含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手

摘要

本发明公开了含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手，它包括两个平行四边形运动链以及设置在轴两侧的四台伺服电机，在轴的两侧分别放置有两台伺服电机，每一侧的两台伺服电机上下布置并且中心轴线共线，每一台伺服电机的输出轴与一台减速器的输入端固定相连，两个平行四边形运动链均由一条主体支链和一条辅助支链构成。本发明在传统的平面5R并联机械手的基础上，引入两条冗余辅助支链，构造冗余驱动机构，得到含平行四边形运动链的冗余驱动机构，可以在不改变机构原有主体支链结构尺寸的条件下避开工作空间内的驱动奇异，克服传统平面5R并联机械手在其奇异位型附近刚度差和机构易失控的缺陷，实现工作空间内的无奇异高速运动。

说明书

技术领域

本发明涉及平面并联机器人领域，特别是一种含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由 度并联机械手。

背景技术

平面并联机构因结构简单，成本低廉，在食品、电子等轻工业定位、封装及包装等领域 应用广泛，其中最为经典和具有代表意义的当属平面5R并联机构(R代表转动副)。该机构 由五根连杆(包括基座)组成，连杆间通过五个转动副首尾相连。如美国专利US4712971A 所提出的一种控制臂总成，其主体机构即为平面5R并联机构。尽管平面5R并联机构结构简 单且已被研究和应用多年，但其工作空间内存在很多奇异点，奇异点形成的奇异曲线将可达 工作空间分割成多个子区域。因平面5R并联机构在奇异点处获得不可控自由度或失去自由 度，故真正实用的空间只是其中的一个子区域，导致其可达工作空间内的一些区域不能被充 分利用，限制了其性能的发挥。

对于传统平面5R并联机构的奇异性规避问题，目前进行了一些研究，主要方法有：轨 迹规划法和冗余驱动法。轨迹规划法比较适用于机器人的点到点控制问题，而对于连续轨迹 跟踪问题，该方法难以适用。相对来说，冗余驱动法是比较有效的一种方法，如美国专利 US5642469A所提出的一种冗余驱动并联操作手，其主体机构即在传统平面5R并联机构的基 础上添加一条完全对称冗余支链。该方法可以一定程度上克服传统平面5R并联机构工作空 间内的奇异性，但同时也引入了新的奇异。除此之外，对称冗余支链的引入也会导致原有机 构工作空间的减小。

发明内容

本发明的目的在于克服传统平面5R并联机械手有效工作空间狭小，在奇异位型位置易 失控的缺陷，提供一种简单紧凑、驱动施加方便、模型易于解算，能够以较高的速度实现在 有效工作空间内二维移动，实现工作空间内的无奇异运动的含平行四边形支链的冗余驱动平 面二自由度并联机械手。

本发明的含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手，它包括两个平行四边 形运动链以及设置在轴两侧的四台伺服电机，在轴的两侧分别放置有两台伺服电机，每一侧 的两台伺服电机上下布置并且中心轴线共线，每一台伺服电机的输出轴与一台减速器的输入 端固定相连，同一侧的两台减速器布置为上下相对设置的上减速器和下减速器，两个所述平 行四边形运动链均由一条主体支链和一条辅助支链构成，两个所述的主体支链均包括一个主 动长杆，每一个主动长杆的一端分别与同一侧的一台减速器的输出端固定相连并且另一端通 过转动副与第一从动杆的一端转动相连，所述辅助支链包括一个主动短杆，每一个主动短杆 的一端与同一侧的另一台减速器的输出端固定相连并且另一端通过转动副与第二从动杆的一 端转动相连，一侧的第二从动杆的端部通过转动副转动连接在该侧的第一从动杆上，所述的 两个平行四边形运动链中的主动长杆以及第二从动杆的长度相同，两个平行四边形运动链中 的两个主动短杆长度相等，所述的两个平行四边形运动链中的两个第一从动杆的另一端通过 转动副转动相连，当一个平行四边形运动链中的主动长杆的一端与该侧的上减速器的输出端 相连时，另一个平行四边形运动链中的主动长杆的一端与该侧的下减速器的输出端相连，或 者当一个平行四边形运动链中的主动长杆的一端与该侧的下减速器的输出端相连时，另一个 平行四边形运动链中的主动长杆的一端与该侧的上减速器的输出端相连。

