CN101244560B - 具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构。该发明包括基座(1)、上平台(2)以及与基座(1)和上平台(2)连接的三个结构不同的直线驱动分支，所述基座(1)和上平台(2)都是正三角形，其特征是：三个结构不同的直线驱动分支分别安装在基座(1)和上平台(2)的三个顶点处；三个结构不同的直线驱动分支的运动链结构分别为SPR分支、SP分支和SPS分支，其中移动副由套和杆组成。该机构综合利用三个不同结构驱动分支的结构约束，有效消除机构冗余自运动和增大工作空间；利用球铰的结构紧凑、承载力大和精度高的优点，简化驱动分支结构，提高机构承载能力和运动精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人和机械制造技术领域，特别涉及到一种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构。
技术背景
Stewart六自由度6-SPS并联机构包括6个SPS(球铰-驱动移动副-球铰)直线驱动分支。由于球铰具有结构紧凑、承载力大和精度高等优点，这种并联机器人具有机构刚度大，承载能力强，末端质量轻，惯性小，位置误差不累积等特点，在应用上与串联机器人呈互补关系，所以6-SPS并联机构得到广泛应用。为便于说明，用n(n＝1，2，3，4，6)表示分支数，用S、T、P和R分别表示分支运动链中的球铰、万向副、移动副和转动副，它们的组合表示分支运动链结构。目前，限自由度(自由度少于6)并联机器人机构是机器人和制造领域研究的热点，1983年Hunt提出3-RPS机构，1990年Pierrot提出三平动Delta机构，1996年Tsai提出三平动3-TPT机构，获美国专利(USANo.5656905)，2002年Gosselin提出三转动3-RRR机构和三平动3-PRR机构，2001年黄真提出新型三自由度并联移动机构，获中国专利(CN1311083A)，2004年黄真提出精密微动并联三维移动机构，获中国专利(CN 1539603A)。与Stewart六自由度6-SPS并联机构相比，限自由度并联机构相对具有结构简单、容易控制等优点。由于大多数限自由度并联机构含结构耦合约束，这种约束对制造误差高度敏感，导致并联机构自微动，影响正常运动；还有些限自由度并联机构的工作空间小，驱动分支结构复杂，运动副承载能力差。在保持限自由度并联机构相对结构简单、容易控制等优势的前提下，如何消除机构自微动，提高承载能力，增大工作空间一直是人们不断努力研究的内容。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构，该发明综合利用三个不同结构驱动分支的结构约束，有效消除机构冗余自运动和增大工作空间；利用球铰的结构紧凑、承载力大和精度高的优点，简化驱动分支结构，提高机构承载能力和运动精度。
为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：这种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构，包括基座、上平台以及与基座和上平台连接的三个不同结构的直线驱动分支，基座和上平台都是正三角形，所述的三个不同结构的直线驱动分支分别安装在基座和上平台的三个顶点处；三个不同结构直线驱动分支的运动链结构分别为SPR分支、SP分支和SPS分支，其中，移动副由套和杆组成。
作为本发明的一种优选结构，所述的SPR分支包括一个球铰、一个直线驱动移动副和一个转动副，其中，直线驱动移动副的杆端与上平台通过转动副连接，转动副的轴线与上平台的平面重合且与直线驱动移动副的轴线垂直；直线驱动移动副的套端通过球铰与基座连接，球铰的中心与直线驱动移动副轴线重合。
所述的SP分支包括一个球铰和一个直线驱动移动副，其中，直线驱动移动副的套端与上平台固定连接，其轴线与上平台垂直，并且与球铰的中心重合；直线驱动移动副的杆端通过球铰与基座联接。
所述的SPS分支包括两个球铰和一个直线驱动移动副，其中，直线驱动移动副的套端、杆端分别通过球铰和与基座、上平台联接；直线驱动移动副的轴线同时与球铰中心重合。
