專利名稱：齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)，具體地講是一種齒輪齒條副非過約束四自由度并 聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)器人由動平臺、定平臺以及連接二者的兩個或者兩個以上的運(yùn)動支 鏈構(gòu)成。各條運(yùn)動支鏈由若干運(yùn)動副連接桿件形成。
具有3平動、1轉(zhuǎn)動的4自由度機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的空間抓取、擺放 作業(yè)。在流水線上廣為應(yīng)用的SCARA機(jī)器人即是具有該運(yùn)動特性的串聯(lián)機(jī)器人。 但是，業(yè)界一直希望開發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)同樣運(yùn)動且具有更高承載能力、工作空間 對稱、結(jié)構(gòu)和控制穩(wěn)定的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。然而，全對稱的該類型4自由度并 聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)綜合問題一直是公開的機(jī)構(gòu)學(xué)難題之一。
目前，中國知識產(chǎn)權(quán)局公布的與4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相關(guān)的發(fā)明專利申請23 件，實(shí)用新型申請7件。典型的機(jī)構(gòu)包括劉辛軍等(中國專利申請?zhí)?00105935. 1)。該機(jī)構(gòu)由RPS和UPS兩種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動支鏈組成。其不相同結(jié)構(gòu)
的運(yùn)動支鏈導(dǎo)致了運(yùn)動平臺的工作空間不對稱；黃真等(中國專利申請?zhí)?br> 00101494. 3)得出了由三個TRT分支和一個SPS分支構(gòu)成的3平動、1轉(zhuǎn)動4 自由機(jī)構(gòu)。方躍法(中國專利申請?zhí)?2158043.X)得出了一系列過約束4自 由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，四條運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)相同，每條運(yùn)動支鏈由轉(zhuǎn)動副、萬 向節(jié)和圓柱副組成。張憲民等(中國專利申請?zhí)?00510101133.9)也得出了
一種3移動、l轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此外，金瓊等也提出了一些可實(shí)現(xiàn)3移動、1 轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。但是，以上機(jī)構(gòu)全部屬于過約束機(jī)構(gòu)。其約束特點(diǎn)是為了 保證機(jī)構(gòu)具有4條可以獨(dú)立安裝驅(qū)動器的運(yùn)動支鏈和4個獨(dú)立運(yùn)動自由度，必
須使本來需要2條支鏈的機(jī)構(gòu)再增加2條一樣的支鏈，這樣一來，對動平臺的
約束作用同時(shí)由一對支鏈提供。如果支鏈的制造和安裝存在誤差，那么這種過 約束機(jī)構(gòu)存在的條件就被破壞，機(jī)構(gòu)的特性就發(fā)生變化。
非過約束機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)受到的約束數(shù)目正好是自由度特性的要求。
在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不需要讓約束線性相關(guān)。Pierrot和Company在1999年提出四 自由度H4并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在整個設(shè)計(jì)過程中，關(guān)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副數(shù)目和支鏈數(shù)目 等設(shè)計(jì)根據(jù)則是完全按照傳統(tǒng)的Grilbler-Kutzbach自由度公式進(jìn)行。而且利 用這一公式，還提出了機(jī)構(gòu)保持4個自由度的一些必要條件以及幾個變種設(shè)計(jì)。 屬于第一個滿足傳統(tǒng)自由度計(jì)算方法的非過約束4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此外， Rolland提出兩種用于物料搬運(yùn)的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)Kanuk和Manta。 Sebastien krut在H4的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了 14機(jī)構(gòu)。以上幾種構(gòu)型都屬于 非過約束機(jī)構(gòu)。