与传动的平面5R并联机械手相比，本发明的大工作空间冗余驱动平面二自由度并联机 械手具有的有益效果如下：(1)本发明在传统的平面5R并联机械手的基础上，引入两条冗 余辅助支链，构造冗余驱动机构，得到了含平行四边形运动链的冗余驱动机构，可以在不改 变机构原有主体支链结构尺寸的条件下避开工作空间内的驱动奇异，克服传统平面5R并联 机械手在其奇异位型附近刚度差和机构易失控的缺陷，实现工作空间内的无奇异高速运动。 (2)通过施加冗余辅助支链，可以改善传统平面5R并联机械手的可操作度、刚度、承载力 以及定位精度等性能，进而提高了设备的加工速度和加工品质，扩大了其应用范围和领域。 (3)由于施加冗余辅助支链而得到的机构仅含有转动副，机构的结构简洁、紧凑，同时通过 辅助支链可以将冗余驱动电机置于机座上，减小了机构的运动惯量。(4)该种含有平行四边 形运动链的并联机械手具有变驱动的能力，即通过组合不同的驱动电机可以得到不同的驱动 模式。(5)由于杆件布置采用层叠布置，可以尽可能地避免机构在做大范围运动时杆件之间 的相互干涉现象，从而可以获得较大的有效工作空间。

附图说明

图1是本发明的含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手的三维视图；

图2是图1所示的机械手的后视图；

图3是本发明的含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手在后方工作空间 的三维视图；

图4是本发明图1所示的机械手安装在固定工作台上的三维视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如附图所示的本发明的含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手，它包括 两个平行四边形运动链以及设置在Z轴两侧的四台伺服电机，在Z轴的两侧分别放置有两台 伺服电机1、10、11、20，每一侧的两台伺服电机上下布置并且中心轴线共线，每一台伺服 电机的输出轴与一台减速器的输入端固定相连，同一侧的两台减速器布置为上下相对设置的 上减速器和下减速器，两个所述平行四边形运动链均由一条主体支链和一条辅助支链构成， 两个所述的主体支链均包括一个主动长杆5(14)，每一个主动长杆的一端分别与同一侧的一台 减速器的输出端固定相连并且另一端通过转动副与第一从动杆7(16)的一端转动相连，所述辅 助支链均包括一个主动短杆4(15)，每一个主动短杆的一端分别与同一侧的另一台减速器的输 出端固定相连并且另一端通过转动副与第二从动杆6(17)的一端转动相连，一侧的第二从动杆 的端部通过转动副转动连接在该侧的第一从动杆上，所述的两个平行四边形运动链中的主动 长杆以及第二从动杆的长度相同，两个平行四边形运动链中的两个主动短杆4、15长度相等， 所述的两个平行四边形运动链中的两个第一从动杆的另一端通过转动副转动相连。当一个平 行四边形运动链中的主动长杆的一端与该侧的上减速器的输出端相连时，另一个平行四边形 运动链中的主动长杆的一端与该侧的下减速器的输出端相连，或者当一个平行四边形运动链 中的主动长杆的一端与该侧的下减速器的输出端相连时，另一个平行四边形运动链中的主动 长杆的一端与该侧的上减速器的输出端相连。

