CN110815182A - 一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构，包括静平台、动平台、末端执行器、并联在静平台和动平台之间的三条支链以及并联连接在动平台和末端执行器之间的三条支链；所述并联连接在静平台和动平台之间的三条支链中有两条支链为双驱动支链，一条为单驱动支链；所述双驱动支链包括主驱动支链和设置在主驱动支链上的副驱动支链；所述并联连接在动平台和末端执行器之间的三条支链中有一条为被动支链，该支链通过虎克铰将动平台和末端执行器直接连接在一起。本发明实现了并联机构的三平移两转动的五自由度运动。

Description

一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构。

背景技术

高速并联机器人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、分拣和装配等作业。传统的Delta机构只有三个或四个自由度，导致其应用领域受到了一定的限制，无法满足现代柔性自动化生产线的需求。

专利CN108326832A将均布在固定平台四周的四条支链分成两组并分别连接在上下动平台上，利用上下动平台的位移变化并通过齿条齿轮机构带动末端执行器摆动。该机构在动平台和固定平台的中间布置一条传动支链，给末端执行器传递绕垂直轴方向的转动。因此，专利CN108326832A能实现三维平动和两维转动(绕垂直方向的转动和水平轴的摆动)。由于该机构有四条支链共同连接在上下动平台上，导致该机构各方向的运动耦合性较强且工作空间小。

专利CN103350417B提出一种可实现三维平动二维转动的并联机构，该机构有五条独立的支链并联连接在动平台和固定平台之间，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，中心板在三条支链的带动下实现三维平动，摇杆在另外两条支链带动下通过虎克铰实现相对于中心板的二维转动，从而使摇杆既有三个平动自由度，又有两个转动自由度。该机构结构简单紧凑，利用虎克铰巧妙的实现了五自由度，降低了机构复杂性。由于并联机构的三维平动运动工作空间实际上是各条支链运动空间的交集，该机构中控制摇杆摆动的支链是直接通过独立布置在动平台和固定平台之间的支链驱动，因此其工作空间受5条运动支链的约束，这将会减小其运动的工作空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构，以实现并联机构的三平移两转动的五自由度运动。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构，包括静平台、动平台、末端执行器、并联连接在静平台和动平台之间的三条支链；所述三条支链中有两条支链为双驱动支链，一条为单驱动支链；所述双驱动支链包括主驱动支链和设置在主驱动支链上的副驱动支链；所述末端执行器与动平台之间通过虎克铰相连；

所述主驱动支链包括驱动电机、减速器、第一主动臂和从动臂组件，并依次连接在一起；所述从动臂组件与动平台相连，所述驱动电机、减速器固定在静平台上，所述第一主动臂一端通过转动副与减速器连接，所述驱动电机通过减速器驱动第一主动臂4转动；

所述从动臂组件包括上连杆、下连杆、以及并联连接在上连杆和下连杆之间的两根连接杆；所述两根连接杆的两端分别与上连杆和下连杆铰接，形成四边形机构；所述上连杆和下连杆的长度相等；两根连接杆的长度相等；所述第一主动臂与上连杆中间相连，所述动平台与从动臂组件中下连杆的中间相连；所述上连杆的轴线与第一主动臂4转动副轴线平行；

所述副驱动支链包括驱动电机、减速器、第二主动臂、拉杆、第一连接件、从动杆和第二连接件；所述副驱动支链中的驱动电机和减速器固定在静平台上；所述第二主动臂一端通过转动副与静平台连接，所述驱动电机通过减速器驱动第二主动臂，转动轴线与该主驱动支链的第一主动臂转动轴线平行；所述第二主动臂另一端通过转动副与拉杆连接，拉杆另一端通过转动副与第一连接件相连，第一连接件通过转动副与第一主动臂相连，第二主动臂、拉杆以及第一连接件上的这些转动副轴线与该主驱动支链的第一主动臂转动轴线平行；第一连接件的另一端与从动连杆铰接，从动连杆另一端与第二连接件铰接；所述第二连接件与动平台通过转动副连接，转动副轴线平行于对应从动臂组件下连杆的轴线；所述第二连接件和末端执行器之间通过连杆相连；所述连杆两端通过球铰分别与连接件和末端执行器相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：利用双驱动支链中的副驱动支链控制末端执行器的摆动，实现了平移和转动运动的部分解耦。另外，本发明机构中副驱动支链是依附在主驱动支链上，因此机构中对动平台的约束支链的数量仅为三条，使得机构具有更大的工作空间。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1的结构示意图。

图1(b)为本发明实施例1动平台的结构示意图。

图2(a)为本发明实施例2的结构示意图。

图2(b)为本发明实施例2动平台的结构示意图。

图3(a)为本发明实施例3的结构示意图。

图3(b)为本发明实施例3动平台的结构示意图。

图4(a)为本发明实施例4的结构示意图。

图4(b)为本发明实施例4动平台的结构示意图。

图5(a)为本发明实施例5的结构示意图。

图5(b)为本发明实施例5动平台的结构示意图。

图6(a)为本发明实施例6的结构示意图。

图6(b)为本发明实施例6动平台的结构示意图。

图6(c)为本发明实施例6四边形机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

结合图1(a)、1(b)，本实施例的一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构，包括静平台1、动平台18、末端执行器23、并联连接在静平台1和动平台18之间的三条支链以；并联连接在静平台1和动平台18之间的三条支链中有两条支链为双驱动支链，一条为单驱动支链；双驱动支链包括主驱动支链和设置在主驱动支链上的副驱动支链；所述末端执行器23与动平台18之间通过虎克铰22相连。

