本發(fā)明涉及醫(yī)療機(jī)器人，尤其涉及一種具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度解耦并聯(lián)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于重載模擬設(shè)備、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、傳感器及微操作領(lǐng)域。然而，并聯(lián)機(jī)構(gòu)各驅(qū)動單元之間是耦合的，即并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體輸出平臺沿任一方向的運(yùn)動都是所有驅(qū)動單元的運(yùn)動合成，并且各驅(qū)動單元的運(yùn)動與并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制復(fù)雜，標(biāo)定困難，且制約了精度的提高。因此，如何實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦，以簡化控制和標(biāo)定，提高運(yùn)動精度，一直是一個困難而富有挑戰(zhàn)性的課題。

運(yùn)動解耦并聯(lián)機(jī)器人是指輸出運(yùn)動的任一個自由度都僅依賴單個驅(qū)動單元，其他驅(qū)動單元動作不對此自由度產(chǎn)生影響。具有完全解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系簡單、標(biāo)定簡便、控制精度高、剛度大，在虛軸機(jī)床和機(jī)器人中應(yīng)用前景廣闊。

中國專利文獻(xiàn)CN102145457A報道了由靜平臺、動平臺以及連接在靜平臺與動平臺之間的第一運(yùn)動支鏈，第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈組成的用于虛軸機(jī)床和機(jī)器人的三轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此三轉(zhuǎn)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈都存在伸縮桿件，在運(yùn)用伸縮桿件的情況下，機(jī)構(gòu)沒有足夠的剛度，還存在較多的干涉與奇異位型，不能實(shí)現(xiàn)大空間范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動。隨著工業(yè)的發(fā)展，具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度的解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要性日益突出。文獻(xiàn)[Xianwen Kong,Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallel manipulators,Transactions of the CSME,Vol.28,Special Edition,2004]中報道了具有兩移動一轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由動平臺、固定平臺和串并聯(lián)混搭的運(yùn)動支鏈組成。文獻(xiàn)[李惠良，金瓊，楊廷力，一類一平移兩轉(zhuǎn)動解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其位移分析，機(jī)械制造與研究，F(xiàn)eb 2002,(1):9-12,14]提出一種具有三角化解耦特性的兩轉(zhuǎn)動一移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)， 輸出自由度不完全由單個驅(qū)動器控制，屬于部分解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)。具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度解耦并聯(lián)球面機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)目前尚未檢索到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度解耦并聯(lián)機(jī)器人。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度解耦并聯(lián)機(jī)器人，包括機(jī)架、末端輸出桿、第一運(yùn)動支鏈、第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈；所述機(jī)架包括基座和連接在基座上的U形支架；所述第一運(yùn)動支鏈連接在基座與末端輸出桿的第一端之間，所述第二運(yùn)動支鏈連接在U形支架的第一臂與末端輸出桿的第二端之間；所述第三運(yùn)動支鏈連接在U形支架的第二臂與第二運(yùn)動支鏈之間；通過第一運(yùn)動支鏈、第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈的主動運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)末端輸出桿的三自由度轉(zhuǎn)動。

所述第一運(yùn)動支鏈包括順序傳動相連的第一轉(zhuǎn)動副、第一桿件、第二轉(zhuǎn)動副、第二桿件和第三轉(zhuǎn)動副，其中第一轉(zhuǎn)動副為主動副并且與基座可轉(zhuǎn)動相連，第三轉(zhuǎn)動副與末端輸出桿的第一端可轉(zhuǎn)動相連。

所述第二運(yùn)動支鏈包括第四轉(zhuǎn)動副、第五轉(zhuǎn)動副、第六轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副、第九轉(zhuǎn)動副、第十轉(zhuǎn)動副、第十一轉(zhuǎn)動副、第三桿件、第四桿件、第五桿件、第六桿件、第七桿件和第八桿件；其中第四轉(zhuǎn)動副設(shè)置在U形支架第一臂的端點(diǎn)，第五轉(zhuǎn)動副設(shè)置在U形支架第二臂的中部，第七轉(zhuǎn)動副設(shè)置在第五桿件的中部，第三桿件連接在第四轉(zhuǎn)動副與第六轉(zhuǎn)動副之間，第四桿件連接在第五轉(zhuǎn)動副與第七轉(zhuǎn)動副之間，第五桿件連接在第六轉(zhuǎn)動副與第八轉(zhuǎn)動副之間，第八轉(zhuǎn)動副、第六桿件、第九轉(zhuǎn)動副、第七桿件、第十轉(zhuǎn)動副、第八桿件，第十一轉(zhuǎn)動副順序相連；其中，第十一轉(zhuǎn)動副與末端輸出桿的第二端可轉(zhuǎn)動相連，第四轉(zhuǎn)動副為主動副。

