具有三转一移性质的广义解耦并联机构

摘要

一种具有三转一移性质的广义解耦并联机构，它包括基座、动平台以及连接基座和动平台的四个分支，每个分支的一端均通过转动副或移动副与基座连接，其中第一和第二分支的一端均通过移动副与基座连接，其另一端均通过转动副与动平台连接，且与动平台相连的转动副轴线重合，第三和第四分支的一端均通过转动副与基座连接，其另一端分别通过移动副和转动副与动平台连接，上述四个分支的机构及连接副各不相同，不同分支间完全解耦。本发明刚度高、结构简单、易于控制，能够实现三个转动及一个方向移动的完全解耦。

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种并联机构。

背景技术

传统并联机构具有结构刚度好，承载能力大，累积误差小等特点，使其在机器人、虚拟轴机床、微型机械手领域得到广泛的应用。但由于强耦合性的存在使得并联机构在构型设计、分析计算以及机构控制方面存在诸多困难，一定程度上限制了并联机构的应用。

解耦最初是控制系统中所使用的一个概念，即采用某种结构或寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，进而使得输入与输出之间保持一一对应关系，即每一个输入仅控制一个输出，而每一个输出也仅受到唯一一个输入信号的影响。虽然研究者已经发现并应用具有解耦性质的并联机构，但是针对并联机构解耦性的研究非常少，并联机构的解耦研究还未形成系统的理论。经过对现有技术的搜索发现，公开号为CN105108734A的中国专利公开了一种三转一移完全各向同性并联机器人机构，目的是提供一种一维移动和三维转动四自由度运动输入与输出完全一一对应的并联机构，机构包括结构不同的三个支链，且三个支链中四个驱动运动副分别为移动副(P11)、转动副(Rz)、(R21)、(R32)，具有成本低、良好的运动学和力传递性能等优点，可应用于并联机器人、并联机床、微动机器人等场合，但该机构仅含有三个分支，刚度较低，承载能力弱。总体来说，三转动一移动并联机器人机构以相互耦合的居多，而结构简单、控制方便的三转动一移动广义解耦并联机器人机构则仍不多见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、易于控制、能够实现三个转动及一个方向移动完全解耦的三转动一移动广义解耦并联机构。

本发明包括基座、动平台以及连接基座和动平台的四个分支，所述四个分支的一端均布在基座上，其另一端呈正三角形均布在动平台上，第一和第二分支为同一个连接点，初始状态下三个转动副轴线均垂直于基座，动平台与基座平行；第一分支包括三个连杆、一个移动副和三个转动副，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座连接，第一连杆的另一端与第二连杆、第三连杆依次通过第一、第二转动副连接，第三连杆的另一端通过第三转动副与动平台连接，其中第一移动副与第一转动副轴线相平行，第一转动副、第二转动副、第三转动副的转动轴线汇交于一点；

第二分支包括五个连杆、一个移动副和五个转动副，其中第四连杆的一端通过第二移动副与基座连接，第四连杆的另一端与第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆依次通过第四、第五、第六和第七转动副连接，第八连杆的另一端通过第八转动副与动平台连接，其中第二移动副与第四、第五和第六转动的副轴线平行，且与第七和第八转动副轴线相垂直，同时，第一分支的第二转动副与第二分支的第七转动副轴线重合，第一分支的第三转动副与第二分支的第八转动副轴线重合；

第三分支包括五个连杆、三个移动副和三个转动副，其中第九连杆的一端通过第九转动副与基座连接，第九连杆的另一端与第十、第十一连杆依次通过第十和第十一转动副连接，第十一连杆的另一端与第十二和第十三连杆依次通过第三移动副和第四移动副连接，第十三连杆的另一端通过第五移动副与动平台连接，其中第九、的第十和第十一转动副轴线相互垂直，第三、第四和第五移动副的轴线相互垂直；

第四分支包括五个连杆和六个转动副，其中第十四连杆通过第十二转动副与基座连接，第十四连杆的另一端与第十五、第十六、第十七和第十八连杆依次通过第十三、第十四、第十五和第十六转动副连接，第十八连杆的另一端通过第十七转动副与动平台连接，其中第十二和第十三转动副的轴线相互平行，第十三和第十四转动副的轴线相互垂直，第十四、第十五和第十六转动副的轴线相互平行且垂直于第十七转动副的轴线；

