CN104875192A - 一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构 - Google Patents
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Abstract
一种机器人技术领域的完全各向同性三移动两转动混联机器人，包括：定平台、底平台和动平台以及连接两平台之间三条支链的(2T1R)并联机构、机构末端，其中：底平台由移动副1T与定平台连接，支链一是由两个移动副和两个轴线垂直的转动副及连杆组成，支链二由一个转动副一个移动副和三轴线平行的转动副和连杆连接组成。支链三是由一个移动副一个平行四边形铰链和三个转动副及连杆构成，动平台经转动副与机构末端连接。该机构中与底平台及机构末端连接的五个运动副为主动驱动，实现了三维移动和两维转动运动和主动关节速度与末端输出一对一控制，本发明运动解耦，完全各向同性具有优越的运动传递性能，可作为坐标测量机的末端执行机构。
Description
所属技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种完全各向同性三维移动两维转动五自由度混联机器人。
背景技术
混联机器人同时兼具串联机器人工作空间大、易控制，并联器人结构稳定、刚度大、误差积累少、动态性能好、易求得运动学反解等各自的优点，同时又能避免单纯串、并联构型缺点，在现代制造业中更具有实用性，己在焊接、喷漆、搬运、汽车装配、医疗等领域得到了应用。
由于混联机器人包涵并联结构，并联机构存在运动耦合性强的问题。混联机器人耦合性的存在使得机构在机构设计、计算分析和运动控制等方面存在着诸多问题。因此，为简化混联机器人的控制过程，提高混联机构的解耦性已经成为机构学研究领域的热点问题。
在五自由度混联机器人研究中，中国专利文献CN1524662A提出了非对称空间5自由度混联机器人接其优点是模块化设计，可实现即插即用。中国专利文献CN102133560A提出了一种多喷枪协同式喷涂五轴混联机器人，该种五轴混联喷涂机器人具有结构简单、制造容易、控制解耦、运动工作空间大、定位精度高等优点，上述发明机构虽然机构实现运动解耦，但是能够实现三维移动两维转动该类解耦混联机构十分稀少，大部分机构的解耦性以及运动各向同性并没有很好解决。
发明内容
本发明针对现有技术的空缺及不足，提供一种1T&(2T1R)&1R完全各向同性混联机器人，该机构在实现末端三维移动两维转动五自由度运动输出的同时还能具有完全各向同性及完全解耦的性能。
该机构主要由定平台、底平台和动平台以及连接两平台之间三条支链的(21R)并联机构、机构末端及连接它们之间的运动副组成。其中：底平台由移动副1T与定平台连接，支链一是由两个移动副和两个轴线垂直的转动副及连杆组成，支链二由一个转动副一个移动副和三轴线平行的转动副和连杆连接组成。支链三是由一个移动副一个平行四边形铰链和三个转动副及连杆构成，动平台经转动副1R与机构末端连接。
支链一中，第一个连杆的一端通过方向垂直于定平台的移动副与底平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中两移动副中心线相互垂直，第二个连杆两端的运动副中心线相互垂直，第三个连杆两端的转动副轴线相互垂直；
支链二中，第一个连杆通过轴线平行于底平台的转动副与底平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，第二个连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，该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，其中第一个连杆两端的运动副中心线方向相互垂直，第二个连杆的运动副中心线相互平行，第三、四个连杆两端的转动副轴线相互平行；
支链三中第一个连杆通过移动副与底平台连接，连杆另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，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第四个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与动平台连接，其中第一、二、三个连杆两端的运动副中心线相互平行，第四个连杆两端转动副轴线相互垂直；
支链二中与底平台连接的转动副轴线平行于定平台上移动副方向，支链三和定平台连接的移动副方向相互垂直且都平行于定平面，与机构末端连接的转动副轴线位于动平台中心。支链二中第二个连杆两端的运动副可以用圆柱副代替，支链三中平行四边形铰链可用与之平行的转动副代替。定平台连接的移动副为主动副，底平台连接的三个转动副为主动副，机构末端连接的转动副为主动副。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、该混联机构属于在并联结构基础上串接运动副的结构形式，实现了三移二转五自由度运动，结构较为简单，成本低且易于装配。
2、各支链中各含有一个主动副且位于平台上降低了运动惯性，具有良好的运动特性；
3、该机构末端运动雅克比矩阵为5×5单位矩阵，具有完全各向同性且完全解耦，输入输出间具有一对一的控制关系，在机构转动的同时不产生伴随移动，且具有良好的力学传递性能；
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
