的轴向运动。此时，伺服电机19需要摆放在丝杆16的前端。

伺服电机19固定在上层平台上，丝杆的伸缩端即与第二齿轮22连接的一端是与上层平台连接的，以便实现顶动上层平台相对于下层平台平移的动作。具体连接方法属于现有技术，例如可以设置一个连接件16-1，连接件内设置一个轴承，丝杆的伸缩端连接第二齿轮22后继续向前延伸一段，然后伸进轴承内，使得丝杆的伸缩端能够旋转的同时与轴承之间也不会发生脱落和相对轴向移动，然后，将连接件与上层平台连接；第二齿轮22与第一齿轮21之间的位置保持不变，当然，也可以采用其他任何一种现有的连接方式，此处不赘述。

如图5所示，驱动机构5上均设置有旋转编码器23。可以采用大连三斯电子有限公司，GM58S10K6MA12WN，当然也可以采用其他任何一家现有的产品。伺服电机19驱动第一齿轮21转动进而带动与旋转编码器23连接的第二齿轮22转动。精确反馈上平台2的位置姿态。

如图5所示，连接片20的运动轨道上均设置至少一个限位开关25。能够精确控制上平台2运动量程与范围。提供上平台2的极限位置反馈。

如图1所示，第一下支承座6与下平台1之间设置有力传感器26，第二下支承座9与下平台1之间设置有力传感器26可以采用蚌埠大洋传感系统工程有限公司、DYLF-102，当然也可以采用其他任何一家现有的产品。力传感器26至少设置为两个。提供上平台2的偏载情况及碰撞反馈。

差动运动方式：

如图9所示为上平台相对于下平台静止的状态，即原始状态，本结构有三种差动运动方式：扇形运动方式、平移运动方式和绕任一点扇形运动方式。

扇形运动方式：

如图10所示，当上平台B侧的第二驱动机构单独驱动时，其伺服电机工作带动丝杆旋转，而因为螺母是不旋转的且连接片20是套住铰接轴12的，而驱动机构又是与上平台连接的如图5所示，丝杆连接第二齿轮22的一端为活动端，该端通过连接件16-1与上平台连接，也即是说，丝杆可以顶着上平台移动，如图5所示，连接件16-1与上平台连接，连接件16-1内设置有轴承，轴承与丝杆活动端连接，丝杆不能脱离该连接件，与该连接件轴向方向的相对位置也是不变的，就是丝杆与连接件之间不发生轴向相对移动，而伺服电机其实也是与上平台连接的，因此实际上第一齿轮21与第二齿轮22之间的相对位置是不变的，因此，丝杆同伺服电机一起顶着上平台运动，而另一端A端的驱动机构又是不动的，为了满足丝杆伸或缩的动作空间，上平台就会做图10所示的摆动，空隙H为了这个摆动要求而设置的，此时，A端的第一驱动机构5-1的连接片以导向轴15为轴转动，而导向轴15不会在滑槽14内移动，而B端的第二驱动机构5-2的连接片也以铰接轴12为轴转动。

平移运动方式：

如图11所示，当上平台A侧的第一驱动机构和上平台B侧的第二驱动机构同步同向驱动时，第一驱动机构和第二驱动机构的伺服电机同向同步驱动，带动各自的丝杆旋转，丝杆相对于螺母轴向移动，进而带动上平台水平移动，此时，A端的第一驱动机构5-1的连接片不以导向轴15为轴转动，而导向轴15会在滑槽14内移动，而B端的第二驱动机构5-2的连接片也不以铰接轴12为轴转动。

绕任一点扇形运动方式：

如图12所示，当上平台A侧的驱动机构和上平台B侧的驱动机构非同向同步驱动时，例如，一个向外伸出，另一个收缩，此时，第一驱动机构和第二驱动机构的伺服电机非同向同步驱动，带动各自的丝杆旋转，使得丝杆做相对于螺母的轴向移动，顶动上平台移动，而因为两个丝杆的动作方向相反，例如一个向左一个向右，那么此时，就会使得A、B两端均摆动，形成一个整体的顺时针或者逆时针的扭动，此时，A端的第一驱动机构5-1的连接片以导向轴15为轴转动，而导向轴15也会在滑槽14内移动，而B端的第二驱动机构5-2的连接片也以铰接轴12为轴转动。

