CN102689304B - 一种三自由度移动并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度移动并联机器人机构，包括动平台和定平台，动、定平台间设有三条结构形式相同且呈空间正交分布的分支运动链，从定平台到动平台之间，各分支运动链均由第一移动副、第一转动副、第二转动副、平行四边形结构和运动副顺序串联而成，三条分支运动链对应的三个第一移动副的移动方向相互垂直，且呈空间正交分布。所述机构可作为工业机器人、医疗机器人和微操作机器人的末端执行机构，该机构的结构简单、运动学解耦性好且运动性能高。

Description

一种三自由度移动并联机器人机构

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，尤其涉及一种非过约束完全解耦三自由度并联机器人机构。

背景技术

并联机器人机构一般由动平台、定平台和若干条分支（一般2~6条）组成。相对于传统串联机构，并联机器人机构具有承载能力强、精度高、刚度大、速度响应快和自重负荷比小等优点。并联机器人机构已成为近二十年机构学和机器人领域的研究热点。

对于一般的并联机器人机构，其运动学耦合性都很强，动平台的一个运动输出往往需要多个输入控制，且运动学解复杂，如著名的6自由度 Steward并联机构，该机构的运动学解有40组；再如3自由度移动Delta并联机构，该机构由12个球副、3个转动副和14个杆件组成，结构较为复杂运动学解有16组。Tsai L-W在Delta机构的基础上设计了一种新型三维移动并联机构（美国专利，No.5656905，公开日为1997.08.12），虽然结构相对于前者较为简单，但是其运动学求解为八次。并联机器人机构运动学耦合性越强，运动学解的数目相对越多，其工作空间相对于机构的体积则越小，且机构轨迹规划和精度控制越难。Kong X-W设计出3-CRR并联机构，只有3个圆柱副、6个转动副和6个杆件组成，结构比较简单，但是其转动副和圆柱副的轴线与动平台平面的法线夹角理论值为54.7356度，这对于相关零件的加工和装配提出了更高要求。

国内学者在三维移动并联机构研究方面也取得了一系列的成果，如中国专利201010225496.4公开的一种“一种三平动空间并联机器人机构”，该机构虽然结构较为简单，但是运动耦合性较强，因此设计结构简单、运动学解耦性好且运动性能高的并联机构已成为该领域研究的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非过约束完全解耦三自由度并联机器人机构，以解决现有技术中的并联机器人机构的解耦性有限、结构复杂的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种三自由度移动并联机器人机构，包括动平台和定平台，所述的动、定平台间设有三条结构形式相同且呈空间正交分布的分支运动链，从定平台到动平台之间，各分支运动链均由第一移动副、第一转动副、第二转动副、平行四边形结构和运动副顺序串联而成，所述第一移动副和第一转动副之间、第二转动副和运动副之间分别由第二构件和第三构件连接，所述的平行四边形结构和运动副由以下两种形式：第一种形式，所述的平行四边形结构包括四个轴线相互平行的四边形转动副和连接于四个四边形转动副之间的第一、二、三、四连接构件，所述的各四边形转动副、第一转动副、第二转动副的轴线均与对应第一移动副的移动方向相互平行，所述的第二转动副安装在所述第一连接构件的中部，所述的平行四边形结构中的第三连接构件通过所述的运动副安装在所述的动平台上，所述运动副由轴线与所述第三连接构件的中心线重合的转动副构成；第二种形式，所述的平行四边形结构由第一、二、四连接构件和动平台围成，所述的第二、四连接构件分别通过对应的四边形转动副相互平行的设置于所述第一连接构件的两端，所述的各四边形转动副、第一转动副、第二转动副的轴线均与对应第一移动副的移动方向相互平行，所述的第二转动副安装在所述第一连接构件的中部，所述第二、四连接构件的另一端分别通过相应运动副与动平台相连，所述的运动副为万向铰或球铰；

