CN100393484C - 三平移一转动并联机构 - Google Patents

Abstract

一种三平移一转动并联机构，由静平台(1)、动平台(12)和四条运动支链构成；第一、三支链的摆动控制臂(3)分别通过转动副(2)、(4)与静平台(1)、平行四边形铰链(6)相连，平行四边形铰链(6)通过转动副(7)与动平台(12)相连；第二、四支链的摆动控制臂(3)分别连接到转动副(2)、(4)；四条支链与静平台连接的转动副(1)的转动轴线布置在平面xoy上；所述的第二、四支链的转动副(2)、(4)与动平台(12)之间增加了连架杆(8)与转动副(9)；连架杆(8)连接转动副(7)并且通过转动副(9)与动平台(12)相连：第二、四支链的转动副(9)的轴线垂直于与各自支链转动副(7)的轴线，可以采取轴线同轴或不同轴的布置方案。

Description

三平移一转动并联机构

技术领域

本项发明涉及一种新型的三平移、一转动的四自由度并联机构，可以作为工业机器人与并联机床的的运动执行机构。它属于机器人技术与数控加工装备技术领域。

背景技术

Delta并联机器人由瑞士洛桑工学院(EPFL)Clavel首先提出并且申请专利。请参阅图1，该机构的结构是由静平台1、动平台12与连接静平台1、动平台12的三条运动支链构成。三条支链与静平台连接的转动副2的转动轴线对称布置在静平台平面上，并且三条运动支链的结构完全相同。每条支链是由转动副2、转动副4、转动副7，摆动控制臂3，平行四边形的四连杆机构——平行四边形铰链6连接组成的。摆动控制臂3通过转动副2、转动副4分别与静平台、平行四边形铰链6相连，平行四边形铰链6通过转动副7与动平台12相连。平行四边形铰链6是由两长、两短两对连杆(每对杆长分别相等)通过四个相同的转动副5相互连接组成的一个平行四边形的闭合四连杆机构，转动副5的轴线垂直于四连杆组成的四边形平面，如图3A。平行四边形铰链6中的长连杆与短连杆之间的夹角可以变化，如图3B所示。长连杆之间，短连杆之间总保持相互平行。转动副4、转动副7置于平行四边形铰链5的短连杆的中间位置处。Delta并联机器人的工作原理是：电动机或其它驱动器的驱动摆动控制臂2作一定角度的反复摆动，然后带动平行四边形铰链6运动。三个平行四边形铰链6张合、平移和转动运动带动动平台12实现三个坐标方向的平移运动。动平台12上固定有机器人的工作端，可由静平台1上的电动机通过可伸缩套筒中的机构，操纵工作端上的部件。这种并联机器人的特点是：运动部件轻，加速度可高达12g，适合在直径1000mm、高度200mm工作范围内搬运质量不大(1g～1kg)的物品。瑞士Demaurex公司于1987年购买了该专利并加以商品化，开发出Pack-Placer、Line-Placer等系列产品。近年来，瑞典ABB集团公司和日本日力精机公司也根据Delta机器人推出了新型的取放机器人和高速钻床。目前，Delta并联机器人已经广泛应用于化妆品、食品和药品的包装盒电子产品的装配等领域。

由于Delta机器人的运动部件结构简单、质量轻并且运动结构设计合理，从而使Delta机器人有加速度快的突出优点。但是，Delta机器人的动平台只能在3个坐标方向实现平移运动，不能实现转动运动。如果一种机构不仅拥有Delta机器人的上述优点，并且其动平台有转动运动，那么动平台上的工作端运动就会更加灵活，这种机构就可以适应更多工作场合，满足更加广泛的要求。

依据上述Delta机器人的优缺点，由Francois Pierrot等在1999年IEEE/ASME国际会议发表论文《H4：a new family of 4-dof parallel robots》提出了一种类型的新机构：H4。机器人结构如图2所示，这种机构在静平台与动平台之间连接有四条与Delta机构中运动支链结构相同的运动链。这四条运动链并不是直接连接在动平台上，而是每两条运动链连接连架杆10。连杆架10通过转动副11连接到动平台上。两个转动副11的转动轴线垂直于动平台平面。H4机构的动平台有沿三个方向上的平移运动与绕垂直于静平台平面轴线转动的转动运动。

