一種三平兩轉五自由度並聯機構的製作方法

2023-11-02 23:56:47 1

本發明屬於機器人技術領域，具體地說是一種基於被動純平動結構的具有三維移動和兩維轉動的五自由度並聯機構。

背景技術：

並聯機構為動平臺和靜平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上的自由度，且以並聯方式驅動的一種閉環機構。和串聯機器人相比，並聯機器人具有以下優點：累積誤差小、精度較高；驅動裝置可置於定平臺上或接近定平臺的位置，運動部分重量輕，速度高，動態響應好；結構緊湊，剛度高，承載能力大。

少自由度並聯機構是指自由度少於6的並聯機構，可應用於許多適於並聯機構操作但不需要全部6個自由度的工作任務。與6自由度並聯機構相比，少自由度並聯機構具有驅動件少、構件少、控制簡單方便、易於製造、價格低廉等優點。因此，少自由度並聯機構也被廣泛應用在某些場合。

由於受到奇異位形的限制，並聯機構動平臺的轉動能力往往都比較小，即使是相對簡單的平面並聯機構，在理論上能達到的轉動範圍也不超過180°，實際上會更小。

目前市場上應用較為廣泛的並聯機構是Delta機構，主要應用於高速分揀作業中。但是Delta機構和現有的類Delta機構有一個共同點是只能從一個平面夾取物體之後放置到另一個平面上。這嚴重限制的Delta機構的應用場景。在實際使用中，有很多應用場景要求機器人具有兩個獨立的轉動能力，比如裝配自動化等。

在自動化生產線上，現有的並聯機構方案主要是靠在並聯機構的末端增加執行器(抓手或吸盤等)來實現抓取功能，這就要求在並聯機構的動平臺上增加輔助裝置，甚至需要增設電機，直接增加了並聯機構運動部件的重量，嚴重影響並聯機構的動態特性。

目前有兩種主要的結構方式，一種是在Delta結構的每一支鏈上安裝一個電機，在動平臺上設計了複雜的傳動機構從而實現末端執行器的三個串聯轉動自由度；另外一種是在Delta結構的中間額外設計了3條支鏈，同樣通過動平臺上複雜的傳動機構實現末端執行器的三個串聯轉動自由度。上述兩種雖然實現三個串聯轉動自由度，但是傳動結構複雜，製造成本較高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種三平兩轉五自由度並聯機構，具有指向半個球面的轉動能力，無冗餘驅動。

為了解決上述技術問題，本發明採取以下技術方案：

一種三平兩轉五自由度並聯機構，包括三自由度平動結構和被動純平動結構，三自由度平動結構上具有定平臺和位於該定位臺下方的動平臺，該動平臺被三自由度平動結構帶動三維平動運動，定平臺內固定安裝有主動虎克鉸，動平臺內固定安裝有被動虎克鉸；

被動純平動結構包括上端部平臺、中間平臺、下端部平臺、T型虎克鉸、H型虎克鉸和連杆，上端部平臺設在主動虎克鉸內與該主動虎克鉸連接，下端部平臺設在被動虎克鉸內與該被動虎克鉸連接，上端部平臺和下端部平臺上分別通過轉動副以轉動連接方式安裝T型虎克鉸，H型虎克鉸通過轉動副轉動安裝在中間平臺上且該H型虎克鉸的兩端分別裸露在中間平臺的兩側，上端部平臺和中間平臺之間及下端部平臺和中間平臺之間分別設置連杆，上端部平臺和中間平臺之間的連杆的一端與上端部平臺上的T型虎克鉸轉動連接、另一端與中間平臺上的H型虎克鉸轉動連接，下端部平臺和中間平臺之間的連接杆的一端與下端部平臺上的T型虎克鉸轉動連接、另一端與中間平臺上的H型虎克鉸轉動連接。

所述中間平臺上設有三個H型虎克鉸，上端部平臺和下端部平臺上各設置三個T型虎克鉸，上端部平臺和中間平臺之間共設三根相互平行的連杆，下端部平臺和中間平臺之間共設三根相互平行的連接。

所述中間平臺上的三個H型虎克鉸相互平行。

所述上端部平臺上的三個T型虎克鉸相互平行，下端部平臺上的三個T型虎克鉸相互平行。

所述上端部平臺、中間平臺和下端部平臺之間相互平行。

所述三自由度平動結構為直線驅動型Delta機構。

本發明通過主動虎克鉸和被動兩個虎克鉸將被動純平動結構和Delta結構首尾相連，主動虎克鉸控制動平臺的兩個轉動運動，Delta機構控制動平臺的三維平動運動，使得末端執行器具有指向半個球面的轉動能力；而且工作空間內無運動學奇異。

