CN106346445B - 一种能够实现高速运动的四自由度并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够实现高速运动的四自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的具有相同结构的四条支链，每条支链均含有一个主动驱动装置；所述的动平台包括第一子平台、第二子平台以及两平台之间的连接机构；所述的四条支链中第一、二、三支链连接所述的定平台和第一子平台，第四支链连接所述的定平台和第二子平台；所述的四条支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过四条支链的运动可以实现空间内末端执行器的三维平动和一维转动运动。本发明的动平台结构简单、输出转角范围较大，不需要辅以放大机构扩大转角范围，降低了动平台的质量，极大地提高了机构的动态响应特性。

Description

一种能够实现高速运动的四自由度并联机器人机构
技术领域
本发明属于工业机器人领域，特别是涉及一种能够实现高速运动的三平移一转动的四自由度并联机器人机构。
背景技术
三平移一转动并联机器人机构因具有串联机器人机构所不具有的优势，已被广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域的自动化生产线搬运和制造装配作业。
现有专利CN102689305A、CN102642205A、CN103846909A、CN102229141A、CN102922511A和CN103753521A所公开的可实现三维平动一维转动的并联机器人机构，包括定平台、动平台和连接两平台的四条支链。上述机构中为实现绕垂直于动平台的轴线的转动自由度，在动平台的设计上做足了工夫。专利CN102689305A、
CN102642205A、CN103846909A中机构的动平台被设计成能够相对运动的两部分，并巧妙的利用两部分的相对运动转化成末端执行器的转动自由度；专利CN102229141A将动平台设计成菱形结构，利用其沿对角线方向的相对拉伸和压缩的变形运动转变为输出运动；专利CN102922511A中机构动平台与四条支链之间的四个转动副或移动副互相平行且在所述动平台上呈非正方形布置，有效的避免了机构的奇异；专利CN103753521A中机构动平台包括分别与两组相邻支链的下连接轴连接的两个子平台以及在两子平台之间设有的导向机构和角度转换机构，所述的角度转换机构即是将齿条平动转化成齿轮的转动从而实现末端执行器的转动自由度，该机构结构相对较紧凑、传动精度较高。但这些机构的动平台或者结构复杂，或者含有较多的运动副，或者应用了质量较大的齿轮或滚珠丝杠等角度转换或放大机构，不利于实现高速运动。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提出一种能够实现高速运动的三平移一转动的四自由度并联机器人机构。
实现上述目的的技术方案为:一种能够实现高速运动的四自由度并联机器人机构，该机构包括定平台、动平台以及连接于定平台和动平台之间的四条支链；所述动平台包括第一子平台和第二子平台，第一子平台和第二子平台相互平行且水平设置，第一子平台与第二子平台之间通过第一转动副连接，所述第一转动副的轴线垂直于第一子平台；末端执行器固结于第二子平台上；所述四条支链中，第一支链、第二支链和第三支链连接所述定平台和第一子平台，第四支链连接所述定平台和第二子平台；所述四条支链均包括主动驱动装置和四边形机构；所述主动驱动装置包括电机和驱动杆；所述四边形机构中相对设置的两个连杆等长，四个连杆依次通过球面副连接，四边形机构通过相对设置的两个连杆分别与主驱动装置中的驱动杆和动平台连接。
一种优选方案，所述电机的转动轴线均水平设置，且第一支链、第三支链和第四支链中的电机转动轴线相互平行，第二支链中的电机转动轴线与第四支链中的电机转动轴线垂直；第四支链与第二子平台通过第二转动副连接，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线相互平行。
另一种优选方案，第一支链、第二支链和第三支链中的电机转动轴线均水平设置，第一支链和第三支链中的电机转动轴线相互平行，且第二支链中的电机转动轴线垂直于第一支链和第三支链中的电机转动轴线；第四支链中的电机转动轴线垂直设置；第四支链与第二子平台固连
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明中动平台仅仅包含一个或两个转动副，没有使用移动副，避免了受力不均匀，摩擦力大等不足，并且动平台没有使用质量较大的齿轮或滚珠丝杠等角度转换或放大机构，降低了动平台的质量，极大地提高了机构的动态响应特性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图4为本发明实施例1的动平台的结构示意图。
图5为本发明实施例2的动平台的结构示意图。
图6为本发明实施例3的动平台的结构示意图。
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的内容和特点，结合附图和优选实施例对本发明作详细说明，这里不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明所述能够实现高速运动的三平移一转动的四自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的具有相同结构的四条支链；所述的动平台包括第一子平台8、第二子平台9以及两子平台之间的连接机构和固结于第二子平台9的末端执行器，其中两子平台之间通过转动副连接，并由第二子平台9的转动提供末端执行器绕垂直于第一子平台8的轴线的转动自由度；第一、二、三支链连接所述的定平台和第一子平台8，所述的四条支链中第一、二、三支链连接所述的定平台和第一子平台8并形成DELTA机构，第四支链连接所述的定平台和第二子平台9；所述的第四支链同第二子平台9连接后的机构可重构性强，可实现多种构型；所述的四条支链均包括：主动驱动装置、四边形机构以及运动副；所述的主动驱动装置可以是连杆或者滑块；所述的四边形机构包括上下两个等长的短连杆和左右两个等长的长连杆，其中短连杆和长连杆之间通过球面副连接成封闭环机构；所述的四条支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过四条支链的运动可以实现空间内末端执行器的三维平动和一维转动运动。