所述三条分支运动链对应的三个第一移动副的移动方向相互垂直，且呈空间正交分布。

所述的动平台为对边平行且不相邻边长度相等的规则六边形，所述的各分支运动链对应的三个运动副分别设置于所述动平台的不相邻边上。

所述的动平台上设置有三个导向方向呈空间正交分布的三个导轨，所述的各分支运动链对应的三个第一移动副分别装配于对应的三个导轨上。

所述的三自由度移动并联机器人机构还包括分别与对应第一移动副传动连接以驱动各第一移动副沿对应导轨直线运动的直线电机或由伺服电机驱动的滚珠丝杠传动机构。

本发明的有益效果为：三个分支运动链分别为第一、二和三分支运动链，三个分支运动链对应的第一移动副的移动方向分别为空间内相互垂直的X方向、Y方向和Z方向，当需要所述动平台沿X方向往复运动时，可通过驱动第一分支运动链的第一移动副沿X方向移动来驱动所述动平台，在此过程中，所述的第二、第三分支运动链做适应性运动；当需要动平台沿Y向做往复运动时，可通过驱动第二分支运动链的第二移动副沿Y方向移动来驱动所述动平台，在此过程中，所述第一、第三分支运动链做适应性运动；当需要动平台沿轨道Z方向做往复运动时，可通过驱动第三条分支运动链的第三移动副沿Z方向移动来驱动动平台，在此过程中，所述第一、第二分支运动链做适应性运动；最终实现本发明的非过约束完全解耦三自由度移动并联机器人机构。并联机器人机构在整个工作空间内沿任何方向的运动学和力学性能都相同，本机构的运动输入输出间可实现一对一的控制关系，即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制，解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差，机构动平台的一个输出需要多个输入控制的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

一种三自由度移动并联机器人机构的实施例1如图1所示：包括定平台10、动平台20以及连接定平台10和动平台20的三条结构形式相同且呈空间正交分别分支运动链组成，动平台10采用对边平行且不相邻边长度相等的规则六边形结构。所述的三条分支运动链为第一分支运动链L1、第二分支运动链L2及第三分支运动链L3。

将空间内相互垂直的三个方向分别定义为X方向、Y方向和Z方向，定平台10设有导向方向分别沿X方向、Y方向和Z方向延伸的X向导轨1-1、Y向导轨1-2和Z向导轨1-3，第一分支运动链L1与X向导轨1-1对应设置，第二分支运动链L2与Y向导轨1-2对应设置，第三分支运动链L3与Z向导轨1-3对应设置。三条分支运动链具有完全相同的结构形式，每条分支运动链均由第一移动副P1、第一转动副R1、第二转动副R2、平行四边形结构Pa和运动副R3顺序串联而成；平行四边形结构Pa由包括四个轴线平行的四边形转动副以及连接于四个四边形转动副之间的第一连接构件4a、第二连接构件4b、第三连接构件4d和第四连接构件4c，四个四边形转动副和四个连接构件组成封闭回路，四个四边形转动副分别为第一四边形转动副Ra1、第二四边形转动副Ra2、第三四边形转动副Ra3和第四四边形转动副Ra4，第一移动副P1的移动方向与对应第一转动副R1、第二转动副R2和平行四边形结构中四个四边形转动副的轴线相互平行，且垂直于运动副R3的轴线；第一移动副P1和第一转动副R1之间、第一转动副R1和第二转动副R2之间对应通过第二构件2、第三构件3连接；第二转动副安装在构件4a的中点位置；平行四边形连杆机构通过运动副R3安装在动平台上，运动副R3由轴线与第三连接构件4d的中心线重合的转动副构成，运动副R3直接固定在动平台20上；三条分支运动链的第一移动副P1轴线呈空间正交分布，即X向1-1、Y向导轨1-2及Z向导轨1-3相互垂直；各分支运动链的第一移动副P1为主动副，其输出方式为线性，用于控制动平台沿其自身滑道方向的移动；驱动装置采用在伺服电机的动力输出端传动连接减速器，减速器上传动连接滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构与对应移动副传动连接的形式。（或者伺服电机+滚珠丝杠结构，或者直线电机，或者线性滑台）。

本发明的非过约束完全解耦三自由度移动并联机器人机构在工作工程中，当需要所述动平台沿X向导轨1-1往复运动时，可通过驱动所述第一分支运动链L1的第一移动副P1来驱动所述动平台20，在此过程中，所述的第二、第三分支运动链做适应性运动；当需要动平台沿Y向导轨1-2做往复运动时，可通过驱动所述第二条分支运动链L2的第二移动副来驱动所述动平台20，在此过程中，所述第一、第三分支运动链做适应性运动；当需要动平台20沿Z向导轨1-3做往复运动时，可通过驱动第三条分支运动链L3的第三移动副来驱动所述动平台20，在此过程中，所述第一、第二分支运动链做适应性运动；最终实现本发明的非过约束完全解耦三自由度移动并联机器人机构。由于机构雅克比矩阵为单位阵，其条件数和行列式的值恒等于1，因此该机构运动学不仅是完全解耦，还具有完全各向同性性能，即机构在整个工作空间内沿任何方向的运动学和力学性能都相同；本机构的运动输入输出间可实现一对一的控制关系，即动平台20的一个运动输出只需一个驱动器控制，解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差，机构的动平台的一个输出需要多个输入控制的问题；另外，各分支中运动副R3的存在，不仅使得机构由过约束机构变为非过约束机构，更重要的是使得各分支运动链与动平台20的装配关系大大简化。本发明涉可作为工业机器人、医用机器人、微操作机器人、虚拟机床等领域的三维移动末端执行机构。

