CN103231364A - 三、四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三、四自由度并联机构，三自由度并联机构包括一动平台和三根相互平行的支撑杆，所述三根支撑杆分别布置在一等边三角形的三个角上，每根支撑杆上安装有一升降块，每块升降块与动平台通过一组平行四边形机构连接。四自由度并联机构是在上述三自由度的基础上增加了一个旋转自由度。有益的是，本发明简化了正、逆解计算公式，使得在实际应用中计算更快，控制更加容易，提高了设备了相应速度，提高了设备的工作效率；同时，设备的工作空间更大，应用范围广泛。

Description

三、四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机构，具体涉及一种三自由度并联机构和四自由度并联机构。

背景技术

并联机器人具有：无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大；完全对称的并联机构具有较好的各向同性；工作空间较小等特点，在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用，其出现在工业、医学、军事等多个领域。

并联机构受到运动副约束、支链干涉、奇异位形、位姿耦合等因素影响。Delta并联机构是一种3维纯移动机构，作为一种典型的三自由度并联机构，具有工作空间大、运动学逆解简单、定位精准度高等优点，在应用中具有重要地位。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

1、现有三/四自由度并联机构运动副约束依然较多，并联结构的控制算法非常复杂，导致设备相应速度慢，动作完成时间较长。

2、现有三/四自由度并联机构结构复杂，设备成本高，设备的安装、调试工作量大。

3、现有三/四自由度并联机构的工作空间较小。

4、Delta并联机构通过电机连接主动臂、主动臂连接从动臂、从动臂带动动平台来实现一个动作，这种结构需要电机具备较大的输出功率。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种结构简单、操作控制容易的三自由度并联机构和四自由度并联机构。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，一方面，提供了一种三自由度并联机构，包括一动平台，还包括三根相互平行的支撑杆，所述三根支撑杆分别布置在一等边三角形的三个角上，每根支撑杆上安装有一升降块，每块升降块与动平台通过一组平行四边形机构连接；该平行四边形机构的长边为臂，平行四边形机构的短边与支撑杆的长度方向垂直，所述长边与短边通过球铰或虎克铰连接。

进一步地，所述平行四边形机构的短边其中一个边固定在升降块上，另一个边固定在动平台上。

进一步地，所述平行四边形机构的短边其中一个边为升降块的一个侧面，另一个边为动平台的一个侧面。

进一步地，所述升降块与支撑杆滑动配合。

优选地，所述升降块套设在支撑杆上。

优选地，所述支撑杆上设置有滑槽，所述升降块安装在滑槽内。

优选地，所述支撑杆固定在静平台上。

另一方面，本发明还提供了一种包括上述三自由度并联机构的四自由度并联机构，所述传动机构安装在静平台与动平台之间的底面上。

所述转动机构为旋转轴，该旋转轴通过万向节与静平台或动平台连接。

所述动平台上安装的转动机构为电机，该电机通过轴承与动平台连接。

与现有技术相比，本发明所述技术方案中的一个技术方案具备以下一些优点：

1、本发明所述三自由度并联机构，采用了3根支撑杆，3个升降块，3个平行四边形机构，1个动平台，结构简单。升降块带动平行四边形机构摆动，动平台在3个平行四边形机构的作用下移动，是本发明所述并联机构控制算法更加简单，设备控制精度更高。从运动学正、逆解方面看，与传统的Delta并联机构相比，本发明降低了其复杂程度，将原来的角度计算变为了移动距离的计算，简化了正逆解计算公式，使得在实际应用中计算更快，控制更加容易，提高了设备了相应速度，提高了设备的工作效率。

2、本发明所述三自由度并联机构，降低了并联机构的复杂性，减少了并联机构运动副约束，安装、调试简单。

3、本发明所述三自由度并联机构，升降块在支撑杆上来回移动，使本发明工作空间更大。

4、本发明所述三自由度并联机构，输入功率更小，减少了电能消耗，节约了工作成本。

5、本发明所述四自由度并联机构，具备本发明上述三自由度并联机构的所有优点，同时，还具备了一个旋转自由度。

与传统的Delta并联机构相比，本发明降低了机构的复杂程度，将原来的角度计算变为了移动距离的计算。

a）Delta并联机构

设静平台半径为360mm，动平台半径为35mm，Delta型并联机构主动臂长200mm，从动臂长为1085mm。

当用空间逆解求解其中一角J1时，Delta型的计算公式为：

Fn=2819400000*x-5063400000*y+156000000*x-90067000*y+1463600*x*y+25350000000-2600*x*y²+4503.3*x²*y-2600*x*z²+4503.3*y*z²+8252500*x²-2600*x³-4*x⁴+7727500*y²+4503.3*y³-4*y⁴+9155000*z²-4*z⁴-8*x²*y²-8*x²*z²-8*y²*z²-320000*

*x*y–4489300000000；

$\mathrm{Fm}=250*x-1125.8*y+400*\sqrt{3}*y-112580*\sqrt{3}+2*x^2+2*y^2+2*z^2-2193750;$