一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构，如图1、2所示，定平台1通过方向平行于静平面的移动副P1与底平台2连接，动平台14通过三条支链与底平台2连接，机构末端15通过转动副R4与动平台连接。底平台2、上平台14以及连接两平台间的三条支链组成(2T1R)并联机构。支链一中，第一个连杆3的一端通过方向垂直于定平台1的移动副P11与底平台2连接，连杆3的另一端通过移动副P12与第二个连杆4连接，连杆4另一端通过转动副R11与第三个连杆5连接，连杆5另一端通过转动副R12与动平台14连接，其中两移动副P11、P12中心线相互垂直，第二个连杆4两端的运动副P12、R11中心线相互垂直，第三个连杆5两端的转动副R11、R12轴线相互垂直；
支链二中，第一个连杆6通过轴线平行于定台1的转动副R21与底平台2连接，连杆6另一端通过移动副P21与第二个连杆7连接，连杆7另一端通过转动副R22与第三个连杆8连接，连杆8的另一端通过转动副R23与第四个连杆9连接，连杆9另一端通过转动副R24与动平台连接，其中第一个连杆6两端的运动副R21、P21中心线方向相互垂直，第二个连杆7的运动副P21、R22中心线相互平行，第三、四个连杆两端的转动副R22、R23、R24轴线相互平行；
支链三中第一个连杆10通过移动副P31与底平台2连接，连杆10另一端通过平行四边形铰链Pa31与第二个连杆11连接，连杆11另一端转动副R31与第三个连杆12连接，连杆12的另一端通过转动副R32与第四个连杆13连接，连杆13的另一端通过转动副R33与动平台连接，其中第一、二、三个连杆两端的运动副P31、Pa31、R31、R32中心线相互平行，第四个连杆两端转动副R32、R33轴线相互垂直；
上述支链中移动副P1、P11、P31相互垂直，转动副R21、R12、R33轴线相互平行，转动副R24、R31、R32轴线相互平行，转动副R4轴线垂直于动平台且位于动平台中心位置。
定平台连接的移动副P1为主动副，控制机构沿P1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；支链一中主动副为移动副P11控制机构沿P11方向的移动，其驱动机构可通过气缸或液压缸，支链二中主动副为转动副R21，控制机构绕R12轴线的转动，可通过伺服电机驱动；支链三中主动副为移动副P31，控制机构沿P31方向的移动，可通过直线伺服电机或电机带动丝杆机构；机构末端连接的转动副R4为主动副为，控制机构绕R4轴线的转动，可通过伺服电机驱动。最终实现该机构三移二转五自由度运动输出，完全解耦且具有完全各向同性。
Claims (4)
1.一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：一个(2T1R)并联机构分别在底平台上串接一个移动副1T和在动平台上串接一个转动副1R组成1T&(2T1R)&1R混联机构，其中(2T1R)并联机构由底平台、动平台以及连接两平台间的三条支链组成。支链一中，第一个连杆的一端通过方向垂直于定平台的移动副与底平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中两移动副中心线相互垂直，第二个连杆两端的运动副中心线相互垂直，第三个连杆两端的转动副轴线相互垂直；支链二中，第一个连杆通过轴线平行于底平台的转动副与底平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，第二个连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，该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的运动副中心线方向相互垂直，第二个连杆的运动副中心线相互平行，第三、四个连杆两端的转动副轴线相互平行；支链三中第一个连杆通过移动副与底平台连接，连杆另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，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第四个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与动平台连接，其中第一、二、三个连杆两端的运动副中心线相互平行，第四个连杆两端转动副轴线相互垂直。
2.按照权利要求1所述的一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：支链二中与底平台连接的转动副轴线平行于定平台上移动副方向，支链三和定平台连接的移动副方向相互垂直且都平行于定平面，与机构末端连接的转动副轴线位于动平台中心。
3.按照权利要求1所述的一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：上述支链二中第二个连杆两端的运动副可以用圆柱副代替，支链三中平行四边形铰链可用与之平行的转动副代替。
4.按照权利要求1所述的一种三移动两转动完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：定平台连接的移动副为主动副，底平台连接的三个转动副为主动副，机构末端连接的转动副为主动副。
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