CN102632498A - 空间全对称三转动一平动并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了空间全对称三转动一平动并联机构，它包括固定架，一个从动支链位于固定架的中央并通过第一铰链与固定架能够上下移动相连，在固定架上的开孔内通过第二铰链与主动支链相连，从动支链的下端通过第三铰链与壳体顶壁固定相连，四个主动支链外壁下端分别通过第四铰链各自与一个第二滑块相连，第二滑块与第二导轨上下滑动相连，在第二滑块的底部各自固定连接有一个螺母，螺母二丝杠一端螺纹相连，在每一个丝杠上分别连接有一个齿轮，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，在中心齿轮的齿轮轴下端固定连接有一末端执行器。本结构可有效减轻其质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。
Description
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空间全对称三转动一平动并联机构。
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，其实现形式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使其产生现绕自身轴线的转动，实现末端执行器的姿态定位，从而实现机构的多坐标加工能力。
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，提供一种具有优势进给方向，动态性能好，刚度/质量比大，动平台质量小的空间全对称三转动一平动并联机构。
本发明的空间全对称三转动一平动并联机构，它包括固定架，一个从动支链位于固定架的中央并通过第一铰链与固定架能够上下移动相连，所述第一铰链为第一导轨滑块结构，在所述固定架上沿同一圆周方向每隔90°有一个开孔，每一个开孔内均通过第二铰链与一个主动支链相连，所述第二铰链包括外圈与内圈，所述外圈通过一转动副与所述固定架转动相连，所述内圈通过一转动副与所述外圈转动相连，连接所述外圈与固定架的转动副轴线为近架轴线，连接所述内圈与外圈的转动副轴线为与近架轴线相互垂直设置的远架轴线，四个沿圆周 对称布置的第二铰链中的相邻布置的两个第二铰链中的近架轴线、远架轴线分别相互垂直设置并且相对布置的两个第二铰链的近架轴线、远架轴线分别相互平行设置，每一个主动支链包括外壁，在所述的外壁上设置有导轨槽，所述的导轨槽与安装在第二铰链内圈上的导轨在驱动装置的驱动下能够上下滑动连接配合，所述从动支链的下端通过具有两个转动自由度的第三铰链与壳体顶壁固定相连，所述第三铰链的转动轴线相互垂直，四个所述主动支链外壁下端分别通过第四铰链各自与一个第二滑块相连，每一个所述第二滑块能在对应设置的主动支链的驱动下与对应安装在壳体侧壁上的第二导轨上下滑动相连，所述第二导轨沿垂直于壳体顶壁的方向设置，在相对设置的两个第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母并且在另外两个相对设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母，每一个所述第二螺母与对应设置的一个第二丝杠的一端螺纹相连，每一个所述第三螺母与对应设置的一个第三丝杠的一端螺纹相连，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，所述的第一、第二丝杠均安装在壳体内，在壳体内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是末端执行器绕C轴的转动示意图；
图6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空间全对称三转动一平动并联机构，它包括固定架1，一个从动支链3位于固定架的中央并通过第一铰链与固定架能够上下移动相连，所述第一铰链6为第一导轨滑块结构，在所述固定架上沿同一圆周方向每隔90°有一个开孔，每一个开孔内均通过第二铰链5与一个主动支链相连，所述第二铰链包括外圈7与内圈8，所述外圈通过一转动副与所述固定架转动相连，所述内圈通过一转动副与所述外圈转动相连，连接所述外圈与固定架的转动副轴线为近架轴线，连接所述内圈与外圈的转动副轴线为与近架轴线相互垂直设置的远架轴线，四个沿圆周对称布置的第二铰链中的两个相邻布置的第二铰链中的近架轴线相互垂直设置并且两个远架轴线也相互垂直设置，同时相对布置的两个第二铰链的近架轴线相互平行设置并且两个远架轴线也相互平行设置，每一个主动支链包括外壁，在所述的外壁上设置有导轨槽，所述的导轨槽与安装在第二铰链内圈上的导轨在驱动装置的驱动下能够上下滑动连接配合。所述的驱动装置优选的包括安装在外壁一端的电机，所述的电机通过减速器10与安装在外壁内的第一丝杠11相连，所述的第一丝杠与安装在第二铰链内圈上的第一螺母螺纹连接，在所述的外壁上设置有导轨槽，所述的导轨槽与安装在第二铰链内圈上的导轨能上下滑动连接配合，通过导轨-导轨槽与丝杠螺母结构，主动支链可在电机的驱动作用下实现沿自身轴线的移动。
