CN102554914A

CN102554914A - 一种新型三自由度欠驱动机构

Info

Publication number: CN102554914A
Application number: CN2012100028154A
Authority: CN
Inventors: 何斌; 曹进涛; 吕海峰; 蔡红霞; 胡小梅; 李静; 刘丽兰; 沈南燕; 田应仲; 杨浩
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种新型三自由度欠驱动机构。它包括一个基座、一个动平台、三条结构完全相同呈轴对称分布的支链、两个动力源和一个位置检测装置。三条支链分别和动平台活动连接，动平台朝基座方向下沉，呈内凹形，两个驱动动力源直接驱动两条运动支链，构成三条运动支链为欠驱动机构，使动平台作三自由度运动；位置检测装置与欠驱动的运动支链连接，实现位置检测。该发明易于加工装配，运动灵活，结构紧凑且刚度好，采用欠驱动的方式，降低了成本减少了手腕部分的重量，可以用于并联机器人、微动机器人等场合。

Description

一种新型三自由度欠驱动机构

技术领域

本发明涉及一种新型三自由度欠驱动机构，尤其是一种基于球面副的内凹形三自由度欠驱动并联机构。

背景技术

三自由度并联机构是一种很重要的少自由度并联机构，其动平台可以实现三自由度运动。和串联机构相比，并联机构具有结构紧凑、承载能力好、运动精度高﹑机构刚度好等特点。欠驱动机构是指控制出入小于系统自由度的机构, 欠驱动机器人是一种含有欠驱动机构的机器人，由于其具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、灵活性高等特点，因此引起学者们的广泛关注，成为机器人领域研究的新热点。比如机器人要能在工作空间中实现任意的位姿至少需要六个自由度，在手腕或腰部往往需要三个自由度，现在工业上应用的机器人多为串联机器人，虽然串联机器人工作空间比较大但是存在一些先天的缺陷，例如刚度比较小，承载能力小，精度低，运动惯量大，在一些要求精密的场合受到了很大限制。再者因为各关节的重量问题，严重影响了末端执行器的承载能力，而驱动单元重量占了各关节重量的一大半。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型三自由度欠驱动机构。该机构结构简单，可靠，体积小、机构紧凑、刚度好、重量轻，成本低，易于加工，易于装配。该装置适用于并联机器人、微动机器人等。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本新型三自由度欠驱动机构，含有一个基座、一个动平台、三条结构相同轴对称均匀布置的运动支链，两个驱动动力源和一个位置检测装置。其特征在于：法兰盘用于和其他装置连接，动平台呈内凹形，基座通过三条支链连接动平台，其中有两条支链具有动力源，另一条支链有一个旋转编码器来检测连杆的旋转角度，动平台可以做三自由度的运动。其中条驱动支链电机和减速器连接在一起通过螺栓固定在电机支撑座上,主动连杆一端经过套筒通过平键和减速器输出轴连接在一起另一端和从动连杆通过转动副相连，从动连杆另一端通过球面副和动平台连接杆相连，动平台连接杆通过螺钉和动平台固定在一起，构成第一条支链；另一条驱动支链完全相同，第三条支链编码器支撑座通过螺钉固定在法兰盘上,编码器轴通过联轴器和下连杆连接在一起其余部分和第一条支链完全相同,三个动平台连杆成120°均匀分布,电机支撑座与电机支撑座与编码器支撑座间隔120°。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种新型三自由度欠驱动机构，包括一个基座、一个动平台，三条结构相同轴对称均匀布置的运动支链、两个动力源和一个位置检测装置。其特征在于：三条运动支链分别与动平台活动连接，这样不仅便于加工装配而且运动灵活；动平台朝基座方向下沉，呈内凹形，这可以使结构更加紧凑并增强机构的刚度；所述两个电机的直接驱动两条运动支链，构成三条运动支链为欠驱动机构使动平台作三自由度运动，降低成本并减少了机构的重量；所述位置检测装置与欠驱动的运动支链连接，实现位置检测。

所述基座的结构是：两个电机支撑座和一个旋转编码器支撑座分别通过螺钉固定在一个法兰盘上表面，所述两个电机支撑座和旋转编码器支撑座均间隔120°。

所述动平台与三条运动支链活动链接的结构是：第一、第二和第三三根动平台连杆一端分别通过螺钉固定在动平台下表面，三根动平台连杆成120°周向均匀分布，三根动平台连杆另一端分别通过第一、第二和第三球面副与所述三条支链的连杆连接，使动平台呈内悬置凹形。

