CN1326671C - 并联机器人连接分支结构及六自由度并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联机器人机构中的连接分支结构和采用该连接分支结构的六自由度并联机器人，所述连接分支结构包括依次相连的多自由度运动铰链、平行四边形机构及运动副，所述六自由度并联机器人机构由动平台、定平台和三个相同的上述分支结构组成，所述运动副至少具有一个自由度且不改变所述输入杆件姿态，由于运动过程中平行四边形机构的输入和输出杆件姿态不变，多自由度运动铰链的摆动中心线将保持姿态不变，从而可以增加与其相连的动平台的灵活度。本发明提供的并联机器人机构具有高的灵活度和刚度，可应用于机器人、机械制造、轻工业、运动模拟器，和传感器等领域。

Description

并联机器人连接分支结构及六自由度并联机器人机构

技术领域

本发明涉及工业机器人机构，尤其涉及一种并联机器人机构中的连接分支结构，以及一种由动平台、定平台和连接分支结构组成的六自由度并联机器人机构。

背景技术

在机器人化的作业任务服役的现有机器人中，有两类机构：串联和并联。串联式是各杆件通过运动副依次相连的开式链，这类机器人具有大的作业空间和高的灵活性，缺点是：①由于各杆件误差的累积导致末端件精度很低；②刚度低；③惯量大，动力学性能很差。因此串联机器人在需要高定位和力控制精度的作业场合很不适用，为了避免这类缺点，机器人机构可以采用并联式。

并联机器人机构是一种闭环机构，其动平台或称末断执行器通过至少两个独立的运动链(分支)与定平台相联接。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点，因此在70年代末到80年代初，并联机构被用做工业机器人的机构。目前，并联机构在机床、微动操作台、机器人用力与力矩传感器、飞行模拟器等行业中越来越得到重视。

并联机构在1949年就出现过，是一个叫高夫(Gough)的人设计来检测轮胎的，在60年代，这种机构被重新发掘出来，原因是因为这种机构在飞行模拟器上更实用。在1965年，斯图尔特(Stewart)利用6自由度的并联机构做为一种飞行模拟器的实现机构，并把这种机构称为斯图尔特(Stewart)机构。因此一开始，并联机构多指6自由度的斯图尔特(Stewart)或高夫-斯图尔特(Gough-Stewart)机构，并联机构用做飞行模拟器的一个很重要的原因是它的能重比高，运动台上的作用力比较均匀的分布在六个杆件上，每个杆件相当于承载了1/6的作用力，因此其能重比高，例如一个并联机器人样机的重量是35kg，其承载为600kg。

目前的并联机构具有2、3、4、5和6个自由度。6自由度并联机构在这个家族中具有相当重要的地位，因为空间一个自由刚体的自由度就是6个，因此6自由度并联机构是研究得较多的、也是在工业中应用的较为广泛的机构。这类机构的每一个运动链往往至少含有一个多自由度运动铰链，如球铰链或虎克铰链。但是，对于现有非驱动冗余的空间并联机构，由于其中多自由度运动铰链有限的摆动角度以及连接多自由度运动铰链杆件姿态随时变化的原因，往往具有一个共同的缺点，即运动平台灵活度(或称转动能力)有限。

图1所示是一种现有机构，运动平台1通过两个相同的分支与定平台6相联接，每个分支由球铰链2、连杆3、转动副4、滑块5以及滑块与定平台6相铰接的移动副组成，两个滑块沿X轴的移动能够使动平台实现转动。该转动自由度的灵活度(转角大小)很大程度上依赖于两个球铰链的摆动角度范围。假设该球铰链能够绕摆动中心线α实现±45°的摆动能力，但是由于该中心线α的姿态是随着移动副的移动而随时改变，这就大大降低了动平台的灵活度。例如，当动平台要转动15°角时，由图1可以看出球铰链的转动已经超出了其预定的可摆动范围±45°，即54.2°＞45°了，由此可见该机构不能使动平台实现±15°的灵活度。灵活度在工业应用中具有举足轻重的地位，由于有限的灵活度，很多并联机构很难在工业中得到进一步的广泛应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种并联机器人机构中的连接分支结构，能够使其中的多自由度运动铰链的摆动中心线在运动过程中姿态保持不变。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种并联机器人机构中的连接分支结构，至少包括依次相连的多自由度运动铰链、连接机构及运动副，所述的连接机构是由输入杆件、连接杆件、输出杆件、连接杆件首尾依次通过转动副连接而成的平行四边形机构，所述运动铰链和运动副分别与输出杆件和输入杆件连接，所述运动副至少具有一个自由度并且不会改变所述输入杆件的姿态。

