CN100522506C

CN100522506C - 二自由度平移运动并联机构

Info

Publication number: CN100522506C
Application number: CNB2008100189484A
Authority: CN
Inventors: 彭斌彬; 孙宇; 丁武学; 黄晓华
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: CN101224578A

Abstract

本发明公开了一种二自由度平移运动并联机构。该并联机器人机构的固定平台与作两自由度平移运动的运动平台通过两条运动支链连接，形成封闭结构；每条运动支链包括运动滑块以及连接该运动滑块和运动平台的三个子约束支链组成，每个子约束支链分别由虎克铰、连杆和虎克铰串接而成，并且都并接在运动滑块和运动平台之间，然后再与运动滑块串接形成一条运动支链。本发明的二自由度平移运动并联机构采用虎克铰的运动约束来实现，形成空间约束，连杆不再受弯矩作用，改善了机构的受力状况，提高了机构的刚度。

Description

二自由度平移运动并联机构

一技术领域

本发明属于工业机器人领域，特别是一种二自由度平移运动并联机器人机构。

二背景技术

并联机构由固定平台、运动平台及连接两个平台的多个分支机构组成，其驱动电机可以固定在固定平台上，减少了运动部件的质量，且并联机构是多个构件共同支撑运动平台运动。相对传统的串联机构，更易实现结构紧凑、模块化设计、高刚度以及运动的高速。在近20年来受到越来越多的研究者和制造商的重视，并已应用到机床、高精密定位装置、飞行模拟器、飞船对接、医疗机器人和微动机械等众多领域中。

并联机构按自由度分类有：二自由度并联机构、三自由度并联机构、四自由度并联机构、五自由度并联机构和六自由度并联机构。当自由度较多时，由其机构本身的特点，存在运动耦合增强且工作空间与体积比变小，运动正解不封闭和标定困难等问题，而且在医药、食品，以及微电子产品装配等自动化生产线上一些自动装置只需要较少的运动自由度就可满足要求，因此一些少自由度并联机构受不少研究者关注，提出不少新的少自由度并联机构，并研究其应用。二自由度平移运动并联机构因其自由度少，运动封闭，应用广泛，已成为研究的一个热点。