发明内容

本发明的目的是：为了克服Delta机器人的只能平动运动的局限，设计出本发明——一种可用于工业机器人和数控机床运动执行机构的四自由度、可高速运动、类Delta机器人的并联机构。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种三平移一转动并联机构，由静平台(1)、动平台(12)和四条运动支链构成。所述的四个运动支链设置在静平台四周，其中，第一、三支链的摆动控制臂(3)一端通过第一转动副(2)与静平台(1)相连，第一、三支链的摆动控制臂(3)的另一端通过第二转动副(4)与平行四边形铰链(6)相连，平行四边形铰链(6)通过第三转动副(7)与动平台(12)相连。第二、四支链的摆动控制臂(3)的分别连接到第一转动副(2)和第二转动副(4)。静平台的几何中心位置建立在坐标系o-xyz，x轴指向第三支链的第一转动副(2)的中心位置处，y轴指向第二运动支链的第一转动副(2)的中心位置，z轴由右手定则确定，四条支链与静平台(1)连接的第一转动副的转动轴线布置在平面xoy上；所述的第二、四支链的第三转动副(7)与动平台(12)之间增加了连架杆(8)与第四转动副(9)；连架杆(8)连接第三转动副(7)并且通过第四转动副(9)与动平台(12)相连。四条支链一端均由摆动控制臂(3)与静平台(1)相连，摆动控制臂(3)连接平行四边形铰链(6)，支链的另一端在第一、三支链上是由平行四边形铰链(6)通过第三转动副(7)与动平台(12)相连，在第二、四支链上的平行四边形铰链(6)连接连架杆(8)，由连架杆(8)通过第四转动副(9)连接到动平台(12)。

本发明还采用以下技术手段实现：

一种三平移一转动并联机构，第三支链的第一转动副(2)的轴线与第一支链第一转动副(2)的轴线平行，第四支链的第一转动副(2)的轴线与第二支链的第一转动副(2)的轴线平行；第一与第二支链的第一转动副(2)的轴线相互垂直；每条支链中的第一转动副(2)、第二转动副(4)、第三转动副(7)的转动轴线始终保持相互平行。

前述的第二、第四支链的第四转动副(9)的轴线垂直于各自支链中的第三转动副(7)的轴线。采取轴线不同轴的布置方案，两个第四转动副(9)的轴线平行装配在动平台(12)上且保持与第一运动支链的第一转动副(2)轴线平行。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

机构结构简单、无支链干涉现象，位置工作空间大。机构的运动部件轻，加速度高。与Delta机构只能三维平移运动相比，此机构增加一个转动自由度，使得动平台上的工作端更加灵活。能够实现空间三平移、一转动运动，并且转动是规则的转动运动——其转动轴线始终保持平行，所述的平移运动是指一个物体在空间运动，其上任意两点间的连线在运动过程中始终保持平行的运动。如果在动平台与工作端串接一个转动关节，就可以实现末端执行器的空间五自由度的运动。

附图说明

图1为现有技术的Delta并联结构机器人；

图2为现有技术H4并联结构机器人；

图3为现有技术平行四边形铰链结构简图；

图4为本发明三平移、一转动四自由度的并联结构机器人；

图5为本发明三平移、一转动四自由度的并联结构机器人的转动示意图；

图6为本发明图4的新型并联机构的第一、三运动支链；

图7为本发明图4的新型并联机构的第二、四运动支链；

图8为本发明三平移、一转动四自由度的并联机构机器人的第二种实施方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

本发明三平移一转动并联机构，能够实现空间三平移、一转动运动，并且转动是规则转动运动——其转动轴线始终保持平行，所述的平移运动是指一个物体在空间运动，其上任意两点间的连线在运动过程中始终保持平行的运动。本发明所述的一种新型的并联机构，能够实现沿x、y、z三个坐标轴的移动与绕y轴的转动。

该并联机构的工作原理如下所述：摆动控制臂的一端通过转动副与静平台相连，在电动机或其它驱动器的驱动下，带动摆动控制臂作一定角度的反复摆动。摆动控制臂运动带动平行四边形铰链运动，第二、四支链上的平行四边形铰链平移、转动等运动通过转动副带动连架杆。第一、三支链上平行四边形铰链与第二、四支链上的连架杆通过与动平台上相连的转动副共同控制动平台的移动、转动运动。动平台上可以固定机器人的工作端或机床的刀具，通过工作端完成工业生产中的工件取放，刀具钻削、切削等任务。

实施例一：

图4是本发明的具体实施方案一。从图中可以看出，四条运动支链与静平台(1)连的第一转动副(2)对称布置在正方形的静平台(1)上，其中，第一、三运动支链的结构，请参阅如图6所示。从图中可以看出，第一支链的结构，摆动控制臂(3)的一端通过第一转动副(2)与静平台(1)相连，摆动控制臂(3)的另一端通过第二转动副(4)与平行四边形铰链(6)相连，第一转动副(2)与第二转动副(4)相互平行布置。第三转动副(7)连接平行四边形铰链(6)与动平台(12)，其轴线平行于第一转动副(2)。第三支链的结构与第一支链相同，其与静平台(1)相连的第一转动副(2)的轴线相互平行。

第二、四支链结构请参阅图7所示，第二支链结构，其与第一支链不同之处在与转动副(7)与动平台(12)之间增加了连架杆(8)与转动副(9)。第四支链的结构与第二支链的结构相同，两支链与静平台(1)连接的第一转动副(2)轴线相互平行，两支链中第四转动副(9)轴线同轴布置在动平台(12)平面上，且轴线平行与第一支链的第一转动副(2)。

