專利名稱：非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機器人領(lǐng)域，尤其是一種非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機器人機構(gòu)是由動平臺、定平臺以及聯(lián)接兩平臺的若干條(兩條以上)分支運動鏈組成。一般情況下，機構(gòu)的運動分支數(shù)等于其自由度數(shù)，且驅(qū)動器安裝在定平臺或者接近于動平臺的構(gòu)件上，以減小機構(gòu)的運動慣量。相對于串聯(lián)機構(gòu)，并聯(lián)機構(gòu)具有承載能力強、精度高、剛度大、速度響應(yīng)快和自重負荷比小等優(yōu)點。因此，并聯(lián)機器人機構(gòu)在工業(yè)機器人、并聯(lián)機床、醫(yī)療機器人、微操作機器人、飛行模擬器等領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。 Reward機構(gòu)是典型的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，該機構(gòu)具有較高的承載能力，各分支運動鏈結(jié)構(gòu)也較為簡單，因此該類機構(gòu)常用于要求具有較高承載能力和運動復(fù)雜的場合。雖然六自由度并聯(lián)機構(gòu)有其自身的優(yōu)點，但其運動學(xué)耦合性很強，因此機構(gòu)的有效工作空間相對較小。而很多領(lǐng)域并不需要機構(gòu)具有六個自由度，因此少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)(D0F=2飛)在近些年來得到了較多的關(guān)注。少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制較為容易、制造成本低等特點，國際上已有多種新型少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)面試并應(yīng)用于生產(chǎn)中去，如Delta機構(gòu)、Star機構(gòu)、Agile Eye機構(gòu)等。我國也有不少機構(gòu)學(xué)者設(shè)計出諸多新型并聯(lián)機器人機構(gòu)，并申請了國家實用新型專利。如申請?zhí)枮?200410069388. 7，02104919. X，02137928. 9,200710057179. 4， 201010225502. 6的中國專利。對于一般的并聯(lián)機器人機構(gòu)，其運動學(xué)耦合性都較強，造成運動學(xué)解有多組，而其工作空間也隨之減小，且使得機構(gòu)軌跡規(guī)劃和精度控制困難。而對于具有轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機器人機構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)限制，其動平臺的轉(zhuǎn)動角度一般都不大，因此如何設(shè)計運動學(xué)解耦性好、轉(zhuǎn)動性能高的并聯(lián)機器人機構(gòu)已成為該領(lǐng)域研究的新課題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，以解決現(xiàn)有的機器人機構(gòu)的運動學(xué)解耦性差和轉(zhuǎn)動性能不高的問題。為了解決上述問題，本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)采用以下技術(shù)方案非對稱三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，包括動平臺、定平臺，以及連接所述動、定平臺之間三條相異分支運動鏈，所述三條相異分支運動鏈為第一分支運動鏈、第二分支運動鏈及第三分支運動鏈；所述第一分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第一圓柱副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副及第三轉(zhuǎn)動副，所述第一轉(zhuǎn)動副及第二轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第一圓柱副的軸線平行且與所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線垂直；第一圓柱副與第一轉(zhuǎn)動副之間、第一轉(zhuǎn)動副與第二轉(zhuǎn)動副之間、第二轉(zhuǎn)動副與第三轉(zhuǎn)動副之間對應(yīng)通過第一傳動臂、第二傳動臂、第三傳動臂連接；所述第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第一移動副、第二移動副及第四轉(zhuǎn)動副，所述第一移動副的軸線與所述第二移動副的軸線垂直且與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線平行，所述第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第四轉(zhuǎn)動副之間對應(yīng)通過第四傳動臂、第五傳動臂連接；所述第三分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第五轉(zhuǎn)動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，所述第五轉(zhuǎn)動副與第一虎克鉸之間、第一虎克鉸與第三移動副之間、第三移動副與第二虎克鉸之間對應(yīng)通過第六傳動臂、第七傳動臂、第八傳動臂連接；所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉(zhuǎn)動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉(zhuǎn)動副的軸線平行；所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連于所述動平臺上的轉(zhuǎn)軸的軸線垂直。所述的動平臺退化為末端操作器，所述末端操作器具有傳動軸，所述第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)置于所述的傳動軸上，所述第二虎克鉸的運動輸出端與所述傳動軸的一端連接。所述第一、第二分支運動鏈分設(shè)于所述末端操作器的徑向兩側(cè)。所述的第三、第四轉(zhuǎn)動副固定連接。所述第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)為一體，即合并為一個轉(zhuǎn)動副，第二轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第二移動副的移動中心線共線。