CN104875189A - 一种(3t1r)&r完全各向同性混联机器人机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种(3T1R)R完全各向同性混联机器人机构。该机构由一个3T1R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一是由一个移动副、一个平行四边形铰链、三个转动副以及连接它们的四个连杆构成；支链二由一个圆柱副、三个转动副和连接它们的三个连杆组成；支链三由三个移动副、一个转动副以及连接它们的三个连杆组成。支链四是由六个转动副以及连接它们的五个连杆组成。定平台连接的运动副以及与末端连接的转动副为主动副，所述机构可作为混联机器人或机床的执行机构，实现三维移动和两维转动的抓取或其他操作动作。该设计完全各向同性、运动解耦、精度高且运动学传递性能好。
Description
所属技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种完全各向同性三移动两转动混联机器人机构。
背景技术
空间机构学的发展经历了从串联机构到并联机构再到混联机构的发展过程，混联机器人是指至少一个并联机构和一个或多个串联机构按照一定的方式组合在一起具有确定运动的复杂机械系统。同时兼具串联机器人工作空间大、易与控制，并联机器人结构稳定、刚性好；累积误差小，动态性能好，精度高各自的优点。
在混联机器人机构研究中，五自由度混联机器人得到广泛关注，学者们发明了许多新构型，如国家发明专利文献CN102672709A、CN101049692、CN102699898A，但很多混联机构都是基于Tricept并联机构模型，同时对于解耦性混联机构研究取得一些新进展，例如，中国专利文献CN102085660、CN102172913A分别提出了一种三、四自由度解耦混联联机构，机构均包含了两条支链并联机构，解决了运动耦合性。但是检索发现对五自由度各向同性及解耦的混联机构研究目前尚属空白，因此设计结构简单、结构紧凑、运动灵活、制造成本低、解耦性好、力传递性能好的混联机构具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完全各向同性、运动解耦的(3T1R)&R型五自由度混联机器人机构，用以解决现有技术中五自由度混联机器人机构运动耦合，运动不易控制的问题。
该机构由一个3T1R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一是由一个移动副、一个平行四边形铰链、三个转动副以及四个连杆构成；支链二由一个圆柱副、三个转动副和三个连杆组成；支链三由三个移动副、一个转动副以及三个连杆组成。支链四是由六个转动副以及五个连杆组成。
支链一中，第一个连杆的一端通过移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第二、三个连杆两端的运动副轴线相互平行同时平行于移动副移动方向，第四个连杆两端的转动轴线垂直。
支链二中，第一个连杆的一端通过圆柱副与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第一、二个连杆两端运动副轴线平行、第三个连杆两端转动轴线垂直。
支链三中，第一个连杆通过方向垂直于定平台的移动副与定平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，连杆另一端移动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中三个移动副方向相互垂直。
支链四中第一个连杆通过转动副与动平台连接，连杆另一端通过转动副与第二个连杆连接，连杆另一端转动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与第五个连杆连接，连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中第一连杆两端的轴线垂直，第二个连杆两端轴线平行，第三个连杆两端转动副轴线垂直，第四、五个连杆两端转动副轴线平行。
上述支链二中的圆柱副轴线垂直于支链一中移动副移动方向且平行于定平台，支链四中与定平台连接的转动副平行于支链二中圆柱副轴线，机构末端的转动副轴线垂直于动平台。支链一中平行四边形铰链可以用一个轴线平行于铰链的转动副代替，第四个连杆两端转动副可用虎克铰代替；支链二中第三个连杆两端转动副可用虎克铰代替；支链四中第三个连杆两端的转动副可以用虎克铰代替。四个支链中与定平台连接的四个运动副为主动副，机构末端与动平台间的转动副为主动副。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、混联机构末端可实现三维移动和两维转动五自由度运动输出，由一个四条支链的并联机构和一个转动副串联构成，结构简单稳定，同时并联机构中各支链中各含有一个主动副且位于定平台降低了运动惯性，具有良好的运动特性；
2、该机构末端运动雅克比矩阵为5×5对角矩阵且对角元素相同，运动完全解耦，实现了运动输入输出间一对一的控制关系，且机构在运动空间具有完全各向同性，具有良好的控制性；
3、本结构较为简单，易于加工制造和装配，可应用于低承载、高精度、高速度领域具有较高的实用价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的立体示意简图。
图2是整体示意结构简图。
图3是结构右视简图。
具体实施方式