它們的特點(diǎn)是支鏈中都具有Delta機(jī)構(gòu)所特有的平行四邊形閉 環(huán)結(jié)構(gòu)。閉環(huán)結(jié)構(gòu)的存在給機(jī)構(gòu)裝配造成不方便。申請中國專利的用于產(chǎn)生舍 恩夫利斯運(yùn)動的四自由度平行操縱裝置(中國專利申請?zhí)?00380105362.7) 屬于非過約束機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用二級組合，應(yīng)用平行陣列來產(chǎn)生四自由度運(yùn)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明以兩級運(yùn)動拓?fù)錇樵O(shè)計(jì)手段，機(jī)構(gòu)支鏈中所有的運(yùn)動副都是轉(zhuǎn)動副，末 端利用齒輪齒條副實(shí)現(xiàn)移動向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)化，克服了4自由度機(jī)構(gòu)過約束的設(shè)計(jì)
難題，實(shí)現(xiàn)了非過約束四自由度運(yùn)動。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明由固定平臺、動平臺、齒輪、齒條副二級平臺和運(yùn)動支鏈組成；固 定平臺與動平臺分別設(shè)于機(jī)構(gòu)頂部和底部，齒輪固定套裝于動平臺中軸上，齒 輪靠支架連接齒條副二級平臺；運(yùn)動支鏈連接齒條副二級平臺和固定平臺。
各運(yùn)動支鏈都是具有對稱結(jié)構(gòu)的四桿機(jī)構(gòu)，全部由轉(zhuǎn)動副組成，獨(dú)立驅(qū)動 器安裝在運(yùn)動支鏈頂部的轉(zhuǎn)動副上；轉(zhuǎn)動副以其軸線構(gòu)成的不同平行線組形成 組別。
運(yùn)動支鏈連接齒條副二級平臺的轉(zhuǎn)動副在同一平面內(nèi)，其中有轉(zhuǎn)動副軸線 不平行；運(yùn)動支鏈連接固定平臺的轉(zhuǎn)動副軸線在同一平面內(nèi)，其中有轉(zhuǎn)動副軸 線不平行。
本發(fā)明機(jī)器人機(jī)構(gòu)由獨(dú)立驅(qū)動器驅(qū)動，能實(shí)現(xiàn)空間三個移動及由齒條副二 級平臺相對移動轉(zhuǎn)化成的轉(zhuǎn)動，共四個自由度運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)對稱、裝配容易、 設(shè)計(jì)制造成本低、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、裝配 生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域。


圖1是齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖。 圖2是組成機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明機(jī)器人機(jī)構(gòu)由固定平臺(1)、動平臺(2)、齒輪(3)、齒條副二級 平臺(4)和(5)、四條運(yùn)動支鏈(I 、 II、 m及iv)組成，固定平臺(1)與 動平臺(2)分別設(shè)于機(jī)構(gòu)頂部和底部，齒輪(3)固定套裝于動平臺(2)中 軸上，齒輪(3)靠支架(26)連接齒條副二級平臺(4)和(5);運(yùn)動支鏈(I 、 n、 ni及w)連接齒條副二級平臺(4)、 (5)及固定平臺(1)。所有支鏈都是 一類具有對稱結(jié)構(gòu)的四桿機(jī)構(gòu)，每條運(yùn)動支鏈全部由轉(zhuǎn)動副組成。
運(yùn)動支鏈(I )和運(yùn)動支鏈(III)連接齒條副二級平臺(4)與固定平臺(1):
運(yùn)動支鏈(I )由五個轉(zhuǎn)動副(6、 7、 8、 9、 10)組成，其中轉(zhuǎn)動副軸線 (6)和(7)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(8)、 (9)和(10)組成另外一組 平行線。
運(yùn)動支鏈(III)由五個轉(zhuǎn)動副(16、 17、 18、 19、 20)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(16)和(17)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(18)、 (19)和(20)組成
另外一組平行線。
運(yùn)動支鏈(II )和運(yùn)動支鏈(IV)連接齒條副二級平臺(5)與固定平臺(1):
運(yùn)動支鏈(n)由五個轉(zhuǎn)動副(11、 12、 13、 14、 15)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(11)和(12)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(13)、 (14)和(15)組成
另外一組平行線。
運(yùn)動支鏈(W)由五個轉(zhuǎn)動副(21、 22、 23、 24、 25)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(21)和(22)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(23)、 (24)和(25)組成
