二維移動二維轉動無耦合併聯機構的製作方法
2023-07-08 05:40:11 1
二維移動二維轉動無耦合併聯機構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及機器人空間機構【技術領域】，尤其是一種二維移動二維轉動無耦合併聯機構。該機構包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；所述第一分支運動鏈包括一個空間閉迴路結構和第十二轉動副，所述空間閉迴路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成；該機構的速度雅可比矩陣為4×4對角陣，故機構動平臺的輸出速度與主動副的輸入速度之間存在一一對應的控制關係，即動平臺的一個輸出運動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，解決了一般並聯機構的運動學解耦性差、工作空間小、控制難度大的問題。
【專利說明】 二維移動二維轉動無耦合併聯機構
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人空間機構【技術領域】，尤其是一種二維移動二維轉動無耦合併聯機構。
【背景技術】
[0002]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，並聯機構在並聯工具機、工業機器人、醫療機器人、微操作機器人等領域具有廣闊的應用前景。早期的並聯機器人機構研究大多集中於六自由度並聯機構，Steward機構是典型的例子。近些年來少自由度並聯機器人機構成了該領域研究的熱點，尤其是三自由度並聯機構，如Delta機構、Star機構、Angile Eye機構等。在四自由度並聯機構中，三維運動一維轉動和三維轉動一維移動兩種類型得到較多關注，我國機構學者已設計出諸多新型此類機構，並申請了相關專利，如申請號為:201210094275，200920032890.9，201010507587，200910096797，201010225502.6的中國專利。而對於二維移動和二維轉動並聯機構，得到的研究和關注則相對較少。
[0003]對於一般的並聯機構，其運動學耦合性都較強，導致運動學解有多組和工作空間減小。對於同時具有移動和轉動運動輸出特性的並聯機構，兩種輸出運動間也存在耦合關係，使得機構軌跡規劃和控制設計困難。因此如何設計運動學解耦性好、控制簡單的並聯機構已成為並聯機構學領域研究的熱點之一。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種二維移動二維轉動並聯機構，以解決一般並聯機構的運動學解耦性差、控制設計困難的問題。
[0005]為了解決上述問題，本發明的二維移動二維轉動並聯機構採用以下技術方案:二維移動二維轉動無耦合併聯機構，其包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；
所述第一分支運動鏈包括一個空間閉迴路結構和第十二轉動副，所述空間閉迴路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成；
第一子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第一移動副、第二移動副及第三轉動副，所述第一移動副的軸線、第二移動的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直；第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第三轉動副之間分別通過第二連杆、第三連杆連接;
第二子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第四圓柱副、第五轉動副、第六轉動副及第七轉動副，所述第四圓柱副的軸線、第五轉動副的軸線及第六轉動副的軸線相互平行且均與所述第七轉動副的軸線垂直，所述第四圓柱副與第五轉動副之間、第五轉動副與第六轉動副之間、第六轉動副與第七轉動副之間分別通過第四連杆、第五連杆、第六連杆連接；第三子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第八轉動副、第九萬向鉸、第十轉動副及第十一萬向鉸，所述第九萬向鉸和第十一萬向鉸分別具有各自的第一轉動副和第二轉動副，第九萬向鉸的第一轉動副與第十一萬向鉸的第一轉動副軸線相互平行，所述第十轉動副、第九萬向鉸的第二轉動副和第十一萬向鉸的第二轉動副的軸線相互平行，第八轉動副與第九萬向鉸之間、第九萬向鉸與第十轉動副之間、第十轉動副與第十一萬向鉸之間分別通過第七連杆、第八連杆、第九連杆連接，其中第九萬向鉸的第一轉動副與第七連杆連接、第二轉動副與第八連杆連接，第十一萬向鉸的第一轉動副與第九連杆連接、第二轉動副與第十連杆連接；
