CN111515925B - 一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，能够实现四种自由度的空间运动，解决了传统并联机构自由度单一、运动模式固定的问题，可作为变自由度可伸展机构、多轴联动多面加工装备和多步态灵活移动装置的运动执行机构。该机构由动平台(7)、定平台(0)以及连接动平台(7)与定平台(0)的三条混联支链一(I)、二(II)和三(III)构成，三条混联支链相同且对称放置。本发明将运动分岔闭链和移动副一(P₁₅)、转动副三(R₁₆)、转动副四(R₁₇)、转动副五(R₁₈)串联得到混联支链；通过控制运动分岔闭链进入不同的单自由度运动，可使并联机器人机构具有两转三移、两转两移、两转一移和三转一移的四种自由度运动模式。

Description

一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构

技术领域

本发明属并联机构技术领域，涉及一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构。

背景技术

早期传统的并联机器人机构，具有精度高、承载性好等特点，被广泛应用在于工程领域、医疗机器人等各个领域。但是由于该机构本身的自由度固定，且运动模式单一，不能改变自身的构型以适应于不同的工作环境。

近年来，随着机器人应用的不断深入，机器人机构学不再是满足于单自由度和单一运动模式，要求机构具有极强的适应性，面对不同的工作环境可通过改变自身的构型来完成不同的任务，具有良好的适应性和可变结构特性。但目前这种多运动模式并联机构的构型仍然较少。

发明内容

发明的目的是克服传统并联机器人固定自由度和单一运动模式，提供一种新型的多运动模式并联机器人机构，其具有良好的适应性和可变结构特点，且自由度可变以满足不同工况，不同任务的要求。本发明所要解决的技术问题是提供一种自由度不同的含运动分岔闭链的四运动模式并联机器人机构，本发明为变自由度可伸展机构、多轴联动多面加工装备和多步态灵活移动装置提供新型的运动执行机构。

本发明的目的之一是提供一种运动分岔闭链，所述运动分岔闭链具有两自由度奇异位形下的瞬时运动，通过控制驱动杆，本发明的运动分岔闭链能够自主选择两种单自由度连续运动，分别为单自由度平面连续运动和单自由度整体空间连续转动。当以万向铰一中与圆柱副一轴线重合的轴线为驱动副时，该运动分岔闭链的瞬时自由度为1，可等效为平面曲柄滑块机构，具有单自由度平面连续运动；当以万向铰一中与转动副一、转动副二轴线重合的轴线为驱动副时，该运动分岔闭链的瞬时自由度为1，闭链整体被刚化，具有单自由度整体空间连续转动。

本发明的目的之二是提供一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，在将三个相同的运动分岔闭链与开链PRRR串联的混联支链组装成四种运动模式并联机器人机构，能够实现四种不同的空间自由度运动，分别为两转三移、两转两移、两转一移和三转一移。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

本发明的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构由动平台、定平台以及三条相同的连接动平台与定平台的含运动分岔闭链的混联支链构成；三条含运动分岔闭链的混联支链对称放置；

所述含运动分岔闭链的混联支链由一运动分岔闭链与一开链PRRR串联组成；

所述运动分岔闭链具体结构为：驱动杆一的一端连接万向铰一，驱动杆一的另一端与连接杆一的一端以转动副一连接，连接杆一的另一端与滑块以转动副二连接，滑块与滑杆构成圆柱副一；

所述一运动分岔闭链与一开链PRRR串联是指开链PRRR连接于所述滑块；

所述万向铰一固定于所述定平台；

所述定平台上设置所述滑杆，且所述滑杆平行于所述定平台；

所述滑杆的长度需保证所述滑块在行程范围内运动。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述开链PRRR的具体结构为：异面垂直的连接杆三和连接杆五各自的一端分别与连接杆四的两端用转动副三和转动副四连接；连接杆三的另一端与连接杆二以移动副一连接；

