CN103846908B - 四支链三平一转高速并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四支链三平一转高速并联机械手，包括固定架、动平台以及布置在固定架与动平台之间的呈中心对称布置的四条结构相同的运动支链。动平台包括上平台、下平台、末端执行器、四个摆杆、螺旋轴和两个支撑杆；四个摆杆放射状布置于动平台四周，相邻的两个摆杆与连接件转动连接，或虎克铰接，或球铰接，使相邻摆杆实现方向相反的运动；螺旋杆一端与上平台转动相连，中部与下平台螺旋连接，另一端与末端执行器固连；在驱动装置的驱动下，下平台沿螺旋轴方向移动，通过螺纹连接作用使与螺旋轴固连的末端执行器实现绕自身轴线的转动。本发明中的动平台力传递效果好，机构运动顺畅，使用寿命长。

Description

四支链三平一转高速并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种具有空间三平动一转动能力的高速并联机械手。

背景技术

专利文献US20090019960和EP1084802公开了一种可实现三维平动一维转动的高速并联机构，固定机架与动平台通过四条结构相同的主动支链相连，每条支链包括近架杆和远架杆两部分。主动支链近架杆与远架杆通过具有两个回转自由度的铰链相连，近架杆另一端与固定机架移动或转动连接，远架杆另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与动平台连接，动平台具有空间三维平动能力；动平台由四个部件组成，其中两个部件相互平行，另外两个部件与前述两个相互平行的部件通过转动铰链连接，由部件之间的相互转动可实现末端执行器绕垂直于动平台的轴线的转动自由度。上述机构的局限性在于：该机构动平台包含四个部件，而受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。

专利文献201010212312.0公开了一种可实现三维平动一维转动并联机构，四条结构相同的运动支链对称布置在固定机架与动平台之间；每条运动支链包括近架杆和远架杆，所述远架杆与上、下连接轴组成平行四边形结构；所述近架杆一端与驱动端固接，另一端与上连接轴固接；所述下连接轴与动平台固接；所述动平台包括上平台和下平台，沿所述上平台和下平台利用导套和导向套连接，导套与导向套形成螺旋副或内部布置转向机构可将上、下平台的相互移动转化为垂直于动平台的轴线的转动。上述机构的局限在于：动平台上、下平台使用移动副作为导向机构，所有的下连接轴不在同一个平面内，在运动时会出现受力不均匀，摩擦力较大的等不足，因此会导致力传递效果差，机构的运动不顺畅，使用寿命低等问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种四支链三平一转高速并联机械手，本发明中的动平台力传递效果好，机构运动顺畅，使用寿命长，是一种可实现空间三维平动一维转动的并联机构。

本发明四支链三平一转高速并联机械手的技术方案是，该机械手包括固定架、动平台以及布置在所述固定架与动平台之间的呈中心对称布置的四条结构相同的运动支链，所述固定架上安装有四个驱动装置，每条运动支链由近架杆、上连接轴、两个相互平行且等长的远架杆和下连接轴构成；四条运动支链中，所有近架杆的一端分别一一对应的与安装在固定架上的四个驱动装置的输出端固接，所述驱动装置为所述近架杆提供一个转动自由度，所述近架杆的另一端与上所述连接轴固接，两个相互平行且等长的远架杆的一端分别通过球铰链与所述上连接轴球铰接，两个相互平行且等长的远架杆的另一端分别通过球铰链与所述下连接轴球铰接；每条运动支链上的所述下连接轴、所述上连接轴和两个相互平行且等长的远架杆构成一平行四边形结构，所述下连接轴与所述动平台固接。

本发明中，所述动平台包括上平台、下平台、末端执行器、四个摆杆、螺旋轴和两个支撑杆；每个摆杆的一端均分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与所述上平台铰接，四个摆杆按照放射状均布在所述上平台的四周，每个摆杆的一端均与上平台转动连接，四个摆杆的另一端分别与四个运动支链中的下连接轴固定连接。四个摆杆依次与连接件顺次连接，从而使相邻摆杆的运动方向相反，四个摆杆形成了两对相对位置的摆杆；其中一对呈相对位置的摆杆分别与两个支撑杆的一端转动相连，两个支撑杆的另一端与下平台转动连接；上平台与螺旋轴的一端转动相连，下平台的中央设有一带有螺孔的导向套，所述螺旋轴穿过所述带有螺孔的导向套，所述螺旋轴的另一端与所述末端执行器固连；在驱动装置的驱动下，动力由运动支链传至摆杆，使相邻摆杆运动方向相反，相对摆杆运动方向相同，所述下平台沿螺旋轴方向移动，通过螺纹连接作用使与螺旋轴固连的末端执行器实现绕自身轴线的转动。

