CN102848383B - 一种实现高速运动的六自由度并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高速运动的六自由度并联机械手，包括固定架、动平台、三自由度手腕以及布置在固定架与动平台之间的六条结构相同的运动支链；动平台包括一个中心板、三个球杆座和三组连杆；每组连杆由两平行布置且等长的连杆构成；球杆座与中心板通过一组连杆转动连接，形成一组平行四边形结构；动平台上具有三组上述平行四边形结构；三自由度手腕与中心板固连，三自由度手腕的三个输入轴线同轴或者平行布置且与连杆在中心板上的转动轴线平行；在三组平行四边形结构中设置三组齿轮机构，将每组平行四边形结构中连杆相对于中心板的转动或者球杆座相对于中心板的平行错动转化三自由度手腕的可控运动。

Description

一种实现高速运动的六自由度并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现高速运动的具有空间六自由度的并联机构。

背景技术

专利文献US20110097184A1公开了一种可实现三维平动三维转动的并联机构，包括固定架、动平台、三自由度手腕以及对称布置在所述固定架与动平台之间的三条结构相同的支链；所述固定架上固接有驱动端；所述动平台固接有下连接轴；每条支链包括近架杆和两个平行的远架杆以及驱动端、连接轴，所述近架杆一端与所述固定架上驱动端固接，另一端固接有上连接轴；所述两个平行的远架杆一端分别与所述上连接轴的两端球铰接，另一端分别与所述下连接轴球铰接；所述三自由度手腕固接于所述动平台；所述两个平行的远架杆之间固接有驱动端；所述连接轴一端与所述远架杆之间驱动端固接，另一端与所述三自由度手腕输入端固接。上述机构的局限在于：三自由度手腕的驱动端固接于两远架杆之间，增大该机构运动部件的质量与惯量，影响上述机构的动态性能，导致该机构难以实现高速运动。

发明内容

针对上述现有技术，本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提出一种实现高速运动的六自由度并联机械手。

为了解决上述技术问题，本发明一种实现高速运动的六自由度并联机械手予以实现的技术方案是：包括固定架、动平台、三自由度手腕以及布置在所述固定架与动平台之间的六条结构相同的运动支链；所述固定架上固接有六个驱动装置；每条运动支链包括近架杆、两个平行且等长的远架杆，所述近架杆的一端与一驱动装置的输出端固接，所述近架杆的另一端固接有上连接轴；所述驱动装置为所述近架杆提供一个转动或移动自由度；两个远架杆的同一端均分别与所述上连接轴球铰接，两个远架杆的的另一端均分别与设置在所述动平台上的下连接轴球铰接；每条支链的所述下连接轴、所述上连接轴和两个远架杆构成一平行四边形。所述动平台包括一个中心板、三个球杆座和三组连杆；每组连杆由两平行布置的连杆构成；每个球杆座分别与两个相邻的下连接轴固接，所述球杆座与中心板通过一组两平行布置的连杆连接，所述球杆座与两平行布置的连杆之间以及每个连杆与中心板之间均为转动副连接，上述的一个球杆座、两平行布置的连杆与中心板组成一组平行四边形结构；所述动平台上具有三组上述平行四边形结构；在六个驱动装置的作用下，六条支链分别驱动各自所包含的下连接轴带动三个球杆座，使中心板产生三维平动运动，三个球杆座相对于中心板产生平行错动；所述三自由度手腕与所述中心板固连，三自由度手腕的三个输入轴线同轴或者平行布置且与连杆在中心板上的转动轴线平行；在三组平行四边形结构中设置三组齿轮机构，所述三组齿轮机构将每组平行四边形结构中连杆相对于中心板的转动或者球杆座相对于中心板的运动转化为三自由度手腕的三个输入轴的转动；所述三组齿轮机构为三自由度手腕提供三个动力输入，从而实现所述三自由度手腕的可控运动。

进一步讲，所述齿轮机构的一个优选结构是，该齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与一组连杆中的一连杆固接，大齿轮的转动轴线与该连杆在中心板上的转动轴线重合，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，且小齿轮转动轴线与一个输入轴轴线重合。

还有，所述齿轮机构的另一个优选结构是，该齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与球杆座固接，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，所述小齿轮转动轴线与三自由度手腕的一个输入轴轴线重合，小齿轮转动轴线与大齿轮转动轴线的公垂线段与所在平行四边形结构中的连杆平行且等长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

