一种含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构

摘要

本发明公开一种含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构，属于机器人技术领域。该机器人机构包括机架、动平台、三条结构形式相同的支链，三条支链共同连接机架和动平台，支链由主动臂、副主动臂、双衬架关节、第一虎克球铰、远架并列杆、第二虎克球铰组成，三条支链均匀布置，且均有固定于所述机架上的驱动装置与主动臂连接。本发明采用近架平行四边形及远架并列杆的支链结构限制动平台的转动自由度，且近架平行四边形及远架并列杆的结构形式保证整体具有较大的刚度，有效避免了由于钢丝弹性引起的姿态误差，并且制作简单、安装调试方便，机构制造成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构。

背景技术

美国专利US4976572公开了一种空间对称三平动并联机构，包括三条主动支链，每条支链包括主动臂和从动臂两部分。此类机构支链的形式分为两种，一种为主动臂和从动臂均为单杆形式，从动臂的两端通过虎克铰分别与主动臂和动平台连接；一种为主动臂为单杆，而从动臂为双杆，双杆从动臂构成平行四边形，每根杆两端通过球铰链分别与主动臂和动平台连接，其中主动臂一端相对于静平台仅具有一个移动或转动自由度，另一端通过球铰与从动臂的一端连接，从而限制动平台相对于固定机架的三个回转自由度。此类机构的铰链不存在标准件，制造周期长，安装复杂。中国专利200510015750公开了一种含有一种含钢丝平行四边形支链结构的空间三平动并联机构。该机构由固定架、动平台以及分别轴对称均布设置在所述的固定架与动平台之间的三条结构相同的支链构成；所述的支链，由固定设置在所述固定架上的驱动装置、一端连接所述驱动装置的输出端另一端与连接块固接的近架杆、以及一端与所述的连接块球铰接另一端与所述的动平台球铰接的远架杆构成，所述远架杆的两侧对称设置有与之平行的两根钢丝，所述钢丝的两端分别与所述的连接块和动平台球铰接。此类机构的缺点在于由于钢丝是柔性单元当松紧程度不同时其长度亦变化，从而造成动平台姿态发生变化，使得动平台姿态精度难以保证。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种制造周期短，安装方便，动平台姿态精度高，整体刚度大的，含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：由结构完全相同的三条均布的支链保证机器人机构位姿的精确性，由支链中的近架平行四边形及远架并列杆的结构形式保证整体具有较大的刚度。

本发明所提供一种含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构包括机架、动平台、三条结构形式相同的支链，所述的三条支链共同连接所述的机架和动平台；所述的三条结构形式相同的支链之一由主动臂、副主动臂、双衬架关节、第一虎克球铰、远架并列杆、第二虎克球铰组成；所述的双衬架关节包括第一衬架、第二衬架、回转中心轴，所述的第一衬架、第二衬架分别和回转中心轴铰接；所述的双衬架关节连接所述的主动臂、副主动臂和第一虎克球铰；所述的主动臂一端通过平面回转副和双衬架关节连接，另一端与固连于所述机架的驱动装置的输出轴键连接；所述的副主动臂一端通过球铰和双衬架关节连接，另一端通过球铰和机架连接；所述的主动臂、副主动臂、双衬架关节通过运动副的连接，形成近架平行四边形结构；所述的虎克球铰由中心十字轴、第一平面回转副、第二平面回转副、第一球铰链、第二球铰链组成；所述的远架并列杆由两根长度相等的从动臂组成；所述的远架并列杆一端和所述的第一虎克球铰固接，另一端和所述的第二虎克球铰固接；所述的第一虎克球铰和双衬架关节通过平面转动副连接；所述的第二虎克球铰和所述的动平台通过平面转动副连接；所述的三条支链均匀布置，且均有固定于所述机架上的驱动装置与主动臂连接。

所述驱动装置采用伺服电机－减速器结构。

本发明由近架平行四边形及远架并列杆构成的空间均布三支链的共同约束作用，限制了动平台的三个回转自由度，使动平台相对机架仅具有三个平动自由度，保证了机器人机构姿态稳定。三组驱动装置提供的运动驱动，使得该三平动自由度机器人机构具有确定的运动，保证了该机构位置精确。该机器人机构单支链刚度高，进一步地，三支链并联结构保证了机构整体具有较大的刚度。