进一步讲，本四支链三平一转高速并联机械手中，相邻的两个摆杆之间的连接件是下述其中之一：

相邻的两个摆杆各通过一转动副与一个转动连接件转动相连，所述转动连接件两端的转动副的轴线交于空间内某一点。

相邻的两个摆杆之间各通过一虎克铰与一连接件虎克铰接。

相邻的两个摆杆之间各通过一球铰与一连接件球铰接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明具有的优点和积极效果是：动平台结构中采用四个摆杆对称布置的形式，且相邻摆杆通过连接件连接，保证相邻摆杆运动方向相反、相对摆杆运动方向相同，充分利用驱动装置的动力，实现高速运动；动平台结构紧凑，运动灵活，受力均匀，运动精度高，整体结构的刚性和稳定性好，且能满足复杂抓放操作的要求。

附图说明

图1是本发明机械手的整体结构示意图；

图2是本发明机械手中动平台的俯视图；

图3是图2所示动平台的侧视图；

图4是本发明机械手中摆杆之间的连接件采用虎克铰连接件的示意图；

图5是本发明机械手中摆杆之间的连接件采用球铰连接件的示意图。

图中：1-驱动装置，2-固定机架，3-近架杆，4、-上连接轴，5a、5b-远架杆，6-动平台，7a～7d-下连接轴，8-上平台，9a～9d-摆杆，10a～10d-转动连接件，11-螺旋轴，12a、12b-支撑杆，13-下平台，14-末端执行器，15-虎克铰连接件，16-球铰连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明技术方案作进一步详细描述。

为进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实例（此处仅介绍产生旋转运动的动平台），并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，本发明是一种四支链三转一平高速并联机械手，包括固定机架2、动平台6以及对称布置在所述固定架2与动平台7之间的的呈中心对称布置的四条结构相同的运动支链；每条运动支链由近架杆3、上连接轴4、两个相互平行且等长的远架杆5a、5b和下连接轴构成。所述固定机架2上固连驱动装置1，所述近架杆3的一端与驱动装置1的输出轴相连，另一端与上连接轴4固接；两个相互平行且等长的所述远架杆5a和远架杆5b的一端均分别通过一球铰链与所述上连接轴4球铰接，两个相互平行且等长的所述远架杆5a和远架杆5b的另一端同样是分别通过一球铰链与下连接轴球铰接；每条运动支链上的所述下连接轴、所述上连接轴4和两个相互平行且等长的所述远架杆5a、5b构成平行四边形；所述下连接轴与动平台6固接；所述驱动装置1为近架杆3提供一个转动自由度。

如图2和图3所示，本发明中的所述动平台6包括上平台8、下平台13、末端执行器14、四个摆杆9a～9d、螺旋轴11和两个支撑杆；每个摆杆的一端均分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与所述上平台8铰接，四个摆杆9a～9d按照放射状均布在所述上平台8的四周，四个摆杆形成了两对相对位置的摆杆，四个摆杆依次相连，并通过相邻的两个摆杆之间的连接件使相邻摆杆实现相反运动，相邻的两个摆杆之间的连接件可以是，相邻的两个摆杆各通过转动副与一个转动连接件转动相连，或是各通过一虎克铰与一虎克铰连接件相连，或是各通过一球铰与一球铰连接件相连。以采用转动连接件为例，参阅图2及图3，四个摆杆中，摆杆9a与摆杆9b相邻，且摆杆9a与摆杆9c相对分布，摆杆9a与摆杆9b分别通过转动副与转动连接件10a相连，所述转动连接件10a两端转动副轴线交于空间某一点；同理，摆杆9b与摆杆9c分别通过转动副与转动连接件10b相连，摆杆9c与摆杆9d分别通过转动副与连接件10c相连，摆杆9d与摆杆9a分别通过转动副与转动连接件10d相连，所述转动连接件10b、10c、10d两端转动副轴线交于空间内某一点。其中一对呈相对位置的摆杆，图2和图3中示出的是相对布置的摆杆9a与摆杆9c分别与所述两个支撑杆12a、12c的一端转动相连，所述支撑杆12a和支撑杆12b的另一端与下平台13铰接。

所述上平台8与所述螺旋轴11转动相连，所述下平台13的中央设有一带有螺孔的导向套，所述螺旋轴11穿过带有螺孔的导向套，所述螺旋轴11的另一端与所述末端执行器14固连。在驱动装置的驱动下，动力由四个运动支链传至四个摆杆，使相邻位置的两个摆杆的运动方向相反，同时，使相对位置的两个摆杆的运动方向相同，例如：在驱动装置的驱动下，相对布置的摆杆9b、摆杆9d通过对应运动支链产生完全相同的向下（或向上）运动时，与此同时，相对布置的摆杆9a、摆杆9c通过相应的运动支链产生完全相同的向上（或向下）的运动，下平台13通过支撑杆12a和支撑杆12b的作用向上（或向下）运动，所述下平台13沿螺旋轴的轴向移动，即下平台13相对上平台8移动，通过下平台13上导向套螺孔与螺旋轴11的配合作用，螺旋轴11实现绕自身轴线的转动，最终使与螺旋轴11固连的末端执行器14实现绕自身轴线的转动。