由于本實用新型的非對稱三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的動平臺具有所述的第一、第二及第三分支運動鏈，所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉(zhuǎn)動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉(zhuǎn)動副的軸線平行；所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連于所述動平臺上的轉(zhuǎn)軸的軸線垂直，因此可實現(xiàn)二維移動一維轉(zhuǎn)動輸出，非期望輸出運動為常數(shù)；機構(gòu)雅可比矩陣為3X3單位陣，其條件數(shù)和行列式的值恒等于1，從而使得本機構(gòu)在整個工作空間內(nèi)表現(xiàn)為完全各向同性，即機構(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；另外，本機構(gòu)的運動輸入輸出間可實現(xiàn)一對一的控制關(guān)系，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅(qū)動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現(xiàn)有的機器人機構(gòu)的運動學(xué)解耦性差的問題。

圖1是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例1，如圖1所示，由定平臺1、動平臺10以及聯(lián)接定平臺和動平臺的三條分支運動鏈組成，動平臺 10采用臺面板，所述的三條分支運動鏈為第一分支運動鏈51、第二分支運動鏈52及第三分支運動鏈53。第一分支運動鏈51由第一圓柱副Cl、第一轉(zhuǎn)動副R1、第二轉(zhuǎn)動副R2、第三轉(zhuǎn)動副R3順序串聯(lián)而成，各運動副之間依次由第一傳動臂2、第二傳動臂3、第三傳動臂4相連，第一圓柱副Cl的中心線與第一轉(zhuǎn)動副R1、第二轉(zhuǎn)動副R2的轉(zhuǎn)動軸線平行并且與第三轉(zhuǎn)動副 R3的轉(zhuǎn)動軸線垂直；其中第一圓柱副Cl為主動副，其輸出方式為線性，用于控制動平臺沿 X方向(如圖1)的移動，第一圓柱副Cl通過伺服電機-滾珠絲杠機構(gòu)(當(dāng)然，在其它實施例中也可以是直線伺服電機)驅(qū)動。第二分支運動鏈52由第一移動副P1、第二移動副P2和第四轉(zhuǎn)動副R3順序串聯(lián)而成，各運動副之間依次由第四傳動臂5、第五傳動臂6相連，其中第二移動副P2滑道裝配于第五傳動臂6上，第一移動副Pl為主動副，其通過伺服電機-滾珠絲杠機構(gòu)(當(dāng)然，在其它實施例中也可以是直線伺服電機)驅(qū)動，用于控制動平臺10沿Y方向的移動，第一移動副 Pl的軸線與第二移動副P2的軸線及第一圓柱副Cl的中心線垂直并且與第四轉(zhuǎn)動副R4的轉(zhuǎn)動軸線平行，第三轉(zhuǎn)動副R3的轉(zhuǎn)動軸線與第四轉(zhuǎn)動副R4的轉(zhuǎn)動軸線共線。第三分支傳動鏈由第五轉(zhuǎn)動副R5、第一虎克鉸U1、第三移動副P3、第二虎克鉸U2 順序串聯(lián)而成，各運動副之間依次由第六傳動臂7、第七傳動臂8、第八傳動臂9傳動連接， 其中第七、第八傳動臂伸縮配合形成第三移動副P3，第一虎克鉸Ul中與第六傳動臂7相連的部分具有第一傳動軸U1-1，另一部分具有第二傳動軸U1-2;第二虎克鉸U2連接于第八傳動臂9上的部分具有第三傳動軸U2-1，另一部分上具有第四傳動軸U2-2，位于同一虎克鉸上的兩傳動軸互相垂直；第五轉(zhuǎn)動副R5的轉(zhuǎn)動軸線與第一傳動軸Ul-I的軸線垂直，第二傳動軸U1-2的軸線與第三傳動軸U2-1的軸線平行且垂直于第三移動副P3的移動中心線；第五轉(zhuǎn)動副R5的轉(zhuǎn)動軸線與第一移動副Pl的移動中心線相互平行；第四傳動軸U2-2的軸線與第三、第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線垂直；第五轉(zhuǎn)動副R5為主動副，其驅(qū)動裝置采用伺服電機+ 減速器結(jié)構(gòu)，用以控制動平臺10的繞y軸轉(zhuǎn)動輸出。本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)在工作過程中， 當(dāng)需要所述動平臺在X方向往復(fù)運動時，可通過驅(qū)動所述第一圓柱副來驅(qū)動所述動平臺， 在此過程中，所述的第二移動副及第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要所述動平臺在Y 方向做往復(fù)運動時，可通過所述第一移動副來驅(qū)動所述動平臺，此過程中，所述第一、第三分支運動鏈做適應(yīng)性運動；當(dāng)需要所述動平臺繞Y軸轉(zhuǎn)動時，通過第五轉(zhuǎn)動副來驅(qū)動動平臺，與此同時，所述第三、第四轉(zhuǎn)動副做適應(yīng)性運動；最終實現(xiàn)本實用新型的非對稱三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的“二移動一轉(zhuǎn)動”。由于本實用新型的非對稱三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的動平臺具有所述的第一、第二及第三分支運動鏈，所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉(zhuǎn)動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的轉(zhuǎn)動軸線垂直且與所述第五圓柱副的軸線平行；所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連于所述動平臺上的轉(zhuǎn)軸的軸線垂直，因此可實現(xiàn)二維移動一維轉(zhuǎn)動輸出，非期望輸出運動為常數(shù)；機構(gòu)雅可比矩陣為3X3單位陣，其條件數(shù)和行列式的值恒等于1，從而使得本機構(gòu)在整個工作空間內(nèi)表現(xiàn)為完全各向同性，即機構(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；另外，本機構(gòu)的運動輸入輸出間可實現(xiàn)一對一的控制關(guān)系，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅(qū)動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現(xiàn)有的機器人機構(gòu)的運動學(xué)解耦性差的問題。所述機構(gòu)可作為工業(yè)機器人、醫(yī)療機器人和微操作機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)二維移動和一維轉(zhuǎn)動的操作動作。