所述第三運(yùn)動支鏈包括第十二轉(zhuǎn)動副、第十三轉(zhuǎn)動副、第十四轉(zhuǎn)動副、第十五轉(zhuǎn)動副、第十六轉(zhuǎn)動副、第十七轉(zhuǎn)動副、第九桿件、第十桿件、第十一桿件和第十二桿件；其中，第十二轉(zhuǎn)動副連接在U形支架第二臂的端點(diǎn)，第九桿件連接在第十二轉(zhuǎn)動副與第十四轉(zhuǎn)動副之間，第十桿件的一端通過第十三轉(zhuǎn)動副與第九桿件的中部相連，第十一桿件的一端與第十四轉(zhuǎn)動副相連，第十二桿件為帶U形開口的桿件，包括第一端點(diǎn)、第二端點(diǎn)和第三端點(diǎn)，第十五轉(zhuǎn)動副設(shè)置在第一端點(diǎn)并與第十 桿件的另一端相連，第十六轉(zhuǎn)動副設(shè)置在第二端點(diǎn)并與第十一桿件的另一端相連，第十七轉(zhuǎn)動副設(shè)置在第三端點(diǎn)并連接在第二運(yùn)動支鏈的第八桿件上，其中，第十三轉(zhuǎn)動副為主動副。

第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、第三轉(zhuǎn)動副、第十一轉(zhuǎn)動副和第十二轉(zhuǎn)動副的軸線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)定義為原點(diǎn)；第十轉(zhuǎn)動副的軸線與第十三轉(zhuǎn)動副、第十四轉(zhuǎn)動副、第十五轉(zhuǎn)動副、第十六轉(zhuǎn)動副、第十七轉(zhuǎn)動副的軸線平行；第十二轉(zhuǎn)動副的軸線與第四轉(zhuǎn)動副、第五轉(zhuǎn)動副、第六轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副的軸線平行；第十轉(zhuǎn)動副的軸線過原點(diǎn)并與第六轉(zhuǎn)動副的軸線垂直。

本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

1、兩個四邊形結(jié)構(gòu)以及桿件414的設(shè)計使結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，可以在很大程度上避免干涉和奇異，實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角輸出。

2、利用冗余的平行四邊形結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)構(gòu)的剛度，消除了第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈的內(nèi)部干涉。

3、第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈能夠?qū)崿F(xiàn)輸入和輸出傳遞關(guān)系1:1，使得機(jī)構(gòu)控制精度大大提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中的第二運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中的第二運(yùn)動支鏈中的第八桿件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中的第三運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中的第三運(yùn)動支鏈中的第十二桿件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中的總體結(jié)構(gòu)示意圖第三運(yùn)動支鏈的極限位置1；

圖7為本發(fā)明中的總體結(jié)構(gòu)示意圖第三運(yùn)動支鏈的極限位置2；

圖8為本發(fā)明中的總體結(jié)構(gòu)示意圖運(yùn)動到一個位置的狀態(tài)1；

圖9為本發(fā)明中的總體結(jié)構(gòu)示意圖運(yùn)動到一個位置的狀態(tài)2。

具體實(shí)施方式

參見圖1，配合參見圖2、圖3、圖4、圖5，本發(fā)明具有大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機(jī)器人，包括機(jī)架1、末端輸出桿2、第一運(yùn)動支鏈3、第二運(yùn)動支鏈4 和第三運(yùn)動支鏈5。機(jī)架1包括基座11和連接在基座上的U形支架。第一運(yùn)動支鏈3連接在基座11與末端輸出桿2的第一端之間，第二運(yùn)動支鏈4連接在U形支架12的第一臂12與末端輸出桿2的第二端之間；第三運(yùn)動支鏈5連接在U形支架的第二臂13與第二運(yùn)動支鏈4之間；通過第一運(yùn)動支鏈、第二運(yùn)動支鏈和第三運(yùn)動支鏈的主動運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)末端輸出桿的三自由度轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明中的第一運(yùn)動支鏈3包括順序傳動相連的第一轉(zhuǎn)動副31、第一桿件32、第二轉(zhuǎn)動副33、第二桿件34和第三轉(zhuǎn)動副35，其中第一轉(zhuǎn)動副31為主動副并且與基座11可轉(zhuǎn)動相連，第三轉(zhuǎn)動副35與末端輸出桿2的第一端可轉(zhuǎn)動相連。當(dāng)主動副31旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動第一支鏈運(yùn)動，并帶動末端輸出桿2繞轉(zhuǎn)動副48轉(zhuǎn)動。

