CN104708617B - 一种三自由度定位机构及其多自由度混联机械手 - Google Patents
一种三自由度定位机构及其多自由度混联机械手 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三自由度混联机械手，包括基座、动平台和末端执行器，所述基座与末端执行器之间设有并联部分和串联部分，并联部分由设置在基座和动平台之间的三条结构相同的支链构成，串联部分由三个平行四边形机构构成；所述并联部分中的每条支链通过驱动电机带动滑块与基座相对移动，为动平台提供三个平动自由度输入。动平台与串联部分中的杆件虎克铰接，将动平台的三自由度运动转化为末端执行器的二维平动和绕基座的一维转动，实现空间三自由度定位。本发明中采用串并混联拓扑结构，其结构紧凑，减小了运动部件质量，增大了工作空间，提高了运动精度，易实现高速运动，是一种轻惯量、高功率密度的可实现高速运动的三自由度混联机械手。
Description
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三自由度的混联机构。
背景技术
目前用于机器人空间定位的三自由度机构的主要有两类：串联关节式和平面并联式。串联关节式机构的惯性较大，运动速度低且定位精度较差，并联式虽能实现较高的运动速度，但工作范围和作业空间严重受限。
国际上有少数可应用于物料搬运的三自由度并联机构。专利US4976582(或WO8703528、EP0250470、CH672089、JP63501860T)描述了一种空间对称三平动并联机构，包括三个主动支链，每条支链包括近架杆和远架杆两部分。其中近架杆一端详对于固定机架仅具有一个移动或者转动自由度，另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与远架杆的一端连接；远架杆另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与动平台连接，从而限制动平台相对于固定机架的三个回转自由度。机构的远架杆形式分为两种：一种为单杆形式，杆的两端通过虎克铰分别与近架杆和动平台连接；一种由双杆构成的平行四边形，每根杆两端通过虎克较或球铰链分别与近架杆和动平台连接。上述机构的局限性在于：主动关节为转动驱动，机构的承载能力差，工作空间和运动范围小。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种三自由度定位机构及其伸缩驱动式三自由度混联机器人，采用串并混联拓扑结构，其结构紧凑，减小了运动部件质量，增大了工作空间，提高了运动精度，易实现高速运动，是一种轻惯量、高功率密度的可实现高速运动的三自由度混联机械手。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种三自由度定位机构,包括基座和动平台，所述基座与动平台之间设有三条结构相同的支链，所述支链包括自基座至动平台依次相连的滑块、下虎克铰、架杆和上虎克铰；所述滑块与所述基座通过移动副连接，所述下虎克铰和上虎克铰的结构相同，均由内单叉、十字轴和外单叉组成；所述内单叉和外单叉均与所述十字轴转动连接；所述下虎克铰中的外单叉与所述滑块固接；所述上虎克铰中的外单叉与所述动平台固接；所述架杆的两端与上虎克铰中的内单叉和下虎克铰中的内单叉转动连接，所述滑块与基座之间的相对移动为所述动平台提供三个平动自由度驱动输入；所述动平台虎克铰接第一连杆，所述第一连杆与第二连杆和第三连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端通过转动副A与第五连杆的一端连接；所述第三连杆上的一点和第五连杆的另一端通过转动副B转动连接；连接后的所述第一连杆、第二连杆、第五连杆、第三连杆构成了一平行四边形机构，所述平行四边形机构在转动副A处与第四连杆转动连接，所述第四连杆与所述基座转动连接。
本发明提出的一种六自由度混联机械手，在上述三自由度定位机构的基础上，所述第三连杆上设有三自由度手腕。
本发明提出的一种三自由度混联机械手，包括基座、动平台和末端执行器，所述基座与动平台之间设有三条结构相同的支链，所述支链包括自基座至动平台依次相连的滑块、下虎克铰、架杆和上虎克铰；所述滑块与所述基座通过移动副连接，所述下虎克铰和上虎克铰的结构相同，均由内单叉、十字轴和外单叉组成；所述内单叉和外单叉均与所述十字轴转动连接；所述下虎克铰中的外单叉与所述滑块固接；所述上虎克铰中的外单叉与所述动平台固接；所述架杆的两端与上虎克铰中的内单叉和下虎克铰中的内单叉转动连接，所述滑块与基座之间的相对移动为所述动平台提供三个平动自由度驱动输入；所述动平台虎克铰接第一连杆，所述第一连杆与第二连杆和第三连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