一種三平兩轉(zhuǎn)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)的具有三維移動(dòng)和兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)為動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。和串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：累積誤差小、精度較高；驅(qū)動(dòng)裝置可置于定平臺(tái)上或接近定平臺(tái)的位置，運(yùn)動(dòng)部分重量輕，速度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大。

少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指自由度少于6的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可應(yīng)用于許多適于并聯(lián)機(jī)構(gòu)操作但不需要全部6個(gè)自由度的工作任務(wù)。與6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有驅(qū)動(dòng)件少、構(gòu)件少、控制簡(jiǎn)單方便、易于制造、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)也被廣泛應(yīng)用在某些場(chǎng)合。

由于受到奇異位形的限制，并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力往往都比較小，即使是相對(duì)簡(jiǎn)單的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在理論上能達(dá)到的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍也不超過(guò)180°，實(shí)際上會(huì)更小。

目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的并聯(lián)機(jī)構(gòu)是Delta機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用于高速分揀作業(yè)中。但是Delta機(jī)構(gòu)和現(xiàn)有的類Delta機(jī)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)是只能從一個(gè)平面夾取物體之后放置到另一個(gè)平面上。這嚴(yán)重限制的Delta機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際使用中，有很多應(yīng)用場(chǎng)景要求機(jī)器人具有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，比如裝配自動(dòng)化等。

在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案主要是靠在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的末端增加執(zhí)行器(抓手或吸盤等)來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取功能，這就要求在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上增加輔助裝置，甚至需要增設(shè)電機(jī)，直接增加了并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的重量，嚴(yán)重影響并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

目前有兩種主要的結(jié)構(gòu)方式，一種是在Delta結(jié)構(gòu)的每一支鏈上安裝一個(gè)電機(jī)，在動(dòng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的三個(gè)串聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；另外一種是在Delta結(jié)構(gòu)的中間額外設(shè)計(jì)了3條支鏈，同樣通過(guò)動(dòng)平臺(tái)上復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的三個(gè)串聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。上述兩種雖然實(shí)現(xiàn)三個(gè)串聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，但是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種三平兩轉(zhuǎn)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有指向半個(gè)球面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，無(wú)冗余驅(qū)動(dòng)。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種三平兩轉(zhuǎn)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)和被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)，三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)上具有定平臺(tái)和位于該定位臺(tái)下方的動(dòng)平臺(tái)，該動(dòng)平臺(tái)被三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，定平臺(tái)內(nèi)固定安裝有主動(dòng)虎克鉸，動(dòng)平臺(tái)內(nèi)固定安裝有被動(dòng)虎克鉸；

被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)包括上端部平臺(tái)、中間平臺(tái)、下端部平臺(tái)、T型虎克鉸、H型虎克鉸和連桿，上端部平臺(tái)設(shè)在主動(dòng)虎克鉸內(nèi)與該主動(dòng)虎克鉸連接，下端部平臺(tái)設(shè)在被動(dòng)虎克鉸內(nèi)與該被動(dòng)虎克鉸連接，上端部平臺(tái)和下端部平臺(tái)上分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副以轉(zhuǎn)動(dòng)連接方式安裝T型虎克鉸，H型虎克鉸通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在中間平臺(tái)上且該H型虎克鉸的兩端分別裸露在中間平臺(tái)的兩側(cè)，上端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間及下端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間分別設(shè)置連桿，上端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間的連桿的一端與上端部平臺(tái)上的T型虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)連接、另一端與中間平臺(tái)上的H型虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，下端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間的連接桿的一端與下端部平臺(tái)上的T型虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)連接、另一端與中間平臺(tái)上的H型虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

所述中間平臺(tái)上設(shè)有三個(gè)H型虎克鉸，上端部平臺(tái)和下端部平臺(tái)上各設(shè)置三個(gè)T型虎克鉸，上端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間共設(shè)三根相互平行的連桿，下端部平臺(tái)和中間平臺(tái)之間共設(shè)三根相互平行的連接。

所述中間平臺(tái)上的三個(gè)H型虎克鉸相互平行。

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

所述上端部平臺(tái)、中間平臺(tái)和下端部平臺(tái)之間相互平行。

所述三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)為直線驅(qū)動(dòng)型Delta機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明通過(guò)主動(dòng)虎克鉸和被動(dòng)兩個(gè)虎克鉸將被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)和Delta結(jié)構(gòu)首尾相連，主動(dòng)虎克鉸控制動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，Delta機(jī)構(gòu)控制動(dòng)平臺(tái)的三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得末端執(zhí)行器具有指向半個(gè)球面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力；而且工作空間內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明裝配后的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明T型虎克鉸的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為本發(fā)明H型虎克鉸的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為本發(fā)明主動(dòng)虎克鉸的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖6為本發(fā)明上端部平臺(tái)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖7為本發(fā)明中間平臺(tái)的立體結(jié)構(gòu)示意力；

