CN105082113A - 一种完全各向同性两移两转并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种完全各向同性两移两转四自由度并联机器人机构。该机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一由两个垂直方向的移动副和两个轴线垂直的转动副构成；支链二由两个垂直方向的移动副和其轴线垂直的一个圆柱副和一个转动副组成；支链三由一个移动副、一个平行四边形铰链、三个转动副；支链三由六个转动副以及连接它们的五个连杆组成。支链一、二中与定平台连接的移动副以及支链三、四中与动平台连接的转动副为主动副，所述机构可作为手术机器人和微操作机器人的末端执行机构，实现二维移动和两维转动的抓取或其他操作动作。该设计运动解耦，易于控制且力传递性能好。

Description

一种完全各向同性两移两转并联机器人机构

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两移两转并联机器人机构。

背景技术

并联机器人机构是由多条支链组合成的一种闭环回路，具有结构稳定、刚度大、误差积累少、动态性能好等优点。并联机构在许多领域得到广泛的应用如动态模拟、医疗器械、工业机器人、空间对接装置，并联机床。

并联机构由于其结构特点一般存在运动耦合的问题，如Stewart六自由度并联机构、Delta机构，也正由于耦合性的存在使得并联机器人具有了不同于串联机器人的一些特性。但是耦合性的存在使得并联机器人在其构型设计、运动学和动力学分析等方面存在诸多困难。因此，在低承载、高精度、高速度领域，如手术机器人、微纳操作装备，完全各向同性解耦并联机构拥有广阔的前景。

在两移两转四自由度并联机器人机构研究中，不少学者构造了许多新构型，如国家发明专利文献CN1387977、CN202357165U。同时对于两移两转并联机构的解耦性研究取得一些新进展，例如，中国专利文献CN102896628A提出了一种四自由度全解耦并联机构，该机构由两条支链组成，其中一条支链为混合链，能够实现两移两转动作，解决了运动耦合性，但是该结构只有两条支链刚性不好，同时其中含有一条混合链生产加工装配十分不便。因此设计结构简单、解耦性好、力传递性能好的并联机构已成为该领域的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构稳定、运动解耦的完全各向同性两移两转四自由度并联机器人机构，用以解决现有技术中结构刚性差，部分支链较为复杂，生产加工装配的问题。

该机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条支链组成。支链一由两个垂直方向的移动副和两个轴线垂直的转动副构成；支链二由两个垂直方向的移动副和其轴线垂直的一个圆柱副和一个转动副组成；支链三由一个移动副、一个平行四边形铰链、三个转动副；支链三由六个转动副以及连接它们的五个连杆组成。

支链一中，第一个连杆的一端通过平行于定平台的移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过方向垂直于定平台的移动副与第二个连杆连接，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动平台连接，其转动轴线相互垂直；

支链二中，第一个连杆的一端通过方向垂直于定平台的移动副与定平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过圆柱副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中圆柱副轴线、移动副中心方向相互垂直，转动副轴线平行定平台垂直于圆柱副轴线；

支链三中，第一个连杆通过移动副与定平台连接，连杆另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，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动平台连接，其中平行四边形铰链轴线于第三个连杆两端的转动副平行，第四个连杆两端转动副相垂直；

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、二个连杆两端的转动副轴线平行，第三、五个连杆两端轴线垂直，第四个连杆两端转动副轴线平行。

上述支链一中移动副为主动驱动，第一个连杆在移动副的驱动下发生移动，带动第二、三个连杆移动，第三个连杆移动带动动平台发生移动；上述支链二中与定平台连接的移动副为主动驱动，第一个连杆在移动副的驱动下发生移动，带动第二、三个连杆移动，第三个连杆移动带动动平台发生移动；上述支链三中与动平台连接的转动副为主动驱动，在转动副的驱动下动平台发生转动；上述支链四中与动平台连接的转动副为主动驱动，在转动副的驱动下动平台发生转动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、机构动平台具有两维移动和两维转动输出，含有四条支链，各支链中各含有一个主动副，主动副位于定平台和动平台，具有良好的结构稳定性和动态性能；

2、该机构末端运动雅克比矩阵为4×4单位阵，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，具有良好的力学传递性能；

