CN102848385A - 一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手，包括固定架、动平台及四个结构相同的运动支链，每个运动支链均包括一个近架杆和两个平行等长的远架杆，其中两个相邻运动支链的近架杆转轴上设有一对啮合的锥齿轮，从而限制动平台仅在该两运动支链的对称面内作二维平动；动平台包括一个主平台和两个副平台，两个副平台通过两组平行等长连杆分别与主平台转动连接；在主平台上转动连接一个小齿轮和两个与之啮合的齿扇，两个齿扇分别与两平行连杆固接，在驱动装置的作用下，主平台与两个副平台发生平行错动，带动平行连杆和齿扇，将运动转化为小齿轮和末端执行器的旋转运动。本发明具有结构刚性好、使用寿命长且结构简单的特点。

Description

一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手

技术领域

本发明涉及一种并联机器人，特别是涉及一种具有两维平动一维转动自由度的高速并联机械手。

背景技术

专利文献US 7090458B2和ZL 01154160.2公开了一种可实现平面二自由度的并联机构，包括驱动装置、机架、动平台和两对支链。两个伺服电机安装在机架上，动平台通过两个支链与机架连接，形成并联闭环结构。两个支链各含有两个平行四边形机构，分别作为驱动杆组和从动杆组，各运动件之间完全采用转动铰链连接。采用平行四边形支链结构实现动平台的二维平动。上述机构的局限性在于：该机构每条支链各含两组平行四边形机构，结构复杂；各运动构件均在同一平面内或平行于该平面，平面法线方向上的刚度较差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种具有二维平动和一维转动自由度的高速并联机械手，具有结构刚性好、使用寿命长且结构简单的特点。

为了解决上述技术问题，本发明一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手予以实现的技术方案是：包括固定架、动平台及对称布置在所述固定架与动平台之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；所述固定架上固接有第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；所述动平台包括水平布置的一个主平台和两个副平台，所述两个副平台各自通过两个平行连杆与所述主平台转动连接，构成两个由所述副平台、所述主平台和所述平行连杆组成的平行四边形结构；在所述主平台上转动连接一个末端执行器；所述末端执行器上固接有一个小齿轮，主平台上布置有两个均与所述小齿轮啮合的齿扇，两个齿扇分别与主平台上两个平行连杆的固接且转轴重合，所述两个齿扇和所述小齿轮构成角度放大机构；所述主平台上固接有第一下连接轴和第二下连接轴，两个副平台上分别固接有第三下连接轴和第四下连接轴；运动支链a中的近架杆的一端与第一驱动装置固接，并固接有第一转轴，该近架杆的另一端固接有第一上连接轴；所述运动支链中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与所述上连接轴球铰接，其另一端分别与所述第一下连接轴球铰接；所述第一上连接轴、所述第一下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述驱动装置为与其固接的近架杆提供一个转动或移动自由度；运动支链b中的近架杆的一端固接有第二转轴，该近架杆的另一端固接有第二上连接轴；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第二上连接轴球铰接，其另一端分别与第二下连接轴球铰接；所述第二上连接轴、所述第二下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述第一转轴和所述第二转轴的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴和第二转轴的端部设有相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合并汇交于一点；运动支链c中的近架杆的一端与第二驱动装置固接，其另一端固接有第三上连接轴；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第三上连接轴球铰接，其另一端分别第三下连接轴球铰接；运动支链d中的近架杆的一端与第三驱动装置固接，其另一端固接有第四上连接轴；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第四上连接轴球铰接，其另一端分别第四下连接轴球铰接；运动支链a和运动支链b在第一驱动装置的驱动下，实现所述主平台在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动；在第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置的共同作用下，主平台与两个副平台之间产生平行错动，带动平行连杆相对于主平台转动，两个齿扇同时与小齿轮啮合，将上述运动转化为末端执行器的旋转运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

四条支链呈空间对称布置方式，加强了对动平台自由度的约束作用，大幅提升机构的侧向刚度。每条支链的平行四边形结构采用球铰接方式，消隙方便，从而该机构的定位精度高。动平台采用主、副平台的方式进行布置，两个副平台通过平行四边形结构和角度放大机构的约束作用，保证了机构自由度的同时，提高机构的刚度和负载能力。角度放大机构将主、副平台之间的相对运动转化为末端执行器的旋转运动，其结构的刚度和稳定性较好，运动灵活，受力均匀，使用寿命长，易实现高速抓取，满足复杂抓放操作的需要。