附圖說明

附圖1為本發明裝配後的立體結構示意圖；

附圖2為本發明被動純平動結構的立體結構示意圖；

附圖3為本發明T型虎克鉸的立體結構示意圖；

附圖4為本發明H型虎克鉸的立體結構示意圖；

附圖5為本發明主動虎克鉸的立體結構示意圖；

附圖6為本發明上端部平臺的立體結構示意圖；

附圖7為本發明中間平臺的立體結構示意力；

附圖8為本發明連杆的立體結構示意圖。

具體實施方式

為了便於本領域技術人員的理解，下面結合附圖對本發明作進一步的描述。

如附圖1-8所示，本發明揭示了一種三平兩轉五自由度並聯機構，包括三自由度平動結構1和被動純平動結構2，三自由度平動結構1上具有定平臺3和位於該定位臺3下方的動平臺4，該動平臺4被三自由度平動結構帶動三維平動運動，定平臺3內固定安裝有主動虎克鉸9，動平臺4內固定安裝有被動虎克鉸；被動純平動2結構包括上端部平臺41、中間平臺6、下端部平臺42、T型虎克鉸7、H型虎克鉸8和連杆5，上端部平臺41設在主動虎克鉸91內與該主動虎克鉸9連接，下端部平臺42設在被動虎克鉸內與該被動虎克鉸連接，上端部平臺41和下端部平臺42上分別通過轉動副以轉動連接方式安裝T型虎克鉸7，H型虎克鉸8通過轉動副轉動安裝在中間平臺6上且該H型虎克鉸8的兩端分別裸露在中間平臺6的兩側，上端部平臺41和中間平臺6之間及下端部平臺42和中間平臺6之間分別設置連杆5，上端部平臺41和中間平臺6之間的連杆5的一端與上端部平臺41上的T型虎克鉸7轉動連接、另一端與中間平臺6上的H型虎克鉸8轉動連接，下端部平臺42和中間平臺6之間的連杆5的一端與下端部平臺42上的T型虎克鉸7轉動連接、另一端與中間平臺6上的H型虎克鉸8轉動連接。H型虎克鉸8可以相對於中間平臺6轉動，T型虎克鉸7可以相對於上端部平臺41或者下端部平臺42轉動。由於上端部平臺41和下端部平臺42的結構相同，主動虎克鉸7和被動虎克鉸8的相同，因此，不再分別進行闡述。三自由度平動結構帶動動平臺進行三維平動運動，利用主動虎克鉸控制被動純平動結構的空間姿態，實現動平臺的兩個轉動，從而形成三維平動運動和兩個轉動的機構。

所述中間平臺6上設有三個H型虎克鉸8，上端部平臺41和下端部平臺42上各設置三個T型虎克鉸7，上端部平臺41和中間平臺6之間共設三根相互平行的連杆5，下端部平臺42和中間平臺6之間共設三根相互平行的連接。中間平臺6上的三個H型虎克鉸相互平行。上端部平臺41上的三個T型虎克鉸7相互平行，下端部平臺42上的三個T型虎克鉸7相互平行。上端部平臺41、中間平臺6和下端部平臺42之間相互平行。從而使得上端部平臺和下端部平臺的三個T型虎克鉸之間始終保持平行，中間平臺、上端部平臺和下端部平臺之間始終保持平行，確保上端部平臺和中間平臺之間的各個連杆、下端部平臺和中間平臺之間的各個連杆始終平行。T型虎克鉸的兩個軸線相互垂直。

此外，三自由度平動結構為直線驅動型Delta機構，該三自由度平動結構並沒有局限於某一特定結構，能夠實現三維平動結構即可，為本領域技術人員的公知常識，在此不再詳細贅述。比如三自由度平動結構，可以為任意空間平動串聯機構，如三個串聯的移動副構成的機構；任意空間平動並聯機構，如直線Delta機構、Gantry Robot機構、Cartesian Robot機構、Orthoglide機構和Tsai’s機構。

本發明中，連杆相對於H型虎克鉸和T型虎克鉸可以轉動，H型虎克鉸相對於中間平臺可以轉動，上端部平臺上的T型虎克可以相對於該上端部平臺轉動，下端部平臺上的T型虎克鉸可以相對於該下端部平臺轉動。上端部平臺可以相對於主動虎克鉸轉動，下端部平臺可以相對於被動虎克鉸轉動。從而控制動平臺的兩個轉動。

此外，如附圖5所示，主動虎克鉸設為中間開孔的環形狀，並且在外壁上對稱設置有安裝軸，被動虎克鉸的結構與主動虎克鉸的結構一致，不再重複贅述。如附圖6所示，上端部平臺設為環形狀，並且設有三個安裝孔用於安裝T型虎克鉸，同時在上端部平臺外壁上設轉軸與主動虎克鉸安裝連接。下端部平臺的結構與上端部平臺的結構一致，在此不再重複贅述。如附圖7所示，中間平臺也設為環形狀，並且可在其上設三個安裝孔用於安裝H型虎克鉸。

本發明中，被動純平動結構中的連杆可以繞T型虎克鉸和H型虎克鉸轉動，而T型虎克鉸和H型虎克鉸也可以進行自轉，三自由度平動結構帶動動平臺三維平動運動，形成三維平動運動和兩個轉動運動的五自由度並聯機構，三個平動自由度和兩個轉動自由度相互解耦，無冗餘驅動，控制簡單。本實施例中被動純平動結構具有指向半個球面的轉動能力，在整個工作空間內均無運動學奇。

需要說明的是，以上所述並非是對本發明技術方案的限定，在不脫離本發明的創造構思的前提下，任何顯而易見的替換均在本發明的保護範圍之內。