CN104875190A

CN104875190A - 一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构

Info

Publication number: CN104875190A
Application number: CN201510257142.0A
Authority: CN
Inventors: 曹毅; 秦友蕾; 陈海; 丁锐; 李保坤
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明涉及一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构。该机构由一个2T2R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一是由一个移动副、四个转动副以及连接它们之间的四个连杆构成；支链二是由一个转动副、一个移动副、三个轴线平行的转动副和连接它们之间的四个连杆组成；支链三和支链二构型相同；支链四是由两方向相互垂直的移动副、两个轴线垂直的转动副及三个连杆组成。定平台连接的运动副以及与末端连接的转动副为主动副，所述机构可作为混联机器人或机械手的执行机构，实现两维移动和三维转动五自由度抓取或其他操作动作。该设计运动完全解耦、易控制，响应速度快。

Description

一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构

所属技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种两移动三转动五自由度完全解耦混联机器人机构。

背景技术

空间机构学的发展经历了从串联机构到并联机构再到混联机构的发展过程，混联机器人是指至少一个并联机构和一个或多个串联机构按照一定的方式组合在一起具有确定运动的复杂机械***。同时兼具串联机器人工作空间大、易与控制，并联机器人结构稳定、刚性好；累积误差小，动态性能好，精度高各自的优点。

在混联机器人机构研究中，五自由度混联机器人得到广泛关注，学者们发明了许多新构型，如国家发明专利文献CN102672709A、CN101049692、CN102699898A，但很多混联机构都是基于Tricept并联机构模型，同时对于解耦性混联机构研究取得一些新进展，例如，中国专利文献CN102085660、CN102172913A分别提出了一种三、四自由度解耦混联联机构，机构均包含了两条支链并联机构，解决了运动耦合性。但是检索发现对五自由度各向同性及解耦的混联机构研究目前尚属空白，因此设计结构简单、结构紧凑、运动灵活、制造成本低、解耦性好、力传递性能好的混联机构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动完全解耦，易于控制的输出为两移动三转动混联机器人机构，用以解决现有技术中五自由度混联机器人机构运动耦合，运动不易控制的问题。

该机构由一个2T2R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一是由一个移动副、四个转动副以及连接它们之间的四个连杆构成；支链二由一个转动副、一个移动副、三个轴线平行的转动副和连接它们之间的四个连杆组成；支链三和支链二构型相同。支链四是由两方向相互垂直的移动副、两个轴线垂直的转动副及三个连杆组成。定平台连接的运动副以及与末端连接的转动副为主动副。

支链一中，第一个连杆的一端通过移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第一、二、三个连杆两端的运动副轴线相互平行，第四个连杆两端的转动轴线垂直。

支链二、三中，第一个连杆的一端通过转动副与定平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中第一个连杆两端运动副中心线相互垂直、第二、三、四个连杆两端运动副轴线相互平行。

支链四中第一个连杆通过移动副与定平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，连杆另一端转动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与动平台连接，其中第一个连杆两端的移动副中心线相互垂直，第二个连杆两端运动副轴线垂直，第三个连杆两端转动副轴线垂直。

上述支链一移动副和支链四中与定平台连接的移动副中心线垂直，支链二、三中与定平台连接的转动副轴线相互垂直，支链一、三中与动平台连接的转动副轴线共线，支链二、四中与动平台连接的转动副轴线共线，机构末端的转动副轴线垂直于动平台且位于动平台中心位置。支链一中第一个连杆两端的运动副可以用圆柱副代替，支链二、三中第二个连杆两端运动副可用圆柱副代替；上述支链四中第三个连杆两端的转动副可以用虎克铰代替。四个支链中与定平台连接的四个运动副为主动副，机构末端与动平台间的转动副为主动副。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、该混联机器人末端可实现两维移动和三维转动五自由度运动输出，由一个四条支链的并联机构和一个转动副串联构成，结构简单稳定，刚性好，同时并联机构中各支链中各含有一个主动副且位于定平台降低了运动惯性，具有良好的运动特性；

2、该机构末端运动雅克比矩阵为5×5对角矩阵，运动完全解耦，实现了运动输入输出间一对一的控制关系，具有良好的控制性；

3、本结构较为简单，易于加工制造和装配，可应用于高精度、高速度领域，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的立体示意简图。

图2是整体示意结构简图。

具体实施方式

一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构，如图1、2所示，该机构由一个2T2R并联机构串接一个转动副R₁组成。并联机构由定平台、动平台16以及连接两平台间的四条支链组成。