一种(3T1R)&R完全各向同性混联机器人机构，如图1、2、3所示，该机构由一个3T1R并联机构串接一个转动副38组成。并联机构由定平台1、动平台12以及连接两平台间的四条支链组成。支链一中，第一个连杆4的一端通过移动副3与定平台滑槽2连接，该连杆的另一端通过平行四边形铰链5与第二个连杆6连接，连杆6另一端通过转动副7与第三个连杆8连接，连杆8通过转动副9与第四个连杆10连接，连杆10另一端通过轴线平行于动平台12的转动副11与动平台12连接，其中移动副3移动方向和铰链5以及转动副7、9轴线相互平行，连杆10两端的转动副9、11的轴线垂直且交点位于连杆10上；
支链二中，第一个连杆14的一端通过圆柱副13与定平台1连接，连杆14的另一端通过转动副15与第二个连杆16连接，连杆16的另一端通过转动副17与第三个连杆18连接，连杆18另一端通过轴线平行于动平台的转动副19与动平台12连接，其中圆柱副13和转动副15、17轴线互相平行、第三个连杆18两端转动副17、19轴线垂直且无交点；
支链三中，第一个连杆21通过方向垂直于定平台1的移动副20与定平台连接，连杆21另一端通过移动副22与第二个连杆23连接，连杆23另一端移动副24与第三个连杆25连接，连杆的25另一端通过轴线平行于动平台的转动副26与动平台连接，其中三个移动副20、22、24方向相互垂直，转动副26、和11轴线为同轴共线；
支链四中第一个连杆28通过转动副27与定平台连接，连杆28另一端通过转动副29与第二个连杆30连接，连杆30另一端转动副31与第三个连杆32连接，连杆32的另一端通过转动副33与第四个连杆34连接，连杆34的另一端通过转动副35与第五个连杆36连接，连杆36另一端通过转动副37与动平台12连接，其中转动副27、29轴线垂直且交点交于连杆28，连杆30两端转动副29、31轴线平行，第三个连杆32两端转动副31、33轴线垂直且交点交于连杆32，转动副33、35、37轴线相互平行。
上述支链二中的圆柱副轴线13垂直于支链一中移动副3移动方向且平行于定平台1，支链四中与定平台连接的转动副27平行于支链二中圆柱副13轴线，机构末端的转动副38轴线垂直于动平台12。
支链一控制机构沿移动副2方向的移动，移动副2为支链一中的输入驱动，其驱动机构可通过直线伺服电机或电机带动丝杆机构；支链二控制机构沿圆柱副13轴线的移动，圆柱副13为支链二中的输入驱动，其驱动机构可通过电机带动丝杆机构，支链三控制机构沿移动副20方向的移动，其驱动机构可通过气缸或液压缸驱动；支链四中转动副27为主动运动副，控制动平台绕27轴线方向的转动，可通过伺服电机驱动；转动副38，控制动平台绕38轴线方向的转动，可通过伺服电机驱动。最终实现该机构三移两转一对一的输入与输出运动关系。
Claims (4)
1.一种(3T1R)&R完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：该机构由一个3T1R并联机构串接一个转动头R组成。并联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一中，第一个连杆的一端通过移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，该连杆另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆通过转动副与第四个连杆连接，连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第二、三个连杆两端的运动副轴线相互平行同时平行于移动副移动方向，第四个连杆两端的转动轴线垂直；支链二中，第一个连杆的一端通过圆柱副与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中第一、二个连杆两端运动副轴线平行、第三个连杆两端转动轴线垂直；支链三中，第一个连杆通过方向垂直于定平台的移动副与定平台连接，连杆另一端通过移动副与第二个连杆连接，连杆另一端移动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过轴线平行于动平台的转动副与动平台连接，其中三个移动副方向相互垂直；支链四中第一个连杆通过转动副与动平台连接，连杆另一端通过转动副与第二个连杆连接，连杆另一端转动副与第三个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆的另一端通过转动副与第五个连杆连接，连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中第一个连杆两端的轴线垂直，第二个连杆两端轴线平行，第三个连杆两端转动副轴线垂直，第四、五个连杆两端转动副轴线平行。
2.按照权利要求1所述的(3T1R)&R完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：上述支链二中的圆柱副轴线垂直于支链一中移动副移动方向且平行于定平台，支链四中与定平台连接的转动副平行于支链二中圆柱副轴线，机构末端的转动副轴线垂直于动平台。
3.按照权利要求1所述的(3T1R)&R完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：上述支链一中平行四边形铰链可以用一个轴线平行于铰链的转动副代替，第四个连杆两端转动副可用虎克铰代替；上述支链二中第三个连杆两端转动副可用虎克铰代替；上述支链四中第三个连杆两端的转动副可以用虎克铰代替。
4.按照权利要求1所述的(3T1R)&R完全各向同性混联机器人机构，其特征在于：上述四个支链中与定平台连接的四个运动副为主动副，机构末端与动平台间的转动副为主动副。
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