作为本发明的一种实施方式，所述主体支链外置，所述辅助支链内置。作为本发明的另 一种实施方式，所述主体支链外置，所述辅助支链内置。

下面再结合每一幅图对本发明加以详细说明。

如图1所示，为含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手的一个实施例， 包括四个伺服电机1、10、11、20，且在z轴两侧(x轴正方向和负方向)分别布置有两个电 机，其中电机1、10的轴线共线，电机11、20的轴线共线，所述电机1、10、11、20的输出 端对应固定连接四个减速器2、9、12、19，所述减速器2、9、12、19对应固定在机座3、8、 13、18上。所述减速器2、9、12、19的输出端对应固定连接主动短杆4、主动长杆5、主动 长杆14、主动短杆15，其中，主动短杆4、15长度相等，主动长杆5、14长度相等，位于z 轴一侧的主动短杆4、主动长杆5分别通过转动副对应连接位于z轴同一侧的第二从动杆6、 第一从动杆7；位于z轴另一侧的主动长杆14、主动短杆15分别通过转动副对应连接位于z 轴同一侧的第一从动杆16、第二从动杆17。所述z轴一侧(x轴正方向)的主动短杆4、主 动长杆5的输出端与第二从动杆6、第一从动杆7的输入端之间通过两个转动副对应连接， 同时第二从动杆6的输出端与第一从动杆7通过一个转动副连接，由此构成一个平行四边形 运动链21，其中，由主动短杆4、第二从动杆6组成的支链为辅助支链并且内置，主动长杆 5、第一从动杆7组成的支链为主体支链并且外置；与之类似，在所述对称轴z轴的另一侧(x 轴负方向)可以得到另外一个平行四边形运动链22，其中主动短杆15、第二从动杆17组成 的支链为辅助支链并且内置，主动长杆14、第一从动杆16组成的支链为主体支链并且外置。 平行四边形运动链21、22的输出末端通过一个转动副连接，所述末端部位可以根据需求安装 一系列附件，如手抓、传感器或其他操作工具。

如图2所示，为所述含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手实施例一的 后视图。所示机构中平行四边形运动链21、22的所有杆件在空间层叠布置，共占据四层空间 I、II、III、IV，在运动时可以尽可能地避免杆件之间的相互干涉，获得较大的有效工作空间。

如图3所示，为所述大工作空间冗余驱动平面二自由度并联机械手实施例在后方工作空 间的三维视图。该机械手具有前后工作空间，机械手可以根据具体需求穿过机座中间区域运 动到y轴负方向的工作空间，此时平行四边形运动链21、22相互交错，由于杆件采用层叠布 置，在运动过程中，机构的运动杆件之间不会发生干涉。需要注意的是，y轴负方向的工作 空间要略小于y轴正方向的工作空间，原因是机构在y轴负方向工作空间工作时，图1所示 运动链21、22中的杆件7、16可能在某些位置与机座发生干涉，但这并不会对机构产生较大 的影响，在实际应用中，可以避开这些干涉位置，机构仍然可以获得较大的y轴负方向有效 工作空间，实现有效工作空间内的无奇异运动。

本发明的大工作空间冗余驱动平面二自由度并联机械手实施例在实际应用中可以安装到 不同的工作平台，如图4所示为其中的一种可行安装方式。具体安装关系为：所述的大工作 空间冗余驱动平面二自由度并联机械手实施例的主手29中位于z轴一侧(x轴正方向)的两 个电机机座3、8分别通过上下支撑板23、25固定地连接到立柱24上，所述立柱24与工作 台30的上台板26固定连接，所述的上台板26上可以放置待操作(加工)物品；同理，z轴 另一侧(x轴负方向)的两个电机机座13、18通过上下支撑板23、25与立柱28固定连接， 所述立柱28与上台板26固定连接。z轴每一侧所述两支撑板中的最短边和最长边所在平面 在安装时保证相互共面，同时，两支撑板上与立柱的连接孔的中心轴线共线，由此可保证z 轴两侧的减速器输出轴的中心轴线共线。所述的上台板26在四个角落处固定连接四个相同的 支撑腿31，所述支撑腿31的下方与工作台30的下台板27固定连接，所述下台板27上可以 放置机械手的控制柜。实施例一与工作台30安装完毕后，便可以根据具体要求对放置于工作 台30上的物品进行操作和加工。

本发明的大工作空间冗余驱动平面二自由度并联机械手通过控制可以实现变驱动的能 力，即：当图1所示实施例中的四个电机1、10、11、20均被施加控制时，机构具有四个驱 动，此时机构含有两个冗余驱动；当四个电机1、10、11、20中的任意三个被施加控制，剩 余一个电机不被控制(随动)时，机构具有三个驱动，此时机构含有一个冗余驱动；当电机 1、11被施加控制，电机10、20不被控制(随动)时，机构具有两个驱动，此时机构不含冗 余驱动；当电机10、20被施加控制，电机1、11不被控制(随动)时，机构也具有两个驱动， 此时机构亦不含冗余驱动。当然，通过控制组合还可以得到其余的驱动模式。因此，可以根 据具体需求，选择不同的控制组合来满足不同的工况，实现不同的工作任务。

值得注意的是，尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了详细描述，但本发明并 不仅仅局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本 领域的相关技术人员受本发明的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护范围的情况下， 还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。