为保证二自由度并联机构作平移运动，现有的技术方案多数是采用平行四边形支链结构来实现运动平台的平移运动。例如，CN1628939A、CN2700064Y、CN2693426Y和CN2741730Y提出的二自由度移动平面并联机构采用平行四边形支链来约束运动平台的运动，使得运动平台只能作平面平移运动，这些方案可以很好地保证机构的平移运动，但是其克服垂直其运动平面的载荷能力不强，也就是说在垂直运动平面的刚度不高。这是由于平行四边形机构包含有四个轴线平行的转动副，在垂直平行四边形运动平面的力载荷作用下，组成平行四边形的杆件将要承受弯矩作用，而且杆件越长，所承受的弯矩将越大，这将影响用其组成的二自由度平动并联机器人机构的刚度。为提高在垂直运动平面的刚度，CN1817574A提出增加两根被动约束分支结构，采用电磁式可控阻尼杆来调节二自由度平动并联机构的刚度，但其结构本质上也是基于平行四边形来构造，所提出方案既不能从结构本质上解决垂直运动平面的刚度低的问题，同时又增加了控制的难度和成本。CN1715009A提出的二自由度平动并联机构比较有特色，其没有采用平行四边形机构的约束来实现二自由度平移运动，而是通过对滑台的巧妙设计来构造二自由度平动机构，且输出的运动解耦，由于也是通过平面结构来实现运动平台的平移运动，所有也存在在垂直运动平面的方向刚度不高这一缺点。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种的二自由度平移运动并联机构，该机构在运动平面内刚度很高，同时在垂直于运动平面的方向的刚度也很高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种二自由度平移运动并联机构，两个导轨设置在固定平台上，该固定平台与作两自由度平移运动的运动平台通过两条运动支链连接并形成一个封闭的结构。每条运动支链包括运动滑块以及连接该运动滑块和固定平台的三个子约束支链，该三个子约束支链分别由与运动滑块连接的虎克铰、连杆和与运动平台连接的虎克铰组成，该三个子约束支链分布在导轨轴线的两侧，其中有两个子约束支链是布置在导轨轴线的一侧，另一个子约束支链设置在导轨轴线的另一侧；该三个子约束支链的三个连杆长度相等，每个子约束支链中与运动滑块相连的虎克铰的转动副轴线分别与运动平台相连的虎克铰的转动副轴线相互平行，该每个子约束支链中与连杆相连的虎克铰的转动副轴线相互平行；与运动滑块连接的第一虎克铰的中心与第三虎克铰中心的距离等于与运动平台连接的第一虎克铰中心与第三虎克铰中心的距离；与运动滑块连接的第一、第二、第三虎克铰的中心组成一个三角形，与运动平台连接的第一、第二、第三虎克铰的中心组成一个三角形，所述的两个三角形相互平行但不全等。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明的二自由度平移运动并联机构采用虎克铰的运动约束来实现，形成空间约束，抵抗各个方向的载荷能力都强，而采用平行四边形机构的约束来保证运动平台具有二自由度平移运动的机构形成的约束相互平行，抵抗多个方向的载荷能力不强，如垂直于运动平面的方向，因此在同等条件下本发明的机构具有更高的刚度。(2)本发明机构连杆两端为虎克铰，使得连杆在外部载荷作用下不再受弯矩作用，改善了机构的受力状况。当通过连杆长度增加来增大其工作空间时，不需要加大连杆的几何结构尺寸来保证其刚度，减少其几何质量，进一步减小其惯性载荷，这样机构的性能可以进一步提升。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

四附图说明

图1为本发明的二自由度平移运动并联机构的实施例1的总体结构示意图。

图2为本发明的二自由度平移运动并联机构的实施例2的总体结构示意图。

图3为本发明的二自由度平移运动并联机构的实施例3的总体结构示意图。

五具体实施方式

结合图1，本发明二自由度平移运动并联机构，固定平台1保持不动，运动平台6可作两自由度平移运动。两个导轨2设置在固定平台1上，该固定平台1与运动平台6通过两条运动支链连接并形成封闭结构。每条运动支链包括运动滑块3以及连接该运动滑块3和固定平台1的三个子约束支链，该三个子约束支链分别由与运动滑块3连接的虎克铰41a、42a、43a、连杆51、52、53和与运动平台6连接的虎克铰41b、42b、43b组成，该三个子约束支链分布在导轨2轴线的两侧，其中有两个子约束支链是设置在平行导轨2轴线的一侧，另一个子约束支链设置在导轨2轴线的另一侧；该三个子约束支链的三个连杆51、52、53长度相等，每个子约束支链与运动滑块3相连的虎克铰41a、42a、43a的转动副轴线分别与运动平台6相连的虎克铰41b、42b、43b的转动副轴线相互平行，与连杆51、52、53相连的虎克铰41a、42a、43a、41b、42b、43b的转动副轴线相互平行；与运动滑块3连接的第一虎克铰41a的中心与第三虎克铰43a中心的距离等于与运动平台6连接的第一虎克铰41b中心与第三虎克铰43b中心的距离；与运动滑块3连接的第一、第二、第三虎克铰41a、42a、43a的中心组成一个三角形，与运动平台6连接的第一、第二、第三虎克铰41b、42b、43b的中心组成一个三角形，所述的两个三角形相互平行但不全等。其中，一条运动支链的三个子约束支链与另一条运动支链的三个子约束支链中的杆件长度相同或不相同。

