CN103264386A

CN103264386A - 三自由度高速平移运动并联机构

Info

Publication number: CN103264386A
Application number: CN2013101406588A
Authority: CN
Inventors: 彭斌彬; 盛成; 封金徽; 武凯; 孙宇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: CN103264386B

Abstract

本发明公开了一种三自由度高速平移运动并联机构，由固定平台、运动平台以及并联连接在两者之间的三条结构相同的运动支链构成，每条运动支链由驱动臂和可做三维空间平移运动的二自由度复合子支链串联而成。固定平台通过转动副与驱动臂相连，复合子支链的下端直接与运动平台直接固定，驱动臂和复合子支链之间通过转动副或虎克铰连接。本发明的三自由度高速平移运动并联机构采用复合子支链构造运动支链，可以形成独立的子装配体，而且对动平台姿态的约束能力比较强，有利于实现更高的速度；另外机构的运动支链末端铰链中心在动平台上可形成一个空间多面体，机构抵抗侧向载荷的能力高。

Description

三自由度高速平移运动并联机构

技术领域

本发明属于并联机器人技术，特别涉及一种空间三自由度高速平移运动并联机构。

背景技术

三自由度高速平移并联机构作为少自由度并联机构的重要组成部分，其运动平台能够实现空间三维快速平移运动。因为这类机器人结构简单、工作空间大、控制容易、成本低，被广泛应用在电子、轻工、食品、医药等行业的散乱物料高速抓放作业。

目前，应用最广泛、最成熟的三自由度高速平移运动并联机构当属Delta机构(申请号：US4976572)，该机构由定平台、动平台以及三条并联连接在定平台和动平台之间且使动平台相对定平台进行3轴平移运动的支链组成。除此之外，还有黄田教授发明的空间三平动并联机构(申请号：200810052559.3 ，200810052557.4， 200810052558.9)、以及其他一些新型三平动并联机构（申请号：01113519.0，01108283.6，01108297.6，201110273049.0，201110273083.8，201110273092.7，200510016337.2，200910071093.6，200910071094.0，200610050210.7）。以上所提到的三自由度平移运动并联机构具有以下特点：①每条运动支链中与定平台连接的近架杆为驱动杆且驱动副为转动副；②并联连接在定平台和动平台之间的运动支链中远架杆为单杆、双杆或三杆（三杆共面）；③每条运动支链与动平台连接的铰链点中心共面。

用转动副驱动有利于实现高速，这正是这些机构都采用转动副为驱动副的原因。并联连接在定平台和动平台之间的运动支链中远架杆为单杆、双杆或三杆（三杆共面），使得每条支链对动平台的姿态约束能力比较弱，需要三支链共同作用才能对姿态进行约束，导致姿态不容易控制。由于外载荷在动平台上的作用点并不一定会处在各运动支链末端的铰链中心形成的平面上，运动支链要额外承受因外载荷作用点与运动支链末端的铰链点之间的距离引起的弯矩作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构对称、姿态约束能力强的三自由度高速平移运动并联机构，该机构的运动支链末端的铰链中心点成空间布置，减小了外载荷作用点与运动支链末端的铰链点之间的距离引起的弯矩，改善了运动支链的受力状况，提高了机构的刚度。

本发明解决其技术问题的技术方案为：一种三自由度高速平移运动并联机构，包括固定平台、运动平台，在该固定平台和运动平台之间并联连接三条结构相同的运动支链组成，所述每条运动支链由驱动臂和复合子支链串联连接而成，所述复合子支链由上连接板、下连接板以及并联连接在上连接板和下连接板之间的三条子约束支链组成，第一子约束支链由第一虎克铰、第一连杆和第四虎克铰串联而成，第二子约束支链由第二虎克铰、第二连杆和第五虎克铰串联而成，第三子约束支链由第三虎克铰、第三连杆和第六虎克铰串联而成，上连接板与第一连杆、第二连杆和第三连杆之间分别通过第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰连接在一起，下连接板与第一连杆、第二连杆和第三连杆之间分别通过第四虎克铰、第五虎克铰和第六虎克铰连接在一起；固定平台与每条运动支链的驱动臂通过对应的第一转动副连接，每条运动支链的驱动臂和对应复合子支链的上连接板之间通过第二转动副或第七虎克铰连接，运动平台与复合子支链的下连接板直接固定连接；