所述第一分支的第一移动副、第二分支的第二移动副与第三分支的第九转动副、第四分支的第十二转动副的轴线相互平行。

在第一分支的第一移动副处设丝杠及驱动电机，电机固连在基座上，且其移动轴线与第一移动副轴线共线；在第二分支的第五转动副处设驱动电机，电机固连在第五连杆上，且其转动轴线与第二分支的第五转动副轴线共线；在第三分支的第十转动副处设驱动电机，电机固连在第三分支的第九连杆上，且其转动轴线与第三分支的第十转动副轴线共线；在第四分支的第十七转动副处设驱动电机，电机固连在第十八连杆上，且其转动轴线与第四分支的第十七转动副轴线共线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

刚度大、精度高、结构简单、轻便，解耦运动通过转动副或移动副来实现，即克服了传统三转动一移动并联机构控制复杂、强耦合性、分析计算繁琐的缺点，又保留了并联机构强度高、稳定性好的优点。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图中：1-第一连杆、2-第二连杆、3-第三连杆、4-第四连杆、5-第五连杆、6-第六连杆、7-第七连杆、8-第八连杆、9-第九连杆、10-第十连杆、11-第十一连杆、12-第十二连杆、13-第十三连杆、14-第十四连杆、15-第十五连杆、16-第十六连杆、17-第十七连杆、18-第十八连杆、19-动平台、20-基座。

具体实施方式

在图1所示的具有三转一移性质的广义解耦并联机构示意图中，四个分支的一端均布在基座20上，其另一端呈正三角形均布在动平台19上，第一和第二分支为同一个连接点，初始状态下三个转动副轴线均垂直于基座，动平台与基座平行；第一分支中的第一连杆1的一端通过第一移动副P1与基座连接，第一连杆的另一端通过第一转动副R1与第二连杆2的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副R2与第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副R3与动平台连接，其中第一移动副P1与第一转动副R1轴线相平行，第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3的转动轴线汇交于一点；

第二分支中的第四连杆4的一端通过第二移动副P2与基座连接，第四连杆的另一端通过第四转动副R4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过第五转动副R5与第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过第六转动副R6与第七连杆7的一端连接，第七连杆的另一端通过第七转动副R7与第八连杆8的一端连接，第八连杆的另一端通过第八转动副R8与动平台连接，其中第二移动副P2与第四转动副R4、第五转动副R5和第六转动副R6的副轴线平行，且与第七转动副R7和第八转动副R8轴线相垂直，同时，第一分支的第二转动副R2与第二分支的第七转动副R7轴线重合，第一分支的第三转动副R3与第二分支的第八转动副R8轴线重合；

第三分支中的第九连杆9的一端通过第九转动副R9与基座连接，第九连杆的另一端通过第十转动副R10与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过第十一转动副R11与第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过第三移动副P3与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过第四移动副P4与第十三连杆13的一端连接，第十三连杆的另一端通过第五移动副P5与动平台连接，其中第九转动副R9、第十转动副R10和第十一转动副R11的轴线相互垂直，第三移动副P3、第四移动副P4和第五移动副P5的轴线相互垂直；

第四分支中的第十四连杆14通过第十二转动副R12与基座连接，第十四连杆的另一端通过第十三转动副R13与第十五连杆15连接，第十五连杆的另一端通过第十四转动副R14与第十六连杆16的一端连接，第十六连杆的另一端通过第十五转动副R15与第十七连杆17的一端连接，第十七连杆的另一端通过第十六转动副R16与第十八连杆连接，第十八连杆的另一端通过第十七转动副R17与动平台连接，其中第十二转动副R12和第十三转动副R13的轴线相互平行，第十三转动副R13和第十四转动副R14的轴线相互垂直，第十四转动副R14、第十五转动副R15和第十六转动副R16的轴线相互平行且垂直于第十七转动副R17的轴线；

所述第一分支的第一移动副P1、第二分支的第二移动副P2与第三分支的第九转动副R9、第四分支的第十二转动副R12的轴线相互平行。

在第一分支的第一移动副P1处设丝杠及驱动电机，电机固连在基座上，且其移动轴线与第一移动副P1轴线共线；在第二分支的第五转动副R5处设驱动电机，电机固连在第五连杆上，且其转动轴线与第二分支的第五转动副R5轴线共线；在第三分支的第十转动副R10处设驱动电机，电机固连在第三分支的第九连杆上，且其转动轴线与第三分支的第十转动副R10轴线共线；在第四分支的第十七转动副R17处设驱动电机，电机固连在第十八连杆上，且其转动轴线与第四分支的第十七转动副R17轴线共线。通过控制与P1、R5、R10和R17轴线分别共线的四个驱动电机，动平台就可实现在空间中的三个转动和一个方向的移动，且三个转动和一个移动四个自由度完全解耦。