所述第一子分支運動鏈的第三轉動副、第二子分支運動鏈的第七轉動副和第三子分支運動鏈的第十一萬向鉸均通過第十連杆與第十二轉動副連接，所述第三轉動副與第七轉動副的軸線共線且與第十二轉動副的軸線垂直，所述第十二轉動副與所述動平臺相連且其軸線平行於所述動平臺的平面；
所述第二分支運動鏈包括第十三移動副、第十四轉動副、第十五轉動副和第十六球鉸，所述第十三移動副的軸線、第十四轉動副的軸線及第十五轉動副的軸線相互平行，所述第十六球鉸與所述動平臺相連，所述第十三移動副和第十四轉動副之間、第十四轉動副和第十五轉動副之間、第十五轉動副和第十六球鉸之間分別通過第十一連杆、第十二連杆及第十三連杆連接；
所述第一移動副的軸線、第四圓柱副的軸線互相垂直並且分別和第八轉動副的軸線相互垂直，所述第八轉動副的軸線與第十三移動副的軸線相互平行，所述第一移動副、第四圓柱副、第八轉動副與第十三移動副為主動副。
[0006]本發明的並聯機構動平臺可實現二維移動二維轉動輸出運動；機構的速度雅可比矩陣為4X4對角陣，故所述機構動平臺的輸出速度與主動副的輸入速度之間存在一一對應的控制關係，即動平臺的一個輸出運動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，解決了一般並聯機構的運動學解耦性差、工作空間小、控制難度大的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是二維移動二維轉動並聯機構的實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]二維移動二維轉動並聯機構的實施例，如圖1所示，該機構包括定平臺1、動平臺14以及連接定平臺1和動平臺14的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈。動平臺14採用臺面板，第一分支運 動鏈為混合鏈、第二分支運動鏈為單開鏈。
[0009]第一分支運動鏈包括一個空間閉迴路結構和第十二轉動副R12，所述閉迴路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成，第一子分支運動鏈包括從定平臺1至空間閉迴路結構輸出構件第十連杆10依次串聯的第一移動副P1、第二移動副P2及第三轉動副R3，各運動副之間依次由第二連杆2、第三連杆3連接，所述第一移動副P1、第二移動副P2及第三轉動副R3的軸線兩兩相互垂直，其中第一移動副Pl為主動副；
空間閉迴路結構的第二子分支運動鏈包括從定平臺I至閉迴路結構輸出構件10依次串聯是第四圓柱副C4、第五轉動副R5、第六轉動副R6及第七轉動副R7，各運動副之間依次由第四連杆4、第五連杆5、第六連杆6連接，第四圓柱副C4、第五轉動副R5及第六轉動副R6的軸線相互平行且均與第七轉動副R7的轉動軸線垂直，其中第四圓柱副C4為主動副，並以其移動自由度為主動輸入；
空間閉迴路結構的第三子分支運動鏈包括從定平臺I至閉迴路結構輸出構件10依次串聯的第八轉動副R8、第九萬向鉸U9、第十轉動副RlO及第十一萬向鉸U11，本實施例中，第九萬向鉸U9以及第十一萬向鉸Ull均採用虎克鉸，以上各運動副之間依次分別由第七連杆7、第八連杆8、第九連杆9連接，第八轉動副R8軸線與第九萬向鉸U9的第一轉動副U9-1的軸線垂直，第九萬向鉸U9的第一轉動副U9-1的軸線與第十一萬向鉸Ull的第一轉動副Ull-1的軸線平行，第九萬向鉸U9的第二轉動副U9-1I的軸線、第十轉動副RlO的軸線及第十一萬向鉸Ull的第二轉動副Ull-1I的軸線平行，其中第八轉動副R8為主動副；
第一子分支運動鏈的第三轉動副R3、第二子分支運動鏈的第七轉動副R7、第三子分支運動鏈的第十一萬向鉸Ull均通過第十連杆10與第十二轉動副R12連接；第三轉動副R3與第七轉動副R7的軸線共線且與第十二轉動副R12的軸線垂直；第十二轉動副R12與動平臺14相連；
