具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構的製作方法

2023-06-14 22:05:51 4

專利名稱：具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種四自由度並聯機械手，特別是涉及一種含四條結構相同的支鏈且可實現三轉動自由度和一平動自由度作業功能的並聯機械手。
背景技術：
根據專利US6431802、ZL200610013608. 3可知，現有的空間三轉動和一平動自由度並聯機構，其實現形式一般為兩轉動一平動並聯機構輔以電主軸的結構。三條結構相同的支鏈對稱分布於固定架，支鏈末端連接動平臺，通過設置在支鏈上的驅動裝置的驅動作用下，動平臺可相對於固定架產生兩轉動和一平動自由度的運動。電主軸安裝在動平臺上， 使其產生繞自身軸線的轉動，實現姿態調整。此類機構由於動平臺安裝電主軸，其存在的不足是動平臺的重量過大，影響機構的快進能力及動態性能，不易實現輕量化設計。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種有效減少動平臺質量，具有優勢進給方向，可實現空間三轉動一平動自由度的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構。本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，它包括固定架，第一、第二、 第三、第四主動支鏈和動平臺，在所述固定架上沿同一圓周方向設置有第一、第二、第三、第四鉸鏈，所述第一、第二、第三、第四鉸鏈分別通過轉軸與所述固定架轉動相連，所述第一、 第二、第三、第四主動支鏈均包括外壁，所述的外壁的兩側分別安裝有第一導軌，在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈內側分別安裝有第一滑塊，所述的第一導軌在驅動裝置的驅動下能夠與所述的第一滑塊沿外壁的軸線方向滑移配合相連，在所述的固定架下方設置有動平臺，所述的動平臺包括主平臺，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈的外壁下端分別通過第五、第六、第七、第八鉸鏈與第二、第三、第四、第五滑塊相連，所述第五、第六、第七、第八鉸鏈具有三轉動自由度，每一所述滑塊在對應主動支鏈的驅動下與安裝在主平臺外壁上的第二導軌滑動相連，在第二、第四滑塊的底部分別固定連接第二、第四螺母，第三、第五滑塊底部分別固定連接第三、第五螺母，所述第二、第四螺母與設置在主平臺內的第二、第四絲槓的一端相螺紋連接，所述第三、第五螺母與設置在主平臺內的第三、第五絲槓的一端相螺紋連接，所述第二、第三、第四、第五絲槓沿固定架的中心軸線方向設置，所述第二、第三、第
四、第五絲槓的另一端均安裝於設置在主平臺上的軸承內，所述第二、第四絲槓的螺紋方向一致，所述第三、第五絲槓的螺紋方向一致，所述第二、第四絲槓與第三、第五絲槓的螺紋方向相反，在所述的第二、第三、第四、第五絲槓上分別通過鍵連接有第一、第二、第三、第四齒輪，在所述主平臺中央設置有一個與所述的四個齒輪能夠分別嚙合配合的中心齒輪，連接所述中心齒輪的齒輪軸安裝於設置在主平臺上的軸承內，在所述的齒輪軸的下端固定連接有一末端執行器。
本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構的有益效果是機構採用四條相同的支鏈空間對稱布置，有利於提高機構整體剛度。動平臺採用絲槓螺母和齒輪嚙合的結構形式，滿足一定條件時可帶動末端執行器實現繞自身軸線的轉動，有效減小動平臺的質量，提聞機構的快進能力。


圖I是本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構的結構示意圖；圖2是圖I所示並聯機構的主動支鏈結構示意圖；圖3是圖I所示並聯機構的主平臺剖開後的內部結構示意圖；圖4是圖I所示並聯機構的齒輪嚙合圖；圖5是圖I所示的並聯機構應用實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作以詳細描述。本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，包括固定架1，第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5和動平臺6。在所述固定架上沿同一圓周方向設置有第一、第二、 第三、第四鉸鏈，優選的在所述固定架I上沿同一圓周方向均勻間隔設置有第一、第二、第