附图说明

图1是本发明一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手的结构示意图；

图2是动平台的俯视图；

图3是动平台的空间结构的仰视示意图。

附图标记：

1a、1c、1d-驱动装置       2-固定架                  3a～3d-近架杆

4a～4d-第一、第二、第三、第四上连接轴               5a～5d-远架杆

6a、6b-第一、第二转轴     7a、7b-第一、第二锥齿轮    8-动平台

9a～9d-第一、第二、第三、第四下连接轴

10-主平台      11a～11d-连杆    12、13-副平台

14、15-齿扇    16-小齿轮        17-末端执行器

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，本发明一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手，包括固定架2、动平台8及对称布置在所述固定架2与动平台8之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；所述固定架2上固接有第一驱动装置1a、第二驱动装置1c和第三驱动装置1d；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆。如图2所示，所述主平台10上固接有第一下连接轴9a和第二下连接轴9b，两个副平台12上分别固接有第三下连接轴9c和第四下连接轴9d。

如图1和图2所示，运动支链a中的近架杆3a的一端与第一驱动装置1a的输出端固接，并固接有第一转轴6a，该近架杆3a的另一端固接有第一上连接轴4a；所述运动支链a中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别通过球铰链与所述上连接轴4a球铰接，其另一端分别通过球铰链与所述第一下连接轴9a球铰接；所述第一上连接轴4a、所述第一下连接轴9a与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述驱动装置1a为与其固接的近架杆3a提供一个转动或移动自由度。运动支链b中的近架杆3b的一端固接有第二转轴6b，该近架杆3b的另一端固接有第二上连接轴4b；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别通过球铰链与第二上连接轴4b球铰接，其另一端分别通过球铰链与第二下连接轴9b球铰接；所述第二上连接轴4b、所述第二下连接轴9b与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形。所述第一转轴6a和所述第二转轴6b的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴6a和第二转轴6b的端部设有相互啮合的第一锥齿轮7a和第二锥齿轮7b，第一锥齿轮7a和第二锥齿轮7b结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合；所述运动支链a与所述运动支链b通过所述一对锥齿轮7a、7b的啮合传动作用，使得所述驱动装置1a在驱动运动支链a时，运动支链b将产生等大同向运动；由两组平行四边形结构共同对所述主平台10产生约束作用，限制了所述主平台10仅在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动。

如图1和图2所示，运动支链c中的近架杆的一端与第二驱动装置1c的输出端固接，其另一端固接有第三上连接轴4c；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别通过球铰链与第三上连接轴4c球铰接，其另一端分别通过球铰链与第三下连接轴9c球铰接。运动支链d中的近架杆的一端与第三驱动装置1d的输出端固接，其另一端固接有第四上连接轴4d；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别通过球铰链与第四上连接轴4d球铰接，其另一端分别通过球铰链与第四下连接轴9d球铰接。

如图2和图3所示，所述动平台8包括水平布置的一个主平台10和两个副平台12和13，所述两个副平台12和13各自通过两个平行连杆与所述主平台10转动连接，构成两个由所述副平台12和13、所述主平台10和所述平行连杆组成的平行四边形结构，即所述副平台12和13通过两个平行连杆11a和11b与所述主平台10转动连接，所述副平台12，所述主平台10和所述平行连杆11a和11b组成平行四边形结构。所述副平台13通过两个平行连杆11c和11d与所述主平台10转动连接，所述副平台13，所述主平台10和所述平行连杆11c和11d组成平行四边形结构。如图3所示，在所述主平台10上转动连接一个末端执行器17；所述末端执行器17上固接有一个小齿轮16，在小齿轮16两侧布置两个相同的齿扇14和15，所述齿扇14、15分别与所述小齿轮16啮合安装。所述两个齿扇14和15分别与两个平行连杆11a、11d固接，旋转轴线与连杆转动轴重合。所述两个齿扇14和15与所述小齿轮16构成角度放大机构，在第一驱动装置1a、第二驱动装置1b和第三驱动装置1c的共同作用下，当主平台10与两个副平台12和13之间发生平行错动，带动平行连杆相对于主平台10转动，两个齿扇14和15同时与小齿轮16啮合，将上述运动转化为末端执行器17的旋转运动。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