由于在运动过程中平行四边形机构的输入和输出杆件姿态不变，所述与平行四边形机构的输出杆件相固连的多自由度运动铰链的摆动中心线保持姿态不变，从而能使与其相连的运动台具有最大的转动能力。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种六自由度并联机器人机构，该并联机器人机构具有高的灵活度和刚度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种六自由度并联机器人机构，包括一个动平台、一个定平台，以及连接所述动平台和定平台的三个相同的分支，所述每个分支均包含：一个由输入杆件、连接杆件、输出杆件、连接杆件首尾依次通过转动副连接而成的平行四边形机构，与所述输出杆件连接的多自由度运动铰链，以及连接于所述输入杆件与定平台之间、不改变所述输入杆件姿态的运动副，所述运动副具有两个自由度且是驱动的，且所述各平行四边形机构所在平面与定平台平面的位置关系保持不变。

上述方案中，所述运动副可以是一个两自由度平面运动副，或者是两个移动副组成的复合运动副。

如上所述，对于本发明提供的并联机器人机构，由于在运动过程中平行四边形机构的输入和输出杆件姿态不变，所述与平行四边形机构的输出杆件相固连的多自由度运动铰链的摆动中心线保持姿态不变，从而可以相对地增加与所述多自由度运动铰链相连接的运动平台的灵活度(或称转动能力)，同时由于采用平行四边形机构代替了原来的连杆，提高了机构的刚度。

附图说明

图1是现有技术并联机构的动平台转动的示意图；

图2是本发明实施例并联机器人机构中的连接分支结构的示意图；

图3是采用图2中的连接分支结构后，并联机构的动平台转动的示意图；

图4是本发明六自由度并联机器人机构第一实施例的结构示意图；

图5是本发明六自由度并联机器人机构第二实施例的结构示意图；以及

图6是本发明六自由度并联机器人机构第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

图2是本发明实施例并联机器人机构中的连接分支结构的示意图。如图所示，该连接分支结构由球铰链32、通过输出杆件33与球铰链32相连的平行四边形机构34以及连接于平行四边形机构输入杆件35和定平台36之间的移动副组成，在相互平行的输出输入杆件之间，是两个也相互平行的连接杆。这里所说的“平行四边形机构”，是指平面四杆机构的输入杆件、连接杆、输出杆件、连接杆首尾依次通过转动副相链接形成的机构，四个杆件中不相连的两个杆件(即输入杆件和输出杆件，及两个连接杆)的长度是相等的。

运动台31通过球铰链(或虎克铰链)32连接在平行四边形机构34的输出杆件33上，由于输入杆件35是通过一移动副与定平台36相连，因此在该移动副运动时，输入杆件35的位置虽然会发生变化，但姿态将保持不变。图2中直线a是球铰链32的摆动中心线，该铰链可以绕该中心线沿四周方向摆动一定的角度。如果输入杆件35姿态不变，则在运动过程中，球铰链中心的轨迹是曲线b，由图示可以看出摆动中心线a的姿态在轨迹点变化时保持不变，从而可以提高运动台31的灵活度(转动能力)。该结构还能够使运动台在工作空间内不同的点，其灵活度差别不明显。

上述实施例的连接分支结构，在实际应用中可以作多种变换。譬如，可以将其中的移动副改成一种两自由度平面运动副或者其它组合形式的运动副，只要它不改变平行四边形机构输入杆件的姿态，就能提高与其相连的动平台的灵活度。在某些应用场合，还可以将输入杆件直接固定在定平台上，也能起到相同效果。

下面将通过图3中由上述连接分支结构组成的并联机构，来具体说明该连接分支结构的采用对提高与其相连的动平台的灵活度的作用。

如图3所示，在该机构中，动平台7通过两个相同的分支与定平台11相联接，每个分支包含一个球铰链8、一个平行四边形机构9以及平行四边形机构输入杆件10与定平台11相铰接的移动副组成。

这里的输入杆件10同时起到了图1中滑块5的作用。比较图3和图1，可以看出，从运动学角度看，图2中平行四边形机构的功能与图1中连杆3、转动副4和滑块5的功能是等效的。但是图2机构中，平行四边形机构的采用除能增加分支的刚度外，对动平台灵活度产生的效果也有很大的不同。由于平行四边形机构在运动过程中，输出杆件的姿态是不变的，从而使得连接在其上的球铰链8的摆动中心线a的姿态不变，这样就大大增加了动平台的灵活度。如图3所示，同样，让动平台转动15°的角度，可以看出球铰链的摆动只需要15°，没有超出球铰链本身的转动范围±45°，而且还有30°的余度。这样，动平台的转动角度可以大大超过15°，而图1所示的传统机构甚至达不到15°。

