CN202825823U

CN202825823U - 转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构

Info

Publication number: CN202825823U
Application number: CN 201220432247
Authority: CN
Inventors: 王红州
Original assignee: JIANGXI MACHINERY SCIENCE INST
Current assignee: JIANGXI MACHINERY SCIENCE INST
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2022-08-29

Abstract

转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、第六运动支链、平动台以及球面运动链。所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链共同驱动平动台做三维平动运动；所述第四运动支链、第五运动支链和第六运动支链共同驱动球面运动链运动，球面运动链可实现绕球心的三维转动运动。本实用新型平动运动与转动运动由不同的支链单独控制，机构运动学正、逆解求解容易，控制方便，且驱动电机均安装在机架上，杆件可以做成轻杆，有效降低机构重量，机构刚性好、惯量小、动力学性能好。

Description

转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，特别是转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构。

背景技术

现有的六自由度机构分为串联式、并联式和混联式三种类型。串联式机构具有结构简单、运动灵活、工作空间大等优点，但由于机构是串联连接且需要在关节处安装驱动电机而造成其具有机械臂重量大、转动惯量大、误差累积大等不足。相对串联机构来讲，并联式机构是由多条运动支链共同驱动动平台来实现其末端执行器的位姿输出，因而此类机构具有精度高、结构紧凑、刚度高、承载能力强等优点，同时也具有结构复杂，控制困难等缺点。混联式机构是采用并联与串联结合的方式来实现机构的运动，但由于其串联部分仍需将驱动安装在机构关节上，所以机构的运动学和动力学性能较差。

US.Patent No.4976582公开了一种可实现三维平动一维转动空间四自由度机构，该机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，可实现末端执行器的高速3维平动，同时还在动静平台间设置两端带有虎克铰链的可伸缩转轴，以实现末端执行器的单自由度转动。此机构是在三平移并联机构上串联一个单自由度机构来实现其转动输出从而实现空间四自由度运动，但发明人巧妙的将本应在动平台上安装的电机安装在机架上。

本实用新型为实现空间六自由度运动而首次将机构设计成三维平动并联机构上串联三维转动并联机构，且本机构的六台驱动电机全部安装在机架上，平动自由度与转动自由度可实现独立控制。本实用新型解决了六自由度并联机构运动学正、逆解困难，控制困难等问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，可解决六自由度串联机构刚性差、惯量大、关节误差累积等问题和六自由度并联机构运动学正、逆解困难，控制困难等问题。

本实用新型通过以下技术方案达到上述目的：转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、第六运动支链、平动台以及球面运动链。

所述第一运动支链由第一伺服电机、第一主动杆、第一连杆和第二连杆组成，安装在机架上的第一伺服电机通过第一转动副驱动第一主动杆运动，第一主动杆通过第一虎克铰（或球面副）和第二虎克铰（或球面副）带动第一连杆和第二连杆运动，第一连杆和第二连杆通过第三虎克铰（或球面副）和第四虎克铰（或球面副）带动平动台运动。

所述第二运动支链由第二伺服电机、第二主动杆、第三连杆和第四连杆组成，安装在机架上的第二伺服电机通过第二转动副驱动第二主动杆运动，第二主动杆通过第五虎克铰（或球面副）和第六虎克铰（或球面副）带动第三连杆和第四连杆运动，第三连杆和第四连杆通过第七虎克铰（或球面副）和第八虎克铰（或球面副）带动平动台运动。

所述第三运动支链由第三伺服电机、第三主动杆、第五连杆和第六连杆组成，安装在机架上的第三伺服电机通过第三转动副驱动第三主动杆运动，第三主动杆通过第九虎克铰（或球面副）和第十虎克铰（或球面副）带动第五连杆和第六连杆运动，第五连杆和第六连杆通过第十一虎克铰（或球面副）和第十二虎克铰（或球面副）带动平动台运动。

所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链联合驱动平动台运动，所述平动台可实现空间三维平动的运动。