所述三条子约束支链中，与第一连杆两端相连的第一虎克铰、第四虎克铰的转动副轴线相互平行，与第二连杆两端相连的第二虎克铰、第五虎克铰的转动副轴线相互平行，与第三连杆两端相连的第三虎克铰、第六虎克铰的转动副轴线相互平行，第一连杆、第二连杆和第三连杆长度相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的三自由度高速平移运动并联机构采用复合子支链构造运动支链，可使机构的运动支链末端铰链中心在动平台上形成了一个空间多面体，外载荷作用点处于该空间多面体内，可减小因外载荷作用点与运动支链末端的铰链中心之间的距离产生的弯矩，从而提高机构抵抗侧向载荷的能力。另外，复合子支链是一个空间三维平移运动机构，可以形成独立的子装配体，而且对动平台姿态的约束能力比较强，有利于实现更高的速度。

附图说明

图1为本发明的三自由度平移运动并联机构的实施例1的总体结构示意图。

图2为本发明的三自由度平移运动并联机构的实施例2的总体结构示意图。

图3为本发明的三自由度平移运动并联机构的实施例3的总体结构示意图。

图4为本发明的三自由度平移运动并联机构的实施例4的总体结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的三自由度高速平移运动并联机构，包括固定平台1、运动平台10，在该固定平台1和运动平台10之间并联连接三条结构相同的运动支链组成，所述每条运动支链由驱动臂3和复合子支链串联连接而成，复合子支链可做三维空间平移运动的二自由度。所述复合子支链由上连接板5、下连接板9以及并联连接在上连接板5和下连接板9之间的三条子约束支链组成，第一子约束支链由第一虎克铰61a、第一连杆71和第四虎克铰81a串联而成，第二子约束支链由第二虎克铰62a、第二连杆72和第五虎克铰82a串联而成，第三子约束支链由第三虎克铰63a、第三连杆73和第六虎克铰83a串联而成，上连接板5与第一连杆71、第二连杆72和第三连杆73之间分别通过第一虎克铰61a、第二虎克铰62a和第三虎克铰63a连接在一起，下连接板9与第一连杆71、第二连杆72和第三连杆73之间分别通过第四虎克铰81a、第五虎克铰82a和第六虎克铰83a连接在一起。

固定平台1保持不动，固定平台1与每条运动支链的驱动臂3通过对应的第一转动副2连接，第一转动副2为驱动副。每条运动支链的驱动臂3和对应复合子支链的上连接板5之间通过第二转动副4a或第七虎克铰4b连接，运动平台10与复合子支链的下连接板9直接固定连接。

所述三条子约束支链中，如果将每个虎克铰看成是由两个轴线相交且垂直的转动副组成的话，每条子约束支链中与连杆两端连接的转动副轴线相互平行，即与第一连杆71两端相连的第一虎克铰61a、第四虎克铰81a的转动副轴线相互平行，与第二连杆72两端相连的第二虎克铰62a、第五虎克铰82a的转动副轴线相互平行，与第三连杆73两端相连的第三虎克铰63a、第六虎克铰83a的转动副轴线相互平行，第一连杆71、第二连杆72和第三连杆73长度相等。三条子约束支链中，与上连接板5相连的第一虎克铰61a、第二虎克铰62a和第三虎克铰63a的中心组成一个三角形，与下连接板9相连的第四虎克铰81a、第五虎克铰82a和第六虎克铰83a的中心组成另一个三角形，这两个三角形全等。

由于三条运动支链中的复合子支链可作空间二维平移运动，从而限制了运动平台10三个方向上的旋转自由度，所以在驱动臂3被驱动的情况下，运动平台10作三维的平移运动。

实施例1

本发明三自由度高速平移运动并联机构的总体结构如图1所示，除了具有上述结构特点外，三条运动支链中连接驱动臂3与固定平台1之间的第一转动副2的轴线在一个平面内并且两两相交构成一个等边三角形；驱动臂3与复合子支链的上连接板5之间通过第二转动副4a连接，第二转动副4a的轴线与第一转动副2的轴线平行；三个复合子支链的下连接板9分别与运动平台10的三个周向均匀分布的空间四面体的斜面直接固定连接，相对于运动平台10而言三个运动支链中连接下连接板9的第四虎克铰81a、第五虎克铰82a和第六虎克铰83a中心分成两个平面形成空间结构。