参阅图4与图5，相邻摆杆之间除了通过转动副与转动连接件10相连，还可通过虎克铰与虎克铰连接件15相连，也可通过球铰与球铰连接件16相连。上述连接方式均可保证相邻摆杆实现相反运动，最大限度利用运动支链传递至动平台的驱动，使上平台8与下平台13发生相对位移，从而实现末端执行器14的转动自由度。

本发明中的动平台结构采用对称布置，结构紧凑，降低了机构复杂性，易实现高速抓取，且满足复杂抓放操作的要求。当所述动平台运动时，通过转动连接件（或虎克铰连接件15、球铰连接件16）的作用，相对布置的摆杆动作方向相同，相邻布置的摆杆动作方向相反，四个摆杆9a～9d共同作用控制末端执行器14的旋转。本发明中采用摆杆9a～9d与连接件连接，螺旋轴11与固接于下平台13上的导向套螺旋配合所构成的这种结构，可以使上、下平台更好地实现相互移动，从而使螺旋轴11产生转动。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

本发明中的动平台采用摆杆9a～9d连接运动支链与上平台8连接，相邻摆杆分别通过转动连接件（或虎克铰连接件15、球铰连接件16）相连，保证相邻摆杆运动方向相反。由四个摆杆9a～9d同时动作控制末端执行器14的旋转，保证了转动的平稳性。动平台对称布置，其结构紧凑，可以较方便的实现旋转运动，运用时灵活性较强。

本发明中动平台采用了摆杆9a～9d与转动连接件10（或虎克铰连接件15、球铰连接件16）相连的结构，其设计巧妙独特，机构稳定性好，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，易实现高速运动，且满足复杂抓放操作的要求。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种四支链三平一转高速并联机械手，包括固定架(2)、动平台(6)以及布置在所述固定架(2)与动平台(6)之间的呈中心对称布置的四条结构相同的运动支链，所述固定架(2)上安装有四个驱动装置(1)，每条运动支链由近架杆(3)、上连接轴(4)、两个相互平行且等长的远架杆(5a、5b)和下连接轴构成；

四条运动支链中，所有近架杆(3)的一端分别一一对应的与安装在固定架(2)上的四个驱动装置(1)的输出端固接，所述驱动装置(1)为所述近架杆(3)提供一个转动自由度，所述近架杆(3)的另一端与所述上连接轴(4)固接，两个相互平行且等长的远架杆(5a、5b)的一端分别通过球铰链与所述上连接轴(4)球铰接，两个相互平行且等长的远架杆(5a、5b)的另一端分别通过球铰链与所述下连接轴球铰接；每条运动支链上的所述下连接轴、所述上连接轴(4)和两个相互平行且等长的远架杆(5a、5b)构成一平行四边形结构，所述下连接轴与所述动平台(6)固接；

其特征在于：

所述动平台(6)包括上平台(8)、下平台(13)、末端执行器(14)、四个摆杆(9a～9d)、四个连接件、螺旋轴(11)和两个支撑杆(12a，12b)；

所述四个摆杆(9a～9d)按照放射状均布在所述上平台(8)的四周，每个摆杆的一端均与所述上平台(8)转动连接，四个摆杆的另一端分别与四个运动支链中的下连接轴(7a～7d)固定连接，其中所述四个摆杆(9a～9d)依次与所述连接件顺次连接，从而使相邻摆杆的运动方向相反，所述四个摆杆形成了两对相对位置的摆杆；其中一对呈相对位置的摆杆分别与所述两个支撑杆(12a，12b)的一端转动相连，所述两个支撑杆的另一端与所述下平台(13)转动连接；

所述上平台(8)与所述螺旋轴(11)的一端转动相连，所述下平台(13)的中央设有一带有螺孔的导向套，所述螺旋轴(11)穿过所述导向套，所述螺旋轴(11)的另一端与所述末端执行器(14)固连；

在驱动装置的驱动下，动力由运动支链传至摆杆，使相邻摆杆运动方向相反，相对摆杆运动方向相同，在所述两支撑杆(12a，12b)的作用下，带动所述下平台(13)沿螺旋轴移动，通过螺纹连接作用使与所述螺旋轴(11)固连的所述末端执行器(14)实现绕自身轴线的转动。

2.根据权利要求1所述四支链三平一转高速并联机械手，其特征在于，相邻的两个摆杆之间的连接件是，相邻的两个摆杆各通过一转动副与一个转动连接件(10a～10d)转动相连，所述转动连接件两端的转动副的轴线交于空间内某一点。

3.根据权利要求1所述四支链三平一转高速并联机械手，其特征在于，相邻的两个摆杆之间的连接件是，相邻的两个摆杆各通过一虎克铰与连接件虎克铰接。

4.根据权利要求1所述四支链三平一转高速并联机械手，其特征在于，相邻的两个摆杆之间的连接件是，相邻的两个摆杆之间各通过球铰与一连接件球铰接。