非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的製作方法

2023-06-11 23:25:36

專利名稱：非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人領域，尤其是一種非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構。
背景技術：
並聯機器人機構是由動平臺、定平臺以及聯接兩平臺的若干條(兩條以上)分支運動鏈組成。一般情況下，機構的運動分支數等於其自由度數，且驅動器安裝在定平臺或者接近於動平臺的構件上，以減小機構的運動慣量。相對於串聯機構，並聯機構具有承載能力強、精度高、剛度大、速度響應快和自重負荷比小等優點。因此，並聯機器人機構在工業機器人、並聯工具機、醫療機器人、微操作機器人、飛行模擬器等領域具有廣闊的潛在應用前景。 Reward機構是典型的六自由度並聯機構，該機構具有較高的承載能力，各分支運動鏈結構也較為簡單，因此該類機構常用於要求具有較高承載能力和運動複雜的場合。雖然六自由度並聯機構有其自身的優點，但其運動學耦合性很強，因此機構的有效工作空間相對較小。而很多領域並不需要機構具有六個自由度，因此少自由度並聯機器人機構(D0F=2飛)在近些年來得到了較多的關注。少自由度並聯機器人機構具有結構簡單、控制較為容易、製造成本低等特點，國際上已有多種新型少自由度並聯機器人機構面試並應用於生產中去，如Delta機構、Star機構、Agile Eye機構等。我國也有不少機構學者設計出諸多新型並聯機器人機構，並申請了國家實用新型專利。如申請號為:200410069388. 7，02104919. X，02137928. 9,200710057179. 4， 201010225502. 6的中國專利。對於一般的並聯機器人機構，其運動學耦合性都較強，造成運動學解有多組，而其工作空間也隨之減小，且使得機構軌跡規劃和精度控制困難。而對於具有轉動自由度的並聯機器人機構，由於結構限制，其動平臺的轉動角度一般都不大，因此如何設計運動學解耦性好、轉動性能高的並聯機器人機構已成為該領域研究的新課題。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，以解決現有的機器人機構的運動學解耦性差和轉動性能不高的問題。為了解決上述問題，本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構採用以下技術方案非對稱三自由度空間並聯機器人機構，包括動平臺、定平臺，以及連接所述動、定平臺之間三條相異分支運動鏈，所述三條相異分支運動鏈為第一分支運動鏈、第二分支運動鏈及第三分支運動鏈；所述第一分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第一圓柱副、第一轉動副、第二轉動副及第三轉動副，所述第一轉動副及第二轉動副的轉動軸線與所述第一圓柱副的軸線平行且與所述第三轉動副的轉動軸線垂直；第一圓柱副與第一轉動副之間、第一轉動副與第二轉動副之間、第二轉動副與第三轉動副之間對應通過第一傳動臂、第二傳動臂、第三傳動臂連接；所述第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第一移動副、第二移動副及第四轉動副，所述第一移動副的軸線與所述第二移動副的軸線垂直且與所述第四轉動副的轉動軸線平行，所述第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第四轉動副之間對應通過第四傳動臂、第五傳動臂連接；所述第三分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第五轉動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，所述第五轉動副與第一虎克鉸之間、第一虎克鉸與第三移動副之間、第三移動副與第二虎克鉸之間對應通過第六傳動臂、第七傳動臂、第八傳動臂連接；所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉動副的軸線平行；所述第三轉動副的轉動軸線與所述第四轉動副的轉動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連於所述動平臺上的轉軸的軸線垂直。所述的動平臺退化為末端操作器，所述末端操作器具有傳動軸，所述第三、第四轉動副設置於所述的傳動軸上，所述第二虎克鉸的運動輸出端與所述傳動軸的一端連接。所述第一、第二分支運動鏈分設於所述末端操作器的徑向兩側。所述的第三、第四轉動副固定連接。所述第三、第四轉動副設為一體，即合併為一個轉動副，第二轉動副的轉動軸線與所述第二移動副的移動中心線共線。由於本實用新型的非對稱三自由度空間並聯機器人機構的動平臺具有所述的第一、第二及第三分支運動鏈，所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉動副的軸線平行；所述第三轉動副的轉動軸線與所述第四轉動副的轉動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連於所述動平臺上的轉軸的軸線垂直，因此可實現二維移動一維轉動輸出，非期望輸出運動為常數；機構雅可比矩陣為3X3單位陣，其條件數和行列式的值恆等於1，從而使得本機構在整個工作空間內表現為完全各向同性，即機構在整個工作空間內沿任何方向的運動學和力學性能都相同；另外，本機構的運動輸入輸出間可實現一對一的控制關係，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現有的機器人機構的運動學解耦性差的問題。

