CN1170658C

CN1170658C - 一种四自由度并联机器人机构

Info

Publication number: CN1170658C
Application number: CNB001059351A
Authority: CN
Inventors: 刘辛军; 汪劲松; 段广洪
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: CN1267586A

Abstract

本发明属于工业机器人领域，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；运动台通过四个分支与机架连接，形成并联闭环结构；其中，两个分支各含有两个单自由度运动副，一个球铰链，另外两个分支各含有一个单自由度运动副，两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰；连接运动台和固定台的各四个铰链呈交叉布置。本发明具有运动方式明确、运动学正反解容易、动态性能高、结构简单的优点。

Description

一种四自由度并联机器人机构

本发明涉及一种两维移动两维转动的四自由度并联机器人机构。

在机器人化的作业任务服役的现有机器人中，有两类机构：串联和并联。串联式是各杆件通过运动副依次相连的开式链，这类机器人具有大的作业空间和高的灵活性，缺点是：①由于各杆件误差的累积导致末端件精度很低；②刚度低；③惯量大，动力学性能很差。因此串联机器人在需要高定位和力控制精度的作业场合很不适用，为了避免这类缺点，机器人机构可以采用并联式。

并联机器人机构是一种闭环机构，其动平台或称末断执行器通过至少两个独立的运动链与机架相联接。一种完全并联机构必备的要素是：a.末端执行器必须具有运动自由度；b.这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；c.每个运动链至多含有两个杆件；d.每个分支或运动链由唯一的移动副或转动副驱动。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点，因此在70年代末到80年代初，并联机构被用到工业机器人的机构。目前，并联机构特别是少自由度(自由度少于6)的并联机构在机床、微动操作台、机器人用力与力矩传感器、飞行模拟器等行业中越来越得到重视。

并联机构在1949年就出现过，是美国一个叫高弗(Gough)的人设计来检测轮胎的，在60年代，这种机构被重新发掘出来，原因是因为这种机构在飞行模拟器上更实用。在1965年，斯帝瓦特(Stewart)这个人利用6自由度的并联机构做了一个飞行模拟器，并把这种机构称为斯帝瓦特(Stewart)机构。因此一开始，并联机构多指6自由度的斯帝瓦特(Stewart)或高弗-斯帝瓦特(Gough-Stewart)机构，并联机构用做飞行模拟器的一个很重要的原因是它的能重比高，运动台上的作用力比较均匀的分布在六个杆件上，每个杆件相当于承载了1/6的作用力，因此其能重比高，例如一个并联机器人样机的重量是35kg，其承载为600kg。但六自由度并联机构又给人们带来很多甚至是目前还无法解决的难题，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及精度标定等等，这严重的阻碍了六自由度并联机构在实际中的的进一步应用。

目前的并联机构多具有2、3、4、5和6个自由度。根据有关文献，现有公开的并联机构(包括非完全并联机构)有87种，其中3、6自由度的各占40％，4自由度的占6％，5自由度的占3.5％，2自由度的并联机构占10.5％。由以上分配比例来看，由于杆件的限制，2自由度机构种类并不多是合情合理的，4、5自由度的并联机构少的可怜，其原因在于人们还没有找到一种途径能够把空间三个移动、三个转动自由度分解开来，对于并联机构来说，这是一件很不容易的事情；另一个原因是从结构对称的角度出发，4、5自由度的并联机构很难具备这种要求。4、5自由度的并联机构少，并不表示实际中不需要或需要的少，恰恰相反，4、5自由度的并联机构在工业中应用更广泛。现有的四自由度并联机构有的不是完全并联机构，有的结构复杂，很难在实际中得到进一步应用。例如，如图1所示的四自由度并联机器人机构，该机构的动平台46通过三个支链44、49、50与机架41相连接，其中支链49、50具有相同的形式：与动平台46和机架41的连接均为球铰链47、48、51、52(每个支链的其中一个球铰链也可以是虎克铰)，每个支链有一个驱动；支链44的运动副均为转动副42、43、45，该支链有两个驱动。从输入的角度出发，该机构不是一种完全并联机构。

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种四自由度并联机器人机构，把空间的移动和转动有机的结合起来，构成两维移动两维转动的四自由度并联机器人机构，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能，运动学正、反解简单等特性。