动平台结构中采用了三个平面平行四边形结构，通过驱动装置驱动六条支链运动，从而带动三个球杆座和中心板产生三维平动运动，以及球杆座和连杆相对于中心板的运动；通过三组齿轮机构将球杆座相对于中心板的平行错动运动或者连杆相对于中心板的转动运动转化为三自由度手腕的三个输入轴的转动，从而实现三自由度手腕的三维空间转动。机构整体结构对称，动平台受力均匀，运动部件质量轻，易实现高速运动，可满足复杂抓放操作的要求。

附图说明

图1为本发明实现高速运动的六自由度并联机械手的整体结构示意图；

图2为本发明中动平台的结构示意图；

图3和图4为本发明中三组齿轮机构的结构示意图。

图中：

1-驱动装置     2-固定架                3-近架杆

4-上连接轴     5a、5b-远架杆           6-下连接轴

7-动平台       8a～8c-球杆座           9-中心板

11a～11f连杆   12a、12c、12e-大齿轮    12b、12d、12f-小齿轮

13-三自由度手腕

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种实现高速运动的六自由度并联机械手，包括固定架2、动平台7、三自由度手腕12以及布置在所述固定架2与动平台7之间的六条结构相同的运动支链；所述固定架2上固接有六个驱动装置1。每条运动支链包括近架杆3、两个平行且等长的远架杆5a、5b，所述近架杆3的一端与一驱动装置1的输出端固接，所述近架杆3的另一端固接有上连接轴4；所述驱动装置1为所述近架杆3提供一个转动或移动自由度；两个远架杆5a、5b的同一端均分别与所述上连接轴4球铰接，两个远架杆的5a、5b的另一端均分别与设置在所述动平台7上的下连接轴6球铰接；每条支链的所述下连接轴6、所述上连接轴4和两个远架杆5a、5b构成一平行四边形。

如图2和图3所示，所述动平台7包括一个中心板9、三个球杆座8a、8b、8c和三组连杆11a～11f；每组连杆由两平行布置的连杆构成；每个球杆座分别与两个相邻的下连接轴6固接，所述球杆座与中心板9通过一组两平行布置的连杆连接，所述球杆座与两平行布置的连杆之间以及每个连杆与中心板9之间均为转动副连接，上述的一个球杆座、两平行布置的连杆与中心板组成一组平行四边形结构；所述动平台7上具有三组上述平行四边形结构，在六个驱动装置的作用下，六条支链分别驱动各自所包含的下连接轴带动三个球杆座运动，使中心板产生三维平动运动和三个球杆座相对于中心板的平行错动。

如图2所示，三组平行四边形结构分别是：(1)由球杆座8a、连杆11a、连杆11b和中心板9构成；(2)由球杆座8b、连杆11c、连杆11d和中心板9构成；(3)由球杆座8c、连杆11e、连杆11f和中心板9构成；所述三组平行四边形结构使每个球杆座相对于中心板9产生平行错动，使每组连杆相对于中心板9产生转动。

如图3和图4所示，所述三自由度手腕与所述中心板固连，三自由度手腕的三个输入轴线同轴(图2和图3中均示出了同轴设置的情形)，或者平行布置且与连杆在中心板上的转动轴线平行；在三组平行四边形结构中设置三组齿轮机构，所述三组齿轮机构将每组平行四边形结构中连杆相对于中心板的转动或者球杆座相对于中心板的平行错动转化为三自由度手腕的三个输入轴的转动；所述三组齿轮机构为三自由度手腕提供三个动力输入。

根据动力输入方式不同，齿轮机构及其与相关部件的连接形式有两类典型实施方式。

最佳实施方式1：

每组齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与一组连杆中的一连杆固接，大齿轮的转动轴线与该连杆在中心板上的转动轴线重合，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，且小齿轮转动轴线与一个输入轴轴线重合。如图3所示，三个大齿轮12a、12c、12e分别与三组连杆中的其中一个连杆11a、11c、11e固接，大齿轮的转动轴线与所固接连杆在中心板上的转动轴线重合；三个小齿轮12b、12d、12f分别与三自由度手腕13的一个输入轴固接，且小齿轮的转动轴线与所固接输入轴轴线重合。三个大齿轮12a、12c、12e与三个小齿轮12b、12d、12f组成了三组齿轮机构，即，大齿轮12a和小齿轮12b；大齿轮12c和小齿轮12d，大齿轮12e和小齿轮12f。通过所述三组齿轮机构将连杆相对于中心板9的转动转化为所述三自由度手腕13的输入轴转动。