通过三个子约束支链的约束，使得运动平台6的姿态与运动滑块3的姿态保持一致，而运动滑块3只能在固定平台1上滑动，不能改变姿态，这样确保运动平台6可实现平移运动；通过驱动两个运动滑块3，改变两个运动滑块3在固定平台1上的位置，并通过支链的约束，使得运动平台6的位置发生变化。

实施例1。本发明二自由度平移运动并联机构中，除了上述结构相同外，通过驱动运动滑块3，使运动滑块3在固定平台1上的运动轴线重合的两导轨2上平移运动，通过两条运动支链的约束，使得运动平台6可实现二自由度平移运动，如图1。

实施例2。本发明二自由度平移运动并联机构中，除了上述结构相同外，两导轨2的运动轴线相互平行，因此运动滑块3的运动方向是相互平行，如图2。

实施例3。本发明二自由度平移运动并联机构中，除了上述结构相同外，与运动滑块3连接的第一、第二、第三虎克铰41a、42a、43a的中心组成一个三角形，与运动平台6连接的第一、第二、第三虎克铰41b、42b、43b的中心组成一个三角形，所述的两个三角形与两导轨2的运动轴线相互平行或不平行，如图3。如通过对虎克铰的组成的平面与导轨轴线方向不平行布置，约束子支链的运动范围能更大一些，使得运动平台不会因虎克铰的运动干涉而缩小运动范围。

Claims

1、一种二自由度平移运动并联机构，其特征在于：两个导轨[2]设置在固定平台[1]上，该固定平台[1]与作两自由度平移运动的运动平台[6]通过两条运动支链连接，每条运动支链包括运动滑块[3]以及连接该运动滑块[3]和固定平台[1]的三个子约束支链，该三个子约束支链分别由与运动滑块[3]连接的虎克铰[41a、42a、43a]、连杆[51、52、53]和与运动平台[6]连接的虎克铰[41b、42b、43b]组成，该三个子约束支链分布在导轨[2]轴线的两侧，其中有两个子约束支链在导轨[2]轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在导轨[2]轴线的另一侧；该三个子约束支链的三个连杆[51、52、53]长度相等，每个子约束支链中与运动滑块[3]相连的虎克铰[41a、42a、43a]的转动副轴线分别与运动平台[6]相连的虎克铰[41b、42b、43b]的转动副轴线相互平行，该每个子约束支链中与连杆[51、52、53]相连的虎克铰[41a、42a、43a、41b、42b、43b]的转动副轴线相互平行；与运动滑块[3]连接的第一虎克铰[41a]的中心与第三虎克铰[43a]中心的距离等于与运动平台[6]连接的第一虎克铰[41b]中心与第三虎克铰[43b]中心的距离；与运动滑块[3]连接的第一、第二、第三虎克铰[41a、42a、43a]的中心组成一个三角形，与运动平台[6]连接的第一、第二、第三虎克铰[41b、42b、43b]的中心组成一个三角形，所述的两个三角形相互平行但不全等。

2、根据权利要求1所述的二自由度平移运动并联机构，其特征在于：通过驱动运动滑块[3]，使运动滑块[3]在固定平台[1]上的运动轴线重合的两导轨[2]上平移运动，通过两条运动支链的约束，使得运动平台[6]实现二自由度平移运动。

3、根据权利要求1所述的二自由度平移运动并联机构，其特征在于：两导轨[2]的运动轴线相互平行。

4、根据权利要求1、2或3所述的二自由度平移运动并联机构，其特征在于：与运动滑块[3]连接的第一、第二、第三虎克铰[41a、42a、43a]的中心组成一个三角形，与运动平台[6]连接的第一、第二、第三虎克铰[41b、42b、43b]的中心组成一个三角形，所述的两个三角形与两导轨[2]的运动轴线相互平行或不平行。

5、根据权利要求1、2或3所述的二自由度平移运动并联机构，其特征在于：一条运动支链的三个子约束支链中的杆件与另一条运动支链的三个子约束支链中的杆件长度相同或不相同。