实施例2

本发明三自由度高速平移运动并联机构的总结构如图2所示，其结构与实施例1机构的结构基本相同，唯一不同的是驱动臂3与复合子支链上连接板5之间通过第七虎克铰4b相连，连接驱动臂3的第七虎克铰4b的轴线与第一转动副2的轴线平行。

实施例3

本发明三自由度高速平移运动并联机构的总结构如图3所示，该机构与实施例1机构的区别在于三条运动支链中连接驱动臂3与固定平台1之间的第一转动副2的轴线交于一点且彼此两两正交布置；三个复合子支链的下连接板9分别连接在运动平台10三个相互正交的平面上，相对于运动平台10而言三个运动支链中连接下连接板9的第四虎克铰81a、第五虎克铰82a和第六虎克铰83a中心形成空间分布。

实施例4

本发明三自由度高速平移运动并联机构的总结构如图4所示，其结构与实施例3机构的结构相同，唯一不同的是驱动臂3与复合子支链上连接板5之间通过第七虎克铰4b相连，连接驱动臂3的第七虎克铰4b的轴线与第一转动副2的轴线平行。

Claims

1.一种三自由度高速平移运动并联机构，其特征在于包括固定平台（1）、运动平台（10），在该固定平台（1）和运动平台（10）之间并联连接三条结构相同的运动支链组成，所述每条运动支链由驱动臂（3）和复合子支链串联连接而成，所述复合子支链由上连接板（5）、下连接板（9）以及并联连接在上连接板（5）和下连接板（9）之间的三条子约束支链组成，第一子约束支链由第一虎克铰（61a）、第一连杆（71）和第四虎克铰（81a）串联而成，第二子约束支链由第二虎克铰（62a）、第二连杆（72）和第五虎克铰（82a）串联而成，第三子约束支链由第三虎克铰（63a）、第三连杆（73）和第六虎克铰（83a）串联而成，上连接板（5）与第一连杆（71）、第二连杆（72）和第三连杆（73）之间分别通过第一虎克铰（61a）、第二虎克铰（62a）和第三虎克铰（63a）连接在一起，下连接板（9）与第一连杆（71）、第二连杆（72）和第三连杆（73）之间分别通过第四虎克铰（81a）、第五虎克铰（82a）和第六虎克铰（83a）连接在一起；固定平台（1）与每条运动支链的驱动臂（3）通过对应的第一转动副（2）连接，每条运动支链的驱动臂（3）和对应复合子支链的上连接板（5）之间通过第二转动副（4a）或第七虎克铰（4b）连接，运动平台（10）与复合子支链的下连接板（9）直接固定连接；

所述三条子约束支链中，与第一连杆（71）两端相连的第一虎克铰（61a）、第四虎克铰（81a）的转动副轴线相互平行，与第二连杆（72）两端相连的第二虎克铰（62a）、第五虎克铰（82a）的转动副轴线相互平行，与第三连杆（73）两端相连的第三虎克铰（63a）、第六虎克铰（83a）的转动副轴线相互平行，第一连杆（71）、第二连杆（72）和第三连杆（73）长度相等。

2.根据权利要求1所述的三自由度高速平移运动并联机构，其特征在于：三条子约束支链中，与上连接板（5）相连的第一虎克铰（61a）、第二虎克铰（62a）和第三虎克铰（63a）的中心组成一个三角形，与下连接板（9）相连的第四虎克铰（81a）、第五虎克铰（82a）和第六虎克铰（83a）的中心组成另一个三角形，这两个三角形全等。

3.根据权利要求1所述的三自由度高速平移运动并联机构，其特征在于：第二转动副（4a）的轴线与第一转动副（2）的轴线平行。

4.根据权利要求1所述的三自由度高速平移运动并联机构，其特征在于：第七虎克铰（4b）的轴线与第一转动副（2）的轴线平行。