CN102581848A

CN102581848A - 具有三转动一平动自由度并联定位平台

Info

Publication number: CN102581848A
Application number: CN2012100762538A
Authority: CN
Inventors: 宋轶民; 连宾宾; 孙涛; 董罡
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: CN102581848B

Abstract

本发明公开了具有三转动一平动自由度并联定位平台，它包括固定架，从动支链位于固定架的中央开孔内并且通过第一铰链与固定架相连，第一至四主动支链分别通过第三至六铰链与固定架转动相连，从动支链的下端与外壳顶壁固定相连，第一至四主动支链的内管下端分别通过第七至十铰链各自与一个第二滑块相连，第二滑块与第二导轨滑动相连，第二滑块上的螺母与丝杠相连，丝杠上的齿轮与中心齿轮啮合。本结构有利于机械手提升快进能力和动态性能。

Description

具有三转动一平动自由度并联定位平台

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现三维转动和一维平动作业功能的具有三转动一平动自由度并联定位平台。

背景技术

根据专利US6431802、ZL200610013608.3可知，现有的三转动一平动自由度并联机器人一般为空间两转动一平动并联机构辅以摆头的混联结构形式。其中，空间两转动一平动并联机构通过调节安装在主动支链上的伺服电机实现机构动平台的位置定位；摆头为电主轴结构，固定安装于动平台上产生绕自身轴线的转动，实现末端执行器的姿态定位。此类机器人，由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头中，其不足是：动平台的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动平台质量小，具有优势进给方向，动态性能好的空间三转动一平动并联机械手。

本发明的具有三转动一平动自由度并联定位平台，它包括固定架，从动支链位于固定架的中央开孔内并且通过第一铰链与所述固定架相连，在所述固定架上关于从动支链轴线对称设置有第一、第二、第三、第四主动支链，所述的第一、第二、第三、第四主动支链分别通过第三、第四、第五、第六铰链与所述固定架转动相连，所述第一铰链包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与固定架转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，所述内圈通过第二铰链与所述从动支链上下滑移相连，所述的第二铰链采用导轨滑块结构，所述第一、第二、第三、第四主动支链结构相同，每一个主动支链均包括通过转轴与相应设置的第三、第四、第五、第六铰链转动相连的外管，内管插装在所述的外管里，所述外管和内管之间通过第一导轨滑块结构相连，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下与所述的第一导轨滑动配合，所述从动支链的下端与外壳顶壁固定相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链的内管下端分别通过具有三回转自由度的第七、第八、第九、第十铰链各自与一个第二滑块相连，每一个所述第二滑块与安装在外壳侧壁上并且与其一一对应设置的第二导轨滑动相连，所述的第二导轨沿垂直于外壳顶壁方向设置，在与所述的第一、第三主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母，在与所述的第二、第四主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母，每一个第二螺母与对应设置在外壳内的一个第二丝杠的一端相螺纹连接，每一个所述第三螺母与对应设置在外壳内的一个第三丝杠的一端相螺纹连接，所述第二丝杠、第三丝杠的另一端均安装于设置在外壳上的轴承内并沿垂直于外壳顶壁方向设置，两个所述第二丝杠的螺纹方向一致，两个所述第三丝杠的螺纹方向一致，所述第二丝杠与第三丝杠的螺纹方向相反，在每一个丝杠上分别通过键连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装于设置在外壳上的中心轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴下端固定连接有一末端执行器。

本发明与现有的技术相比，其优点是：动平台采用丝杠螺母副和齿轮啮合的形式。丝杠螺母副可变移动为转动，为齿轮提供动力。齿轮啮合采用四个相同齿轮与中心大齿轮啮合的形式，只有四个齿轮转向一致才能使中心齿轮发生转动，从而主动支链位置定位与末端执行器位姿定位互不影响。动平台不需安置伺服电机和减速器，可有效减轻其质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。该机械手具有优势进给方向，刚度/质量比大、动态性能好、定位精度与重复定位精度高等优点。