(1)固定架和动平台间对称布置四条支链，其中两条支链的近架杆轴线汇交于一点，近架杆转动轴线上固结一对相啮合的齿轮，通过两齿轮的啮合传动作用，使两条支链中的近架杆的产生等大同向运动，从而约束动平台仅在一平面内产生二维平动，并且使该机构在垂直于动平台的运动平面的方向上刚性较高。

(2)动平台包括一个主平台和两个副平台，两组平行等长连杆分别转动连接两个副平台和主平台，形成两组平行四边形结构，在其中两个连杆的主平台端固接两个齿扇，齿扇的旋转轴与连杆转轴重合，两齿扇与固接在末端执行器上的小齿轮啮合安装，末端执行器与主平台转动连接，两齿扇与小齿轮构成角度放大机构。当主平台与副平台发生相对运动时，通过角度放大机构将该运动转化为末端执行器的旋转运动。

本发明结构设计合理，紧凑，刚度和稳定性很好；各支链对称布置，受力均匀，运动轻巧，易实现高速抓取，使用寿命较高。

尽管上面的描述和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 (2)

1.一种具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手，包括固定架(2)、动平台(8)及对称布置在所述固定架(2)与动平台(8)之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；

所述固定架(2)上固接有第一驱动装置(1a)、第二驱动装置(1c)和第三驱动装置(1d)；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；

所述动平台(8)包括水平布置的一个主平台(10)和两个副平台(12、13)，所述两个副平台(12、13)各自通过两个平行连杆(11a、11b)和(11c、11d)与所述主平台(10)转动连接，构成两个由所述副平台(12)、所述主平台(10)和所述平行连杆组成的平行四边形结构；在所述主平台(10)上转动连接一个末端执行器(17)；所述末端执行器(17)上固接有一个小齿轮(16)，主平台(10)上布置有两个均与所述小齿轮(16)啮合的齿扇(14、15)，两个齿扇(14、15)的旋转轴分别与主平台(10)上两个平行连杆的转动轴重合，所述两个齿扇(14、15)和所述小齿轮(16)构成角度放大机构；

所述动平台(10)上固接有第一下连接轴(9a)和第二下连接轴(9b)，两个副平台(12、13)上分别固接有第三下连接轴(9c)和第四下连接轴(9d)；

其特征在于，

运动支链a中的近架杆(3a)的一端与第一驱动装置(1a)固接，并固接有第一转轴(6a)，该近架杆(3a)的另一端固接有第一上连接轴(4a)；所述运动支链a中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与所述上连接轴(4a)球铰接，其另一端分别与所述第一下连接轴(9a)球铰接；所述第一上连接轴(4a)、所述第一下连接轴(9a)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述驱动装置(1a)为与其固接的近架杆(3a)提供一个转动或移动自由度；

运动支链b中的近架杆(3b)的一端固接有第二转轴(6b)，该近架杆(3b)的另一端固接有第二上连接轴(4b)；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第二上连接轴(4b)球铰接，其另一端分别与第二下连接轴(9b)球铰接；所述第二上连接轴(4b)、所述第二下连接轴(9b)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；

所述第一转轴(6a)和所述第二转轴(6b)的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴(6a)和第二转轴(6b)的端部设有相互啮合的第一锥齿轮(7a)和第二锥齿轮(7b)，第一锥齿轮(7a)和第二锥齿轮(7b)结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合并汇交于一点；

运动支链c中的近架杆(3c)的一端与第二驱动装置(1c)固接，其另一端固接有第三上连接轴(4c)；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第三上连接轴(4c)球铰接，其另一端分别第三下连接轴(9c)球铰接；

运动支链d中的近架杆(3d)的一端与第三驱动装置(1d)固接，其另一端固接有第四上连接轴(4d)；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第四上连接轴(4d)球铰接，其另一端分别第四下连接轴(9d)球铰接；

运动支链a和运动支链b在第一驱动装置(1a)的驱动下，实现所述主平台(10)在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动；

在第一驱动装置(1a)、第二驱动装置(1b)和第三驱动装置(1c)的共同作用下，主平台(10)与两个副平台(12)之间发生平行错动，带动平行连杆(11a、11b、11c、11d、)相对于主平台(10)转动，两个齿扇(14、15)同时与小齿轮(16)啮合，将上述运动转化为末端执行器(17)的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的具有二维平动一维转动自由度的高速并联机械手，其特征在于，每个副平台均分别通过两个平行连杆与所述主平台转动连接，每个副平台、所述主平台和两个平行连杆组成平行四边形结构。

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