CN103386681B - 可实现三维平动三维转动的并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现三维平动三维转动的并联机构，包括固定架和动平台，固定架上固接有六个驱动装置，动平台包括中心板和摇杆，中心板与摇杆之间采用虎克铰转动连接，摇杆的上部和下部分别为旋向相反的第一丝杠和第二丝杠；固定架与中心板之间连接有三条第一支链，固定架与三个球头杆之间连接有三条第二支链；摇杆由三条第一支链带动实现三维平动，摇杆在三条第二支链的带动下通过虎克铰实现相对于中心板的二维转动；摇杆通过螺母与虎克内圈的相对移动实现自转，从而摇杆既有三个平动自由度，又有三个转动自由度。本发明其结构简单紧凑，利用虎克铰和螺旋副巧妙的实现了六自由度，降低了机构复杂性，易实现高速高精度复杂抓取。

Description

可实现三维平动三维转动的并联机构

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种机器人的具有空间六自由度的并联机构。

背景技术

目前国内对空间六自由度并联机构的研究尚集中于机械加工或测量用途的机构，而对于应用于物料抓放的可实现高速运动的空间六自由度并联机构研究较少。

国际上有少数可应用于物料抓放的空间六自由度并联机构。专利文献US20110097184A1公开了一种可实现三维平动和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装置；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

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提出一种可实现三维平动三维转动的并联机构，本发明具有轻惯量、高功率密度、可实现高速运动的特点。

为了解决上述技术问题，本发明一种可实现三维平动三维转动的并联机构，包括固定架和动平台，所述固定架上固接有六个驱动装置，所述动平台包括中心板和垂直地贯穿于中心板中心位置的摇杆，所述中心板与所述摇杆之间采用虎克铰转动连接，所述虎克铰包括虎克内圈和虎克外圈，所述虎克内圈与虎克外圈转动连接，所述虎克外圈与所述中心板转动连接，所述摇杆的上部和下部分别为旋向相反的第一丝杠和第二丝杠，所述第一丝杠上配合有螺母，所述螺母上固定有三个球头杆；所述虎克内圈内表面设有与所述第二丝杠配合的螺纹；所述固定架与中心板之间连接有三条第一支链，所述固定架与三个球头杆之间连接有三条第二支链；所述第一支链由近架杆、上连接轴、两个相互平行且等长的第一远架杆和下连接轴构成；所述第二支链由近架杆、上连接球铰链、第二远架杆和下连接球铰链构成；所述第一支链中，所述近架杆的一端与所述固定架之间通过转动副连接、并与一个驱动装置的输出端固接，所述近架杆的另一端与所述上连接轴固接，两个第一远架杆的一端分别与所述上连接轴球铰接，两个第一远架杆的另一端分别与所述下连接轴球铰接；每条第一支链中的上连接轴、两个平行且等长的第一远架杆和下连接轴构成一平行四边形结构；所述第二支链中，所述近架杆的一端与所述固定架之间通过转动副连接、并与一个驱动装置的输出端固接，所述近架杆的另一端通过所述上连接球铰链与所述第二远架杆的一端球铰接，所述第二远架杆的另一端通过所述下连接球铰链与所述球头杆球铰接；所述中心板由三条第一支链带动实现三维平动，从而带动所述摇杆实现三维平动，所述摇杆在三条第二支链的带动下通过虎克铰实现相对于中心板的二维转动；所述摇杆通过所述螺母与虎克内圈的相对移动实现自转，从而摇杆既有三个平动自由度，又有三个转动自由度。

本发明可实现三维平动三维转动的并联机构，其中，还包括一导向杆,所述导向杆与所述摇杆平行，所述虎克内圈上设有用于穿过导向杆的过孔，所述导向杆与该过孔为间隙配合，所述导向杆的顶部与所述螺母固接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明其结构简单紧凑，避免了放大机构，利用虎克铰和螺旋副巧妙的实现了六自由度，降低了机构复杂性，减少了运动部件质量，提高了运动精度，易实现高速抓取，且满足复杂抓放操作的要求。