所述三条运动支链的结构是：一根第一主动连杆和一根第一从动连杆通过一个第一转动副串联，构成三个支链中第一支链，该第一支链的一端经过一个第一套筒通过平键与一个第一减速器输出轴连接，该第一支链的另一端通过所述第一球面副与第一动平台连杆连接；一根第二主动连杆和一根第二从动连杆通过一个第二转动副串联，构成三条支链中第二支链，该第二支链的一端经过一个第二套筒通过平键与一个第二减速器输出轴连接，该第二支链的另一端通过一个第二球面副与第二动平台连杆连接；第三支链是一根主连杆和一个次连杆通过一个第三转动副串联，该第三支链的一端通过一个联轴器与一个旋转编码器轴连接，该第三支链的另一端通过一个第三球面副与第三动平台连杆连接。

所述两个动力源结构为：第一和第二两个电机分别和第一第二两个减速器连接在一起并分别通过螺栓连接固定在第一和第二两个电机支撑座上，该两个减速器输出轴分别经过第一和第二两个套筒通过平键与第一和第二两个支链中的第一个和第二两个主动连杆连接。

所述位置检测装置结构为：所述旋转编码器通过螺栓连接固定在一个旋转编码器支撑座上，所述旋转编码器轴通过所述联轴器和所述主连杆连接。

本发明的有益效果是：制造装配更加容易，精度高，刚度好，体积更小结构更加紧凑，成本低，重量更小。

附图说明

图1是新型三自由度欠驱动机构的俯视图。

图2是图1的A向视图（顺时针转120°）。

图3是图1的B向视图（顺时针转120°）。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1—图3，本新型三自由度欠驱动机构包括一个基座、一个动平台（11），三条结构相同轴对称均匀布置的运动支链、两个动力源和一个位置检测装置，其特征在于：三条运动支链分别与动平台（11）活动连接，这样不仅便于加工装配而且运动灵活；动平台（11）朝基座方向下沉，呈内凹形，这可以使结构更加紧凑并增强机构的刚度；所述两个电机（3、21）的直接驱动两条运动支链，构成三条运动支链为欠驱动机构使动平台（11）作三自由度运动，降低成本并减少了机构的重量；所述位置检测装置与欠驱动的运动支链连接，实现位置检测。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：所述基座的结构是：两个电机支撑座（2、20）和一个旋转编码器支撑座（12）分别通过螺钉固定在一个法兰盘（1）上表面，所述两个电机支撑座（2、20）和旋转编码器支撑座（12）均间隔120°。所述动平台（11）与三条运动支链活动连接的结构是：第一、第二和第三三根动平台连杆（10、28、19）一端分别通过螺钉固定在动平台（11）下表面，三根动平台连杆（10、28、19）成120°周向均匀分布，三根动平台连杆（10、28、19）另一端分别通过第一、第二和第三球面副（9、27、18）与所述三条支链的连杆（8、26、17）连接，使动平台呈内悬置凹形。所述三条运动支链的结构是：一根第一主动连杆(6）和一根第一从动连杆（8）通过一个第一转动副（7）串联，构成三个支链中第一支链，该第一支链的一端经过一个第一套筒（5）通过平键与一个第一减速器（4）输出轴连接，该第一支链的另一端通过所述第一球面副（9）与第一动平台连杆（10）连接；一根第二主动连杆(24）和一根第二从动连杆（26）通过一个第二转动副（25）串联，构成三条支链中第二支链，该第二支链的一端经过一个第二套筒（23）通过平键与一个第二减速器（22）输出轴连接，该第二支链的另一端通过一个第二球面副（27）与第二动平台连杆（28）连接；第三支链是一根主连杆(15）和一根次连杆（17）通过一个第三转动副（16）串联，该第三支链的一端通过一个联轴器（14）与一个旋转编码器（13）轴连接，该第三支链的另一端通过第三球面副（18）与第三动平台连杆（19）连接。所述两个动力源结构为：第一和第二两个电机（3、21）分别和第一和第二两个减速器（4、22）连接在一起并分别通过螺栓连接固定在第一和第二电机支撑座（2、20）上，该两个减速器（4、22）输出轴分别经过第一和第二两个套筒（5、25）通过平键与第一和第二两个支链中的第一和第二两个主动连杆（6、24）连接。所述位置检测装置结构为：所述旋转编码器（13）通过螺栓连接固定在一个旋转编码器支撑座（12）上，所述旋转编码器（13）轴通过所述联轴器（14）和所述主连杆（15）连接。