三、第四鉸鏈7、8、9、10，所述第一、第二、第三、第四鉸鏈7、8、9、10具有一個迴轉自由度，分別通過轉軸與所述固定架I轉動相連。所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5具有相同的結構形式，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5均包括外壁14，所述的外壁的兩側分別安裝有第一導軌15。在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈7、8、9、10內側分別安裝有第一滑塊，所述的第一導軌在驅動裝置的驅動下能夠與所述的第一滑塊沿外壁的軸線方向滑移配合相連。優選的所述的驅動裝置包括安裝在外壁14 一端的伺服電機11，所述的伺服電機11的輸出軸通過減速器12與安裝在外壁上的第一滾珠絲槓13相連，在所述的第
一、第二、第三、第四鉸鏈7、8、9、10的內側分別安裝有與第一滾珠絲槓13螺紋連接的螺母。 當然所述的驅動裝置也可以採用氣缸-推桿等結構。所述每一主動支鏈的外壁下端分別通過第五、第六、第七、第八鉸鏈16、17、18、19與第二、第三、第四、第五滑塊轉動連接。所述第
五、第六、第七、第八鉸鏈16、17、18、19具有三轉動自由度，可採用虎克鉸輔以自轉軸、球鉸鏈等形式。在所述的固定架下方設置有動平臺，所述動平臺6包括主平臺20，第一、第二、第
三、第四齒輪21、22、23、24與中心齒輪25。所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5 的外壁下端分別通過第五、第六、第七、第八鉸鏈16、17、18、19與第二、第三、第四、第五滑塊26、27、28、29相連。所述每一滑塊可在對應主動支鏈的驅動下與安裝在主平臺外壁上的第二導軌30滑動相連，形成第二導軌滑塊結構。在第二、第四滑塊26、28的底部分別固定連接第二、第四螺母31、33，第三、第五滑塊27、29底部分別固定連接第三、第五螺母32、34， 所述第二、第四螺母31、33與設置在主平臺20內的第二、第四絲槓35、37的一端相螺紋連接，所述第三、第五螺母32、34與設置在主平臺20內的第三、第五絲槓36、38的一端相螺紋連接。所述第二、第三、第四、第五絲槓35、36、37、38沿固定架的中心軸線方向設置，所述第
二、第三、第四、第五絲槓的另一端均安裝於設置在主平臺20上的軸承內。所述第二、第四絲槓35、37的螺紋方向一致，所述第三、第五絲槓36、38的螺紋方向一致，所述第二、第四絲槓35、37與第三、第五絲槓36、38的螺紋方向相反。在所述的第二、第三、第四、第五絲槓35、 36、37、38上分別通過鍵連接第一、第二、第三、第四齒輪21、22、23、24，在所述主平臺20中央設置有一個與所述的四個齒輪能夠分別嚙合配合的中心齒輪25，連接所述中心齒輪25 的齒輪軸39安裝於設置在主平臺上的軸承內，在所述的齒輪軸39的下端可固定連接一末端執行器，如刀具，手爪等。下面再結合每一幅圖對本發明進一步說明如圖I所示的本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，包括固定架1， 動平臺6，連接所述固定架I和動平臺6的四條相同的主動支鏈2、3、4、5。所述第一、第二、 第三、第四主動支鏈2、3、4、5關於固定架I中心軸線空間對稱放置，所述每一主動支鏈分別通過具有一個迴轉自由度的第一、第二、第三、第四鉸鏈7、8、9、10與所述固定架I相連。所述第一、第二、第三、第四鉸鏈7、8、9、10分別通過轉軸與所述固定架I轉動相連，作為優選方式，第一、第三鉸鏈7、9的轉軸軸線相互平行，第二、第四鉸鏈8、10的轉軸軸線相互平行， 所述第一、第三鉸鏈7、9的轉軸軸線與第二、第四鉸鏈8、10的轉軸軸線相互垂直，這樣機構整體結構對稱，傳遞動力效果較好。如圖I和圖2所示，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5具有相同的機械結構，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5均包括外壁 14，所述的外壁的兩側分別安裝有第一導軌15.