附图说明

图1为本发明可实现三维平动三维转动的并联机构的整体机构示意图；

图2为本发明中动平台的结构示意图；

图3为本发明中虎克铰的结构示意图。

图中：

1-驱动装置，2-固定架，3-近架杆，4-上连接球铰链，5-上连接轴，6-第二远架杆，6a、6b-第一远架杆，7-下连接球铰链，8-下连接轴，9-动平台，10-中心板，11-虎克内圈，12-虎克外圈，13-螺母，14-导向杆，15-摇杆，16-第一丝杠，17-第二丝杠。

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，本发明一种可实现三维平动三维转动的并联机构，包括固定架2和动平台9，所述固定架2上固接有六个驱动装置1。

如图2所示，所述动平台9包括中心板10和垂直地贯穿于中心板10中心位置的摇杆15，所述中心板10与所述摇杆15之间采用虎克铰转动连接，如图2和图3所示，所述虎克铰包括虎克内圈11和虎克外圈12，所述虎克内圈11与虎克外圈12转动连接，所述虎克外圈12与所述中心板10转动连接，所述摇杆15的上部和下部分别为旋向相反的第一丝杠16和第二丝杠17，所述第一丝杠16上配合有螺母13，所述螺母13上固定有三个球头杆；所述虎克内圈11内表面设有与所述第二丝杠17配合的螺纹。

如图1所示，所述固定架2与中心板10之间连接有三条第一支链，所述固定架2与三个球头杆之间连接有三条第二支链；所述第一支链由近架杆3、上连接轴5、两个相互平行且等长的第一远架杆6a、6b和下连接轴8构成；所述第二支链由近架杆3、上连接球铰链4、第二远架杆6和下连接球铰链7构成。

所述第一支链中，所述近架杆3的一端与所述固定架2之间通过转动副连接、并与一个驱动装置1的输出端固接，所述驱动装置1为与其固接的近架杆3提供一个转动自由度，所述近架杆3的另一端与所述上连接轴5固接，两个第一远架杆6a、6b的一端分别与所述上连接轴5球铰接，两个第一远架杆6a、6b的另一端分别与所述下连接轴8球铰接；每条第一支链中的上连接轴5、两个平行且等长的第一远架杆6a、6b和下连接轴8构成一平行四边形结构。

所述第二支链中，所述近架杆3的一端与所述固定架2之间通过转动副连接、并与一个驱动装置1的输出端固接，所述近架杆3的另一端通过所述上连接球铰链4与所述第二远架杆的一端球铰接，所述第二远架杆的另一端通过所述下连接球铰链7与所述球头杆球铰接。

如图1和图2所示，所述中心板10由三条第一支链带动实现三维平动，从而带动所述摇杆15实现三维平动，所述摇杆15在三条第二支链的带动下并通过虎克铰实现相对于中心板10的二维转动；在所述螺母13与虎克内圈11相对移动的过程中通过两个旋向相反的螺旋副将移动转化为所述摇杆15的自转，从而摇杆既有三个平动自由度，又有三个转动自由度。

本发明可实现三维平动三维转动的并联机构中包括一导向杆14,所述导向杆14保证了螺母13与虎克内圈11在相对移动时两者轴线与摇杆15的轴线相同，所述导向杆14与所述摇杆15平行，所述虎克内圈11上设有用于穿过导向杆14的过孔，所述导向杆14与该过孔为间隙配合，所述导向杆14的顶部与所述螺母13固接。

同时，在本发明的六自由度并联机械手运动时，第二支链中的上连接球铰链和下连接球铰链只需一处提供绕第二远架杆6的转动即可，固用虎克铰代替上连接球铰链或下连接球铰链时，所述末端执行器16仍可由三条第二支链带动在虎克铰的作用下实现相对于所述中心板10的二维转动，进而机构同样可以实现三个平动自由度和三个转动自由度。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