连接杆二的一端垂直固定于滑块，且连接杆二垂直于所述定平台；

连接杆五的另一端与动平台以转动副五连接。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，转动副一、转动副二和转动副五的轴线相互平行，且不仅与转动副三的轴线垂直也与移动副一的轴线垂直，与转动副四的轴线呈45度夹角；移动副一与转动副三的轴线垂直；转动副四的轴线与转动副五的轴线交于动平台的中心，万向铰一的两轴线相互垂直，万向铰一的一轴线与转动副一轴线相互平行，另一轴线与转动副三的轴线相互平行；圆柱副一的移动副轴线和转动副轴线重合，且与转动副三的轴线相互平行。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述万向铰一固定于所述定平台是指所述万向铰一通过支撑杆一固定于所述定平台，且万向铰一的两轴线同时平行于所述定平台；所述定平台上设置所述滑杆是指所述滑杆两端各自通过支撑杆二固定于所述定平台。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述支撑杆一和所述支撑杆二高度相同，使得万向铰一的一轴线与圆柱副一的轴线重合。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述动平台与转动副五通过立柱连接，所述立柱固定于所述动平台，且三个立柱在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述滑块与滑杆以中空圆柱连接其构成圆柱副一。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，连接杆二与连接杆三以移动副一连接，需保证连接杆三在连接杆二允许的范围内移动，若动平台工作空间变大，可适当增大连接杆二的杆长。

如上所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，所述对称放置是指三条含运动分岔闭链的混联支链在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

本发明的运动分岔闭链是指通过奇异位形前后，其自由度特性及相应位形将会发生改变。奇异位形是运动分岔闭链不同运动模式间的瞬时转换位形。通过在奇异位形中引入新的驱动，运动分岔闭链可离开瞬时奇异位形，切换为连续运动。对该运动分岔闭链来说，奇异位形往往是自由度切换位形，而非需要避免的失控位置。本发明中，运动分岔闭链通过控制驱动，可具有为单自由度平面连续运动和单自由度整体空间连续转动两种不同的运动。

本发明将运动分岔特性引入到并联机构中，提出了一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构。分岔机构在通过瞬时奇异位形前后自由度发生改变的根源，在于分岔机构支链中约束特性(约束螺旋数量或轴线方向)的改变，因而机构支链中必定存在着多个线性相关的约束螺旋，这通常通过控制驱动副来实现过约束的分岔闭链来实现。所以认为分岔机构的变自由度特性来自于分岔闭链。本发明中的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，通过运动分岔闭链运动模式的切换，能够实现四种不同的空间运动，分别为两转三移、两转两移、两转一移和三转一移。

有益效果

本发明提供一新型运动分岔闭链，并将该运动分岔闭链引入到并联机器人机构的研究与应用领域，引出了含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构。因运动分岔并联机器人机构即继承了传统并联机构的优点，同时又具有运动分岔机构的变自由度特性。变自由度运动分岔并联机器人机构是以改变并联机构的自由度数目和自由度性质为目的，以适应不同作业任务需求，克服了传统并联机器人固定自由度和单一运动模式。

附图说明

图1为本发明的运动分岔闭链运动模式一的结构示意图；

图2为本发明的运动分岔闭链运动模式二的结构示意图；

图3为本发明的混联支链运动模式一的结构示意图；

图4为本发明的混联支链运动模式二的结构示意图；

图5为本发明的多运动模式并联机器人的结构示意图；

图6为本发明的运动分岔闭链中滑块的结构示意图；

图7为本发明的定平台结构示意图；

图8为本发明的动平台结构示意图；

其中，0-定平台，1-驱动杆一，2-连接杆一，3-连接杆二，4-连接杆三，5-连接杆四，6-连接杆五，7-动平台，8-滑块，9-滑杆，10-支撑杆一，11-支撑杆二，12-立柱，Ⅰ-混联支链一，Ⅱ-混联支链二，Ⅲ-混联支链三，U₁₁-万向铰一，R₁₂-转动副一，R₁₃-转动副二，C₁₄-圆柱副一，P₁₅-移动副一，R₁₆-转动副三，R₁₇-转动副四，R₁₈-转动副五。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构如图5所示，由动平台7、定平台0以及三条相同的连接动平台与定平台的含运动分岔闭链的混联支链构成；三条含运动分岔闭链的混联支链对称放置，混联支链一(Ⅰ)、混联支链二(Ⅱ)和混联支链三(Ⅲ)相互呈120度夹角布置；对称放置是指三条含运动分岔闭链的混联支链在水平面投影中相互呈120度夹角布置；

含运动分岔闭链的混联支链由一运动分岔闭链与一开链PRRR串联组成；

运动分岔闭链具体结构为：驱动杆一1的一端连接万向铰一U₁₁，驱动杆一1的另一端与连接杆一2的一端以转动副一R₁₂连接，连接杆一2的另一端与滑块8以转动副二R₁₃连接，滑块8与滑杆9构成圆柱副一C₁₄；滑块8与滑杆9以中空圆柱连接其构成圆柱副一C₁₄；

