專利名稱：三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及エ業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及ー種非過約束完全解耦三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)一般由動平臺、定平臺和若干條分支(一般2飛條)組成。相對于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、精度高、剛度大、速度響應(yīng)快和自重負(fù)荷 比小等優(yōu)點。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)已成為近二十年機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。對于一般的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其運動學(xué)耦合性都很強(qiáng)，動平臺的一個運動輸出往往需要多個輸入控制，且運動學(xué)解復(fù)雜，如著名的6自由度Steward并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的運動學(xué)解有40組；再如3自由度移動Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由12個球副、3個轉(zhuǎn)動副和14個桿件組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜運動學(xué)解有16組。Tsai L-W在Delta機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了ー種新型三維移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)(美國專利，No. 5656905，
公開日為1997. 08. 12)，雖然結(jié)構(gòu)相對于前者較為簡單，但是其運動學(xué)求解為八次。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運動學(xué)耦合性越強(qiáng)，運動學(xué)解的數(shù)目相對越多，其工作空間相對于機(jī)構(gòu)的體積則越小，且機(jī)構(gòu)軌跡規(guī)劃和精度控制越難。KongX-W設(shè)計出3-CRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，只有3個圓柱副、6個轉(zhuǎn)動副和6個桿件組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，但是其轉(zhuǎn)動副和圓柱副的軸線與動平臺平面的法線夾角理論值為54. 7356度，這對于相關(guān)零件的加工和裝配提出了更高要求。國內(nèi)學(xué)者在三維移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究方面也取得了一系列的成果，如中國專利201010225496. 4公開的ー種“ー種三平動空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)”，該機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但是運動耦合性較強(qiáng)，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、運動學(xué)解耦性好且運動性能高的并聯(lián)機(jī)構(gòu)已成為該領(lǐng)域研究的新課題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供ー種非過約束完全解耦三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的解耦性有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。為了解決上述問題，本實用新型的技術(shù)方案為三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，包括動平臺和定平臺，所述的動、定平臺間設(shè)有三條結(jié)構(gòu)形式相同且呈空間正交分布的分支運動鏈，從定平臺到動平臺之間，各分支運動鏈均由第一移動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、平行四邊形結(jié)構(gòu)和運動副順序串聯(lián)而成，所述第一移動副和第一轉(zhuǎn)動副之間、第二轉(zhuǎn)動副和運動副之間分別由第二構(gòu)件和第三構(gòu)件連接，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)和運動副有以下兩種形式第一種形式，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)包括四個軸線相互平行的四邊形轉(zhuǎn)動副和連接于四個四邊形轉(zhuǎn)動副之間的第一、ニ、三、四連接構(gòu)件，所述的各四邊形轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副的軸線均與對應(yīng)第一移動副的移動方向相互平行，所述