所述从动支链的下端通过具有两个转动自由度的第三铰链13与壳体顶壁固定相连，所述第三铰链的转动轴线相互垂直，四个所述主动支链外壁下端分别通过第四铰链各自与一个第二滑块相连，每一个所述第二滑块17能在对应设置的主动支链的驱动下各自与安装在壳体侧壁上的第二导轨16上下滑动相连，所述第二导轨沿垂直于壳体顶壁的方向设置，在相对设置的两个第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母18并且在另外两个相对设置的两个第 二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母19，每一个所述第二螺母与对应设置的一个第二丝杠20的一端螺纹相连，每一个所述第三螺母与对应设置的一个第三丝杠21的一端螺纹相连，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，所述的第一、第二丝杠均安装在壳体内，在壳体内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23，所述的中心齿轮的齿轮轴24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，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所示的本发明空间全对称三转动一平动并联机构，由固定架1，动平台4，位于固定架1和动平台4之间的四条结构相同的主动支链2和一条从动支链3构成。
如图1和图2所示，所述从动支链3通过第一铰链6与所述固定架1相连，所述第一铰链6具有一个移动自由度，可通过第一导轨滑块结构实现，即从动支链3上安装第一导轨，固定架1上安装第一滑块，通过第一导轨和第一滑块的滑动配合实现从动支链3沿自身轴线的移动，也可采用其他具有相同运动功能的结构形式。所述主动支链2与固定架1通过第二铰链5连接。所述第二铰链5包括外圈7与内圈8，所述外圈7通过一转动副与所述固定架1转动相连，所述内圈8通过一转动副与所述外圈7转动相连。所述转动副可采用销轴与轴承的结构形式实现或其他形式的等价结构。连接所述外圈7与固定架1的转动副轴线为近架轴线，连接所述内圈8与外圈7的转动副轴线为远架轴线，所述近架轴线和远架轴线相互垂直。四个圆周对称布置的第二铰链5中，相邻布置的第二铰链，其近架轴线、远架轴线分别相互垂直；相对布置的第二铰链，其近架轴线、远架轴线分别相互平行。
如图1和图3所示，所述四条主动支链2具有相同的结构形式，均包括电机9、减速器10、第一丝杠11与外壁12。所述电机9安装在外壁12的一端，通过减速器10与第一丝杠11相连。所述外壁12上设置有导轨槽，与所述第二铰链内圈8上的导轨配合连接，同时第二铰链内圈8安装有第一螺母，与主动支链2上的第一丝杠螺纹连接。通过导轨-导轨槽与丝杠螺母结构，主动支链2可在电机9的驱动作用下实现沿自身轴线的移动。所述主动支链2 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。
如图1和图4所示，动平台4包括壳体14，第二导轨滑块16、17，第二丝杠螺母20、18，第三丝杠螺母21、19，四个相同的齿轮22与一个中心齿轮23。所述从动支链3的下端通过第三铰链13与所述壳体14相连，所述第三铰链13为具有两个转动自由度的铰链，如虎克铰等，其转动轴线相互垂直。所述四条主动支链2下端均通过第四铰链15与第二滑块17相连，所述第四铰链15具有三转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等结构或其他形式的等价结构。
如图4所示，所述壳体14在沿C轴方向通过轴承连接两个相对布置的第二丝杠20，两个相对布置的第三丝杠21。所述第二丝杠20、第三丝杠21的下端均与一齿轮22键连接，所述第二滑块17设置导轨槽，壳体14沿C轴方向安装第二导轨16，第二导轨16与导轨槽形成移动副。在主动支链2的带动下第二滑块17可沿C轴方向移动。同时安装在两个第二滑块17上的第二螺母18与第二丝杠20形成丝杠螺母副，安装在另外两个第二滑块17上的第三螺母19与第三丝杠21形成丝杠螺母副。第二滑块17沿C轴移动带动第二螺母18、第三螺母19沿C轴方向移动，则第二丝杠20、第三丝杠21绕C轴转动，从而安装在第二丝杠20、第三丝杠21上的齿轮22产生绕C轴的转动。