3、本结构较为简单，易于加工制造和装配，具有较高的实用价值和广阔的应用前景，所以本发明可作为手术机器人、微纳操作装备的结构。

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是整体示意结构简图。

具体实施方式

一种两移两转四自由度完全各向同性空间并联机构，如图1、2、3所示，机构由定平台1、动平台10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的一端通过平行于定平台的移动副3与定平台滑槽2连接，该连杆4的另一端通过方向垂直于定平台的移动副5与第二个连杆6连接，该连杆6另一端通过转动副7与第三个连杆8连接，连杆8另一端通过转动副9与动平台10连接，其中移动副P1、P2方向相互垂直，R1轴线平行于移动副P1，转动副R1、R2轴线相互垂直，R2平行于动平台10。

支链二中，第一个连杆16的一端通过方向垂直于定平台的移动副17与定平台1连接，该连杆16的另一端通过移动副15与第二个连杆14连接，连杆14的另一端通过圆柱副13与第三个连杆12连接，连杆12另一端通过转动副11与动平台10连接，其中圆柱副C1轴线与移动副P3、P4方向之间相互垂直，移圆柱副C1轴线平行转动副R2轴线，转动副R3轴线平行于移动副P4；

支链三中，第一个连杆21通过移动副20与定平台上滑槽19连接，连杆21另一端通过平行四边形铰链22与第二个连杆23连接，连杆23另一端通过转动副24与第三个连杆25连接，连杆25的另一端通过转动副26与第四个连杆27连接，连杆27的另一端通过转动副28与动平台连接10，其中移动副P5平行四边形铰链Pal轴线转动副R4、R5轴线相互平行且平行于转动副R1、R3轴线，转动副R6轴线平行于动平台垂直于转动副R5轴线。

支链四中第一个连杆31通过转动副30与动平台连接，连杆31另一端通过转动副32与第二个连杆33连接，连杆33另一端转动副34与第三个连杆35连接，连杆35的另一端通过转动副36与第四个连杆37连接，连杆37的另一端通过转动副38与第五个连杆39连接，连杆39另一端通过转动副40与动平台10连接，其中转动副R7、R8、R9轴线相互平行且平行于转动副R6轴线，转动副R10、R11轴线垂直于转动副R9、R12轴线，转动副R12轴线平行于动平台10以及转动副R3轴线。

支链一控制动平台沿P1方向的移动，P1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；支链二控制动平台沿P3方向的移动，P3为支链一中的输入驱动，其驱动机构可通过气缸驱动；支链三中R6为主动运动副，控制动平台绕R6轴线方向的转动，可通过伺服电机驱动；支链四中R12为主动运动副，控制动平台绕R12轴线方向的转动，可通过伺服电机驱动。

Claims (3)

1.一种完全各向同性两移两转并联机器人机构，其特征在于：该机构主要由定平台、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平行于定平台的移动副与定平台滑槽连接，该连杆的另一端通过方向垂直于定平台的移动副与第二个连杆连接，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动平台连接，其转动轴线相互垂直；

支链二中，第一个连杆的一端通过方向垂直于定平台的移动副与定平台连接，该连杆的另一端通过移动副与第二个连杆连接，该第二个连杆的另一端通过圆柱副与第三个连杆连接，第三个连杆另一端通过转动副与动平台连接，其中圆柱副轴线、移动副中心方向相互垂直，转动副轴线平行定平台垂直于圆柱副轴线；

支链三中，第一个连杆通过移动副与定平台连接，连杆另一端通过平行四边形铰链与第二个连杆连接，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动平台连接，其中平行四边形铰链轴线于第三个连杆两端的转动副平行，第四个连杆两端转动副相垂直；

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、二个连杆两端的转动副轴线平行，第三、五个连杆两端轴线垂直，第四个连杆两端转动副轴线平行。

2.按照权利要求1所述的两移两转并联机器人机构，其特征在于：上述支链一中第三个连杆两端的转动副可以用虎克铰代替；上述支链二中圆柱副可以用一个移动副和转动副代替；上述支链三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；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。

3.按照权利要求1所述的两移两转并联机器人机构，其特征在于：上述支链一中与定平台连接的移动副为主动驱动；上述支链二中与定平台连接的移动副为主动驱动；上述支链三中与动平台连接的转动副为主动驱动，上述支链四中与动平台连接的转动副为主动驱动。