本发明利用第一、二、三支链连接所述的定平台和第一子平台8后形成的DELTA机构将第一子平台8的三个转动自由度约束掉；利用第四支链的运动实现第二子平台9绕垂直于第一子平台8的轴线的转动自由度，并以此作为末端执行器的输出。
本发明可以通过改变第四支链的布置方式以及第四支链同第二子平台9的构型连接关系实现机构的三平移一转动运动改善机构的性能。
本发明还可以通过改变各支链的主动驱动方式实现机构的的三平移一转动运动。
实施例1
如图1和图4所示，是一种三平移一转动的四自由度并联机器人机构，包括定平台1、动平台7以第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ，所述的四条支链分别连接在定平台1和动平台7之间，并具有相同的结构；所述的动平台7包括第一子平台8和第二子平台9，两平台之间通过转动副12a连接；末端执行器11固结于所述的第二子平台9上；所述的四条支链中第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ连接所述的定平台1和第一子平台8，且分别与第一子平台8的三个连接端连接；第四支链Ⅳ连接所述的定平台1和第二子平台9。
所述的四条支链均包括：主动驱动装置、四边形机构以及运动副；所述的主动驱动装置包括电机2和驱动杆3；所述的四边形机构包括两个等长的上短连杆4a和下短连杆4b以及两个等长的左长连杆6a和右长连杆6b，其中上短连杆4a和两长连杆之间通过球面副5a和球面副5b连接，下短连杆4b和两长连杆之间通过球面副5c和球面副5d连接，四根连杆成封闭环机构；所述的上短连杆4a与所述的驱动杆3固连，且上短连杆4a的轴线与驱动杆3的转动轴线相互平行；所述的四条支链分别与定平台1以及动平台7连接形成一个空间并联闭环机构，通过四条支链的运动可以实现空间内末端执行器11的三维平动和一维转动运动。
所述电机的转动轴线均水平设置，且第一支链Ⅰ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ中的电机转动轴线相互平行，第二支链Ⅱ中的电机转动轴线与第四支链Ⅳ中的电机转动轴线垂直；所述的第四支链Ⅳ中的下短连杆4b4平行于第一子平台8，且与连杆10固连，所述的连杆10与第二子平台9之间通过转动副12b连接，所述的转动副12b的轴线与转动副12a的轴线相互平行。
实施例2
如图2和图5所示，本实施例与实施例1区别在于，第四支链Ⅳ中的下短连杆4b4直接通过转动副12b与第二子平台9连接，同时保持其他模块不变。通过上述改变后，本实施例中的第二子平台9所受到的扭矩将会减小，机构的力学性能将会改善。
实施例3
如图3和图6所示，本实施例与实施例2类似，第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ的结构相同并连接在定平台1和动平台71之间形成一个空间并联闭环机构，其中第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ连接所述的定平台1和第二子平台8，第四支链Ⅳ连接所述的定平台1和第二子平台9，第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ中的电机转动轴线均水平设置，第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ中的电机转动轴线相互平行，且第二支链Ⅱ中的电机转动轴线垂直于第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ中的电机转动轴线。不同点在于：第四支链Ⅳ中的电机转动轴线垂直设置；第四支链Ⅳ中的下短连杆4b4垂直于第一子平台8，且直接与第二子平台9固连。本实施例中动平台71只含有一个转动副12，其结构更加简单。
本发明还可以将所述的四条支链的驱动方式由转动副主动驱动的驱动形式改变为移动副主动驱动的驱动形式，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种能够实现高速运动的四自由度并联机器人机构，其特征在于，包括定平台、动平台以及连接于定平台和动平台之间的四条支链；
所述动平台包括第一子平台和第二子平台，第一子平台和第二子平台相互平行且水平设置，第一子平台与第二子平台之间通过第一转动副连接，所述第一转动副的轴线垂直于第一子平台；末端执行器固结于第二子平台上；
所述四条支链中，第一支链、第二支链和第三支链连接所述定平台和第一子平台，第四支链连接所述定平台和第二子平台；
所述四条支链均包括主动驱动装置和四边形机构；所述主动驱动装置包括电机和驱动杆；所述四边形机构中相对设置的两个连杆等长，四个连杆依次通过球面副连接，四边形机构通过相对设置的两个连杆分别与主驱动装置中的驱动杆和动平台连接。
2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述电机的转动轴线均水平设置，且第一支链、第三支链和第四支链中的电机转动轴线相互平行，第二支链中的电机转动轴线与第四支链中的电机转动轴线垂直；第四支链与第二子平台通过第二转动副连接，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线相互平行。
3.如权利要求1所述的机构，其特征在于，第一支链、第二支链和第三支链中的电机转动轴线均水平设置，第一支链和第三支链中的电机转动轴线相互平行，且第二支链中的电机转动轴线垂直于第一支链和第三支链中的电机转动轴线；第四支链中的电机转动轴线垂直设置；第四支链与第二子平台固连。
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