專利名稱：一種全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
一種全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人和先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)空間一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)全
解耦運(yùn)動(dòng)輸出的少自由度并聯(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)可定義為上下平臺(tái)(固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái))之間用兩個(gè)或兩個(gè) 以上的運(yùn)動(dòng)支鏈相連，每個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈由連桿和運(yùn)動(dòng)副組成，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上 自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大型模擬設(shè)備、機(jī)器人、數(shù) 控機(jī)床、傳感器、微操作器、雕刻機(jī)和測(cè)量機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域。Stewart平臺(tái)是一種典型的并聯(lián)機(jī) 器人機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有6個(gè)自由度，首次用于并聯(lián)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床被認(rèn)為是二十世紀(jì)以 來機(jī)床結(jié)構(gòu)的一次革命，在這以后發(fā)明了多種6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 由于結(jié)構(gòu)的限制，6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)有許多技術(shù)問題沒能很好解決，如運(yùn)動(dòng)耦合性 強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解復(fù)雜、工作空間小、傳動(dòng)特性差等。少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中 具有廣闊的應(yīng)用前景，不少學(xué)者研究了多種該類型的機(jī)構(gòu)，如Delta機(jī)構(gòu)、Star Like機(jī)構(gòu) 等。中國(guó)學(xué)者在少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究方面也取得了大量的研究成果(如專利申 i青號(hào):01108297. 6 ;01113519. 0 ;03113354. 1 ;200410018623. 8 ;200510037951. 7等)。
目前基于3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人機(jī)構(gòu)作為定位部件，在其運(yùn)動(dòng)平臺(tái)串接一個(gè)2 自由度的旋轉(zhuǎn)頭而構(gòu)造出5自由度的混聯(lián)機(jī)器人，在高速加工領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前 景，為克服并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的定位部件存在桿件多、運(yùn)動(dòng)副多而導(dǎo)致剛度不足這一問題，需要 創(chuàng)造出滿足運(yùn)動(dòng)形式要求且運(yùn)動(dòng)副少、剛度高的新機(jī)型。作為混聯(lián)機(jī)器人的定位部件，其運(yùn) 動(dòng)控制越簡(jiǎn)單，對(duì)控制器的要求也就越低，因而如何設(shè)計(jì)出運(yùn)動(dòng)全解耦的少自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)成為一個(gè)研究的焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)副數(shù)目少、 成本較低、實(shí)現(xiàn)一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)全解耦的空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明為解決上述問題所采用的方案是設(shè)計(jì)一種利用較少運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)一平動(dòng)兩 轉(zhuǎn)動(dòng)的空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、固定平臺(tái)2和聯(lián)接上述兩平臺(tái)的三條支 鏈支鏈M1、支鏈M2、支鏈M3組成；其中支鏈M1，支鏈M2自上而下分別由一個(gè)虎克鉸Tl， T2， 一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸Rl， R2 —個(gè)移動(dòng)鉸Pl， P2，以及它們之間的連桿Ll， L2， L4， L5組成；支鏈M3
自上而下分別由一個(gè)球鉸鏈Sl、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3，一個(gè)移動(dòng)鉸P3以及它們之間的連桿L3，L6 組成；其中 所說的桿件L4， L5， L6分別通過移動(dòng)鉸P1， P2， P3與固定平臺(tái)相聯(lián)接，移動(dòng)鉸Pl， P2， P3為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副，且桿件L4， L5， L6的運(yùn)動(dòng)軸線與固定平臺(tái)垂直；
所說的桿件Ll， L2， L3分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸Rl， R2， R3與桿件L4， L5， L6相聯(lián)接，且轉(zhuǎn) 動(dòng)鉸R1的軸線與移動(dòng)鉸P1的軸線垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R2的軸線與移動(dòng)鉸P2的軸線垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3的軸線與移動(dòng)鉸P3的軸線垂直； 所說的桿件Ll， L2， L3分別通過虎克鉸Tl， T2和球鉸鏈Sl與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1相聯(lián)接， 虎克鉸T1， T2上的兩個(gè)軸的軸線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1共面，且其中一個(gè)軸線分別與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1， R2 的軸線平行，球鉸鏈S1的一個(gè)軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3的軸線平行； 所說的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1與固定平臺(tái)2為相似三角形，且為等腰直角三角形，并滿足虎 克鉸T1中心點(diǎn)與球鉸鏈S1中心點(diǎn)的連線與虎克鉸T2中心點(diǎn)與球鉸鏈S1中心點(diǎn)的連線垂 直；移動(dòng)鉸P1中心點(diǎn)與移動(dòng)鉸P3中心點(diǎn)的連線與移動(dòng)鉸P2中心點(diǎn)與；移動(dòng)鉸P3中心點(diǎn)的 連線垂直。 本發(fā)明的有益效果是 1、機(jī)構(gòu)工作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)的全解耦運(yùn)動(dòng)輸出。 2、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)副均為低副、機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)少，運(yùn)動(dòng)副自由度總數(shù)只有13個(gè)。 3、可以有效的改善并聯(lián)機(jī)構(gòu)因運(yùn)動(dòng)副自由度過多而導(dǎo)致的容易發(fā)生撓曲和扭轉(zhuǎn)
變形的問題。 4、通過在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上串接一個(gè)二自由度的旋轉(zhuǎn)頭，由此可設(shè)計(jì)出五自由度的混聯(lián) 機(jī)器人，可用于復(fù)雜曲面等場(chǎng)合。 5、在平動(dòng)方向上可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，尤其適用于長(zhǎng)軸形曲面加工。