一种三自由度移动并联机器人机构的实施例2如图2所示：实施例2与实施例1的区别在于，所述的平行四边形结构由第一四边形转动副Ra1、第二四边形转动副Ra2、第一万向铰U1、第二万向铰U2，以及第一连接构件4a、第二连接构件4b、第四连接构件4c和动平台20围成，所述的平行四边形第二、四连接构件分别通过对应的第一四边形转动副Ra1和第二四边形转动副Ra2相互平行的设置于所述第一连接构件4a的两端，所述的各四边形转动副、第一转动副R1、第二转动副R2的轴线均与对应第一移动副P1的移动方向相互平行，所述的第二转动副R2安装在所述第一连接构件4a的中点位置，所述第二、四连接构件的另一端分别通过所述的第一万向铰U1、第二万向铰U2安装在所述的动平台20上。第一万向铰U1具有与对应第一移动副P1的移动方向相平行的第一转动轴U1-1和与所述第一连接构件4a的中心线相平行的第二转动轴U1-2；第二万向铰U2具有与对应第一移动副P1的移动方向相平行的第一转动轴U2-1和与第一连接构件4a的中心线相平行的第二转动轴U2-2。

一种三自由度移动并联机器人机构的实施例3如图3所示：实施例3与实施例2的区别在于，连接于第二连接构件4b与动平台20之间的第一万向铰U1变换成第一球铰S1和连接于第四连接构件4c与动平台20之间的第二万向铰U2变换成第二球铰S2。

Claims (4)

1.一种三自由度移动并联机器人机构，包括动平台和定平台，其特征在于：所述的动、定平台间设有三条结构形式相同且呈空间正交分布的分支运动链，从定平台到动平台之间，各分支运动链均由第一移动副、第一转动副、第二转动副、平行四边形结构和运动副顺序串联而成，所述第一移动副和第一转动副之间、第一转动副和第二转动副之间分别由第二构件和第三构件连接，所述的平行四边形结构和运动副由以下两种形式：第一种形式，所述的平行四边形结构包括四个轴线相互平行的四边形转动副和连接于四个四边形转动副之间的第一、二、三、四连接构件，所述的各四边形转动副、第一转动副、第二转动副的轴线均与对应第一移动副的移动方向相互平行，所述的第二转动副安装在所述第一连接构件的中部，所述的平行四边形结构中的第三连接构件通过所述的运动副安装在所述的动平台上，所述运动副由轴线与所述第三连接构件的中心线重合的转动副构成，所述运动副直接固定在动平台上；第二种形式，所述的平行四边形结构由第一、二、四连接构件和动平台围成，所述的第二、四连接构件分别通过对应的四边形转动副相互平行的设置于所述第一连接构件的两端，所述的各四边形转动副、第一转动副、第二转动副的轴线均与对应第一移动副的移动方向相互平行，所述的第二转动副安装在所述第一连接构件的中部，所述第二、四连接构件的另一端分别通过相应运动副与动平台相连，所述的运动副为万向铰或球铰；

所述三条分支运动链对应的三个第一移动副的移动方向相互垂直，且呈空间正交分布。

2.根据权利要求1所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的动平台为对边平行且不相邻边长度相等的规则六边形，所述的各分支运动链对应的三个运动副分别设置于所述动平台的不相邻边上。

3.根据权利要求1所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的动平台上设置有三个导向方向呈空间正交分布的三个导轨，所述的各分支运动链对应的三个第一移动副分别装配于对应的三个导轨上。

4.根据权利要求3所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的三自由度移动并联机器人机构还包括分别与对应第一移动副传动连接以驱动各第一移动副沿对应导轨直线运动的直线电机或由伺服电机驱动的滚珠丝杠传动机构。