的第二轉(zhuǎn)動副安裝在所述第一連接構(gòu)件的中部，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)中的第三連接構(gòu)件通過所述的運動副安裝在所述的動平臺上，所述運動副由軸線與所述第三連接構(gòu)件的中心線重合的轉(zhuǎn)動副構(gòu)成；第ニ種形式，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)由第一、ニ、四連接構(gòu)件和動平臺圍成，所述的第二、四連接構(gòu)件分別通過對應(yīng)的四邊形轉(zhuǎn)動副相互平行的設(shè)置于所述第一連接構(gòu)件的兩端，所述的各四邊形轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副的軸線均與對應(yīng)第一移動副的移動方向相互平行，所述的第二轉(zhuǎn)動副安裝在所述第一連接構(gòu)件的中部，所述第二、四連接構(gòu)件的另一端分別通過相應(yīng)運動副與動平臺相連，所述的運動副為萬向鉸或球鉸；所述三條分支運動鏈對應(yīng)的三個第一移動副的移動方向相互垂直，且呈空間正交分布。所述的動平臺為對邊平行且不相鄰邊長度相等的規(guī)則六邊形，所述的各分支運動鏈對應(yīng)的三個運動副分別設(shè)置于所述動平臺的不相鄰邊上。所述的動平臺上設(shè)置有三個導(dǎo)向方向呈空間正交分布的三個導(dǎo)軌，所述的各分支 運動鏈對應(yīng)的三個第一移動副分別裝配于對應(yīng)的三個導(dǎo)軌上。所述的三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)還包括分別與對應(yīng)第一移動副傳動連接以驅(qū)動各第一移動副沿對應(yīng)導(dǎo)軌直線運動的直線電機(jī)或由伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)。本實用新型的有益效果為三個分支運動鏈分別為第一、ニ和三分支運動鏈，三個分支運動鏈對應(yīng)的第一移動副的移動方向分別為空間內(nèi)相互垂直的X方向、Y方向和Z方向，當(dāng)需要所述動平臺沿X方向往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動第一分支運動鏈的第一移動副沿X方向移動來驅(qū)動所述動平臺，在此過程中，所述的第二、第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要動平臺沿Y向做往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動第二分支運動鏈的第二移動副沿Y方向移動來驅(qū)動所述動平臺，在此過程中，所述第一、第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要動平臺沿軌道Z方向做往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動第三條分支運動鏈的第三移動副沿Z方向移動來驅(qū)動動平臺，在此過程中，所述第一、第二分支運動鏈做適應(yīng)性運動；最終實現(xiàn)本實用新型的非過約束完全解耦三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)在整個工作空間內(nèi)沿任何方向的運動學(xué)和力學(xué)性能都相同，本機(jī)構(gòu)的運動輸入輸出間可實現(xiàn)一対一的控制關(guān)系，即動平臺的ー個運動輸出只需ー個驅(qū)動器控制，解決了現(xiàn)有的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運動學(xué)解耦性差，機(jī)構(gòu)動平臺的一個輸出需要多個輸入控制的問題。

圖I是本實用新型實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的實施例I如圖I所示包括定平臺10、動平臺20以及連接定平臺10和動平臺20的三條結(jié)構(gòu)形式相同且呈空間正交分別分支運動鏈組成，動平臺20采用對邊平行且不相鄰邊長度相等的規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)。所述的三條分支運動鏈為第一分支運動鏈LI、第二分支運動鏈L2及第三分支運動鏈L3。將空間內(nèi)相互垂直的三個方向分別定義為X方向、Y方向和Z方向，定平臺10設(shè)有導(dǎo)向方向分別沿X方向、Y方向和Z方向延伸的X向?qū)к?-1、Y向?qū)к?-2和Z向?qū)к?-3，第一分支運動鏈LI與X向?qū)к?-1對應(yīng)設(shè)置，第二分支運動鏈L2與Y向?qū)к?-2對應(yīng)設(shè)置，第三分支運動鏈L3與Z向?qū)к?-3對應(yīng)設(shè)置。