在本发明的技术方案中：所述主动支链2通过具有两转动自由度的第二铰链5与固定架1相连；主动支链2可沿自身轴线移动，形成一个移动自由度；主动支链2与动平台4通过具有三个转动自由度的第四铰链15相连，所以主动支链2对动平台4无约束作用。所述从动支链3通过具有一个移动自由度的第一铰链6与固定架1相连，通过具有两个转动自由度的第三铰链13与动平台4相连，故从动支链3对动平台4提供两个平动约束与一个转动约束，从而动平台4可产生两转动一平动自由度，即绕A轴、B轴(与第三铰链两转动轴线重合)的转动和沿C轴的平动。如若动平台4中心齿轮的齿轮轴24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。两个第二丝杠20的螺纹为左旋螺纹，两个第三丝杠21螺纹为右旋螺纹。当第二丝杠对应的第二滑块以相同的速度同时向下运动时，对应的齿轮22产生逆时针的转动；第三丝杠对应的第二滑块以同样的速度同时向上运动时，所对应 的齿轮22也产生逆时针的转动。中心齿轮23同时与四个齿轮22啮合，则四个齿轮产生同样的逆时针转动时，中心齿轮23产生逆时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴的逆时针转动。类似地，当第二丝杠对应的第二滑块以相同的速度同时向上运动，第三丝杠对应的第二滑块以同样的速度同时向下运动时，中心齿轮23产生顺时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴顺时针转动。第二丝杠20所对应第二滑块的运动速度与第三丝杠21所对应第二滑块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。
只有第二丝杠20所对应第二滑块与第三丝杠21所对应第二滑块的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使中心齿轮23发生转动。第二丝杠20所对应第二滑块与第三丝杠21对应第二滑块的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮转向不一致，约束了中心齿轮23的转动。
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。齿轮啮合采用四个小齿轮与一个大齿轮啮合的形式，只有四个小齿轮转向一致才能使大齿轮发生转动，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。
本发明的空间全对称三转动一平动并联机构使用情况概述：如图6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 (2)
1.空间全对称三转动一平动并联机构，其特征在于：它包括固定架，一个从动支链位于固定架的中央并通过第一铰链与固定架能够上下移动相连，所述第一铰链为第一导轨滑块结构，在所述固定架上沿同一圆周方向每隔90°有一个开孔，每一个开孔内均通过第二铰链与一个主动支链相连，所述第二铰链包括外圈与内圈，所述外圈通过一转动副与所述固定架转动相连，所述内圈通过一转动副与所述外圈转动相连，连接所述外圈与固定架的转动副轴线为近架轴线，连接所述内圈与外圈的转动副轴线为与近架轴线相互垂直设置的远架轴线，四个沿圆周对称布置的第二铰链中的相邻布置的两个第二铰链中的近架轴线、远架轴线分别相互垂直设置并且相对布置的两个第二铰链的近架轴线、远架轴线分别相互平行设置，每一个主动支链包括外壁，在所述的外壁上设置有导轨槽，所述的导轨槽与安装在第二铰链内圈上的导轨在驱动装置的驱动下能够上下滑动连接配合，所述从动支链的下端通过具有两个转动自由度的第三铰链与壳体顶壁固定相连，所述第三铰链的转动轴线相互垂直，四个所述主动支链外壁下端分别通过第四铰链各自与一个第二滑块相连，每一个所述第二滑块能在对应设置的主动支链的驱动下与对应安装在壳体侧壁上的第二导轨上下滑动相连，所述第二导轨沿垂直于壳体顶壁的方向设置，在相对设置的两个第二滑块的底部各自固定连接有一个第二螺母并且在另外两个相对设置的第二滑块的底部各自固定连接有一个第三螺母，每一个所述第二螺母与对应设置的一个第二丝杠的一端螺纹相连，每一个所述第三螺母与对应设置的一个第三丝杠的一端螺纹相连，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，所述的第一、第二丝杠均安装在壳体内，在壳体内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所示的空间全对称三转动一平动并联机构，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在外壁一端的电机，所述的电机通过减速器与安装在外壁内的第一丝杠相连，所述的第一丝杠与安装在第二铰链内圈上的第一螺母螺纹连接。
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