端通过转动副A同时与第四连杆、第五连杆的一端连接；所述第三连杆上的一点和第五连杆的另一端通过转动副B同时与连接三角板转动连接；连接后的所述第一连杆、第二连杆、第五连杆、第三连杆构成了第一平行四边形机构；所述第四连杆的另一端与第六连杆的一端通过转动副C连接，所述第四连杆又与所述基座转动连接；所述第六连杆的另一端与所述连接三角板转动连接；连接后的所述第四连杆、第五连杆、连接三角板和第六连杆构成了第二平行四边形机构；所述第三连杆的另一端与第七连杆的一端转动连接；所述第七连杆与第八连杆的一端转动连接；所述第八连杆的另一端与所述连接三角板转动连接；连接后的所述第三连杆、第七连杆、第八连杆和连接三角板构成了第三平行四边形机构；所述末端执行器与第七连杆固接；三条结构相同的支链构成了并联部分，所述动平台由该并联部分带动实现三自由度运动；所述第一平行四边形机构、第二平行四边形机构和第三平行四边形机构构成了串联部分，串联部分将动平台的三自由度运动转化为末端执行器的二维平动和绕所述基座的一维转动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的三自由度混联机械手，在基座与末端执行器之间设有并联部分和串联部分，所述并联部分包括基座、动平台以及布置在所述基座与动平台之间的三条结构相同的支链。串联部分包括三个平行四边形机构，所述并联部分中的每条支链通过驱动电机带动滑块与基座相对移动，为动平台提供三个平动自由度输入。动平台与串联部分中的杆件虎克铰接，将动平台的三自由度运动转化为末端执行器的二维平动和绕基座的一维转动，实现空间三自由度定位。本发明中采用串并混联拓扑结构，其结构紧凑，减小了运动部件质量，增大了工作空间，提高了运动精度，易实现高速运动，是一种轻惯量、高功率密度的可实现高速运动的三自由度混联机械手。
附图说明
图1为本发明的整体机构示意图；
图2为本发明的支链中的虎克铰与架杆示意图；
附图标记：1-基座，2-滑块，3-下虎克铰，4-架杆，5-上虎克铰，6-内单叉，7-十字轴，8-外单叉，9-动平台，10-第一连杆，11-第二连杆，12-第四连杆，13-第五连杆，14-第三连杆，15-第六连杆，17-第七连杆，18-连接三角板，19-末端执行器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1和图2所示，本发明中提出的一种三自由度混联机械手,包括基座1、动平台9和末端执行器19，所述基座1与动平台9之间设有三条结构相同的支链，所述支链包括自基座1至动平台9依次相连的滑块2、下虎克铰3、架杆4和上虎克铰5。
所述滑块2与所述基座1通过移动副连接，所述下虎克铰3和上虎克铰5的结构相同，均由内单叉6、十字轴7和外单叉8组成；所述内单叉6和外单叉8均与所述十字轴7转动连接；所述下虎克铰3中的外单叉8与所述滑块2固接；所述上虎克铰5中的外单叉8与所述动平台9固接；所述架杆4的两端与上虎克铰5中的内单叉6和下虎克铰3中的内单叉6转动连接，所述滑块2与基座1之间的相对移动为所述动平台9提供三个平动自由度驱动输入。
所述动平台9虎克铰接第一连杆10，所述第一连杆10与第二连杆11和第三连杆14的一端转动连接，所述第二连杆11的另一端通过转动副A同时与第四连杆12、第五连杆13的一端连接；所述第三连杆14上的一点和第五连杆13的另一端通过转动副B同时与连接三角板18转动连接；连接后的所述第一连杆10、第二连杆11、第五连杆13、第三连杆14构成了第一平行四边形机构，所述平行四边形机构在转动副A处与第四连杆12转动连接，所述第四连杆12与所述基座1转动连接
所述第四连杆12的另一端与第六连杆15的一端通过转动副C连接，所述第四连杆12又与所述基座1转动连接；所述第六连杆15的另一端与所述连接三角板18转动连接；连接后的所述第四连杆12、第五连杆13、连接三角板18和第六连杆15构成了第二平行四边形机构。
所述第三连杆14的另一端与第七连杆17的一端转动连接；所述第七连杆17与第八连杆16的一端转动连接；所述第八连杆16的另一端与所述连接三角板18转动连接；连接后的所述第三连杆14、第七连杆17、第八连杆16和连接三角板18构成了第三平行四边形机构。所述末端执行器19与第七连杆17固接；
三条结构相同的支链构成了并联部分，所述动平台9由该并联部分带动实现三自由度运动；所述第一平行四边形机构、第二平行四边形机构和第三平行四边形机构构成了串联部分，串联部分将动平台9的三自由度运动转化为末端执行器19的二维平动和绕所述基座1的一维转动。
上述三自由度混联机械手由于采用了混联拓扑结构，故其结构紧凑，减小了运动部件质量，增大了工作空间，提高了运动精度，易实现高速运动。
本发明三自由度混联机械手中的三条结构相同的支链中，既可以是如上所述的虎克铰链接形式也可以是球铰链形式，还可以是两组平行等长的支链组成的平行四边形机构的形式。
