CN105215975B - 具有两转一移三自由度的非对称并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人机构领域，特别是涉及到了一种具有两转一移三自由度的非对称并联机构。该具有两转一移三自由度的非对称并联机构采用动、静平台加两条运动分支连的构成形式，并且将两条运动分支链中的一条设为混合链，另一条设为单开链，安装于静平台上的第一移动副、第三转动副和第八圆柱副被选为主动副，其中第一移动副与第三转动副和第八圆柱副轴线垂直。第七转动副和第十球副与动平台相连。因此，本发明的并联机构动平台可实现两维转动一维移动输出运动。机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出与主动输入呈一一对应关系，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差、控制设计困难的问题。

Description

具有两转一移三自由度的非对称并联机构

技术领域

本发明涉及工业机器人机构领域，特别是涉及到了一种具有两转一移三自由度的非对称并联机构。

背景技术

并联机构又称并联机器人，是近年来机构学和机器人领域研究的热点之一。并联机构具有刚度大、承载能力强、误差累计小、动态性能好、结构紧凑等优点，近年来被广泛应用于众多技术领域。

并联机器人分为六自由度机器人和少自由度并联机器人。相对于传统串联机构，并联机构具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点。目前三自由度的并联机构构型设计吸引了众多研究者的兴趣，而其中具有两个转动和一个移动自由度形式的三自由度并联机构因其广阔的应用潜力而成为该领域的研究热点。该类型的并联机构在高速拾取、机械加工、空间定位、医疗器械、微操作器、力传感器、康复护理仪器等领域具有巨大的应用价值与商业价值。

目前各国学者在具有两个转动和一个移动自由度形式的三自由度并联机构构型设计方面已经展开激烈竞争以期提出具有自主知识产权、性能优良的此类型并联机构。但已有的该类机构如：3-RPS 并联机构、3-PRS 并联机构等存在着直链运动副数目较多、对零部件的加工、装配等环节要求较高、机构的转动与平动运动存在耦合使其运动学求解非常繁琐复杂等缺点，在一定程度上限制了该类机构的实际应用范围。如何设计满足功能需求，且运动学控制简单、制造成本低廉的新型三自由度并联机构是机构研究者急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有两转一移三自由度的非对称并联机构，以解决并联机器人解耦性差、控制设计困难的问题。

为了解决上述问题，本发明的具有两转一移三自由度的非对称并联机构采用以下技术方案：具有两转一移三自由度的非对称并联机构，包括静平台、动平台以及连接在动平台与静平台之间的两个分支运动链，两个分支运动链中的一支为混合链，另一支为单开链，所述混合链包括第一子分支、第二子分支以及第七转动副，第一子分支包括由自静平台开始依次串联的第三转动副、第四万向铰、第五移动副和第六万向铰，其中第三转动副的转动轴线与第四万向铰的与之相邻的部分的轴线互相垂直，第四万向铰中与第五移动副相连的部分的转动轴线与第六万向铰中与第五移动副相连的部分的转动轴线互相平行，二者的剩余的转动轴线也相互平行；第二子分支包括自静平台开始依次串联的第一移动副和第二转动副，在第二子分支中，第一移动副的轴线与第二转动副的转动轴线互相垂直，第一、第二子分支并联构成一转一移二自由度单闭链后与第七转动副串联并通过第七转动副与动平台连接，第二转动副的轴线与第七转动副的轴线相互垂直，在混合链中，第一移动副和第三转动副为主动副；单开链包括从静平台到动平台依次串联的第八圆柱副、第九转动副和第十球副，第八圆柱副、第九转动副的轴线互相平行并且均平行于第三转动副的轴线，第八圆柱副为主动副。

静平台为矩形平台，混合链和单开链分别连接在静平台的相对的两侧。

第八转动副的空间位置高于第三转动副和第一移动副。

本发明的具有两转一移三自由度的非对称并联机构，安装于静平台上的第一移动副、第三转动副和第八圆柱副被选为主动副。其中第一移动副与第三转动副和第八圆柱副轴线垂直。第七转动副和第十球副与动平台相连。因此，本发明的并联机构动平台可实现两维转动一维移动输出运动。机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出与主动输入呈一一对应关系，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差、控制设计困难的问题。