并联连接在静平台1和动平台18之间的三条支链中，第一支链为单驱动支链I，包括驱动电机3、减速器2、第一主动臂4和从动臂组件，并依次连接在一起；从动臂组件与动平台18相连，驱动电机3、减速器2固定在静平台1上，第一主动臂4一端通过转动副与减速器2连接，驱动电机3通过减速器2驱动第一主动臂4转动。

从动臂组件采用空间4S四边形机构，包括上连杆6、下连杆8以及并联连接在上连杆6和下连杆8之间的两根连接杆7a和7b；上连杆6和下连杆8的长度相等，两根连接杆7a和7b的长度相等；连接杆7a和7b与上连杆6和下连杆8之间通过球铰连接，形成四边形机构；第一主动臂4与上连杆6固连，下连杆8与动平台18固连，上连杆6的轴线与第一主动臂4转动副轴线平行。

并联连接在静平台1和动平台18之间的三条支链中，第二、三支链为两条结构相同的双驱动支链II、III，双驱动支链包括主驱动支链和设置在主驱动支链上的副驱动支链，主驱动支链与单驱动支链I的结构相同。副驱动支链包括驱动电机3、减速器2、第二主动臂10、拉杆11、第一连接件12、从动杆14和第二连接件16；副驱动支链中的驱动电机3和减速器2固定在静平台1上；第二主动臂10一端通过转动副与静平台1连接，驱动电机3通过减速器2驱动第二主动臂10，转动轴线与该主驱动支链的第一主动臂4转动轴线平行；第二主动臂10另一端通过转动副与拉杆11连接，拉杆11另一端通过转动副与第一连接件12相连，第一连接件12通过转动副与第一主动臂4相连，第二主动臂10、拉杆11以及第一连接件12上的这些转动副轴线与该主驱动支链的第一主动臂4转动轴线平行；第一连接件12的另一端与从动连杆14通过球铰相连，从动连杆14另一端与第二连接件16通过球铰相连；第二连接件16与动平台18通过转动副连接，转动副轴线平行于从动臂组件下连杆8的轴线；从动连杆14的轴线与连接杆7a和7b的轴线平行。所述第二连接件16和末端执行器23之间通过连杆20相连；所述连杆20两端通过球铰分别与连接件16和末端执行器23相连。

本实施例中，三条第一主动臂4与静平台1连接的转动副水平布置，并且两两相隔120°均匀布置。通过驱动三条第一主动臂4可以实现动平台18的三维平动，通过驱动两条第二主动臂10可以实现末端执行器23相对于动平台18的二维转动，从而实现末端执行器23的五自由度运动。

实施例2

本实施例的结构如图2(a)、2(b)所示，不同于实施例1，本实施例双驱动支链II、III中的从动连杆14与空间四边形机构中的两根连接杆7a和7b交叉布置，即空间四边形机构中的两根连接杆7a和7b在垂直于第一主动臂4转动副轴线的平面上的投影线相互重合，并且该投影线与从动连杆14在垂直于第一主动臂4转动副轴线的平面上的投影线相互交叉。

实施例3

本实施例的结构如图3(a)所示，本实施例与实施例1的区别在于：动平台18的布置方式不同。

如图3(b)所示，动平台18的中心处有开孔，虎克铰22的主动端固连在动平台18中心，并且主动端轴线与动平台18的中心平面重合，末端执行器23穿过动平台18中心并与虎克铰22的被动端固连，连杆20布置在动平台18的上方并且两端通过球铰分别与第二连接件16和末端执行器23相连。

实施例4

本实施例的结构如图4(a)所示，本实施例与实施例1的区别在于：第一支链I和第三支链III中两条第一主动臂4与静平台1连接的转动副水平布置，该两条第一主动臂4构成的平面与第二支链II中第一主动臂4与静平台1连接的转动副正交布置。双驱动支链II中的从动连杆14与空间四边形机构中的两连接杆7a和7b交叉布置，双驱动支链III中的从动连杆14与空间四边形机构中的两连接杆7a和7b平行布置。

如图4(b)所示，由于第一、三支链I、III与第二支链II为正交布置，故第一、三支链I、III中的下连杆8布置在水平面内，且轴线相互平行；第二支链II中的下连杆8布置在竖直平面内，其余构件及连接方式均与实施例1相同。

实施例5

本实施例的结构如图5(a)所示，本实施例与实施例4的区别在于：第二支链II和第三支链III中两条第一主动臂4与静平台1连接的转动副竖直布置，该两条第一主动臂4构成的平面与第一支链I中第一主动臂4与静平台1连接的转动副正交布置。双驱动支链II、III中的从动连杆14与空间四边形机构中的两连接杆7a和7b均为平行布置。