一运动分岔闭链与一开链PRRR串联是指开链PRRR连接于滑块8；

万向铰一U₁₁固定于定平台0，是指万向铰一U₁₁通过支撑杆一10固定于定平台0，且万向铰一U₁₁的两轴线同时平行于定平台0；

定平台0上设置滑杆9是指滑杆9两端各自通过支撑杆二11固定于定平台0，且滑杆9平行于定平台0。

开链PRRR的具体结构为：异面垂直的连接杆三4和连接杆五6各自的一端分别与连接杆四5的两端用转动副三R₁₆和转动副四R₁₇连接；连接杆三4的另一端与连接杆二3以移动副一P₁₅连接；

连接杆二3的一端垂直固定于滑块8，且连接杆二3垂直于定平台0；

连接杆五6的另一端与动平台7以转动副五R₁₈连接。

转动副一R₁₂、转动副二R₁₃和转动副五R₁₈的轴线相互平行，且不仅与转动副三R₁₆的轴线垂直也与移动副一P₁₅的轴线垂直，与转动副四R₁₇的轴线呈45度夹角；移动副一P₁₅与转动副三R₁₆的轴线垂直；转动副四R₁₇的轴线与转动副五R₁₈的轴线交于动平台7的中心，万向铰一U₁₁的两轴线相互垂直，万向铰一U₁₁的一轴线与转动副一R₁₂轴线相互平行，另一轴线与转动副三R₁₆的轴线相互平行；圆柱副一C₁₄的移动副轴线和转动副轴线重合，且与转动副三R₁₆的轴线相互平行。

支撑杆一10和支撑杆二11高度相同，使得万向铰一U₁₁的一轴线与圆柱副一C₁₄的轴线重合。

动平台7与转动副五R₁₈通过立柱12连接，立柱固定于动平台7，且三个立柱在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

图1所示的为运动分岔闭链运动模式一，以万向铰一U₁₁中与圆柱副一C₁₄轴线重合的轴线为驱动副时，该运动分岔闭链的瞬时自由度为1，可等效为平面曲柄滑块机构，具有单自由度平面连续运动，此时连接杆二3的输出运动为平移运动。

图2所示的为运动分岔闭链运动模式二，以万向铰一U₁₁中与转动副一R₁₂、转动副二R₁₃轴线平行的轴线为驱动副时，该运动分岔闭链的瞬时自由度为1，闭链整体被刚化，具有单自由度整体空间连续转动，此时连接杆二3的输出运动为转动运动。

图3所示的为混联支链运动模式一，运动分岔闭链和移动副一P₁₅、转动副三R₁₆、转动副四R₁₇、转动副五R₁₈串联得到的混联支链，该混联支链将有一个约束力偶作用于动平台7，此时称为约束力偶模式。

图4所示的为混联支链运动模式二，运动分岔闭链和移动副一P₁₅、转动副三R₁₆、转动副四R₁₇、转动副五R₁₈串联得到的混联支链，该混联支链将有一个约束力线矢作用于动平台7，此时称为约束力线矢模式。

图5所示为多运动模式并联机器人机构，该机构能够实现四种不同的空间运动，分别为两转三移、两转两移、两转一移和三转一移。

图6所示为运动分岔闭链中的滑块8，连接杆一2的一端与滑块8以转动副二R₁₃连接，滑块8与滑杆9以中空圆柱连接构成圆柱副一C₁₄。

图7为多运动模式并联机器人机构的定平台0，万向铰一U₁₁通过支撑杆一10固定于定平台0，且万向铰一U₁₁的两轴线同时平行于定平台0；滑杆9两端各自通过支撑杆二11固定于定平台0；支撑杆一10和支撑杆二11高度相同，使得万向铰一U₁₁的一轴线与圆柱副一C₁₄的两轴线(移动副轴线和转动副轴线)重合。

图8为多运动模式并联机器人机构的动平台7，动平台7与转动副五R₁₈通过立柱12连接，立柱固定于动平台7，且三个立柱在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

本发明的第一种实施例，其技术方案为：根据螺旋理论，当三条混联支链都工作在约束力偶模式，此时将有三个约束力偶作用于动平台，三个约束力偶约束螺旋的最大线性无关数为1，它约束了动平台的一维转动，并联机器人机构具有两转三移的运动模式。