三條分支運動鏈具有完全相同的結(jié)構(gòu)形式，每條分支運動鏈均由第一移動副P1、第一轉(zhuǎn)動副R1、第二轉(zhuǎn)動副R2、平行四邊形結(jié)構(gòu)Pa和運動副R3順序串聯(lián)而成；平行四邊形結(jié)構(gòu)Pa由包括四個軸線平行的四邊形轉(zhuǎn)動副以及連接于四個四邊形轉(zhuǎn)動副之間的第一連接構(gòu)件4a、第二連接構(gòu)件4b、第三連接構(gòu)件4d和第四連接構(gòu)件4c，四個四邊形轉(zhuǎn)動副和四個連接構(gòu)件組成封閉回路，四個四邊形轉(zhuǎn)動副分別為第一四邊形轉(zhuǎn)動副Ral、第二四邊形轉(zhuǎn)動副Ra2、第三四邊形轉(zhuǎn)動副Ra3和第四四邊形轉(zhuǎn)動副Ra4，第一移動副Pl的移動方向與對應(yīng)第一轉(zhuǎn)動副R1、第二轉(zhuǎn)動副R2和平行四邊形結(jié)構(gòu)中四個四邊形轉(zhuǎn)動副的軸線相互平行，且垂直于運動副R3的軸線；第一移動副Pl和第一轉(zhuǎn)動副Rl之間、第一轉(zhuǎn)動副Rl和第二轉(zhuǎn)動副R2之間對應(yīng)通過第二構(gòu)件2、第三構(gòu)件3連接；第二轉(zhuǎn)動副安裝在構(gòu)件4a的中點位置；平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)通過運動副R3安裝在動平臺上，運動副R3由軸線與第三連接構(gòu)件4d的中心線重合的轉(zhuǎn)動副構(gòu)成,運動副R3直接固定在動平臺20上；三條分支運動鏈的第一移動副Pl軸線呈空間正交分布，即X向?qū)к?1-1、Y向?qū)к?-2及Z向?qū)к?-3相互垂直；各分支運動鏈的第一移動副Pl為主動副，其輸出方式為線性，用于控制動平臺沿其自身滑道方向的移動；驅(qū)動裝置采用在伺服電機(jī)的動カ輸出端傳動連接減速器，減速器上傳動連接滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)與對應(yīng)移動副傳動連接的形式。(或者伺服電機(jī)+滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，或者直線電機(jī)，或者線性滑臺)。本實用新型的非過約束完全解耦三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)在工作工程中，當(dāng)需要所述動平臺沿X向?qū)к?-1往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動所述第一分支運動鏈LI的第一移動副Pl來驅(qū)動所述動平臺20，在此過程中，所述的第二、第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要動平臺沿Y向?qū)к?-2做往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動所述第二條分支運動鏈L2的第二移動副來驅(qū)動所述動平臺20，在此過程中，所述第一、第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要動平臺20沿Z向?qū)к?-3做往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動第三條分支運動鏈L3的第三移動副來驅(qū)動所述動平臺20，在此過程中，所述第一、第二分支運動鏈做適應(yīng)性運動；最終實現(xiàn)本實用新型的非過約束完全解耦三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。由于機(jī)構(gòu)雅克比矩陣為単位陣，其條件數(shù)和行列式的值恒等于1，因此該機(jī)構(gòu)運動學(xué)不僅是完全解耦，還具有完全各向同性性能，即機(jī)構(gòu)在整個工作空間內(nèi)沿任何方向的運動學(xué)和力學(xué)性能都相同；本機(jī)構(gòu)的運動輸入輸出間可實現(xiàn)一対一的控制關(guān)系，即動平臺20的ー個運動輸出只需ー個驅(qū)動器控制，解決了現(xiàn)有的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運動學(xué)解耦性差，機(jī)構(gòu)的動平臺的一個輸出需要多個輸入控制的問題；另外，各分支中運動副R3的存在，不僅使得機(jī)構(gòu)由過約束機(jī)構(gòu)變?yōu)榉沁^約束機(jī)構(gòu)，更重要的是使得各分支運動鏈與動平臺20的裝配關(guān)系大大筒化。本實用新型涉可作為エ業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、微操作機(jī)器人、虛擬機(jī)床等領(lǐng)域的三維移動末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的實施例2如圖2所示實施例2與實施例I的區(qū)別在于，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)由第一四邊形轉(zhuǎn)動副Ral、第二四邊形轉(zhuǎn)動副Ra2、第一萬向鉸U1、第二萬向鉸U2,以及第一連接構(gòu)件4a、第二連接構(gòu)件4b、第四連接構(gòu)件4c和動平臺20圍成，所述的平行四邊形第二、四連接構(gòu)件分別通過對應(yīng)的第一四邊形轉(zhuǎn)動副Ral和第二四邊形轉(zhuǎn)動副Ra2相互平行的設(shè)置于所述第一連接構(gòu)件4a的兩端，所述的各四邊形轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動副R1、第二轉(zhuǎn)動副R2的軸線均與對應(yīng)第一移動副Pl的移動方向相互平行，所述的第二轉(zhuǎn)動副R2安裝在所述第一連接構(gòu)件4a的中點位置，所述第二、四連接構(gòu)件的另一端分別通過所述的第一萬向鉸U1、第二萬向鉸U2安裝在所述的動平臺20上。第一萬向鉸Ul具有與對應(yīng)第一移動副Pl的移動方向相平行的第一轉(zhuǎn)動軸Ul-I和與所述第一連接構(gòu)件4a的中心線相平行的第二轉(zhuǎn)動軸U1-2 ;第二萬向鉸U2具有與對應(yīng)第一移動副Pl的移動方向相平行的第一轉(zhuǎn)動軸U2-1和與第一連接構(gòu)件4a的中心線相平行的第二轉(zhuǎn)動軸U2-2。三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的實施例3如圖3所示實施例3與實施例2的區(qū)別在于，連接于第二連 接構(gòu)件4b與動平臺20之間的第一萬向鉸Ul變換成第一球鉸SI和連接于第四連接構(gòu)件4c與動平臺20之間的第二萬向鉸U2變換成第二球鉸S2。