圖1全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
具體實(shí)施方式
利用較少運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)的空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、 固定平臺(tái)2和聯(lián)接上述兩平臺(tái)的三條支鏈支鏈M1、支鏈M2、支鏈M3組成；其中支鏈M1，支 鏈M2自上而下分別由一個(gè)虎克鉸T1，T2，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1，R2—個(gè)移動(dòng)鉸P1，P2以及它們之 間的連桿L1，L4，L2，L5組成；支鏈M3自上而下分別由一個(gè)球鉸鏈Sl、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3， 一個(gè) 移動(dòng)鉸P3，以及它們之間的連桿L3， L6組成。聯(lián)接桿件L4， L5， L6與固定平臺(tái)2的移動(dòng)鉸 Pl， P2， P3為機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)副軸線與固定平臺(tái)相垂直，與驅(qū)動(dòng)副相鄰的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸Rl， R2， R3軸線分別與驅(qū)動(dòng)副軸線垂直，通過虎克鉸T1，T2和球鉸鏈Sl將桿件L1，L2，L3與運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)1相聯(lián)接，且虎克鉸T1，T2的兩個(gè)軸線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1共面，其中一個(gè)軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1，R2 軸線平行，球鉸鏈Sl的一個(gè)軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3軸線平行。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1與固定平臺(tái)2為相似 三角形，且為等腰直角三角形，虎克鉸Tl與球鉸鏈Sl中心點(diǎn)的連線與虎克鉸T2與球鉸鏈 Sl中心點(diǎn)的連線垂直；轉(zhuǎn)動(dòng)鉸Rl與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3中心點(diǎn)的連線與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R2與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3中心 點(diǎn)的連線垂直。 如圖所示，與固定平臺(tái)相連的移動(dòng)鉸為P4， P5， P6為驅(qū)動(dòng)副，通過電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲 桿來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)各驅(qū)動(dòng)副在控制下運(yùn)動(dòng)不同的位移時(shí)，其余各轉(zhuǎn)動(dòng)副、虎克鉸、球鉸鏈則在連 桿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的拉動(dòng)下，做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在工作空間內(nèi)做一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
一種全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、固定平臺(tái)2和聯(lián)接上述兩平臺(tái)的三條支鏈支鏈M1、支鏈M2、支鏈M3組成；其中支鏈M1，支鏈M2自上而下分別由一個(gè)虎克鉸T1，T2，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1，R2一個(gè)移動(dòng)鉸P1，P2，以及它們之間的連桿L1，L2，L4，L5組成；支鏈M3自上而下分別由一個(gè)球鉸鏈S1、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3，一個(gè)移動(dòng)鉸P3以及它們之間的連桿L3，L6組成；其中所說的桿件L4，L5，L6分別通過移動(dòng)鉸P1，P2，P3與固定平臺(tái)相聯(lián)接，移動(dòng)鉸P1，P2，P3為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副，且桿件L4，L5，L6的運(yùn)動(dòng)軸線與固定平臺(tái)垂直；所說的桿件L1，L2，L3分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1，R2，R3與桿件L4，L5，L6相聯(lián)接，且轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1的軸線與移動(dòng)鉸P1的軸線垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R2的軸線與移動(dòng)鉸P2的軸線垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3的軸線與移動(dòng)鉸P3的軸線垂直；所說的桿件L1，L2，L3分別通過虎克鉸T1，T2和球鉸鏈S1與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1相聯(lián)接，虎克鉸T1，T2上的兩個(gè)軸的軸線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1共面，且其中一個(gè)軸線分別與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R1，R2的軸線平行，球鉸鏈S1的一個(gè)軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸R3的軸線平行。
2. 如權(quán)利要求l所述的全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于，所說的運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)1與固定平臺(tái)2為相似三角形，且為等腰直角三角形，并滿足虎克鉸Tl中心點(diǎn)與球 鉸鏈S1中心點(diǎn)的連線與虎克鉸T2中心點(diǎn)與球鉸鏈S1中心點(diǎn)的連線垂直；移動(dòng)鉸P1中心 點(diǎn)與移動(dòng)鉸P3中心點(diǎn)的連線與移動(dòng)鉸P2中心點(diǎn)與；移動(dòng)鉸P3中心點(diǎn)的連線垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全解耦三自由度空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)和聯(lián)接上述兩平臺(tái)的三條支鏈組成，其中兩條支鏈結(jié)構(gòu)相同，自上而下分別由一個(gè)胡克鉸、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，一個(gè)移動(dòng)鉸，以及它們之間的連桿組成，另一條支鏈自上而下分別由一個(gè)球鉸鏈、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，一個(gè)移動(dòng)鉸，以及它們之間的連桿組成。本發(fā)明的機(jī)構(gòu)其工作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一平動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)全解耦運(yùn)動(dòng)輸出；該機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)少，運(yùn)動(dòng)副自由度總數(shù)只有13個(gè)，使得它可以有效的改善并聯(lián)機(jī)構(gòu)因運(yùn)動(dòng)副自由度過多而導(dǎo)致的容易發(fā)生撓曲和扭轉(zhuǎn)變形的問題，提高機(jī)構(gòu)整體的載荷/體重比。另外通過在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上串接一個(gè)二自由度的旋轉(zhuǎn)頭，由此可設(shè)計(jì)出五自由度的混聯(lián)機(jī)器人，可用于復(fù)雜曲面加工等場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B25J9/08GK101722511SQ20091022832
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者李彬, 趙新華, 魏璇 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)