配合參見圖2、圖3，本發(fā)明中的第二運(yùn)動支鏈4包括第四轉(zhuǎn)動副41、第五轉(zhuǎn)動副42、第六轉(zhuǎn)動副43、第七轉(zhuǎn)動副44、第八轉(zhuǎn)動副45、第九轉(zhuǎn)動副46、第十轉(zhuǎn)動副47、第十一轉(zhuǎn)動副48、第三桿件49、第四桿件410、第五桿件411、第六桿件412、第七桿件413和第八桿件414；其中第四轉(zhuǎn)動副41設(shè)置在U形支架第一臂12的端點(diǎn)，第五轉(zhuǎn)動副42設(shè)置在U形支架第二臂13的中部，第七轉(zhuǎn)動副44設(shè)置在第五桿件411的中部，第三桿件49連接在第四轉(zhuǎn)動副41與第六轉(zhuǎn)動副43之間，第四桿件410連接在第五轉(zhuǎn)動副42與第七轉(zhuǎn)動副44之間，第五桿件411連接在第六轉(zhuǎn)動副43與第八轉(zhuǎn)動副45之間，第八轉(zhuǎn)動副45、第六桿件412、第九轉(zhuǎn)動副46、第七桿件413、第十轉(zhuǎn)動副47、第八桿件414、第十一轉(zhuǎn)動副48順序相連；其中，第十一轉(zhuǎn)動副48與末端輸出桿2的第二端可轉(zhuǎn)動相連，第四轉(zhuǎn)動副41為主動副。當(dāng)主動副41旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動第二支鏈運(yùn)動，并帶動輸出桿件2繞轉(zhuǎn)動副51轉(zhuǎn)動。第二運(yùn)動支鏈為完全解耦，被動轉(zhuǎn)動副51的旋轉(zhuǎn)角與主動副41的旋轉(zhuǎn)角的比例關(guān)系為1:1。

配合參見圖4、圖5，本發(fā)明中的第三運(yùn)動支鏈5包括第十二轉(zhuǎn)動副51、第十三轉(zhuǎn)動副52、第十四轉(zhuǎn)動副53、第十五轉(zhuǎn)動副54、第十六轉(zhuǎn)動副55、第十七轉(zhuǎn)動副56、第九桿件57、第十桿件58、第十一桿件59和第十二桿件510；其中，第十二轉(zhuǎn)動副51連接在U形支架第二臂13的端點(diǎn)，第九桿件57連接在第十二轉(zhuǎn)動副51和第十四轉(zhuǎn)動副53之間，第十桿件58的一端通過第十三轉(zhuǎn)動副52與第九桿件57的中部相連，第十一桿件59的一端與第十四轉(zhuǎn)動副53相連，第十二桿件510為帶U形開口的桿件，包括第一端點(diǎn)511、第二端點(diǎn)512和第三端點(diǎn)513，第十五轉(zhuǎn)動副54設(shè)置在第一端點(diǎn)并與第十桿件58的另一端相連，第十六轉(zhuǎn)動副55設(shè)置 在第二端點(diǎn)并與第十一桿件59的另一端相連，第十七轉(zhuǎn)動副56設(shè)置在第三端點(diǎn)并連接在第二運(yùn)動支鏈的第八桿件413上，其中，第十三轉(zhuǎn)動副52為主動副。當(dāng)主動副52旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動第三支鏈運(yùn)動，并帶動輸出桿件2繞轉(zhuǎn)動副47轉(zhuǎn)動。第三運(yùn)動支鏈為完全解耦，被動轉(zhuǎn)動副48的旋轉(zhuǎn)角與主動副52的旋轉(zhuǎn)角的比例關(guān)系為1:1。

本發(fā)明中的第一轉(zhuǎn)動副31、第二轉(zhuǎn)動副33、第三轉(zhuǎn)動副35、第十一轉(zhuǎn)動副48和第十二轉(zhuǎn)動副51的軸線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)定義為原點(diǎn)；第十轉(zhuǎn)動副47的軸線與第十三轉(zhuǎn)動副52、第十四轉(zhuǎn)動副53、第十五轉(zhuǎn)動副54、第十六轉(zhuǎn)動副55、第十七轉(zhuǎn)動副56的軸線平行；第十二轉(zhuǎn)動副51的軸線與第四轉(zhuǎn)動副41、第五轉(zhuǎn)動副42、第六轉(zhuǎn)動副43、第七轉(zhuǎn)動副44、第八轉(zhuǎn)動副45的軸線平行；第十轉(zhuǎn)動副47的軸線過原點(diǎn)并與第六轉(zhuǎn)動副43的軸線垂直。

圖6為本發(fā)明中的第三運(yùn)動支鏈的極限位置1，圖7為本發(fā)明中的第三運(yùn)動支鏈的極限位置2，圖8為本發(fā)明運(yùn)動到一個位置的狀態(tài)1，圖9為本發(fā)明運(yùn)動到一個位置的狀態(tài)2。上述附圖展示了大轉(zhuǎn)動角度的三轉(zhuǎn)動自由度的狀態(tài)，直到圖6和圖7二種狀態(tài)下才產(chǎn)生一種類型的干涉；運(yùn)行到圖8和圖9狀態(tài)下仍然沒有產(chǎn)生奇異位型和干涉。