圖1是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例1的結構示意圖；圖2是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例2的結構示意圖；圖3是本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例3的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例1，如圖1所示，由定平臺1、動平臺10以及聯接定平臺和動平臺的三條分支運動鏈組成，動平臺 10採用臺面板，所述的三條分支運動鏈為第一分支運動鏈51、第二分支運動鏈52及第三分支運動鏈53。第一分支運動鏈51由第一圓柱副Cl、第一轉動副R1、第二轉動副R2、第三轉動副R3順序串聯而成，各運動副之間依次由第一傳動臂2、第二傳動臂3、第三傳動臂4相連，第一圓柱副Cl的中心線與第一轉動副R1、第二轉動副R2的轉動軸線平行並且與第三轉動副 R3的轉動軸線垂直；其中第一圓柱副Cl為主動副，其輸出方式為線性，用於控制動平臺沿 X方向(如圖1)的移動，第一圓柱副Cl通過伺服電機-滾珠絲槓機構(當然，在其它實施例中也可以是直線伺服電機)驅動。第二分支運動鏈52由第一移動副P1、第二移動副P2和第四轉動副R3順序串聯而成，各運動副之間依次由第四傳動臂5、第五傳動臂6相連，其中第二移動副P2滑道裝配於第五傳動臂6上，第一移動副Pl為主動副，其通過伺服電機-滾珠絲槓機構(當然，在其它實施例中也可以是直線伺服電機)驅動，用於控制動平臺10沿Y方向的移動，第一移動副 Pl的軸線與第二移動副P2的軸線及第一圓柱副Cl的中心線垂直並且與第四轉動副R4的轉動軸線平行，第三轉動副R3的轉動軸線與第四轉動副R4的轉動軸線共線。第三分支傳動鏈由第五轉動副R5、第一虎克鉸U1、第三移動副P3、第二虎克鉸U2 順序串聯而成，各運動副之間依次由第六傳動臂7、第七傳動臂8、第八傳動臂9傳動連接， 其中第七、第八傳動臂伸縮配合形成第三移動副P3，第一虎克鉸Ul中與第六傳動臂7相連的部分具有第一傳動軸U1-1，另一部分具有第二傳動軸U1-2;第二虎克鉸U2連接於第八傳動臂9上的部分具有第三傳動軸U2-1，另一部分上具有第四傳動軸U2-2，位於同一虎克鉸上的兩傳動軸互相垂直；第五轉動副R5的轉動軸線與第一傳動軸Ul-I的軸線垂直，第二傳動軸U1-2的軸線與第三傳動軸U2-1的軸線平行且垂直於第三移動副P3的移動中心線；第五轉動副R5的轉動軸線與第一移動副Pl的移動中心線相互平行；第四傳動軸U2-2的軸線與第三、第四轉動副的轉動軸線垂直；第五轉動副R5為主動副，其驅動裝置採用伺服電機+ 減速器結構，用以控制動平臺10的繞y軸轉動輸出。本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構在工作過程中， 當需要所述動平臺在X方向往復運動時，可通過驅動所述第一圓柱副來驅動所述動平臺， 在此過程中，所述的第二移動副及第三分支運動鏈做適應性運動；當需要所述動平臺在Y 方向做往復運動時，可通過所述第一移動副來驅動所述動平臺，此過程中，所述第一、第三分支運動鏈做適應性運動；當需要所述動平臺繞Y軸轉動時，通過第五轉動副來驅動動平臺，與此同時，所述第三、第四轉動副做適應性運動；最終實現本實用新型的非對稱三自由度空間並聯機器人機構的「二移動一轉動」。由於本實用新型的非對稱三自由度空間並聯機器人機構的動平臺具有所述的第一、第二及第三分支運動鏈，所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的轉動軸線垂直且與所述第五圓柱副的軸線平行；所述第三轉動副的轉動軸線與所述第四轉動副的轉動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連於所述動平臺上的轉軸的軸線垂直，因此可實現二維移動一維轉動輸出，非期望輸出運動為常數；機構雅可比矩陣為3X3單位陣，其條件數和行列式的值恆等於1，從而使得本機構在整個工作空間內表現為完全各向同性，即機構在整個工作空間內沿任何方向的運動學和力學性能都相同；另外，本機構的運動輸入輸出間可實現一對一的控制關係，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現有的機器人機構的運動學解耦性差的問題。所述機構可作為工業機器人、醫療機器人和微操作機器人的末端執行機構，實現二維移動和一維轉動的操作動作。