最佳实施方式2：

所述齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与球杆座固接，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，所述小齿轮转动轴线与三自由度手腕的一个输入轴轴线重合，小齿轮转动轴线与大齿轮转动轴线的公垂线段与所在平行四边形结构中的连杆平行且等长。如图4所示，三个大齿轮12a、12c、12e分别与三个球杆座8a、8b、8c固接，三个小齿轮12b、12d、12f分别与三自由度手腕13的一个输入轴固接，且小齿轮的转动轴线与所固接的三自由度手腕13的输入轴轴线重合。三个大齿轮12a、12c、12e与三个小齿轮12b、12d、12f组成三组齿轮机构，即大齿轮12a和小齿轮12b，大齿轮12c和小齿轮12d，大齿轮12e和小齿轮12f。每组齿轮机构中相啮合的两齿轮轴线的公垂线段与所在平行四边形结构中的连杆平行且等长。通过所述三组齿轮机构将三个球杆座相对于中心板9的平行错动转化为所述三自由度手腕13的输入轴转动。

本发明的工作原理是，在六个驱动装置的作用下，每条支链带动所属支链的下连接轴6运动，进而带动动平台7产生三维平动运动以及所连接的连杆和球杆座相对中心板运动，在所述齿轮机构啮合传动作用下，连杆相对中心板的转动或球杆座相对中心板的平动为三自由度手腕提供三个动力输入，从而实现作为末端执行器的三自由度手腕13的三维转动。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

本发明中动平台结构中采用了三个平面平行四边形结构，通过驱动装置驱动六条支链运动，从而带动三个球杆座及中心板产生三维平动运动，以及球杆座和连杆相对于中心板的运动；通过三组齿轮机构将球杆座相对于中心板的平行错动运动或者连杆相对于中心板的转动运动转化为三自由度手腕的三个输入轴的转动，从而实现三自由度手腕实现三维空间转动。

本发明发明结构的刚性好，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，易实现高速运动，且满足复杂抓放操作的要求。并且多种三自由度手腕的安装方式为实际应用提供了多种选择。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现高速运动的六自由度并联机械手，包括固定架(2)、动平台(7)、三自由度手腕(12)以及布置在所述固定架(2)与动平台(7)之间的六条结构相同的运动支链；所述固定架(2)上固接有六个驱动装置(1)；

每条运动支链包括近架杆(3)、两个平行且等长的远架杆(5a、5b)，所述近架杆(3)的一端与一驱动装置(1)的输出端固接，所述近架杆(3)的另一端固接有上连接轴(4)；所述驱动装置(1)为所述近架杆(3)提供一个转动或移动自由度；两个远架杆(5a、5b)的同一端均分别与所述上连接轴(4)球铰接，两个远架杆的(5a、5b)的另一端均分别与设置在所述动平台(7)上的下连接轴(6)球铰接；每条支链的所述下连接轴(6)、所述上连接轴(4)和两个远架杆(5a、5b)构成一平行四边形；

其特征在于，

所述动平台(7)包括一个中心板(9)、三个球杆座(8a、8b、8c)和三组连杆(11a～11f)；每组连杆由两平行布置且等长的连杆构成；每个球杆座分别与两个相邻的下连接轴(6)固接，所述球杆座与中心板(9)通过一组连杆连接，所述球杆座与两平行布置的连杆之间以及每个连杆与中心板(9)之间均为转动副连接，上述的一个球杆座、两平行布置的连杆与中心板组成一组平行四边形结构；所述动平台(7)上具有三组上述平行四边形结构；

在六个驱动装置的共同作用下，六条支链分别驱动各自所属的下连接轴，带动三个球杆座，使中心板产生三维平动运动和三个球杆座相对于中心板的平行错动；

所述三自由度手腕与所述中心板固连，三自由度手腕的三个输入轴线同轴或者平行布置且与连杆在中心板上的转动轴线平行；在三组平行四边形结构中设置三组齿轮机构，所述三组齿轮机构将每组平行四边形结构中连杆相对于中心板的转动或者球杆座相对于中心板的平行错动转化为三自由度手腕的三个输入轴的转动；所述三组齿轮机构为三自由度手腕提供三个动力输入，从而实现所述三自由度手腕的可控运动。

2.根据权利要求1所述实现高速运动的六自由度并联机械手，其特征在于，所述齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与一组连杆中的一连杆固接，大齿轮的转动轴线与该连杆在中心板上的转动轴线重合，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，且小齿轮转动轴线与一个输入轴轴线重合。

3.根据权利要求1所述实现高速运动的六自由度并联机械手，其特征在于，所述齿轮机构包含一大齿轮和一小齿轮，其中大齿轮与球杆座固接，小齿轮与三自由度手腕的一个输入轴固接，所述小齿轮转动轴线与三自由度手腕的一个输入轴轴线重合，小齿轮转动轴线与大齿轮转动轴线的公垂线段与所在平行四边形结构中的连杆平行且等长。