所述第四运动支链由第四伺服电机、第七连杆和第八连杆、第一锥齿轮和第二锥齿轮组成，安装在机架上的第四伺服电机通过第十三虎克铰驱动第七连杆运动，第七连杆通过第一移动副与第八连杆连接并带动第八连杆运动，第八连杆另一端通过第十四虎克铰带动第一锥齿轮运动，第一锥齿轮通过第四转动副与平动台连接且通过与第二锥齿轮啮合带动第二锥齿轮运动，第二锥齿轮通过第五转动副与平动台连接。

所述第五运动支链由第五伺服电机、第九连杆和第十连杆、第三锥齿轮和第四锥齿轮组成，安装在机架上的第五伺服电机通过第十五虎克铰驱动第九连杆运动，第九连杆通过第二移动副与第十连杆连接并带动第十连杆运动，第十连杆另一端通过第十六虎克铰带动第三锥齿轮运动，第三锥齿轮通过第六转动副与平动台连接且通过与第四锥齿轮啮合带动第四锥齿轮运动，第四锥齿轮通过第七转动副与平动台连接。

所述第六运动支链由第六伺服电机、第十一连杆和第十二连杆、第五锥齿轮和第六锥齿轮组成，安装在机架上的第六伺服电机通过第十七虎克铰驱动第十一连杆运动，第十一连杆通过第三移动副与第十二连杆连接并带动第十二连杆运动，第十二连杆另一端通过第十八虎克铰带动第五锥齿轮运动，第五锥齿轮通过第八转动副与平动台连接且通过与第六锥齿轮啮合带动第六锥齿轮运动，第六锥齿轮通过第九转动副与平动台连接。

所述球面运动链由第十三连杆、第十四连杆、第十五连杆、第十六连杆、第十七连杆、第十八连杆和球面台组成，第二锥齿轮通过第五转动副带动第十三连杆运动，第十三连杆通过第十转动副带动第十四连杆运动，第四锥齿轮通过第七转动副带动第十五连杆运动，第十五连杆通过第十一转动副带动第十六连杆运动，第六锥齿轮通过第九转动副带动第十七连杆运动，第十七连杆通过第十二转动副带动第十八连杆运动，第十四连杆、第十六连杆和第十八连杆分别通过第十三转动副、第十四转动副、第十五转动副带动球面台运动，第五转动副、第七转动副、第九转动副、第十转动副、第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副、第十五转动副的轴线相交于一点，所述球面台可实现绕上述交点的三维转动运动。

本实用新型的突出优点在于：

1、驱动电机均安装在机架上，杆件做成轻杆，机构重量轻、刚性好、惯量小、动力学性能好；

2、机构的平动运动和转动运动分别由不同的支链单独控制，机构运动学正、逆问题求解容易，控制方便；

3、安装上不同的末端执行器，本机构可应用到装配、焊接、姿态调整和定位设备、激光、医用等领域。

附图说明

图1为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的第一结构示意图。

图2为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的第二结构示意图。

图3为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的第三结构示意图。

图4为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的工作示意图。

图5为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的球面运动链示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

对照图1、图2和图3，转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，包括机架1、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、第六运动支链、平动台47以及球面运动链。

所述第一运动支链由第一伺服电机2、第一主动杆4、第一连杆7和第二连杆8组成，安装在机架1上的第一伺服电机2通过第一转动副3驱动第一主动杆4运动，第一主动杆4通过第一虎克铰（或球面副）5和第二虎克铰（或球面副）6带动第一连杆7和第二连杆8运动，第一连杆7和第二连杆8通过第三虎克铰（或球面副）9和第四虎克铰（或球面副）10带动平动台47运动。

所述第二运动支链由第二伺服电机11、第二主动杆13、第三连杆16和第四连杆17组成，安装在机架1上的第二伺服电机11通过第二转动副12驱动第二主动杆13运动，第二主动杆13通过第五虎克铰（或球面副）14和第六虎克铰（或球面副）15带动第三连杆16和第四连杆17运动，第三连杆16和第四连杆17通过第七虎克铰（或球面副）18和第八虎克铰（或球面副）19带动平动台47运动。

