CN105522562A - 一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，包括一个四边形定平台、一个四边形动平台以及连接定平台和动平台对应角的四条支链，第一支链包括依次连接的第一虎克副、第一驱动杆、第一移动副、第一连杆、第二虎克副，第二支链包括依次连接的第一球副、第二驱动杆、第二移动副、第二连杆、第二球副，第一支链与第四支链结构相同并相邻设置，第二支链与第三支链结构相同并相邻设置。本发明的有益效果是：实现空间内的三维平动运动和一维旋转运动，有利于实现高速高加速的动态响应特性，改变了用转动副驱动可能存在运动死点位置的问题，提高生产效率。

Description

一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构

技术领域

本发明属于并联机器人技术领域，特别涉及一种应用于食品、医药加工等轻工行业中普遍存在的诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性操作能够实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构。

背景技术

目前，工业加工制造向着规模化、集约化发展，大量的工业机器人逐渐得到应用。在食品加工、医药生产等轻工行业中，普遍存在着诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性高强度操作。以往，此类操作通常均由人工来完成，不仅劳动强度大，而且不可避免的会造成不同程度的污染。随着市场需求的发展，传统的串联机械手得到了发展，高效的自动化生产能力满足了当时的生产环境。但串联机器人刚度低，惯性大，承载能力小，精度低等缺点也开始显露。与上述工业机器人相比，并联机器人因采用闭环并联拓扑结构，因此具有刚度大，承载能力强，精度高等优点，从而开始逐渐取代以往的操作。这类高速并联机械手当中最具有代表性的当属Clavel博士于1985年发明的Delta机构。该机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，可实现末端执行器的高速3维平动。为了突破Delta机器人的知识产权，同时进一步增加拾取动作的柔性并提高效率，Pierrot等提出了具有四支链、双动平台结构特征的H4并联机械手，并将其成功的商品化。H4型并联机构的转动输出运动是由其双动平台的相对运动产生的，满足了生产线上对于抓取的应用需求，但该机构的双动平台结构增加了其结构的复杂性，进而导致了复杂的运动学特性，对高速高动态响应的运动特性产生了不利影响，不利于生产效率的发展。

在国外，抓取并联机器人的研究与发展已经广泛应用的到工业，军事，医疗，智能生活等各个领域。在中国，抓取并联机构有着巨大的发展空间，是新世纪中国实现飞跃发展的不可忽视的巨大动力。中国需要发展高性能并联抓取机器人，来突破国外知识产权的重重限制。

因此，需要发明新颖的、结构简单且具有较好移动抓取能力的高效抓取并联机械手，提高生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了突破Delta、H4机构的专利限制，改变以往转动的驱动方式，同时简化并联机构的结构复杂性，提出了一种可实现四自由度运动的单动平台并联机构，具有相对简洁的运动学以及更好的高速高动态响应特性。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，包括一个四边形定平台、一个四边形动平台以及连接定平台和动平台对应角的四条支链，第一支链包括依次连接的第一虎克副、第一驱动杆、第一移动副、第一连杆、第二虎克副，第二支链包括依次连接的第一球副、第二驱动杆、第二移动副、第二连杆、第二球副，第一虎克副和第一球副分别与定平台的一个角相连，第二虎克副和第二球副分别与动平台的一个角相连，第一支链与第四支链结构相同并相邻设置，第二支链与第三支链结构相同并相邻设置，定平台的边长和动平台的边长不等，第一支链、第二支链、第三支链和第四支链分别与定平台、动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过四个输入运动驱动动平台，实现空间内的三维平动和一维转动运动。

进一步地，定平台和动平台均呈正方形，定平台的边长大于动平台的边长。

进一步地，第一移动副和第二移动副为主动驱动。

本发明的有益效果是：通过四个主动驱动的移动运动副驱动动平台运动，实现空间内的三维平动运动和一维旋转运动，该机构具有结构简明、运动学相对简单的特点，其单平台的结构特征有利于实现高速高加速的动态响应特性，通过移动副驱动改变了用转动副驱动可能存在运动死点位置的问题，且简单易装配，应用于分拣生产线时易于实现高速运动，进而可有效提高生产效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

其中：1.第一支链，2.第二支链，3.第三支链，4.第四支链，5.定平台，6.动平台，11.第一虎克副，12.第一驱动杆，13.第一移动副，14.第一连杆，15.第二虎克副，21.第一球副，22.第二驱动杆，23.第二移动副，24.第二连杆，25.第二球副。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