5[0020]本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例2，如圖2所示，本實施例與實施例1的區別僅在於，所述的動平臺退化為末端操作器61，末端操作器61的後端具有傳動軸61-1，第一、第二分支運動鏈分設於末端操作器61的傳動軸的徑向兩側，第三、第四轉動副設置於所述的傳動軸61-1上，所述第二虎克鉸U2的運動輸出端與所述傳動軸61-1的一端連接；從而使得從末端操作器向定平臺望去第一、第二、第三分支運動鏈順時針分布，本實施例中，所述末端操作器61可以實現360度轉動輸出。本實用新型的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構的實施例3，如圖3所示，本實施例與實施例2的區別僅在於，所述第三、第四轉動副設為一體，即第三、第四轉動副合併為一個轉動副(或用第三、第四轉動副中的一個運動副代替)，合併後轉動副的轉動軸線與第五傳動臂6的中心線共線；該實施例中，所述的第一、第二分支運動鏈形成混合運動鏈。上述實施例2中還可將所述的第三、第四轉動副固連，從而使所述的第一、第二分支運動鏈形成混合運動鏈，實施例2及實施例3中，還可將所述的第一、第二分支運動鏈設置於末端操作器的傳動軸的徑向同側。
權利要求1.非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，包括動平臺、定平臺以及連接所述動、定平臺的三條相異分支運動鏈，其特徵在於所述三條相異分支運動鏈為第一分支運動鏈、第二分支運動鏈及第三分支運動鏈；所述第一分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第一圓柱副、第一轉動副、第二轉動副及第三轉動副，所述第一轉動副及第二轉動副的轉動軸線與所述第一圓柱副的軸線平行且與所述第三轉動副的轉動軸線垂直；第一圓柱副與第一轉動副之間、第一轉動副與第二轉動副之間、第二轉動副與第三轉動副之間對應通過第一傳動臂、第二傳動臂、第三傳動臂連接；所述第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第一移動副、第二移動副及第四轉動副，所述第一移動副的軸線與所述第二移動副的軸線垂直且與所述第四轉動副的轉動軸線平行，所述第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第四轉動副之間對應通過第四傳動臂、第五傳動臂連接；所述第三分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第五轉動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，所述第五轉動副與第一虎克鉸之間、第一虎克鉸與第三移動副之間、第三移動副與第二虎克鉸之間對應通過第六傳動臂、第七傳動臂、第八傳動臂連接；所述的第一圓柱副、第一移動副和第五轉動副為主動副，第一移動副的軸線與第一圓柱副的軸線垂直且與所述第五轉動副的軸線平行；所述第三轉動副的轉動軸線與所述第四轉動副的轉動軸線共線且與所述第二虎克鉸中固連於所述動平臺上的轉軸的軸線垂直。
2.根據權利要求1所述的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，其特徵在於所述的動平臺退化為末端操作器，所述末端操作器具有傳動軸，所述第三、第四轉動副設置於所述的傳動軸上，所述第二虎克鉸的運動輸出端與所述傳動軸的動力輸入端相連。
3.根據權利要求2所述的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，其特徵在於所述第一、第二分支運動鏈分設於所述末端操作器的徑向兩側。
4.根據權利要求2或3所述的非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，其特徵在於所述的第三、第四轉動副固定連接。
5.根據權利要求2或3所述的非對稱三自由度空間並聯機器人機構，其特徵在於所述第三、第四轉動副設為一體，第二轉動副的轉動軸線與所述第二移動副的移動中心線共線。
專利摘要本實用新型涉及非對稱完全各向同性三自由度空間並聯機器人機構，包括動平臺、定平臺以及聯接定平臺和動平臺的三條相異分支運動鏈，第一分支運動鏈包括第一圓柱副、第一轉動副、第二轉動副及第三轉動副，第一轉動副及第二轉動副的轉動軸線與第一圓柱副的軸線平行且與第三轉動副的轉動軸線垂直；第二分支運動鏈包括第一移動副、第二移動副及第四轉動副，第一移動副的軸線與第二移動副軸線垂直且與第四轉動副的轉動軸線平行；第三分支運動鏈包括第五轉動副、第一虎克鉸、第三移動副及第二虎克鉸，第一移動副的軸線與第一圓柱副的轉動軸線垂直且與第五圓柱副軸線平行，解決了現有的機器人機構的運動學解耦性差和轉動性能不高的問題。
文檔編號B25J9/08GK202241271SQ201120297589
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者侯中華, 劉宗發, 吳鑫, 張彥斌, 張樹乾 申請人:河南科技大學