$J1=2*A\tan \left(\frac{800*z-\sqrt{\mathrm{Fn}}}{\mathrm{Fm}}\right);$

其中x，y，z为末端执行器空间绝对坐标。

b）本发明所述三自由度并联机构

设静平台半径为360mm，动平台半径为35mm，平行四边形机构长边为1085mm。

当用空间逆解求解其中一滑块移动距离D1时，计算公式为：

$D1=z-\sqrt{-x^2-325*x-y^2+562.9165*y+1071600};$

其中x，y，z为末端执行器空间绝对坐标。

当用正解公式时Delta型的计算公式更加复杂，可以看本发明所述三自由度并联机构公式简单，大大算短了计算周期，因此在需要走复杂空间曲线时可以进行更密集的插值运算，使曲线更平滑。

附图说明

图1是本发明所述三自由度并联机构一较佳实施例的立体图。

图2是本发明所述三自由度并联机构一较佳实施例的主视图。

图3是本发明所述三自由度并联机构一较佳实施例的俯视图。

图4是本发明所述四自由度并联机构一较佳实施例的主视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进行说明。

实施例1

本发明的一个实施例所述的三自由度并联机构参见图1至图3。一种三自由度并联机构，包括三根支撑杆10、三个升降块11、三组平行四边形机构、一个动平台30，根据安装环境还可以选择使用或者不使用的静平台12。

三根支撑杆10相互平行，分别布置在同一个等边三角形的三个角上，三根支撑杆10围合成一个等边三角形柱体空间。附图示出的是使用了静平台12的情形，该静平台12为等边三角形，每个角上设置有一根支撑杆10，支撑杆10垂直于静平台12。

每根支撑杆10上安装有一升降块11，每块升降块11与动平台30通过一组平行四边形机构连接。当三个升降块11位于同一个垂直于支撑杆10的面上时，升降块11位于上述等边三角形主体的轴心线上。

三组平行四边形机构是完全相同的平行四边形机构，平行四边形机构的长边为臂20，平行四边形机构的短边与支撑杆10的长度方向垂直，所述长边与短边通过球铰21或虎克铰连接。该平行四边形机构的其中一个短边固定在升降块11上，另一个短边固定在动平台30上。或者如附图所示，其中一个短边为升降块11的一个侧面，另一个短边为动平台30的一个侧面。

升降块11与支撑杆10滑动配合，升降块11可根据生产需要在其上安装伺服电机，或者在支撑杆10的一端安装驱动电机，在通过推拉杆连接升降块11和驱动电机。升降块11与支撑杆10滑动配合的方式是多样的，例如，将升降块11套设在支撑杆10上；或者在支撑杆10上设置有滑槽，将升降块11安装在滑槽内。

实施例2

参见图4，本发明的另一实施例中四自由度并联机构，包括实施例1所述三自由度并联机构，所不同的是，在静平台12上安装有转动机构，该转动机构用于转动被加工工件。“在静平台12上”指的是连接关系，并非是位置关系，该转动机构可以位于静平台12的上方，也可以位于静平台12的下方。当静平台12设置在支撑杆10的下端时，转动机构安装在静平台12的上方；当静平台12设置在支撑杆10的上端时，转动机构安装在静平台12的下方。本实施例所述转动机构为转动轴40，该转动轴通过万向节与静平台连接。

实施例3

本发明的另一实施例中四自由度并联机构，包括实施例1所述三自由度并联机构，所不同的是，在动平台30上安装有转动机构。“在动平台30上”指的是连接关系，并非是位置关系，该转动机构可以位于动平台30的上方，也可以位于动平台30的下方。当静平台12设置在支撑杆10的下端时，转动机构安装在动平台30的下方；当静平台12设置在支撑杆10的上端时，转动机构安装在动平台30的上方。本实施例所述转动机构为转动轴，该转动轴通过万向节与动平台连接。或者，所述转动机构为电机，该电机通过轴承与动平台连接。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三自由度并联机构，包括一动平台（30），其特征在于，还包括三根相互平行的支撑杆（10），所述三根支撑杆分别布置在一等边三角形的三个角上，每根支撑杆（10）上安装有一升降块（11），每块升降块（11）与动平台（30）通过一组平行四边形机构连接；该平行四边形机构的长边为臂（20），平行四边形机构的短边与支撑杆（10）的长度方向垂直，所述长边与短边通过球铰（21）或虎克铰连接。

2.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述平行四边形机构的短边其中一个边固定在升降块（11）上，另一个边固定在动平台（30）上。

3.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述平行四边形机构的短边其中一个边为升降块（11）的一个侧面，另一个边为动平台（30）的一个侧面。

4.根据权利要求2或3所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述升降块（11）与支撑杆（10）滑动配合。

5.根据权利要求4所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述升降块（11）套设在支撑杆（10）上。

6.根据权利要求4所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述支撑杆（10）上设置有滑槽，所述升降块（11）安装在滑槽内。

7.根据权利要求2或3所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述支撑杆（10）固定在静平台（12）上。

8.一种包括权利要求7所述三自由度并联机构的四自由度并联机构，其特征在于，所述静平台（12）或动平台（30）上安装有转动机构，所述传动机构安装在静平台（12）与动平台（30）之间的底面上。

9.根据权利要求8四自由度并联机构，其特征在于，所述转动机构为旋转轴，该旋转轴通过万向节与静平台（12）或动平台（30）连接。

10.根据权利要求8四自由度并联机构，其特征在于，所述动平台（30）上安装的转动机构为电机，该电机通过轴承与动平台（30）连接。

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