權(quán)利要求1.三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，包括動平臺和定平臺，其特征在于所述的動、定平臺間設(shè)有三條結(jié)構(gòu)形式相同且呈空間正交分布的分支運動鏈，從定平臺到動平臺之間，各分支運動鏈均由第一移動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、平行四邊形結(jié)構(gòu)和運動副順序串聯(lián)而成，所述第一移動副和第一轉(zhuǎn)動副之間、第二轉(zhuǎn)動副和運動副之間分別由第二構(gòu)件和第三構(gòu)件連接，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)和運動副有以下兩種形式第一種形式，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)包括四個軸線相互平行的四邊形轉(zhuǎn)動副和連接于四個四邊形轉(zhuǎn)動副之間的第一、ニ、三、四連接構(gòu)件，所述的各四邊形轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副的軸線均與對應(yīng)第一移動副的移動方向相互平行，所述的第二轉(zhuǎn)動副安裝在所述第一連接構(gòu)件的中部，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)中的第三連接構(gòu)件通過所述的運動副安裝在所述的動平臺上，所述運動副由軸線與所述第三連接構(gòu)件的中心線重合的轉(zhuǎn)動副構(gòu)成；第二種形式，所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)由第一、ニ、四連接構(gòu)件和動平臺圍成，所述的第二、四連接構(gòu)件分別通過對應(yīng)的四邊形轉(zhuǎn)動副相互平行的設(shè)置于所述第一連接構(gòu)件的兩端，所述的各四邊形轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動畐IJ、第二轉(zhuǎn)動副的軸線均與對應(yīng)第一移動副的移動方向相互平行，所述的第二轉(zhuǎn)動副安裝在所述第一連接構(gòu)件的中部，所述第二、四連接構(gòu)件的另一端分別通過相應(yīng)運動副與動平臺相連，所述的運動副為萬向鉸或球鉸； 所述三條分支運動鏈對應(yīng)的三個第一移動副的移動方向相互垂直，且呈空間正交分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的動平臺為對邊平行且不相鄰邊長度相等的規(guī)則六邊形，所述的各分支運動鏈對應(yīng)的三個運動副分別設(shè)置于所述動平臺的不相鄰邊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的動平臺上設(shè)置有三個導(dǎo)向方向呈空間正交分布的三個導(dǎo)軌，所述的各分支運動鏈對應(yīng)的三個第一移動副分別裝配于對應(yīng)的三個導(dǎo)軌上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)還包括分別與對應(yīng)第一移動副傳動連接以驅(qū)動各第一移動副沿對應(yīng)導(dǎo)軌直線運動的直線電機(jī)或由伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)。
專利摘要本實用新型涉及一種三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，包括動平臺和定平臺，動、定平臺間設(shè)有三條結(jié)構(gòu)形式相同且呈空間正交分布的分支運動鏈，從定平臺到動平臺之間，各分支運動鏈均由第一移動副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、平行四邊形結(jié)構(gòu)和運動副順序串聯(lián)而成，三條分支運動鏈對應(yīng)的三個第一移動副的移動方向相互垂直，且呈空間正交分布。所述機(jī)構(gòu)可作為工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和微操作機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、運動學(xué)解耦性好且運動性能高。
文檔編號B25J9/08GK202428439SQ20122001543
公開日2012年9月12日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者劉華峰, 吳鑫, 張彥斌, 張樹乾 申請人:河南科技大學(xué)