在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈7內側分別安裝有第一滑塊，所述的第一導軌與所述的第一滑塊在驅動裝置的驅動下能夠沿外壁的軸線方向滑移相連。優選的所述的驅動裝置包括安裝在外壁14一端的伺服電機11，所述的伺服電機11的輸出軸通過減速器12與安裝在外壁上的第一滾珠絲槓13相連，在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈7的內側分別安裝有與第一滾珠絲槓13螺紋連接的螺母。當然所述的驅動裝置也可以採用氣缸-推桿等結構。如圖I和圖3所示，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5分別通過第五、 第六、第七、第八鉸鏈16、17、18、19與動平臺上的第二、第三、第四、第五滑塊26、27、28、29 相連。所述第五、第六、第七、第八鉸鏈16、17、18、19具有三轉動自由度，可採用虎克鉸輔以自轉軸、球鉸鏈等形式。所述第二、第三、第四、第五滑塊26、27、28、29分別與安裝在主平臺 20外壁上的的第二導軌30滑動相連，形成導軌滑塊結構，使所述的每一滑塊可分別在對應主動支鏈的驅動下沿主平臺20外壁移動。如圖3所示，所述主平臺20沿C軸方向通過軸承連接第二、第三、第四、第五絲槓
35、36、37、38，所述每一絲槓下端通過鍵連接第一、第二、第三、第四齒輪21、22、23、24。所述第二、第四絲槓35、37與固定安裝在第二、第四滑塊26、28上的第二、第四螺母31、33相螺紋連接，所述第三、第五絲槓36、38與固定安裝在第三、第五滑塊27、29上的第三、第五螺母32、34螺紋連接。所述第二、第三、第四、第五滑塊26、27、28、29沿C軸方向移動時帶動第二、第三、第四、第五螺母31、32、33、34沿C軸方向移動，則第二、第三、第四、第五絲槓35、
36、37、38產生繞C軸的轉動，從而安裝在所述絲槓上的第一、第二、第三、第四齒輪21、22、 23、24繞C軸轉動。在本發明的技術方案中，當第一、第三主動支鏈2、4的伺服電機具有不同的輸入時，動平臺6可實現繞A軸的轉動；當第二、第四主動支鏈3、5的伺服電機具有不同的輸入時，動平臺6可實現繞B軸的轉動；當第一、第二、第三、第四主動支鏈2、3、4、5的伺服電機具有相同的輸入時，動平臺6可實現沿C軸方向的移動，故機構的動平臺6具有兩轉動一平動自由度。如若動平臺6中心齒輪的齒輪軸39固接一末端執行器，則加之末端執行器的繞 C軸的轉動，機構可實現三轉動一平動自由度。末端執行器繞C軸的轉動見圖3與圖4。第二絲槓35、第四絲槓37螺紋為右旋螺紋，第三絲槓36、第五絲槓38螺紋為左旋螺紋。當第二滑塊26、第四滑塊28同時以相同的速度向上運動時，對應的第一齒輪21、第三齒輪23產生逆時針方向的轉動，第三滑塊27、第五滑塊29以同樣的速度同時向下運動時，對應的第二齒輪22、第四齒輪24也產生逆時針方向的轉動。中心齒輪25同時與第一、第二、第三、第四齒輪21、22、23、24嚙合，則所述四個齒輪產生同樣的逆時針轉動時，中心齒輪25通過齒輪嚙合產生逆時針方向轉動，從而帶動齒輪軸39及末端執行器產生繞C軸的逆時針轉動。類似地，當第二滑塊26、第四滑塊28同時以相同的速度向下運動，第三滑塊27、第五滑塊29以同樣的速度同時向上運動時，中心齒輪25產生順時針轉動，從而帶動齒輪軸39及末端執行器產生繞C軸的順時針轉動。第二、第四滑塊26、28速度相等方向相同，第三、第五滑塊27、29速度相等方向相同，而第二、 第四滑塊26、28與第三、第五滑塊27、29速度相等方向相反，可保證動平臺6的位姿不發生變化，僅有末端執行器繞C軸的轉動。只有第二、第四滑塊26、28與第三、第五滑塊27、29的運動速度等大反向，第一、第
二、第三、第四齒輪21、22、23、24轉動的轉向一致時，才能使中心齒輪25發生轉動。第二、 第四滑塊26、28與第三、第五滑塊27、29的運動速度不是等大反向的情況下，第一、第二、第
三、第四齒輪21、22、23、24轉向不一致，約束了中心齒輪25的轉動。本發明與現有的技術相比，其優點是動平臺採用絲槓螺母和齒輪嚙合的結構形式，通過絲槓螺母可變移動為轉動，為齒輪提供動力，而四個相同的齒輪與一個中心齒輪嚙合的齒輪布置形式，只有滿足四個齒輪轉向一致的條件才能使中心齒輪發生轉動，從而主動支鏈位置定位與末端執行器位姿定位互不影響。動平臺不需安置伺服電機和減速器，可有效減輕其質量，有利於機械手提升快進能力和動態性能。本發明的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構使用情況概述如圖5實施例 I所不，將本發明的空間對稱三轉動一平動並聯機器人作為一個模塊，與三個方向的長行程導軌單元集成，實現更大工作空間內的加工能力。以上對本發明的描述僅僅是示意性的，而不是限制性的，所以，本發明的實施方式並不局限於上述的具體實施方式
