一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构

摘要

本发明涉及一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构，包括固定平台、动平台和三个结构相同的支链，三个支链安装在动平台和固定平台之间，且以动平台为中心，沿圆周方向均匀布置在固定平台上；其特征在于：每个支链均包括支撑架、后段弧形连杆、中段弧形连杆和前段弧形连杆，所述支撑架下部固定安装在固定平台上，在支撑架的上部安装有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴与后段弧形连杆一端固定连接，后段弧形连杆的另一端安装有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与中段弧形连杆的一端固定连接，中段弧形连杆的另一端内具有弧形空腔，前段弧形连杆的一端插入中段弧形连杆的弧形空腔内。

说明书

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构。

背景技术

并联机构(Parallel Mechanism，简称PM)，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。其具有以下特点：(1)无累积误差，精度较高；(2)驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；(3)结构紧凑，刚度高，承载能力大；(4)完全对称的并联机构具有较好的各向同性；(5)工作空间较小等特点，广泛应用于空间设备、主动减震器、外科手术器械、机床、精密定位设备食品包装等领域。

目前的并联机构多具有2～6个自由度。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自由度的占10.5％。由以上比例来看，由于杆件的限制，2自由度机构种类不多是合理的；4、5自由度的并联机构少得可怜,其原因在于人们还没有找到一种途径能够把空间3个移动、3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。而实际生活中6自由度机器人，由于其单个支链很容易保持六个独立自由度，所以应用最广。并且现有的6自由度并联机器人大多是在Stewart六自由度并联机构的基础上，改变分支中运动副的种类、排列顺序以及方向等演变而来的。

现有的六自由度并联机器人的支链大多为SPS、UPS、RUS型结构，如专利号为ZL201410388991.5的中国专利公开一种三支链六自由度机器人驱动机构，该机构包括三个结构相同的支链，每个支链由两个连杆通过销轴连接的方式进行连接，两个连杆均为直线连杆，并通过丝杠驱动滑块进而带动第一连杆转动，其不足之处在于支链形式过于复杂，对称安装的精度要求过高，第一连杆承载的负载较大。申请号为201610879835.8的专利申请公开了一种三自由度机器人，该机器人的支链通过电机带动驱动连杆转动，进而带动转动伸缩机构进行转动，转动伸缩机构为半圆形结构，驱动连杆为直线型，其不足之处在于工作时，工作空间较小，转动伸缩机构之间容易发生干涉现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，设计一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构。该机构具有三个支链，每个支链采用弧形移动副的形式进行连接，并配置有两个驱动，驱动之间相对耦合，使得该机构具有更高的灵活性和较大的工作空间；并且支链的运动形式相对简单，容易保证该机构在操作过程中的精度和质量；另外，可以根据不同的需要应用于机床、机器人检测等对精度要求更高的领域。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构，包括固定平台、动平台和三个结构相同的支链，三个支链安装在动平台和固定平台之间，且以动平台为中心，沿圆周方向均匀布置在固定平台上；其特征在于：

每个支链均包括支撑架、后段弧形连杆、中段弧形连杆和前段弧形连杆，所述支撑架下部固定安装在固定平台上，在支撑架的上部安装有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴与后段弧形连杆一端固定连接，后段弧形连杆的另一端安装有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与中段弧形连杆的一端固定连接，中段弧形连杆的另一端内具有弧形空腔，前段弧形连杆的一端插入中段弧形连杆的弧形空腔内，且前段弧形连杆能够沿着中段弧形连杆中的弧形空腔做弧形移动，前段弧形连杆的另一端采用球铰的方式与动平台连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用三个结构相同的支链，且每个支链均由三个弧形连杆组合而成，至少两个弧形连杆同心，前段弧形连杆可以沿着中段弧形连杆的空腔内做弧形移动，每个支链通过两个驱动电机来驱动，结构简单可靠，动平台运动更加平稳，且采用弧形连杆形式，能够显著增加机构的操作空间，提高其操作的灵活性。

2)本发明并联机构可针对应用的不同领域，如快速精准定位的机床或者医疗诊断设备领域，可将一个后段弧形连杆相连的驱动电机作为主要驱动源，来实现动平台的快速定位，另一个中段弧形连杆相连的驱动电机作为协同驱动源，以帮助动平台实现位置的精度调节。

3)本发明并联机构结构简单，驱动能力强，动平台运动平稳，有较高的各向同性以及灵活度，可根据不同的需求应用于机床、医用外科设备、机器人检测设备等领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的中段弧形连杆5的结构示意图；

图3是本发明中的支链结构示意图；

图中，1.固定平台、2.支撑架、3.第一驱动电机、4.后段弧形连杆、5.中段弧形连杆、6.前段弧形连杆、7.动平台、8.第二驱动电机、9.空腔、10.球铰。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细描述，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构(简称机构或并联机构，参见图1-3)包括固定平台1、动平台7和三个结构相同的支链，三个支链安装在动平台和固定平台之间，且以动平台为中心，沿圆周方向均匀布置在固定平台7上；

每个支链均包括一个支撑架2和三个弧形连杆(即后段弧形连杆4、中段弧形连杆5和前段弧形连杆6)，所述支撑架2下部固定安装在固定平台1上，在支撑架的上部安装有第一驱动电机3，第一驱动电机3的输出轴与后段弧形连杆4一端固定连接，后段弧形连杆4的另一端安装有第二驱动电机8，第二驱动电机8的输出轴与中段弧形连杆5的一端固定连接，中段弧形连杆5的另一端内具有弧形空腔9，前段弧形连杆6的一端插入中段弧形连杆5的弧形空腔内，且前段弧形连杆6和中段弧形连杆5共圆心，前段弧形连杆6能够沿着中段弧形连杆5中的弧形空腔做弧形移动，前段弧形连杆6的另一端采用球铰10的方式与动平台7连接。

本发明的进一步特征在于所述弧形空腔9的纵切面为矩形、椭圆形或圆形等，弧形空腔的形状与前段弧形连杆6的轮廓相匹配，能保证前段弧形连杆6沿着中段弧形连杆5中的弧形空腔做弧形移动即可。

本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构的工作原理是：通过控制每个支链上安装在支撑架上的第一驱动电机，驱动前段弧形连杆绕第一驱动电机的输出轴的轴线转动；同时，驱动安装在前段弧形连杆上的第二驱动电机，驱动中段弧形连杆绕着第二驱动电机的输出轴转动，进而引起前段弧形连杆沿着中段弧形连杆中的弧形空腔做弧形移动，使得动平台经三个支链带动来实现六个自由度的运动。

本发明支链采用型结构，通过弧形运动副配置，使得机构具有较高的灵活度和较大的工作空间。

本发明未述及之处适用于现有技术。