所述第三运动支链由第三伺服电机20、第三主动杆22、第五连杆25和第六连杆26组成，安装在机架1上的第三伺服电机20通过第三转动副21驱动第三主动杆22运动，第三主动杆22通过第九虎克铰（或球面副）23和第十虎克铰（或球面副）24带动第五连杆25和第六连杆26运动，第五连杆25和第六连杆26通过第十一虎克铰（或球面副）27和第十二虎克铰（或球面副）28带动平动台47运动。

所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链联合驱动平动台47运动，所述平动台47可实现空间三维平动的运动。

所述第四运动支链由第四伺服电机29、第七连杆31和第八连杆33、第一锥齿轮67和第二锥齿轮68组成，安装在机架1上的第四伺服电机29通过第十三虎克铰30驱动第七连杆31运动，第七连杆31通过第一移动副32与第八连杆33连接并带动第八连杆33运动，第八连杆33另一端通过第十四虎克铰34带动第一锥齿轮67运动，第一锥齿轮67通过第四转动副48与平动台47连接且通过与第二锥齿轮68啮合带动第二锥齿轮68运动，第二锥齿轮68通过第五转动副49与平动台47连接。

所述第五运动支链由第五伺服电机35、第九连杆37和第十连杆39、第三锥齿轮69和第四锥齿轮70组成，安装在机架1上的第五伺服电机35通过第十五虎克铰36驱动第九连杆37运动，第九连杆37通过第二移动副38与第十连杆39连接并带动第十连杆39运动，第十连杆39另一端通过第十六虎克铰40带动第三锥齿轮69运动，第三锥齿轮69通过第六转动副50与平动台47连接且通过与第四锥齿轮70啮合带动第四锥齿轮70运动，第四锥齿轮70通过第七转动副51与平动台47连接。

所述第六运动支链由第六伺服电机41、第十一连杆43和第十二连杆45、第五锥齿轮71和第六锥齿轮72组成，安装在机架1上的第六伺服电机41通过第十七虎克铰42驱动第十一连杆43运动，第十一连杆43通过第三移动副44与第十二连杆45连接并带动第十二连杆45运动，第十二连杆45另一端通过第十八虎克铰46带动第五锥齿轮71运动，第五锥齿轮71通过第八转动副52与平动台47连接且通过与第六锥齿轮72啮合带动第六锥齿轮72运动，第六锥齿轮72通过第九转动副53与平动台47连接。

所述球面运动链由第十三连杆54、第十四连杆56、第十五连杆58、第十六连杆60、第十七连杆62、第十八连杆64和球面台66组成，第二锥齿轮68通过第五转动副49带动第十三连杆54运动，第十三连杆54通过第十转动副55带动第十四连杆56运动，第四锥齿轮70通过第七转动副51带动第十五连杆58运动，第十五连杆58通过第十一转动副59带动第十六连杆60运动，第六锥齿轮72通过第九转动副53带动第十七连杆62运动，第十七连杆62通过第十二转动副63带动第十八连杆***，第十四连杆56、第十六连杆60和第十八连杆64分别通过第十三转动副57、第十四转动副61、第十五转动副65带动球面台66运动，第五转动副49、第七转动副51、第九转动副53、第十转动副55、第十一转动副59、第十二转动副63、第十三转动副57、第十四转动副61、第十五转动副65的轴线相交于一点，所述球面台66可实现绕上述交点的三维转动运动。

对照图4，转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，平动台47在第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链的驱动下做三维平动运动，而球面运动链的三维转动运动由第四运动支链、第五运动支链和第六运动支链共同驱动，本机构的转动运动与平动运动由不同的运动支链驱动。