实施例三：

如图1—3所示，本新型三自由度欠驱动机构：第一电机（3）和第二电机（21）分别和第一减速器（4）和第二减速器（22）连接在一起并分别通过螺栓连接固定在第一电机支撑座（2）和第二电机支撑座（20）上，旋转编码器（13）通过螺栓连接固定在旋转编码器支撑座（12）上，第一电机支撑座（2）、第二电机支撑座（20）和旋转编码器支撑座（12）分别通过螺钉固定在法兰盘（1）上表面，第一电机支撑座（2）、第二电机支撑座（20）和旋转编码器支撑座（12）均间隔120°。第一、第二、第三三根动平台连杆（10、28、19）一端分别通过螺钉固定在动平台（11）下表面，三根动平台连杆（10、28、19）成120°周向均匀分布，动平台呈内凹形。第一主动连杆(6）和第一从动连杆（8）通过第一转动副（7）串联，构成三个支链中第一支链，该第一支链的一端经过第一套筒（5）通过平键与第一减速器（4）输出轴连接，该第一支链的另一端通过第一球面副（9）与第一动平台连杆（10）连接；第二主动连杆(24）和第二从动连杆（26）通过第二转动副（25）串联，构成三个支链中第二支链，该第二支链的一端经过第二套筒（23）通过平键与第二减速器（22）输出轴连接，该第二支链的另一端通过第二球面副（27）与第二动平台连杆（28）连接；第三条支链主连杆(15）和次连杆（17）通过第三转动副（16）串联，该支链的一端通过联轴器（14）与旋转编码器（13）轴连接，该第三支链的另一端通过第三球面副（18）与第三动平台连杆（19）连接。

本实施例的工作原理为：两个电机（3、21）经过两个减速器（4、22）驱动机构的第一和第二支链运动，带动动平台运动，动平台从而带动第三个支链运动，旋转编码器（13）检测第三支链的连杆（15）的转角，同时该传感器将该值传给计算机，计算机根据这个值计算机构的逆运动学，求解出期望的两个电机的输入值，然后交给控制系统，控制系统进而控制电机的输入，以达到动平台的期望位置，从而实现对机构的控制。

Claims

1.一种新型三自由度欠驱动机构，包括一个基座、一个动平台（11），三条结构相同轴对称均匀布置的运动支链、两个动力源和一个位置检测装置，其特征在于：三条运动支链分别与动平台（11）活动连接，这样不仅便于加工装配而且运动灵活；动平台（11）朝基座方向下沉，呈内凹形，这可以使结构更加紧凑并增强机构的刚度；所述两个电机（3、21）的直接驱动两条运动支链，构成三条运动支链为欠驱动机构使动平台（11）作三自由度运动，降低成本并减少了机构的重量；所述位置检测装置与欠驱动的运动支链连接，实现位置检测。

2.根据权利要求1所述的新型三自由度欠驱动机构，其特征在于所述基座的结构是：两个电机支撑座（2、20）和一个旋转编码器支撑座（12）分别通过螺钉固定在一个法兰盘（1）上表面，所述两个电机支撑座（2、20）和旋转编码器支撑座（12）均间隔120°。

3.根据权利要求2所述的新型三自由度欠驱动机构，其特征在于所述动平台（11）与三条运动支链活动连接的结构是：第一、第二和第三三根动平台连杆（10、28、19）一端分别通过螺钉固定在动平台（11）下表面，三根动平台连杆（10、28、19）成120°周向均匀分布，三根动平台连杆（10、28、19）另一端分别通过第一、第二和第三球面副（9、27、18）与所述三条支链的连杆（8、26、17）连接，使动平台呈内悬置凹形。

4.根据权利要求1所述的新型三自由度欠驱动机构，其特征在于所述三条运动支链的结构是：一根第一主动连杆(6）和一根第一从动连杆（8）通过一个第一转动副（7）串联，构成三个支链中第一支链，该第一支链的一端经过一个第一套筒（5）通过平键与一个第一减速器（4）输出轴连接，该第一支链的另一端通过所述第一球面副（9）与第一动平台连杆（10）连接；一根第二主动连杆(24）和一根第二从动连杆（26）通过一个第二转动副（25）串联，构成三条支链中第二支链，该第二支链的一端经过一个第二套筒（23）通过平键与一个第二减速器（22）输出轴连接，该第二支链的另一端通过一个第二球面副（27）与第二动平台连杆（28）连接；第三支链是一根主连杆(15）和一根次连杆（17）通过一个第三转动副（16）串联，该第三支链的一端通过一个联轴器（14）与一个旋转编码器（13）轴连接，该第三支链的另一端通过第三球面副（18）与第三动平台连杆（19）连接。

5.根据权利要求1所述的新型三自由度欠驱动机构，其特征在于所述两个动力源结构为：第一和第二两个电机（3、21）分别和第一和第二两个减速器（4、22）连接在一起并分别通过螺栓连接固定在第一和第二电机支撑座（2、20）上，该两个减速器（4、22）输出轴分别经过第一和第二两个套筒（5、25）通过平键与第一和第二两个支链中的第一和第二两个主动连杆（6、24）连接。

6.根据权利要求4所述的新型三自由度欠驱动机构，其特征在于所述位置检测装置结构为：所述旋转编码器（13）通过螺栓连接固定在一个旋转编码器支撑座（12）上，所述旋转编码器（13）轴通过所述联轴器（14）和所述主连杆（15）连接。