本发明具有以下特点：

1、采用近架平行四边形及远架并列杆的结构形式作为限制转动自由度的约束；

2、虎克球铰的结构特点，使得中心漂移微小，角度活动范围大，配合双衬架关节的结构，保证机器人机构具有较大的工作空间；

3、该机器人机构位姿精确，刚度大；

4、虎克球铰的结构形式及与远架并列杆的连接方式，可保证该机器人机构两从动臂受力均匀，减小了运动副的磨损，从而可提高机构的寿命；

5、采用通用标准件球铰构成的虎克球铰，可完全实现传统虎克铰的功能，另外，机构多处采用标准件球铰，便于缩短制造周期及使用失效后的零部件快速更换。

本发明采用近架平行四边形及远架并列杆的支链结构限制动平台的转动自由度，且近架平行四边形及远架并列杆的结构形式保证整体具有较大的刚度。该机构的有益效果是：有效避免了由于钢丝弹性引起的姿态误差，并且制作简单、安装调试方便，机构制造成本较低。

附图说明：

图1 是本发明的结构示意图；

图2 是本发明的相同结构形式的支链之一结构示意图；

图3 是图2的Ⅰ部放大图；

图4 是图2的Ⅱ部放大图；

图5 是双衬架关节的结构示意图；

图6 是虎克球铰的结构示意图；

图7 是虎克球铰与动平台的连接示意图。

图中：1：机架，2：主动臂， 3：副主动臂， 4：双衬架关节， 5：从动臂，6：动平台，7：驱动装置，8：第一虎克球铰，9：第二虎克球铰，4-1：第一衬架，4-2：第二衬架，4-3：主动臂回转中心轴，4-4：从动臂回转中心轴，8-1：中心十字轴，8-2：第一平面回转副，8-3:第二平面回转副，8-4:第一球铰链，8-5:第二球铰链。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1-图7所示，一种含有近架平行四边形-远架并列杆的三平动自由度机器人机构，包含机架1，动平台6，均匀布置在机架1与动平台6之间的三条结构形式相同的支链连接机架1与动平台6，所述的支链包含近架平行四边形及远架并列杆组件结构，可以限制动平台6的三个转动自由度。

如图1、图2所示，所述的三条结构形式相同的支链之一由主动臂2、副主动臂3、双衬架关节4、第一虎克球铰8、远架并列杆5、第二虎克球铰9组成。 

如图5所示，所述的双衬架关节4，由第一衬架4-1、第二衬架4-2及主动臂回转中心轴4-3、从动臂回转中心轴4-4组成，所述的第一衬架4-1、第二衬架4-2分别和主动臂回转中心轴4-3、从动臂回转中心轴4-4铰接。如图3所示，所述的主动臂2一端通过平面回转副与所述的双列衬架4的主动臂回转中心轴4-3连接，其回转中心是点B，另一端与所述机架1上的驱动装置7的输出轴键连接，其回转中心是点A；所述副主动臂3一端通过球铰链与所述的双衬架关节4的副主动臂回转中心轴4-4连接，其回转中心是点C，另一端通过球铰链与所述机架1连接，其回转中心是点D；结构及设计上保证A、B的距离与C、D的距离相等，A、D的距离与B、C的距离相等，这样，所述的主动臂2、副主动臂3、双衬架关节4通过运动副的连接，形成形式上的平行四边形结构，可使得机构在运动过程中保持双衬架关节4的姿态不变。

第一虎克球铰8与第二虎克球铰9结构完全相同，对于本发明，仅是由于其在支链中所处的位置的不同而命名不同。如图6所示，所述的第一虎克球铰8由中心十字轴8-1、第一平面回转副8-2、第二平面回转副8-3、第一球铰链8-4、第二球铰链8-5组成。所述的远架并列杆5由两根长度相等的从动臂5组成。所述的第一虎克球铰8、第二虎克球铰9、远架并列杆5在支链中的连接方式为：如图4、图7所示，所述的远架并列杆5一端和所述的第一虎克球铰8固接，另一端和所述的第二虎克球铰9固接；所述的第一虎克球铰8和双衬架关节4通过平面转动副连接；所述的第二虎克球铰9和所述的动平台6通过平面转动副连接。通过这种连接方式，虎克球铰8、虎克球铰9、远架并列杆5组合形成平行四边形结构，且使得虎克球铰仅能够绕十字轴轴线的两个方向转动。

所述的三条支链均匀布置，且均由驱动装置7与主动臂2连接。

所述的驱动装置7与机架1固定连接，可使其输出端为与其连接的动平台6提供一个移动或转动自由度；驱动装置7采用了伺服电机－减速器的结构形式，为与其连接的主动臂2提供一个转动自由度，为了达到同样目的，还可以采用扭矩电机驱动，为与其连接的主动臂2提供一个转动自由度。在某种应用状况下，也可以采用直线电机的驱动方式，为与其连接的主动臂2提供一个移动自由度。当然，在具体实施时，采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。