运动方向如图12中箭头方向。

Claims (10)

1.一种二自由度并联差动运动平台，包括下平台（1）、上平台（2）和连接结构，其特征在于：所述连接结构包括第一平面支承机构（3）、第二平面支承机构（4）和驱动机构（5），第一平面支承机构（3）与第二平面支承机构（4）设置在下平台（1）上，第一平面支承机构（3）与第二平面支承机构（4）均各自连接一个驱动机构（5），驱动机构（5）还与上平台（2）连接，驱动机构（5）为能够带动上平台（2）相对于下平台（1）在平面内移动的结构。

2.根据权利要求1所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：第一平面支承机构（3）包括第一下支承座（6）和第一万向轴承（7），第一下支承座（6）与下平台（1）连接，第一下支承座（6）上设置有第一万向轴承（7），第一万向轴承（7）与上平台（2）接触。

3.根据权利要求2所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：第一平面支承机构（3）还设置有第一上支承座（8），第一上支承座（8）为U字形结构，第一上支承座（8）的上开口端与上平台（2）固定连接；第一下支承座（6）穿过第一上支承座（8），第一上支承座（8）能相对于第一下支承座（6）移动。

4.根据权利要求2所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：第二平面支承机构（4）包括第二下支承座（9）、第二万向轴承（10）和铰接轴（12），第二下支承座（9）与下平台（1）连接，第二下支承座（9）上设置有第二万向轴承（10），第二万向轴承（10）与上平台（2）接触，铰接轴（12）设置在第二下支承座（9）上平面。

5.根据权利要求4所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：第二平面支承机构（4）还设置有第二上支承座（11），第二上支承座（11）为U字形结构，第二上支承座（11）的上开口端与上平台（2）固定连接；第二下支承座（9）穿过第二上支承座（11），第二上支承座（11）为能相对于第二下支承座（9）移动的结构。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：第一平面支承机构（3）上设置有直线导线机构，直线导向机构包括轴承（13）和导向轴（15），轴承（13）套在导向轴（15）上，导向轴（15）固定在第一下支承座（6）上，上平台（2）上与导向轴（15）相对应的位置设置有滑槽（14），导向轴（15）伸入滑槽（14）内且导向轴（15）能在滑槽（14）内运动。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：驱动机构（5）包括丝杆（16）、螺母（17）、连接件、减速机（18）、伺服电机（19）和连接片（20），伺服电机（19）固定在上平台（2）上，伺服电机（19）连接减速机（18），减速机（18）通过连接件连接丝杆（16），使得伺服电机（19）通过减速机和连接件能够驱使丝杆（16）旋转，螺母（17）与连接片（20）固定连接；

驱动机构（5）分为第一驱动机构（5-1）和第二驱动机构（5-2）；

与第一平面支承机构（3）连接的驱动机构为第一驱动机构（5-1），第一驱动机构（5-1）通过连接片与导向轴（15）铰接，与第二平面支承机构（4）连接的驱动机构为第二驱动机构（5-2），第二驱动机构（5-2）通过连接片与铰接轴（12）铰接。

8.根据权利要求7所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：所述连接件为包括：第一齿轮（21）和第二齿轮（22）；伺服电机（19）与第一齿轮（21）通过减速机（18）连接，第二齿轮（22）与丝杆（16）连接，第一齿轮（21）啮合第二齿轮（22），使得伺服电机（19）通过第一齿轮（21）能够带动第二齿轮（22）转动，进而驱使丝杆（16）旋转。

9.根据权利要求7所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：丝杆（16）的外螺纹与螺母（17）的内螺纹相匹配。

10.根据权利要求7所述的二自由度并联差动运动平台，其特征在于：驱动机构（5）上均设置有旋转编码器（23）。

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