附圖8為本發(fā)明連桿的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

如附圖1-8所示，本發(fā)明揭示了一種三平兩轉(zhuǎn)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)1和被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)2，三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)1上具有定平臺(tái)3和位于該定位臺(tái)3下方的動(dòng)平臺(tái)4，該動(dòng)平臺(tái)4被三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，定平臺(tái)3內(nèi)固定安裝有主動(dòng)虎克鉸9，動(dòng)平臺(tái)4內(nèi)固定安裝有被動(dòng)虎克鉸；被動(dòng)純平動(dòng)2結(jié)構(gòu)包括上端部平臺(tái)41、中間平臺(tái)6、下端部平臺(tái)42、T型虎克鉸7、H型虎克鉸8和連桿5，上端部平臺(tái)41設(shè)在主動(dòng)虎克鉸91內(nèi)與該主動(dòng)虎克鉸9連接，下端部平臺(tái)42設(shè)在被動(dòng)虎克鉸內(nèi)與該被動(dòng)虎克鉸連接，上端部平臺(tái)41和下端部平臺(tái)42上分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副以轉(zhuǎn)動(dòng)連接方式安裝T型虎克鉸7，H型虎克鉸8通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在中間平臺(tái)6上且該H型虎克鉸8的兩端分別裸露在中間平臺(tái)6的兩側(cè)，上端部平臺(tái)41和中間平臺(tái)6之間及下端部平臺(tái)42和中間平臺(tái)6之間分別設(shè)置連桿5，上端部平臺(tái)41和中間平臺(tái)6之間的連桿5的一端與上端部平臺(tái)41上的T型虎克鉸7轉(zhuǎn)動(dòng)連接、另一端與中間平臺(tái)6上的H型虎克鉸8轉(zhuǎn)動(dòng)連接，下端部平臺(tái)42和中間平臺(tái)6之間的連桿5的一端與下端部平臺(tái)42上的T型虎克鉸7轉(zhuǎn)動(dòng)連接、另一端與中間平臺(tái)6上的H型虎克鉸8轉(zhuǎn)動(dòng)連接。H型虎克鉸8可以相對(duì)于中間平臺(tái)6轉(zhuǎn)動(dòng)，T型虎克鉸7可以相對(duì)于上端部平臺(tái)41或者下端部平臺(tái)42轉(zhuǎn)動(dòng)。由于上端部平臺(tái)41和下端部平臺(tái)42的結(jié)構(gòu)相同，主動(dòng)虎克鉸7和被動(dòng)虎克鉸8的相同，因此，不再分別進(jìn)行闡述。三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，利用主動(dòng)虎克鉸控制被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)的空間姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

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

此外，三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)為直線驅(qū)動(dòng)型Delta機(jī)構(gòu)，該三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有局限于某一特定結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維平動(dòng)結(jié)構(gòu)即可，為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，在此不再詳細(xì)贅述。比如三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以為任意空間平動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)，如三個(gè)串聯(lián)的移動(dòng)副構(gòu)成的機(jī)構(gòu)；任意空間平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如直線Delta機(jī)構(gòu)、Gantry Robot機(jī)構(gòu)、Cartesian Robot機(jī)構(gòu)、Orthoglide機(jī)構(gòu)和Tsai’s機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明中，連桿相對(duì)于H型虎克鉸和T型虎克鉸可以轉(zhuǎn)動(dòng)，H型虎克鉸相對(duì)于中間平臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，上端部平臺(tái)上的T型虎克可以相對(duì)于該上端部平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，下端部平臺(tái)上的T型虎克鉸可以相對(duì)于該下端部平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。上端部平臺(tái)可以相對(duì)于主動(dòng)虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，下端部平臺(tái)可以相對(duì)于被動(dòng)虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。從而控制動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，如附圖5所示，主動(dòng)虎克鉸設(shè)為中間開孔的環(huán)形狀，并且在外壁上對(duì)稱設(shè)置有安裝軸，被動(dòng)虎克鉸的結(jié)構(gòu)與主動(dòng)虎克鉸的結(jié)構(gòu)一致，不再重復(fù)贅述。如附圖6所示，上端部平臺(tái)設(shè)為環(huán)形狀，并且設(shè)有三個(gè)安裝孔用于安裝T型虎克鉸，同時(shí)在上端部平臺(tái)外壁上設(shè)轉(zhuǎn)軸與主動(dòng)虎克鉸安裝連接。下端部平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與上端部平臺(tái)的結(jié)構(gòu)一致，在此不再重復(fù)贅述。如附圖7所示，中間平臺(tái)也設(shè)為環(huán)形狀，并且可在其上設(shè)三個(gè)安裝孔用于安裝H型虎克鉸。

本發(fā)明中，被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)中的連桿可以繞T型虎克鉸和H型虎克鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，而T型虎克鉸和H型虎克鉸也可以進(jìn)行自轉(zhuǎn)，三自由度平動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，形成三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度相互解耦，無(wú)冗余驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單。本實(shí)施例中被動(dòng)純平動(dòng)結(jié)構(gòu)具有指向半個(gè)球面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在整個(gè)工作空間內(nèi)均無(wú)運(yùn)動(dòng)學(xué)奇。

需要說(shuō)明的是，以上所述并非是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限定，在不脫離本發(fā)明的創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，任何顯而易見的替換均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。