本发明提出的一种四自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；其特征在于，所说的运动台通过四个分支与机架连接，形成并联闭环结构；其中，两个分支各含有两个单自由度运动副，一个球铰链，另外两个分支各含有一个单自由度运动副，两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰；连接运动台和固定台的各四个铰链呈交叉布置。

所说的四个分支的杆件可为可伸缩连杆，其中第一、三个分支连接运动台一端的运动副可为三自由度球铰，另一端连接机架的运动副可为转动副；第二、四分支连接运动台的运动副可为三自由度球铰，连接机架的运动副可为虎克铰或球铰链。

所说的每个分支的杆件可由连杆与连架杆构成，第一、三分支的连杆可通过转动副与连架杆相连接；第二、四分支的连杆连接连架杆的运动副可为虎克铰或球铰；四个分支连接运动台的运动副可为三自由度球铰，与机架相连接的运动副可为转动副。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明的并联机器人机构与传统的串联式机器人机构相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能等特性。

2、本发明的并联机器人机构运动学正、反解简单。

3、本发明的空间三自由度并联机器人机构把空间的移动和转动有机的结合起来；

4、本发明的四自由度并联机器人机构的运动平台具有明确的运动形式：两个移动、两个转动。

5、本发明四自由度并联机器人机构在需要四个空间运动的作业中有着广泛的应用前景。

附图简要说明：

图1为已有的一种四自由度并联机器人机构示意图。

图2为本发明的四自由度并联机器人机构的实施例之一总体结构示意图。

图3为本发明的四自由度并联机器人机构的实施例之二总体结构示意图。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详述：

实施例1：四自由度并联机器人机构之一

本实施例的总体结构如图2所示，该机构的运动台7通过四个可伸缩连杆4、5、10、11与机架1相连接，其中连杆4、10连接运动台7一端的运动副为三自由度球铰6、8，另一端连接机架1的运动副为转动副2、12；连杆5、11连接运动台7的运动副为三自由度球铰14、9，连接机架1的运动副分别为虎克铰3和13。运动台7通过四个可伸缩连杆4、5、10、11的移动来实现连杆4和10所在平面的二维移动和绕铰链6与8和14与9的两轴线的转动的四自由度空间运动。

实施例2：四自由度并联机器人机构之二

本实施例的总体结构如图3所示，该机构的运动台35分别通过由四个连杆17、31、18、32和相对应的四个连架杆40、37、21、28构成的四个分支与机架24相连接。连杆17、31连接运动台35一端的运动副为三自由度球铰15、33，另一端通过转动副19、30与连架杆40、37相连接；连杆18、32连接运动台35的运动副为三自由度球铰16、34，连接连架杆21、28的运动副分别为虎克铰或球铰20和29；连架杆40、37、21、28分别通过转动副38、25、22、36与机架相连接。运动台35通过四个电机39、26、23、27驱动四个连架杆40、37、21、28的转动来实现连杆40和37所在平面的二维移动和绕铰链15与33和16与34的两轴线的转动的四自由度空间运动。

Claims

1、一种四自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支，所说的运动台通过四个分支与机架连接，连接运动台和固定台的四个分支呈交叉布置，形成并联闭结构；其特征在于，其中两个分支各含有两个单自由度运动副，一个球铰链，另外两个分支各含有一个单自由度运动副，两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰，每个分支中有一个单自由度运动副是被驱动的，该机构运动台相对于机架具有两个移动、两个转动自由度。

2、按照权利要求1所说的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所说的四个分支的杆件为含有一个移动副的可伸缩连杆，其中第一、三个分支连接运动台一端的运动副为三自由度球铰，另一端连接机架的运动副为转动副；第二、四分支连接运动台的运动副为三自由度球铰，连接机架的运动副为虎克铰或球铰链；所说的杆件的可伸缩是通过驱动各个分支的移动副来实现的。

3、按照权利要求1所说的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所说的每个分支的杆件由连杆与连架杆构成，第一、三分支的连杆通过转动副与连架杆相连接；第二、四分支的连杆连接连架杆的运动副为虎克铰或球铰；四个分支连接运动台的运动副为三自由度球铰，与机架相连接的运动副为转动副；每个分支中连接机架的转动副是可驱动的。