附图说明

图1是具有两转一移三自由度的非对称并联机构的实施例的原理图；

图2是具有两转一移三自由度的非对称并联机构的实施例的结构示意图。

具体实施方式

两转一移三自由度的非对称并联机构的实施例，如图1-2所示，该机构包括静平台8、动平台9以及连接静平台8和动平台9的混合链和单开链。动平台9采用台面板。

混合链包括一个空间单闭链和与之串联的第七转动副R7，所述空间单闭链包括第一子分支和第二子分支。

第一子分支包括静平台8到第六万向铰链U6依次设置的第三转动副R3，第四万向铰链U4和第五移动副P5。第三转动副R3和第四万向铰链U4通过连杆1连接，第四万向铰链U4和第五移动副P5通过连杆2连接，第五移动副P5和第六万向铰链U6通过连杆3连接。第一子分支中第三转动副R3的转动轴线与第四万向铰链U4中和连杆1相连的轴线相互垂直，第四万向铰链U4和连杆2相连的转动轴线与第六万向铰链U6和连杆3相连接的轴线相互平行，其他两个轴线也相互平行。第二子分支包括静平台8上的第一移动副P1和与第一移动副连接的第二转动副R2，它们通过连杆5连接。第二子分支中第一移动副P1的轴线与第二转动副R2的轴线相互垂直。此支链中的第一移动副P1和第三转动副R3分别为此并联机构的主动副。

所述第一子分支、第二子分支通过连杆4和第七转动副R7与动平台相连，且第二转动副R2和第七转动副R7轴线相互垂直。

单开链包括由静平台8到动平台9依次串联的第八圆柱副C8、第九转动副R9及第十球副S10，其中第八圆柱副C8和第九转动副R9通过连杆7连接，第九转动副R9和第十球副S10通过连杆6连接。第八圆柱副C8轴线平行于z轴，第八圆柱副C8的轴线和第九转动副R9的轴线平行，第十球副S10与动平台9连接,与静平台8相连的第八圆柱副C8为主动副。

如图2第一移动副P1的导轨7、第三转动副R3的底座1及第八圆柱副C8的导轨10与静平台相连。移动副P1的轴线与转动副R3的轴线相互垂直，移动副P1的轴线与圆柱副C8的轴线相互垂直。

主动副为移动副的驱动机构是伺服电机带动滚珠丝杠配合导轨实现线性位移为主动输入，主动圆柱副的驱动机构是伺服电机带动滚珠丝杠实现线性位移的主动输入同时串联一个转动副其轴线与滚珠丝杠的轴线同轴，主动转动副的驱动机构是电机带动减速机。

本发明提出的一种完全解耦三自由度并联机器人机构在工作过程中，当驱动第一移动副P1、第八圆柱副C8和第三转动副R3时，所述动平台可以实现空间两维转动一维移动输出。机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出与主动输入呈一一对应关系。动平台的一个运动输出只需一个驱动器输入控制，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差控制设计困难的问题。主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构，或者是伺服电机，主动转动副的驱动机构是电机带动的减速机，当圆柱副为主动副时可在丝杠轴线上串联一转动铰链实现其既定运动，这些都是机器人的常规设计。该并联机构可用于工业机器人、医疗机器人和微操作机器人等。

Claims (3)

1.具有两转一移三自由度的非对称并联机构，包括静平台、动平台以及连接在动平台与静平台之间的两个分支运动链，其特征在于，两个分支运动链中的一支为混合链，另一支为单开链，所述混合链包括第一子分支、第二子分支以及第七转动副，第一子分支包括由自静平台开始依次串联的第三转动副、第四万向铰、第五移动副和第六万向铰，其中第三转动副的转动轴线与第四万向铰的与之相邻的部分的轴线互相垂直，第四万向铰中与第五移动副相连的部分的转动轴线与第六万向铰中与第五移动副相连的部分的转动轴线互相平行，二者的剩余的转动轴线也相互平行；第二子分支包括自静平台开始依次串联的第一移动副和第二转动副，在第二子分支中，第一移动副的轴线与第二转动副的转动轴线互相垂直，第一、第二子分支并联构成一转一移二自由度单闭链后与第七转动副串联并通过第七转动副与动平台连接，第二转动副的轴线与第七转动副的轴线相互垂直，在混合链中，第一移动副和第三转动副为主动副；单开链包括从静平台到动平台依次串联的第八圆柱副、第九转动副和第十球副，第八圆柱副、第九转动副的轴线互相平行并且均平行于第三转动副的轴线，第八圆柱副为主动副，第一移动副的轴线分别与第三转动副的轴线和第八圆柱副的轴线互相垂直，第七转动副和第十球副均与动平台相连。

2.根据权利要求1所述的具有两转一移三自由度的非对称并联机构，其特征在于，动平台为矩形平台，混合链和单开链分别连接在动平台的相对的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的具有两转一移三自由度的非对称并联机构，其特征在于，第八圆柱副的空间位置高于第三转动副和第一移动副。