对照图2和图5，转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构的球面运动链第五转动副49、第七转动副51、第九转动副53、第十转动副55、第十一转动副59、第十二转动副63、第十三转动副57、第十四转动副61、第十五转动副65的轴线相交于一点，第十三连杆54、第十四连杆56、第十五连杆58、第十六连杆60、第十七连杆62、第十八连杆64和球面台66共同组成了一个球面运动链。

Claims

1.转动运动和平动运动单独控制的空间六自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、第六运动支链、平动台以及球面运动链，其特征在于：

所述第一运动支链由第一伺服电机、第一主动杆、第一连杆和第二连杆组成，第一主动杆一端通过第一转动副与安装在机架上的第一伺服电机连接，第一主动杆另一端通过第一虎克铰或球面副和第二虎克铰或球面副与第一连杆和第二连杆连接，第一连杆另一端通过第三虎克铰或球面副与平动台连接，第二连杆另一端通过第四虎克铰或球面副与平动台连接，

所述第二运动支链由第二伺服电机、第二主动杆、第三连杆和第四连杆组成，第二主动杆一端通过第二转动副与安装在机架上的第二伺服电机连接，第二主动杆另一端通过第五虎克铰或球面副和第六虎克铰或球面副与第三连杆和第四连杆连接，第三连杆另一端通过第七虎克铰或球面副与平动台连接，第四连杆另一端通过第八虎克铰或球面副与平动台连接，

所述第三运动支链由第三伺服电机、第三主动杆、第五连杆和第六连杆组成，第三主动杆一端通过第三转动副与安装在机架上的第三伺服电机连接，第三主动杆另一端通过第九虎克铰或球面副和第十虎克铰或球面副与第五连杆和第六连杆连接，第五连杆另一端通过第十一虎克铰或球面副与平动台连接，第六连杆另一端通过第十二虎克铰或球面副与平动台连接，

所述第四运动支链由第四伺服电机、第七连杆和第八连杆、第一锥齿轮和第二锥齿轮组成，第七连杆一端通过第十三虎克铰与安装在机架上的第四伺服电机连接，第七连杆另一端通过第一移动副与第八连杆连接，第八连杆另一端通过第十四虎克铰与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮通过第四转动副与平动台连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮通过第五转动副与平动台连接，

所述第五运动支链由第五伺服电机、第九连杆和第十连杆、第三锥齿轮和第四锥齿轮组成，第九连杆一端通过第十五虎克铰与安装在机架上的第五伺服电机连接，第九连杆另一端通过第二移动副与第十连杆连接，第十连杆另一端通过第十六虎克铰与第三锥齿轮连接，第三锥齿轮通过第六转动副与平动台连接，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮通过第七转动副与平动台连接，

所述第六运动支链由第六伺服电机、第十一连杆和第十二连杆、第五锥齿轮和第六锥齿轮组成，第十一连杆一端通过第十七虎克铰与安装在机架上的第六伺服电机连接，第十一连杆另一端通过第三移动副与第十二连杆连接，第十二连杆另一端通过第十八虎克铰与第五锥齿轮连接，第五锥齿轮通过第八转动副与平动台连接，第五锥齿轮与第六锥齿轮啮合，第六锥齿轮通过第九转动副与平动台连接，

所述球面运动链由第十三连杆、第十四连杆、第十五连杆、第十六连杆、第十七连杆、第十八连杆和球面台组成，第十三连杆一端通过第五转动副与第二锥齿轮连接，第十三连杆另一端通过第十转动副与第十四连杆连接，第十四连杆另一端通过第十一转动副与球面台连接，第十五连杆一端通过第七转动副与第四锥齿轮连接，第十五连杆另一端通过第十二转动副与第十六连杆连接，第十六连杆另一端通过第十三转动副与球面台连接，第十六连杆一端通过第九转动副与第六锥齿轮连接，第十六连杆另一端通过第十四转动副与第十七连杆连接，第十七连杆另一端通过第十五转动副与球面台连接，第五转动副、第七转动副、第九转动副、第十转动副、第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副、第十五转动副的轴线相交于一点。