该机构由静平台(1)、动平台(12)和四个运动支链构成，四构运动支链布置在静平台(1)四周，如图1所示。请参阅图6所示，其为第一、三支链的结构：从图中可以看出，摆动控制臂(3)通过第一转动副(2)与静平台(1)相连，摆动控制臂(3)通过第二转动副(4)与平行四边形铰链(6)相连，平行四边形铰链(6)通过第三转动副(7)与动平台(12)相连。

请参阅图7所示，其为第二、四支链的结构，从图中可以看出，与第一、三支链的结构相似，不同之处在于在第三转动副(7)与动平台(12)之间增加了连架杆(8)与第四转动副(9)，连架杆(8)连接第三转动副(7)并且通过第四转动副(9)与动平台(12)相连。

请参阅图4所示，在矩形静平台几何中心位置处建立坐标系o-xyz，x轴指向第三支链的第一转动副(2)的中心位置处，y轴指向第二运动支链的第一转动副(2)的中心位置，z轴由右手定则确定。四条支链与静平台(1)连接的第一转动副(2)的转动轴线布置在平面xoy上。

本发明的一种新型并联机构，第三支链的第一转动副(2)的轴线与第一支链的第一转动副(2)的轴线平行，第四支链的第一转动副(2)的轴线与第二支链的第一转动副(2)的轴线平行。第一支链与第二支链的第一转动副(2)的轴线相互垂直。支链中第一转动副(2)、第二转动副(4)、第三转动副(7)的转动轴线保持相互平行。

上述第二、四支链的第四转动副(9)的轴线垂直于各自支链第三转动副(7)的轴线，可以采取如图4所示的轴线同轴，或者如图8所示的轴线不同轴的布置方案，但两个第四转动副(9)的轴线必须平行装配在动平台(12)上且保持与第一运动支链第一转动副(2)轴线平行。

实施方式二

下面介绍本发明的另一实施方案，请参阅图8所示，为本发明的另一个实施方案。这个方案中各个支链的组成部件及连接顺序不变。不同之处在于第二、四运动支链中的两个转动副(9)的转动轴线不是同轴布置在动平台上，但都保持与第一支链的第一转动副(2)轴线平行。同轴与不同轴的的布置方案在机构性能上的优缺点是：同轴布置的方案结构对称，动平台受力平均，机构运动精度较高，误差较小；但是，由于机构第二、四运动支链中的末端连架杆(8)始终保持平动，二、四支链对动平台的转动运动不起影响，所以机构的转动灵活性能不强。不同轴布置的方案结构不对称，动平台受力不平均，其运动精度较低、误差较大；但是，由于四个运动支链对动平台(12)的转动运动都有影响，所以机构的动平台转动运动较灵敏。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换。而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种三平移一转动并联机构，由静平台(1)、动平台(12)和四条运动支链构成；所述的四个运动支链设置在静平台(1)四周，其中，第一、三支链的摆动控制臂(3)一端通过第一转动副(2)与静平台(1)相连，第一、三支链的摆动控制臂(3)的另一端通过第二转动副(4)与平行四边形铰链(6)相连，所述的平行四边形铰链(6)通过第三转动副(7)与动平台(12)相连；第二、四支链的摆动控制臂(3)分别连接到第一转动副(2)、第二转动副(4)，其特征在于：

所述静平台的几何中心位置建立在坐标系o-xyz，x轴指向第三支链的第一转动副(2)的中心位置处，y轴指向第二支链的第一转动副(2)的中心位置，z轴由右手定则确定，四条支链与静平台(1)连接的第一转动副(2)的轴线布置在平面xoy上；所述的第二、四支链的第三转动副(7)与动平台(12)之间增加了连架杆(8)与第四转动副(9)；连架杆(8)连接第三转动副(7)并且通过第四转动副(9)与动平台(12)相连；四条支链一端均由摆动控制臂(3)与静平台(1)相连，摆动控制臂(3)连接平行四边形铰链(6)，支链的另一端在第一、三支链上是由平行四边形铰链(6)通过第三转动副(7)与动平台(12)相连，在第二、四支链上的平行四边形铰链(6)连接连架杆(8)，再由连架杆(8)通过第四转动副(9)连接到动平台(12)；

所述的三平移一转动并联机构的第一、三支链中的第一转动副(2)的轴线相互平行，第二、四支链中的第一转动副(2)的轴线相互平行，每条支链中第一转动副(2)、第二转动副(4)、第三转动副(7)的轴线保持相互平行；且第一、三支链中的第一转动副(2)的轴线与第二、四支链中的第一转动副(2)的轴线相互垂直，第二、四支链中的第四转动副(9)的轴线与第二、四支链中的第三转动副(7)的轴线垂直。

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