因此，可以了解，采用本发明的连接分支结构能够大大提高并联机构中动平台的灵活度。

图4、图5及图6是将本发明连接分支结构应用于六自由度并联机器人机构的三个实施例。

本发明六自由度并联机器人机构的第一实施例如图4所示，该机构的动平台12通过三个相同的分支与定平台16相连接，其中连接动平台的一端是球铰链13，该铰链固定地连接在平行四边形机构14的输出杆件18上，该平行四边形机构的输入杆件15通过一个移动副与滑块17相连，该滑块通过另外一个移动副与定平台16相连。通过驱动每个分支中的两个移动副来实现运动台12六自由度的空间运动，即3个移动和3个转动。

本发明六自由度并联机器人机构的第二实施例如图5所示，该机构的运动台19通过三个相同的分支与定平台24相连接，其中连接动平台的一端是球铰链20，该铰链固定的连接在平行四边形机构21的输出杆件23上，该平行四边形机构的输入杆件22通过一个两自由度平面运动副与定平台24相连。通过驱动每个分支中的平面运动副来实现运动台19六自由度的空间运动，即3个移动和3个转动。从图中可以看出，当动平台和定平台平行时，各平行四边形机构所在的平面均垂直于动平台且通过动平台的中心。

本发明六自由度并联机器人机构的第三实施例如图6所示，该机构的运动台25通过三个相同的分支与定平台30相连接，其中连接动平台的一端是球铰链26，该铰链固定的连接在平行四边形机构28的输出杆件27上，该平行四边形机构的输入杆件29通过一个两自由度平面运动副与定平台30相连。运动台19通过驱动每个分支中的平面运动副来实现六自由度的空间运动，即3个移动和3个转动。在动平台与定平台平行时，各平行四边形机构所在平面也垂直于动平台，与图5不同的是，所述平行四边形机构所在的平面不通过动平台的中心，而是垂直于动平台中心与球铰链的连线。

事实上，当动平台和定平台平行时，须保证球铰链的摆动中心与动平台垂直，使动平台在各个转动方向上均具有最大的灵活度。这要求运动过程中各平行四边形机构所在平面与定平台平面的位置关系保持不变，在上述实施例中是要保持与定平台平面的夹角为垂直的关系，在此前提下，该平行四边形机构的摆放角度可以是任意的。由于实际中定平台不一定是一个完整的平面，这里所述的“定平台平面”可以是一个完整平面，也可以是如图4中的由多个定平台所决定的虚拟平面。

从上述实施例可以看出，采用本发明提供的连接分支结构显著地提高了六自由度并联机器人机构的灵活度和刚度，本发明的六自由度并联机器人机构在工业机器人、运动模拟器、制造业、传感器领域、以及需要高灵活度的领域中有着广泛的应用前景。

很容易理解地是，在其它的并联机器人机构中，如2、3、4或5自由度并联机器人机构，采用本发明的连接分支结构后，同样能提高并联机器人机构运动平台的灵活度。

此外，在上述各个实施例中，分支中的球铰链与平行四形机构的输出杆件可以是直接相连，也可以是间接相连，应作广义的理解。所说的间接连接即指球铰链通过其它运动副和杆件与输出杆件连接，比如，球铰链可以先通过杆件和移动副连接，移动副再与平行四边形机构的输出杆件相连接。由于平行四边形机构和移动副在运动过程中不改变姿态，所以也保证了球铰链转动中心线的姿态固定，也可以提高动平台的灵活度。

此外，上述输出杆件上连接的球铰链(或虎克铰链)也不局限于一个。

Claims (5)

1、一种并联机器人机构中的连接分支结构，至少包括依次相连的多自由度运动铰链、连接机构及运动副，其特征在于，所述的连接机构是由输入杆件、连接杆件、输出杆件、连接杆件首尾依次通过转动副连接而成的平行四边形机构，所述运动铰链和运动副分别与输出杆件和输入杆件连接，所述运动副至少具有一个自由度并且不会改变所述输入杆件的姿态。

2、如权利要求1所述的连接分支结构，其特征在于，所述的多自由度运动铰链是虎克铰链或球铰链。

3、一种六自由度并联机器人机构，包括一个动平台、一个定平台，以及连接所述动平台和定平台的三个相同的分支，其特征在于，所述每个分支均包含：一个由输入杆件、连接杆件、输出杆件、连接杆件首尾依次通过转动副连接而成的平行四边形机构，与所述输出杆件连接的多自由度运动铰链，以及连接于所述输入杆件与定平台之间、不改变所述输入杆件姿态的运动副，所述运动副具有两个自由度且是驱动的，且所述各平行四边形机构所在平面与定平台平面的位置关系保持不变。

4、如权利要求3所述的六自由度并联机器人机构，其特征在于，所述运动副是一个两自由度平面运动副，或者是两个移动副组成的复合运动副。

5、如权利要求3所述的并联机器人机构，其特征在于，所述的多自由度运动铰链是球铰链或虎克铰链。

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