本发明的第二种实施例，其技术方案为：根据螺旋理论，当两条混联支链工作在约束力偶模式，一条混联支链工作在约束力线矢模式，此时将有两个约束力偶和一个约束力线矢作用于动平台，动平台的约束螺旋系秩为2，它约束了动平台的一维转动和一维移动，并联机器人机构具有两转两移的运动模式。

本发明的第三种实施例，其技术方案为：根据螺旋理论，当一条混联支链工作在约束力偶模式，两条混联支链工作在约束力线矢模式，此时将有一个约束力偶和两个约束力线矢作用于动平台，动平台的约束螺旋系秩为3，它约束了动平台的一维转动和两维移动，并联机器人机构具有两转一移的运动模式。

本发明的第四种实施例，其技术方案为：根据螺旋理论，当三条混联支链都工作在约束力线矢模式，此时将有三个约束力线矢作用于动平台，三个约束力线矢约束螺旋的最大线性无关数为2，它约束了动平台的二维移动，并联机器人机构具有三转一移的运动模式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征是：由动平台(7)、定平台(0)以及三条相同的连接动平台(7)与定平台(0)的含运动分岔闭链的混联支链构成；三条含运动分岔闭链的混联支链对称放置；

所述含运动分岔闭链的混联支链由一运动分岔闭链与一开链PRRR串联组成；

所述运动分岔闭链具体结构为：驱动杆一(1)的一端连接万向铰一(U₁₁)，驱动杆一(1)的另一端与连接杆一(2)的一端以转动副一(R₁₂)连接，连接杆一(2)的另一端与滑块(8)以转动副二(R₁₃)连接，所述定平台(0)上设置滑杆(9)，且所述滑杆(9)平行于所述定平台(0)，滑块(8)与滑杆(9)构成圆柱副一(C₁₄)；

所述一运动分岔闭链与一开链PRRR串联是指开链PRRR连接于所述滑块(8)；

所述万向铰一(U₁₁)固定于所述定平台(0)；

所述开链PRRR的具体结构为：连接杆三(4)通过转动副三(R₁₆)而连接杆五(6)通过转动副四(R₁₇)分别与连接杆四(5)的两端连接，且连接杆三(4)和连接杆五(6)异面垂直；连接杆三(4)的另一端与连接杆二(3)以移动副一(P₁₅)连接；

在初始位形时，连接杆二(3)的一端垂直固定于滑块(8)，且连接杆二(3)垂直于所述定平台(0)；

连接杆五(6)的另一端与动平台(7)以转动副五(R₁₈)连接；

转动副一(R₁₂)、转动副二(R₁₃)和转动副五(R₁₈)的轴线相互平行，且不仅与转动副三(R₁₆)的轴线垂直也与移动副一(P₁₅)的轴线垂直，与转动副四(R₁₇)的轴线呈45度夹角；移动副一(P₁₅)与转动副三(R₁₆)的轴线垂直；转动副四(R₁₇)的轴线与转动副五(R₁₈)的轴线交于动平台(7)的中心，万向铰一(U₁₁)的两轴线相互垂直，万向铰一(U₁₁)的一轴线与转动副一(R₁₂)的轴线相互平行，另一轴线与转动副三(R₁₆)的轴线相互平行；圆柱副一(C₁₄)的移动副轴线和转动副轴线重合，且与转动副三(R₁₆)的轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征在于，所述万向铰一(U₁₁)固定于所述定平台(0)是指所述万向铰一(U₁₁)通过支撑杆一(10)固定于所述定平台(0)，且万向铰一(U₁₁)的两轴线同时平行于所述定平台(0)；所述定平台(0)上设置所述滑杆(9)是指所述滑杆(9)两端各自通过支撑杆二(11)固定于所述定平台(0)。

3.根据权利要求2所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征在于，所述支撑杆一(10)和所述支撑杆二(11)高度相同，使得万向铰一(U₁₁)的一轴线与圆柱副一(C₁₄)的轴线重合。

4.根据权利要求1所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征在于，所述动平台(7)与转动副五(R₁₈)通过立柱(12)连接，所述立柱(12)固定于所述动平台(7)，且三个立柱在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

5.根据权利要求1所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征在于，所述滑块(8)与滑杆(9)以中空圆柱连接构成圆柱副一(C₁₄)。

6.根据权利要求1所述的一种含运动分岔闭链的多运动模式并联机器人机构，其特征在于，所述对称放置是指三条含运动分岔闭链的混联支链在水平面投影中相互呈120度夹角布置。

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