5[0020]本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例2，如圖2所示，本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于，所述的動平臺退化為末端操作器61，末端操作器61的后端具有傳動軸61-1，第一、第二分支運動鏈分設(shè)于末端操作器61的傳動軸的徑向兩側(cè)，第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)置于所述的傳動軸61-1上，所述第二虎克鉸U2的運動輸出端與所述傳動軸61-1的一端連接；從而使得從末端操作器向定平臺望去第一、第二、第三分支運動鏈順時針分布，本實施例中，所述末端操作器61可以實現(xiàn)360度轉(zhuǎn)動輸出。本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)的實施例3，如圖3所示，本實施例與實施例2的區(qū)別僅在于，所述第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)為一體，即第三、第四轉(zhuǎn)動副合并為一個轉(zhuǎn)動副(或用第三、第四轉(zhuǎn)動副中的一個運動副代替)，合并后轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與第五傳動臂6的中心線共線；該實施例中，所述的第一、第二分支運動鏈形成混合運動鏈。上述實施例2中還可將所述的第三、第四轉(zhuǎn)動副固連，從而使所述的第一、第二分支運動鏈形成混合運動鏈，實施例2及實施例3中，還可將所述的第一、第二分支運動鏈設(shè)置于末端操作器的傳動軸的徑向同側(cè)。
權(quán)利要求1.非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，包括動平臺、定平臺以及連接所述動、定平臺的三條相異分支運動鏈，其特征在于所述三條相異分支運動鏈為第一分支運動鏈、第二分支運動鏈及第三分支運動鏈；所述第一分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第一圓柱副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副及第三轉(zhuǎn)動副，所述第一轉(zhuǎn)動副及第二轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第一圓柱副的軸線平行且與所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線垂直；第一圓柱副與第一轉(zhuǎn)動副之間、第一轉(zhuǎn)動副與第二轉(zhuǎn)動副之間、第二轉(zhuǎn)動副與第三轉(zhuǎn)動副之間對應(yīng)通過第一傳動臂、第二傳動臂、第三傳動臂連接；所述第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第一移動副、第二移動副及第四轉(zhuǎn)動副，所述第一移動副的軸線與所述第二移動副的軸線垂直且與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線平行，所述第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第四轉(zhuǎn)動副之間對應(yīng)通過第四傳動臂、第五傳動臂連接；所述第三分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯(lián)的第五轉(zhuǎn)動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，所述第五轉(zhuǎn)動副與第一虎克鉸之間、第一虎克鉸與第三移動副之間、第三移動副與第二虎克鉸之間對應(yīng)通過第六傳動臂、第七傳動臂、第八傳動臂連接；所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉(zhuǎn)動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉(zhuǎn)動副的軸線平行；所述第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連于所述動平臺上的轉(zhuǎn)軸的軸線垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，其特征在于所述的動平臺退化為末端操作器，所述末端操作器具有傳動軸，所述第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)置于所述的傳動軸上，所述第二虎克鉸的運動輸出端與所述傳動軸的動力輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，其特征在于所述第一、第二分支運動鏈分設(shè)于所述末端操作器的徑向兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，其特征在于所述的第三、第四轉(zhuǎn)動副固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的非對稱三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，其特征在于所述第三、第四轉(zhuǎn)動副設(shè)為一體，第二轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與所述第二移動副的移動中心線共線。
專利摘要本實用新型涉及非對稱完全各向同性三自由度空間并聯(lián)機器人機構(gòu)，包括動平臺、定平臺以及聯(lián)接定平臺和動平臺的三條相異分支運動鏈，第一分支運動鏈包括第一圓柱副、第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副及第三轉(zhuǎn)動副，第一轉(zhuǎn)動副及第二轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與第一圓柱副的軸線平行且與第三轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線垂直；第二分支運動鏈包括第一移動副、第二移動副及第四轉(zhuǎn)動副，第一移動副的軸線與第二移動副軸線垂直且與第四轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線平行；第三分支運動鏈包括第五轉(zhuǎn)動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，第一移動副的軸線與第一圓柱副的轉(zhuǎn)動軸線垂直且與第五圓柱副軸線平行，解決了現(xiàn)有的機器人機構(gòu)的運動學(xué)解耦性差和轉(zhuǎn)動性能不高的問題。
文檔編號B25J9/08GK202241271SQ201120297589
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者侯中華, 劉宗發(fā), 吳鑫, 張彥斌, 張樹乾 申請人:河南科技大學(xué)