附图说明

图1是本发明的具有三转动一平动自由度并联定位平台的结构示意图；

图2是图1所示机构的俯视图；

图3是图1所示机构的主动支链结构示意图；

图4是图1所示机构动平台内部结构的示意图；

图5是图1所示机构应用实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

如附图所示本发明的具有三转动一平动自由度并联定位平台，它包括固定架1，从动支链6位于固定架的中央开孔内并且通过第一铰链与所述固定架相连，在所述固定架上关于从动支链轴线对称设置有第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5，所述的第一、第二、第三、第四主动支链分别通过第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14与所述固定架转动相连，所述第一铰链具有两转动自由度，可以包括外圈8和内圈9，所述外圈通过外圈转轴与固定架转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角(不共线)，所述内圈通过第二铰链与所述从动支链上下滑移相连。第一铰链也可采用其他具有相同运动功能的结构形式。所述第二铰链具有一个移动自由度，可采用滑块导轨结构形式实现，即所述内圈固定安装滑块，与固接于从动支链上的导轨滑动连接。所述第一、第二、第三、第四主动支链结构相同，每一个主动支链均包括通过转轴与相应设置的第三、第四、第五、第六铰链中的一个铰链转动相连的外管，内管插装在外管里，所述外管和内管之间通过第一导轨滑块结构相连，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下与所述的第一导轨滑动配合。所述的驱动装置可以为：在所述外管16的顶部装有伺服电机17，所述伺服电机17输出轴通过减速器18与第一丝杠19的一端固定相连，与所述第一丝杠19螺纹配合的第一螺母20固定连接于内管21上，所述内管21插装在外管16内，所述外管16和内管21之间通过第一导轨滑块结构22相连。当然所述驱动装置还可以可采用液压推杆、气动等其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式。

所述从动支链的下端与所述外壳顶壁固定相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链的内管下端分别通过具有三回转自由度的第七、第八、第九、第十铰链24、25、26、27各自与一个第二滑块转动相连，每一个所述第二滑块与安装在外壳侧壁上并且与其一一对应设置的第二导轨29滑动相连，所述的第二导轨沿垂直于外壳顶壁方向设置，在与所述的第一、第三主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母30，在与所述的第二、第四主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母31，每一个第二螺母与对应设置在外壳内的一个第二丝杠32的一端相螺纹连接，每一个所述第三螺母与对应设置在外壳内的一个第三丝杠33的一端相螺纹连接，所述第二丝杠、第三丝杠的另一端均安装于设置在外壳上的轴承内并沿垂直于外壳顶壁方向设置，两个所述第二丝杠的螺纹方向一致，两个所述第三丝杠的螺纹方向一致，所述第二丝杠32与第三丝杠33的螺纹方向相反，在每一个丝杠上分别通过键连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮35，所述的中心齿轮的齿轮轴36安装于设置在外壳上的中心轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴下端固定连接一末端执行器，如刀具，手爪等。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1所示的本发明的具有三转动一平动自由度并联定位平台，由固定架1，四条结构相同的主动支链2、3、4、5，从动支链6和动平台7构成。

如图1和图2所示，所述从动支链6通过第一铰链与所述固定架1相连，所述第一铰链具有两个回转自由度，包括外圈8和内圈9，所述外圈8通过外圈转轴与所述固定架转动相连，所述内圈9通过内圈转轴与所述外圈8转动相连，外圈转轴与内圈转轴具有夹角(不共线)。所述内圈9通过第二铰链10与所述从动支链6相连，所述第二铰链10具有一个移动自由度，可采用滑块导轨结构形式实现，即所述内圈固定安装滑块，与固接于从动支链上的导轨滑动连接。所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5与具有一个转动自由度的第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14转动相连，所述第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14与所述固定架1转动相连。

如图1和图3所示，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5具有相同的结构形式，均包括转轴15，外管16，伺服电机17，减速器18，第一丝杠螺母19、20及内管21。所述外管16通过转轴15分别与第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14转动相连，在所述外管16的顶部装有伺服电机17，所述伺服电机17输出轴通过减速器18与第一丝杠19的一端固定相连，与所述第一丝杠19螺纹配合的第一螺母20固定连接于内管21上，所述内管21插装在外管16内，通过第一导轨滑块结构22相连。

如图1和图4所示，动平台7包括外壳23，第二导轨滑块28、29，第二丝杠螺母32、30，第三丝杠螺母33、31，四个相同的齿轮34，中心齿轮35及齿轮轴36。所述从动支链6的下端与外壳固定相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5下端分别通过第七、第八、第九、第十铰链24、25、26、27各自与一个第二滑块28相连。所述第七、第八、第九、第十铰链24、25、26、27具有三回转自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式或其他具有相同运动功能的铰链。

如图4所示，所述壳体23在沿C轴方向对应第一、第三主动支链2、4分别通过轴承连接一个第二丝杠32并且对应第二、第四主动支链3、5分别通过轴承连接第三丝杠33。两个第二丝杠32、两个第三丝杠33的下端分别与一齿轮34键连接，每一个第二滑块28上设置有导轨槽，外壳23沿C轴方向上对应每一个导轨槽的位置分别安装有第二导轨29，每一个第二导轨29与对应设置的导轨槽滑动连接。在第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5的带动下每一个第二滑块28可沿C轴方向移动，同时安装在两个第二滑块28上的第二螺母30分别与对应设置的第二丝杠32形成丝杠螺母副，安装在另外两个第二滑块28上的第三螺母31分别与对应设置的第三丝杠33形成丝杠螺母副。所述第二丝杠32为左旋螺纹，第三丝杠为33右旋螺纹。第二滑块28沿C轴移动分别带动第二螺母30、第三螺母31沿C轴方向移动，则第二丝杠32、第三丝杠33绕C轴转动，从而安装在第二丝杠32、第三丝杠33上的齿轮34产生绕C轴的转动。在外壳上通过齿轮轴36安装有能够与四个丝杠上的齿轮34共同啮合配合的中心齿轮35。