第二分支運動鏈包括從定平臺I至動平臺14依次串聯的第十三移動副P13、第十四轉動副R14、第十五轉動副R15和第十六球鉸S16，各運動副之間依次由第十一連杆11、第十二連杆12及第十三連杆13連接，第十三移動副P13、第十四轉動副R14和第十五轉動副R15的軸線相互平行，其中第九萬向鉸U9的第一轉動副U9-1與第七連杆7連接、第二轉動副U9-1I與第八連杆8連接，第十一萬向鉸Ull的第一轉動副Ull-1與第九連杆9連接、第二轉動副Ull-1I與第十連杆10連接；第十四移動副P14為主動副；
第一移動副PU第四圓柱副C4及`第八轉動副R8的軸線兩兩相互垂直，第十三移動副P13與第八轉動副R8的軸線相互平行。
[0010]所述第十二轉動副R12的軸線平行於動平臺的平面；
本發明的一種二維移動二維轉動並聯機構在工作過程中，當驅動主動副第一移動副、第四圓柱副、第八轉動副和第十三移動副時，所述動平臺可實現空間二維移動二維轉動輸出。機構速度雅可比矩陣為4X4單位陣，故所述機構動平臺的輸出速度與主動關節的輸入速度之間存在一對一映射關係，動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器輸入控制，即機構運動學不存在耦合性，這解決了一般並聯機構運動學解耦性差、控制困難等問題。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。
【權利要求】
1.二維移動二維轉動無耦合併聯機構，其包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，其特徵在於，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈； 所述第一分支運動鏈包括一個空間閉迴路結構和第十二轉動副，所述空間閉迴路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成； 第一子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第一移動副、第二移動副及第三轉動副，所述第一移動副的軸線、第二移動的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直；第一移動副與第二移動副之間、第二移動副與第三轉動副之間分別通過第二連杆、第三連杆連接; 第二子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第四圓柱副、第五轉動副、第六轉動副及第七轉動副，所述第四圓柱副的軸線、第五轉動副的軸線及第六轉動副的軸線相互平行且均與所述第七轉動副的軸線垂直，所述第四圓柱副與第五轉動副之間、第五轉動副與第六轉動副之間、第六轉動副與第七轉動副之間分別通過第四連杆、第五連杆、第六連杆連接； 第三子分支運動鏈包括自定平臺至動平臺依次連接的第八轉動副、第九萬向鉸、第十轉動副及第十一萬向鉸，所述第九萬向鉸和第十一萬向鉸分別具有各自的第一轉動副和第二轉動副，第九萬向鉸的第一轉動副與第十一萬向鉸的第一轉動副軸線相互平行，所述第十轉動副、第九萬向鉸的第二轉動副和第十一萬向鉸的第二轉動副的軸線相互平行，第八轉動副與第九萬向鉸之間、第九萬向鉸與第十轉動副之間、第十轉動副與第十一萬向鉸之間分別通過第七連杆、第八連杆、第九連杆連接，其中第九萬向鉸的第一轉動副與第七連杆連接、第二轉動副與第八連杆連接，第十一萬向鉸的第一轉動副與第九連杆連接、第二轉動副與第十連杆連接； 所述第一子分支運動鏈的第三轉動副、第二子分支運動鏈的第七轉動副和第三子分支運動鏈的第十一萬向鉸均通過第十連杆與第十二轉動副連接，所述第三轉動副與第七轉動副的軸線共線且與第十二轉動副的軸線垂直，所述第十二轉動副與所述動平臺相連且其軸線平行於所述動平臺的平面； 所述第二分支運動鏈包括第十三移動副、 第十四轉動副、第十五轉動副和第十六球鉸，所述第十三移動副的軸線、第十四轉動副的軸線及第十五轉動副的軸線相互平行，所述第十六球鉸與所述動平臺相連，所述第十三移動副和第十四轉動副之間、第十四轉動副和第十五轉動副之間、第十五轉動副和第十六球鉸之間分別通過第十一連杆、第十二連杆及第十三連杆連接； 所述第一移動副的軸線、第四圓柱副的軸線互相垂直並且分別和第八轉動副的軸線相互垂直，所述第八轉動副的軸線與第十三移動副的軸線相互平行，所述第一移動副、第四圓柱副、第八轉動副與第十三移動副為主動副。
【文檔編號】B25J9/00GK103624769SQ201310366408
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】張彥斌, 王文勝, 張耀強, 王佔磊, 魏豪傑 申請人:河南科技大學