如图5(b)所示，由于第二、三支链II、III与第一支链I为正交布置，故第二、三支链II、III中的下连杆8布置在竖直面内，且轴线相互平行；第一支链I中的下连杆8布置在水平面内，其余构件及连接方式均与实施例4相同。

实施例6

本实施例的结构如图6(a)、6(b)所示，本实施例与实施例5的区别在于：从动臂组件采用平面4R四边形机构，如图6(c)所示，连接杆7a和7b与上连杆6和下连杆8之间通过转动副连接；第一主动臂4与上连杆6通过转动副连接，该转动副的轴线平行于第一主动臂4与静平台1相连的转动副的轴线；下连杆8与动平台18通过转动副连接，该转动副的轴线与下连杆8的轴线重合；运动效果与空间4S机构四边形相同，其余构件及连接方式均与实施例5相同。

Claims (7)

1.一种含双驱动复合支链的五自由度并联机构，包括静平台(1)、动平台(18)、末端执行器(23)、并联连接在静平台(1)和动平台(1)之间的三条支链；其特征在于，所述三条支链中有两条支链为双驱动支链，一条为单驱动支链；所述双驱动支链包括主驱动支链和设置在主驱动支链上的副驱动支链；所述末端执行器(23)与动平台(18)之间通过虎克铰(22)相连；

所述主驱动支链包括驱动电机(3)、减速器(2)、第一主动臂(4)和从动臂组件，并依次连接在一起；所述从动臂组件与动平台(18)相连，所述驱动电机(3)、减速器(2)固定在静平台(1)上，所述第一主动臂(4)一端通过转动副与减速器(2)连接，所述驱动电机(3)通过减速器(2)驱动第一主动臂(4)转动；

所述从动臂组件包括上连杆(6)、下连杆(8)、以及并联连接在上连杆(6)和下连杆(8)之间的两根连接杆；所述两根连接杆的两端分别与上连杆(6)和下连杆(8)铰接，形成四边形机构；所述上连杆(6)和下连杆(8)的长度相等；两根连接杆的长度相等；所述第一主动臂(4)与上连杆(6)中间相连，所述动平台(18)与从动臂组件中下连杆(8)的中间相连；所述上连杆(6)的轴线与第一主动臂(4)转动副轴线平行；

所述副驱动支链包括驱动电机(3)、减速器(2)、第二主动臂(10)、拉杆(11)、第一连接件(12)、从动杆(14)和第二连接件(16)；所述副驱动支链中的驱动电机(3)和减速器(2)固定在静平台(1)上；所述第二主动臂(10)一端通过转动副与静平台(1)连接，所述驱动电机(3)通过减速器(2)驱动第二主动臂(10)，转动轴线与该主驱动支链的第一主动臂(4)转动轴线平行；所述第二主动臂(10)另一端通过转动副与拉杆(11)连接，拉杆(11)另一端通过转动副与第一连接件(12)相连，第一连接件(12)通过转动副与第一主动臂(4)相连，第二主动臂(10)、拉杆(11)以及第一连接件(12)上的这些转动副轴线与该主驱动支链的第一主动臂(4)转动轴线平行；第一连接件(12)的另一端与从动连杆(14)铰接，从动连杆(14)另一端与第二连接件(16)铰接；所述第二连接件(16)与动平台(18)通过转动副连接，转动副轴线平行于对应从动臂组件下连杆(8)的轴线；所述第二连接件(16)和末端执行器(23)之间通过连杆(20)相连；所述连杆(20)两端通过球铰分别与连接件(16)和末端执行器(23)相连。

2.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，所述从动臂组件采用空间4S四边形机构，即所述两根连接杆与上连杆(6)和下连杆(6b)之间通过球铰连接；第一主动臂(4)与上连杆(6)固连，下连杆(8)与动平台(18)固连。

3.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，所述从动臂组件采用平面4R四边形机构，即所述两根连接杆与上连杆(6)和下连杆(8)之间通过转动副连接；第一主动臂(4)与上连杆(6)通过转动副连接，该转动副的轴线平行于第一主动臂(4)与静平台(1)相连的转动副的轴线；所述下连杆(8)与动平台(18)通过转动副连接，该转动副的轴线与下连杆(8)的轴线重合。

4.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，三条第一主动臂(4)与静平台(1)连接的转动副水平布置，并且两两相隔120°均匀布置。

5.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，其中两条第一主动臂(4)与静平台(1)连接的转动副水平转动，该两条第一主动臂(4)构成的平面与另一条第一主动臂(4)与静平台(1)连接的转动副正交。

6.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，其中两条第一主动臂(4)与静平台(1)连接的转动副竖直转动，该两条第一主动臂(4)构成的平面与另一条第一主动臂(4)静平台(1)连接的转动副正交。

7.根据权利要求1所述的含双驱动复合支链的五自由度并联机构，其特征在于，第一连接件(12)的另一端与从动连杆(14)通过虎克铰或者球铰相连，从动连杆(14)另一端与第二连接件(16)通过虎克铰或者球铰相连。

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