本发明的有益效果是：该发明具有机构相对简单，机构无自微动，工作空间相对较大，机构承载能力较大，运动精度较高等特点，可实现沿SP分支移动副的一个移动和绕球铰的两个转动。该发明中的SPS驱动分支存在一个绕该分支轴线自转的局部自由度，由于它不影响机构的运动性质，可用很小柔性约束力阻止驱动分支自转。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细地说明。
图1为具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构示意图。
在图1中，1.基座，2.上平台，3-1.球铰，3-2.球铰，3-3.球铰3-4.球铰，4-1.移动副，4-2.移动副，4-3.移动副，5.转动副，
具体实施方式
作为本发明公开的一个实施例，如图1所示，这种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构，包括基座1、上平台2及连接基座1和上平台2的三个不同结构的直线驱动分支，基座1和平台2都是正三角形；三个直线驱动分支运动链的结构不同，分布在基座1和平台2的三角顶点处；三个直线驱动分支的运动链结构分别为SPR、SP和SPS。所述SPR分支包括一个球铰3-1、一个直线驱动移动副4-1和一个转动副5。转动副5将直线驱动移动副4-1杆的上端与上平台2联接，球铰3-1将直线驱动移动副4-1套的下端与基座1联接。所述SP分支包括一个球铰3-2和一个直线驱动移动副4-2，直线驱动移动副4-2套的上端与上平台2垂直固连，球铰3-2将直线驱动移动副4-2杆的下端与基座1联接。所述SPS分支包括两个球铰(3-3，3-4)和一个直线驱动移动副4-3，球铰3-3将直线驱动移动副4-3套的下端与基座1联接，球铰3-3将直线驱动移动副4-3杆的上端与上平台2联接。
这种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构可实现在三维空间内，沿球径向的一个移动和绕球铰两个交叉轴转动。除具有并联机构刚度大、承载高的特点外，还具有无冗余自运动、工作空间大，机构相对简单，运动精度高等特点。本发明可设计出各种用途的空间并联机器人、并联机床、微动机器人以及传感器元件等。
Claims (2)
1.一种具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构，包括基座(1)、上平台(2)以及与基座(1)和上平台(2)连接的三个结构不同的直线驱动分支，所述基座(1)和上平台(2)都是正三角形，其特征是：三个结构不同的直线驱动分支分别安装在基座(1)和上平台(2)的三个顶点处；三个结构不同的直线驱动分支的运动链结构分别为SPR分支、SP分支和SPS分支，其中，字母S、P、R分别表示球铰、移动副和转动副，其中移动副由套和杆组成。
2.根据权利要求1所述的具有不同结构驱动分支的三自由度并联机器人机构，其特征是：
所述的SPR分支包括一个球铰(3-1)、一个直线驱动移动副(4-1)和一个转动副(5)，其中：直线驱动移动副(4-1)的杆端与上平台(2)通过转动副(5)连接，转动副(5)的轴线与上平台(2)的平面重合且与直线驱动移动副(4-1)的轴线垂直；直线驱动移动副(4-1)的套端通过球铰(3-1)与基座(1)连接，球铰(3-1)的中心与直线驱动移动副(4-1)轴线重合；
所述的SP分支包括一个球铰(3-2)和一个直线驱动移动副(4-2)，其中：直线驱动移动副(4-2)的套端与上平台(2)固定联接，其轴线与上平台(2)垂直，并且与球铰(3-2)的中心重合；直线驱动移动副(4-2)的杆端通过球铰(3-2)与基座(1)联接；
所述的SPS分支包括两个球铰(3-3，3-4)和一个直线驱动移动副(4-3)，其中：直线驱动移动副(4-3)的套端、杆端分别通过球铰(3-3)和另一球铰(3-4)与基座(1)、上平台(2)联接；直线驱动移动副(4-3)的轴线同时与球铰(3-3)和另一球铰(3-4)的中心重合。
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