在本发明的技术方案中：所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5通过具有两回转自由度的第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14与固定架1转动相连；所述每一主动支链可沿自身轴线移动，形成一个移动自由度；所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5与动平台7通过具有三回转自由度的第七、第八、第九、第十铰链24、25、26、27相连，所以所述每一主动支链对动平台7无约束作用。具有两个转动自由度的第一铰链与固定架1相连，所述从动支链6通过具有一个移动自由度的第二铰链10与动平台7相连，故从动支链6对动平台7提供两个平动约束与一个转动约束，从而动平台7可产生两转动一平动自由度，即绕A轴、B轴(A、B轴分别与C轴两两相互垂直)的转动和沿C轴的平动。如若动平台7中心齿轮的齿轮轴36固接一末端执行器，则加之末端执行器的绕C轴的转动，机器人可实现四自由度，即空间三维转动和一维平动。

末端执行器绕C轴的转动见图4与图5。第二丝杠32的螺纹为左旋螺纹，第三丝杠33的螺纹为右旋螺纹。当第一、第三主动支链2、4对应的第二滑块28以相同的速度同时向上运动时，对应的齿轮34产生顺时针的转动；第二、第四主动支链3、5对应的第二滑块28以同样的速度同时向下运动时，所对应的齿轮34也产生顺时针的转动。中心齿轮35同时与四个齿轮34啮合，则四个齿轮34产生同样的顺时针转动时，中心齿轮35通过啮合作用产生顺时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴的顺时针转动。类似地，当第一、第三主动支链2、4对应的第二滑块28以相同的速度同时向下运动，第二、第四主动支链3、5对应的第二滑块28以同样的速度同时向上运动时，中心齿轮35产生逆时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴逆时针转动。第一、第三主动支链2、4所对应第二滑块28的运动速度与第二、第四主动支链3、5对应的第二滑块28的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器的转动。

只有第一、第三主动支链2、4所对应第二滑块28的运动速度与第二、第四主动支链3、5对应的第二滑块28的运动速度等大反向，四个齿轮34转动的转向一致时，才能使中心齿轮35发生转动。第一、第三主动支链2、4所对应第二滑块28的运动速度与第二、第四主动支链3、5对应的第二滑块28的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮34转向不一致，约束了中心齿轮35的转动。

本发明的新型四自由度并联机械手使用情况概述：如图5实施例1所示，将本发明的空间对称三转动一平动并联机器人作为一个模块，与三个方向的长行程导轨单元集成，实现更大工作空间内的加工能力。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.具有三转动一平动自由度并联定位平台，其特征在于：它包括固定架，从动支链位于固定架的中央开孔内并且通过第一铰链与所述固定架相连，在所述固定架上关于从动支链轴线对称设置有第一、第二、第三、第四主动支链，所述的第一、第二、第三、第四主动支链分别通过第三、第四、第五、第六铰链与所述固定架转动相连，所述第一铰链包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与固定架转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，所述内圈通过第二铰链与所述从动支链上下滑移相连，所述的第二铰链采用导轨滑块结构，所述第一、第二、第三、第四主动支链结构相同，每一个主动支链均包括通过转轴与相应设置的第三、第四、第五、第六铰链转动相连的外管，内管插装在所述的外管里，所述外管和内管之间通过第一导轨滑块结构相连，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下与所述的第一导轨滑动配合，所述从动支链的下端与外壳顶壁固定相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链的内管下端分别通过具有三回转自由度的第七、第八、第九、第十铰链各自与一个第二滑块转动相连，每一个所述第二滑块与安装在外壳侧壁上并且与其一一对应设置的第二导轨滑动相连，所述的第二导轨沿垂直于外壳顶壁方向设置，在与所述的第一、第三主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母，在与所述的第二、第四主动支链分别对应设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母，每一个第二螺母与对应设置在外壳内的一个第二丝杠的一端相螺纹连接，每一个所述第三螺母与对应设置在外壳内的一个第三丝杠的一端相螺纹连接，所述第二丝杠、第三丝杠的另一端均安装于设置在外壳上的轴承内并沿垂直于外壳顶壁方向设置，两个所述第二丝杠的螺纹方向一致，两个所述第三丝杠的螺纹方向一致，所述第二丝杠与第三丝杠的螺纹方向相反，在每一个丝杠上分别通过键连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装于设置在外壳上的中心轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴下端固定连接有一末端执行器。

2.根据权利要求1所述的具有三转动一平动自由度并联定位平台，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在所述外管顶部的伺服电机，所述伺服电机输出轴通过减速器与第一丝杠的一端固定相连，与所述第一丝杠螺纹配合的第一螺母固定连接于内管上。