如图1所示的一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，包括一个四边形定平台5、一个四边形动平台6以及连接定平台5和动平台6对应角的四条支链，第一支链1包括依次连接的第一虎克副11、第一驱动杆12、第一移动副13、第一连杆14、第二虎克副15，第二支链2包括依次连接的第一球副21、第二驱动杆22、第二移动副23、第二连杆24、第二球副25，第一虎克副11和第一球副21分别与定平台5的一个角相连，第二虎克副15和第二球副25分别与动平台6的一个角相连，第一支链1与第四支链4结构相同并相邻设置，第二支链2与第三支链3结构相同并相邻设置，定平台5的边长和动平台6的边长不等，第一支链1、第二支链2、第三支链3和第四支链4分别与定平台5、动平台6连接形成一个空间并联闭环机构，通过四个输入运动驱动动平台6，实现空间内的三维平动和一维转动运动。

定平台5和动平台6均呈正方形，定平台5的边长大于动平台6的边长。

第一移动副和第二移动副为主动驱动。采用液压缸作为驱动方式。以第一支链为例，并联抓取机械手工作时，连接第一驱动杆与第一连杆之间的第一移动副开始收缩，活塞与液压缸的初始相对位移变小，当第一支链与定平台之间的张角超过90°，第一支链和第三支链的移动副开始差动伸长，带动动平台向第一支链方向移动，动平台上第四支链的第二虎克铰和第二支链的第二球副为伴随无输入状态，带动第一支链的第一驱动杆转动。在第一驱动杆转动的过程中，第一移动副收缩，第一驱动杆的张角增大。当动平台运动到抓取物品上方时，动平台末端将抓取机构送至被抓取工件的工位。

当完成物品抓取动作后，第三支链的第二移动副开始缩短，活塞与液压缸的相对位移变短，动平台上第四支链的第二虎克铰和第二支链的第二球副反方向转动，当第一支链与定平台之间的张角小于90°，第一支链的第一移动副伸长，带动第一驱动杆反向转动，张角减小，机械手基体将工件移动到目标位置。在目标位置，动平台末端的抓取机构将被抓取工件放到对应位置，完成操作。

由于动平台的顶端连接的运动副为轴线垂直于Z轴的虎克副以及球副，可以在控制驱动位移量的情况下实现360度方位下的抓取，避免了重新安装的需要。该并联抓取机构设计较为新颖，采取移动副作为驱动，不同于国外以转动副为驱动的运动方式，避免机构运动出现死点的现象，结构简单，易于控制，对机械手末端的附加载荷较小。

工作原理如下：抓取机构的第一支链和第四支链为受约束支链，分别具有五个自由度，在电机驱动活塞的作用下，支链的驱动杆和连杆之间发生相对位移，使得受约束支链实现收缩。抓取机构的第二支链和第三支链为非约束支链，分别具有六个自由度，在电机驱动活塞的作用下，支链的驱动杆和连杆之间发生相对位移，使得非约束支链实现收缩。定平台固定在机架上，四条支链的一端通过运动副固定在定平台上，另一端通过运动副与动平台相连，由于第一支链和第四支链的转动轴轴线呈现垂直布置，限制住支链原先存在的沿X轴和Y轴方向的转动，第二支链和第三支链为非约束支链，起到平衡重心，辅助定位的作用，使得整个机构实现三个方向的平移和绕Z轴方向的转动。整个机构具有四个自由度，且不存在奇异位性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，其特征是：包括一个四边形定平台(5)、一个四边形动平台(6)以及连接定平台(5)和动平台(6)对应角的四条支链，第一支链(1)包括依次连接的第一虎克副(11)、第一驱动杆(12)、第一移动副(13)、第一连杆(14)、第二虎克副(15)，第二支链(2)包括依次连接的第一球副(21)、第二驱动杆(22)、第二移动副(23)、第二连杆(24)、第二球副(25)，第一虎克副(11)和第一球副(21)分别与定平台(5)的一个角相连，第二虎克副(15)和第二球副(25)分别与动平台(6)的一个角相连，第一支链(1)与第四支链(4)结构相同并相邻设置，第二支链(2)与第三支链(3)结构相同并相邻设置，定平台(5)的边长和动平台(6)的边长不等，第一支链(1)、第二支链(2)、第三支链(3)和第四支链(4)分别与定平台(5)、动平台(6)连接形成一个空间并联闭环机构，通过四个输入运动驱动动平台(6)，实现空间内的三维平动和一维转动运动。

2.根据权利要求1所述的一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，其特征是：所述的定平台(5)和动平台(6)均呈正方形，定平台(5)的边长大于动平台(6)的边长。

3.根据权利要求1所述的一种可实现抓取运动的四自由度单动平台并联机构，其特征是：所述的第一移动副(13)和第二移动副(23)为主动驱动。