在上述三自由度混联机械手结构的基础上，若末端执行器19改为可以绕第七连杆17转动，则构成了四自由度机械手的执行机构。
在上述三自由度混联机械手结构的基础上，若去除第四连杆12、第六连杆15，第八连杆16、第七连杆17和连接三角板18，则可以构成另一种形式的三自由度定位机构，在该三自由度定位机构的第三连杆14上加装一个三自由度手腕，就可以构成一六自由度混联机器人。
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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种三自由度定位机构,包括基座(1)和动平台(9)，其特征在于，所述基座(1)与动平台(9)之间设有三条结构相同的支链，所述支链包括自基座(1)至动平台(9)依次相连的滑块(2)、下虎克铰(3)、架杆(4)和上虎克铰(5)；
所述滑块(2)与所述基座(1)通过移动副连接，所述下虎克铰(3)和上虎克铰(5)的结构相同，均由内单叉(6)、十字轴(7)和外单叉(8)组成；所述内单叉(6)和外单叉(8)均与所述十字轴(7)转动连接；所述下虎克铰(3)中的外单叉(8)与所述滑块(2)固接；所述上虎克铰(5)中的外单叉(8)与所述动平台(9)固接；所述架杆(4)的两端与上虎克铰(5)中的内单叉(6)和下虎克铰(3)中的内单叉(6)转动连接，所述滑块(2)与基座(1)之间的相对移动为所述动平台(9)提供三个平动自由度驱动输入；
所述动平台(9)虎克铰接第一连杆(10)，所述第一连杆(10)与第二连杆(11)和第三连杆(14)的一端转动连接，所述第二连杆(11)的另一端通过转动副A与第五连杆(13)的一端连接；所述第三连杆(14)上的一点和第五连杆(13)的另一端通过转动副B转动连接；连接后的所述第一连杆(10)、第二连杆(11)、第五连杆(13)、第三连杆(14)构成了一平行四边形机构，所述平行四边形机构在转动副A处与第四连杆(12)转动连接，所述第四连杆(12)与所述基座(1)转动连接。
2.一种六自由度混联机械手，其特征在于，包括如权利要求1所述三自由度定位机构，其中，所述第三连杆(14)上设有三自由度手腕。
3.一种三自由度混联机械手,包括基座(1)、动平台(9)和末端执行器(19)，其特征在于，所述基座(1)与动平台(9)之间设有三条结构相同的支链，所述支链包括自基座(1)至动平台(9)依次相连的滑块(2)、下虎克铰(3)、架杆(4)和上虎克铰(5)；
所述滑块(2)与所述基座(1)通过移动副连接，所述下虎克铰(3)和上虎克铰(5)的结构相同，均由内单叉(6)、十字轴(7)和外单叉(8)组成；所述内单叉(6)和外单叉(8)均与所述十字轴(7)转动连接；所述下虎克铰(3)中的外单叉(8)与所述滑块(2)固接；所述上虎克铰(5)中的外单叉(8)与所述动平台(9)固接；所述架杆(4)的两端与上虎克铰(5)中的内单叉(6)和下虎克铰(3)中的内单叉(6)转动连接，所述滑块(2)与基座(1)之间的相对移动为所述动平台(9)提供三个平动自由度驱动输入；
所述动平台(9)虎克铰接第一连杆(10)，所述第一连杆(10)与第二连杆(11)和第三连杆(14)的一端转动连接，所述第二连杆(11)的另一端通过转动副A同时与第四连杆(12)、第五连杆(13)的一端连接；所述第三连杆(14)上的一点和第五连杆(13)的另一端通过转动副B同时与连接三角板(18)转动连接；连接后的所述第一连杆(10)、第二连杆(11)、第五连杆(13)、第三连杆(14)构成了第一平行四边形机构；
所述第四连杆(12)的另一端与第六连杆(15)的一端通过转动副C连接，所述第四连杆(12)又与所述基座(1)转动连接；所述第六连杆(15)的另一端与所述连接三角板(18)转动连接；连接后的所述第四连杆(12)、第五连杆(13)、连接三角板(18)和第六连杆(15)构成了第二平行四边形机构；
所述第三连杆(14)的另一端与第七连杆(17)的一端转动连接；所述第七连杆(17)与第八连杆(16)的一端转动连接；所述第八连杆(16)的另一端与所述连接三角板(18)转动连接；连接后的所述第三连杆(14)、第七连杆(17)、第八连杆(16)和连接三角板(18)构成了第三平行四边形机构；
所述末端执行器(19)与第七连杆(17)固接；
三条结构相同的支链构成了并联部分，所述动平台(9)由该并联部分带动实现三自由度运动；所述第一平行四边形机构、第二平行四边形机构和第三平行四边形机构构成了串联部分，串联部分将动平台(9)的三自由度运动转化为末端执行器(19)的二维平动和绕所述基座(1)的一维转动。
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