本发明中的六条支链被分为二组，中心板10由三条第一支链带动实现三维平动，从而带动摇杆15实现三维平动；在三条第二支链的带动下，摇杆15通过虎克内圈11和虎克外圈12组成的虎克铰实现了相对中心板10的二维转动。螺母13和虎克内圈11相对移动时，通过两个螺纹副转化为摇杆15的自转，导向杆14保证了螺母13与虎克内圈11在相对移动时，两者的轴线均与摇杆15的轴线相同，从而使摇杆15既有三个平动自由度，又有三个转动自由度。

本发明中，摇杆15的自转通过两个螺纹副转化，与单螺纹相比，螺母13与虎克内圈11在同等的相对位移下，摇杆15能增加一倍的自转角度。

本发明中，由虎克铰代替上连接球铰链4和下连接球铰链7中的任一处，机构同样可以实现三个平动自由度和三个转动自由度。

本发明避免了放大机构，利用虎克铰和螺旋副巧妙的实现了六自由度，其结构紧凑，降低了机构复杂性，减少了运动部件质量，提高了运动精度，易实现高速抓取，且满足复杂抓放操作的要求。

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 (2)

1.一种可实现三维平动三维转动的并联机构，包括固定架（2）和动平台（9），所述固定架（2）上固接有六个驱动装置（1），其特征在于，

所述动平台（9）包括中心板（10）和垂直地贯穿于中心板（10）中心位置的摇杆（15），所述中心板（10）与所述摇杆（15）之间采用虎克铰转动连接，所述虎克铰包括虎克内圈（11）和虎克外圈（12），所述虎克内圈（11）与虎克外圈（12）转动连接，所述虎克外圈（12）与所述中心板（10）转动连接，所述摇杆（15）的上部和下部分别为旋向相反的第一丝杠（16）和第二丝杠（17），所述第一丝杠（16）上配合有螺母（13），所述螺母（13）上固定有三个球头杆；所述虎克内圈（11）内表面设有与所述第二丝杠（17）配合的螺纹；

所述固定架（2）与中心板（10）之间连接有三条第一支链，所述固定架（2）与三个球头杆之间连接有三条第二支链；所述第一支链由近架杆（3）、上连接轴（5）、两个相互平行且等长的第一远架杆（6a、6b）和下连接轴（8）构成；所述第二支链由近架杆（3）、上连接球铰链（4）、第二远架杆（6）和下连接球铰链（7）构成；

所述第一支链中，所述近架杆（3）的一端与所述固定架（2）之间通过转动副连接、并与一个驱动装置（1）的输出端固接，所述近架杆（3）的另一端与所述上连接轴（5）固接，两个第一远架杆（6a、6b）的一端分别与所述上连接轴（5）球铰接，两个第一远架杆（6a、6b）的另一端分别与所述下连接轴（8）球铰接；每条第一支链中的上连接轴（5）、两个平行且等长的第一远架杆（6a、6b）和下连接轴（8）构成一平行四边形结构；

所述第二支链中，所述近架杆（3）的一端与所述固定架（2）之间通过转动副连接、并与一个驱动装置（1）的输出端固接，所述近架杆（3）的另一端通过所述上连接球铰链（4）与所述第二远架杆（6）的一端球铰接，所述第二远架杆（6）的另一端通过所述下连接球铰链（7）与所述球头杆球铰接；

所述中心板（10）由三条第一支链带动实现三维平动，从而带动所述摇杆（15）实现三维平动，所述摇杆（15）在三条第二支链的带动下通过虎克铰实现相对于中心板（10）的二维转动；所述摇杆（15）通过所述螺母（13）与虎克内圈（11）的相对移动实现自转，从而摇杆既有三个平动自由度，又有三个转动自由度。

2.根据权利要求1所述可实现三维平动三维转动的并联机构，其特征在于，还包括一导向杆（14）,所述导向杆（14）与所述摇杆（15）平行，所述虎克内圈（11）上设有用于穿过导向杆（14）的过孔，所述导向杆（14）与该过孔为间隙配合，所述导向杆（14）的顶部与所述螺母（13）固接。