。如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護範圍的情況下，做出其他變化或變型，均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，其特徵在於它包括固定架，第一、第二、第三、第四主動支鏈和動平臺，在所述固定架上沿同一圓周方向設置有第一、第二、第三、第四鉸鏈，所述第一、第二、第三、第四鉸鏈分別通過轉軸與所述固定架轉動相連，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈均包括外壁，所述的外壁的兩側分別安裝有第一導軌，在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈內側分別安裝有第一滑塊，所述的第一導軌在驅動裝置的驅動下能夠與所述的第一滑塊沿外壁的軸線方向滑移配合相連，在所述的固定架下方設置有動平臺，所述的動平臺包括主平臺，所述第一、第二、第三、第四主動支鏈的外壁下端分別通過第五、第六、第七、第八鉸鏈與第二、第三、第四、第五滑塊相連，所述第五、第六、第七、 第八鉸鏈具有三轉動自由度，每一所述滑塊在對應主動支鏈的驅動下與安裝在主平臺外壁上的第二導軌滑動相連，在第二、第四滑塊的底部分別固定連接第二、第四螺母，第三、第五滑塊底部分別固定連接第三、第五螺母，所述第二、第四螺母與設置在主平臺內的第二、第四絲槓的一端相螺紋連接，所述第三、第五螺母與設置在主平臺內的第三、第五絲槓的一端相螺紋連接，所述第二、第三、第四、第五絲槓沿固定架的中心軸線方向設置，所述第二、第三、第四、第五絲槓的另一端均安裝於設置在主平臺上的軸承內，所述第二、第四絲槓的螺紋方向一致，所述第三、第五絲槓的螺紋方向一致，所述第二、第四絲槓與第三、第五絲槓的螺紋方向相反，在所述的第二、第三、第四、第五絲槓上分別通過鍵連接有第一、第二、第三、 第四齒輪，在所述主平臺中央設置有一個與所述的四個齒輪能夠分別嚙合配合的中心齒輪，連接所述中心齒輪的齒輪軸安裝於設置在主平臺上的軸承內，在所述的齒輪軸的下端固定連接有一末端執行器。
2.根據權利要求I所述的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，其特徵在於所述第一、第二、第三、第四主動支鏈關於固定架中心軸線空間對稱放置。
3.根據權利要求I或2所述的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，其特徵在於 所述的驅動裝置包括安裝在外壁一端的伺服電機，所述的伺服電機的輸出軸通過減速器與安裝在外壁上的第一滾珠絲槓相連，在所述的第一、第二、第三、第四鉸鏈的內側分別安裝有與第一滾珠絲槓螺紋連接的螺母。
4.根據權利要求3所述的具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，其特徵在於所述的第一、第三鉸鏈的轉軸軸線相互平行，第二、第四鉸鏈的轉軸軸線相互平行，所述第一、 第三鉸鏈的轉軸軸線與第二、第四鉸鏈的轉軸軸線相互垂直。
全文摘要
本發明公開了具有調姿能力的高剛度四自由度並聯機構，它包括固定架，第一至四主動支鏈和動平臺，在固定架上沿同一圓周方向設置有第一至四鉸鏈，第一至四主動支鏈均包括外壁，外壁的兩側分別安裝有第一導軌，在第一、第二、第三、第四鉸鏈內側分別安裝有第一滑塊，第一導軌在驅動裝置的驅動下能夠與第一滑塊沿外壁的軸線方向滑移配合相連，在固定架下方設置有動平臺，動平臺包括主平臺，第一至四主動支鏈的外壁下端分別通過第五至八鉸鏈與第二至五滑塊相連，每一滑塊在對應主動支鏈的驅動下與安裝在主平臺外壁上的第二導軌滑動相連。採用本機構有利於提高機構整體剛度，有效減小動平臺的質量，提高機構的快進能力。
文檔編號B25J17/00GK102601794SQ20121009430
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者孫濤, 宋軼民, 董罡, 連賓賓, 齊楊 申請人:天津大學