支链一中，第一个连杆1的一端通过移动副P11与定平台滑槽连接，连杆1的另一端通过转动副R₁₁与第二个连杆2连接，连杆2另一端通过转动副R₁₂与第三个连杆3连接，连杆3通过转动副R₁₃与第四个连杆4连接，连杆4另一端通过轴线平行于动平台的转动副R14与动平台16连接，其中移动副P₁₁中心线和转动副R₁₁、R₁₂、R₁₃轴线相互平行，第四个连杆4两端的转动R₁₃、R₁₄副轴线垂直；

支链二中，第一个连杆5的一端通过转动副R₂₁与定平台连接，连杆5的另一端通过移动副P₂₁与第二个连杆6连接，第二个连杆6的另一端通过转动副R₂₂与第三个连杆7连接，连杆7另一端通过转动副R₂₃与第四个连杆8连接，连杆8另一端通过转动副R₂₄与动平台16连接，其中第一个连杆5两端转动副R₂₁轴线和移动副P₂₁中心线相互垂直、第二、三、四个连杆两端转动副R₂₂、R₂₃、R₂₄轴线相互平行；

支链三中，第一个连杆9的一端通过转动副R₃₁与定平台连接，连杆9的另一端通过移动副P₃₁与第二个连杆10连接，第二个连杆10的另一端通过转动副R₃₂与第三个连杆11连接，连杆11另一端通过转动副R₃₃与第四个连杆12连接，连杆12另一端通过转动副R₃₄与动平台16连接，其中第一个连杆9两端转动副R₃₁轴线和移动副P₃₁中心线相互垂直、第二、三、四个连杆两端转动副R₃₂、R₃₃、R₃₄轴线相互平行；

支链四中第一个连杆13通过移动副P₄₁与定平台连接，连杆13另一端通过移动副P₄₂与第二个连杆14连接，连杆14另一端转动副R₄₁与第三个连杆15连接，连杆15的另一端通过转动副R₄₂与动平台16连接，其中第一个连杆13两端的移动副P₄₁、P₄₂中心线相互垂直，第二个连杆两端运动副P₄₂、R₄₁轴线垂直，第三个连杆15两端转动副R₄₁、R₄₂轴线垂直。

上述支链一移动副P₁₁和支链四移动副P₄₁中心线垂直且都平行于定平面，支链二、三中与定平台连接的转动副R₂₁、R₃₁轴线相互垂直，支链一、三中与动平台16连接的转动副R₁₄、R₃₄轴线共线，支链二、四中与动平台16连接的转动副R₂₄、R₄₂轴线共线，机构末端的转动副R₁轴线垂直于动平台16且位于动平台中心位置。

支链一中移动副P₁₁为的输入驱动，控制机构沿移动副P₁₁方向的移动，其驱动机构可通过直线伺服电机或电机带动丝杆机构；支链二中转动副R₂₁为的输入驱动，控制机构绕R₁₄轴线的转动，其驱动机构可通过伺服电机驱动；支链三中转动副R₃₁为的输入驱动，控制机构绕R24轴线的转动，其驱动机构可通过伺服电机驱动；支链四中移动副P₄₁为的输入驱动，控制机构沿移动副P₁₁方向的移动，其驱动机构可通过直线伺服电机或电机带动丝杆机构；最终实现该机构两移动三转动一对一的输入与输出运动关系。

Claims

1.一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构，其特征在于：该机构由一个2T2R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一中，第一个连杆的一端通过移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第一、二、三个连杆两端的运动副轴线相互平行，第四个连杆两端的转动轴线垂直；支链二、三中，第一个连杆的一端通过转动副与定平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中第一个连杆两端运动副中心线相互垂直、第二、三、四个连杆两端运动副轴线相互平行；支链四中第一个连杆通过移动副与定平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，连杆另一端转动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与动平台连接，其中第一个连杆两端的移动副中心线相互垂直，第二个连杆两端运动副轴线垂直，第三个连杆两端转动副轴线垂直。

2.按照权利要求1所述的一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构，其特征在于：上述支链一移动副和支链四中与定平台连接的移动副中心线垂直，支链二、三中与定平台连接的转动副轴线相互垂直，支链一、三中与动平台连接的转动副轴线共线，支链二、四中与动平台连接的转动副轴线共线，机构末端的转动副轴线垂直于动平台且位于动平台中心位置。

3.按照权利要求1所述的一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构，其特征在于：上述支链一中第一个连杆两端的运动副可以用圆柱副代替，支链二、三中第二个连杆两端运动副可用圆柱副代替；上述支链四中第三个连杆两端的转动副可以用虎克铰代替。

4.按照权利要求1所述的一种两移动三转动完全解耦混联机器人机构，其特征在于：上述四个支链中与定平台连接的四个运动副为主动副，机构末端与动平台间的转动副为主动副。