另外一組平行線。
運(yùn)動支鏈(I、 II、 III及IV)連接兩個齒條副二級平臺(4)和(5)的四 個轉(zhuǎn)動副軸線(6、 16、 11及21)在同一平面內(nèi)，其中轉(zhuǎn)動副軸線(6)和(16) 不平行，轉(zhuǎn)動副軸線(11)和(21)不平行。
運(yùn)動支鏈(i 、 n、 ni及iv)連接固定平臺(i)的四個轉(zhuǎn)動副軸線(io、
20、 25及15)在同一平面內(nèi)，其中轉(zhuǎn)動副軸線(10)和(20)不平行，轉(zhuǎn)動
副軸線(15)和(25)不平行。
當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)，動平臺(2)受到兩個獨(dú)立的約束，屬于非過約束機(jī)構(gòu)。運(yùn) 動由安裝在轉(zhuǎn)動副(10)、 (20)、 (25)及(15)上的四個獨(dú)立驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動， 使得機(jī)構(gòu)動平臺(2)按照控制的運(yùn)動進(jìn)行，能實(shí)現(xiàn)空間三個移動自由度，以 及由齒條副二級平臺(4)和(5)相對移動轉(zhuǎn)化成的轉(zhuǎn)動，共四個自由度。
權(quán)利要求
1.一種齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于它由固定平臺(1)、動平臺(2)、齒輪(3)、齒條副二級平臺(4)和(5)、四條運(yùn)動支鏈(I、II、III及IV)組成；固定平臺(1)與動平臺(2)分別設(shè)于機(jī)構(gòu)頂部和底部，齒輪(3)固定套裝于動平臺(2)中軸上，齒輪(3)靠支架(26)連接齒條副二級平臺(4)和(5)；運(yùn)動支鏈(I、II、III及IV)連接齒條副二級平臺(4)和(5)和固定平臺(1)；各運(yùn)動支鏈(I、II、III及IV)都是具有對稱結(jié)構(gòu)的四桿機(jī)構(gòu)，全部由轉(zhuǎn)動副組成，獨(dú)立驅(qū)動器安裝在運(yùn)動支鏈頂部的轉(zhuǎn)動副上；轉(zhuǎn)動副以其軸線構(gòu)成的不同平行線組形成組別；運(yùn)動支鏈(I、II、III及IV)連接齒條副二級平臺(4)和(5)的轉(zhuǎn)動副在同一平面內(nèi)，其中有轉(zhuǎn)動副軸線不平行；運(yùn)動支鏈(I、II、III及IV)連接固定平臺(1)的轉(zhuǎn)動副軸線在同一平面內(nèi)，其中有轉(zhuǎn)動副軸線不平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)， 其特征在于運(yùn)動支鏈(I )由五個轉(zhuǎn)動副(6、 7、 8、 9、 10)組成，其中轉(zhuǎn)動副軸線 (6)和(7)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(8)、 (9)和(10)組成另外一組 平行線；運(yùn)動支鏈(III)由五個轉(zhuǎn)動副(16、 17、 18、 19、 20)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(16)和(17)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(18)、 (19)和(20)組成另外一組平行線； 運(yùn)動支鏈(II)由五個轉(zhuǎn)動副(11、 12、 13、 14、 15)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(11)和(12)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(13)、 (14)和(15)組成另外一組平行線；運(yùn)動支鏈(IV)由五個轉(zhuǎn)動副(21、 22、 23、 24、 25)組成，其中轉(zhuǎn)動副 軸線(21)和(22)組成一組平行線，轉(zhuǎn)動副軸線(23)、 (24)和(25)組成另外一組平行線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)， 其特征在于運(yùn)動支鏈(I 、 II、 III及IV)連接兩個齒條副二級平臺(4)和(5)的四 個轉(zhuǎn)動副軸線(6、 16、 11及21)在同一平面內(nèi)，其中轉(zhuǎn)動副軸線(6)和(16) 不平行，轉(zhuǎn)動副軸線(11)和(21)不平行；運(yùn)動支鏈(I 、 II、 III及IV)連接固定平臺(1)的四個轉(zhuǎn)動副軸線(10、 20、 25及15)在同一平面內(nèi)，其中轉(zhuǎn)動副軸線(10)和(20)不平行，轉(zhuǎn)動 副軸線(15)和(25)不平行。
全文摘要
一種齒輪齒條副非過約束四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。由固定平臺、動平臺、齒輪、齒條副二級平臺和運(yùn)動支鏈組成；固定平臺與動平臺分別設(shè)于機(jī)構(gòu)頂部和底部，齒輪固定套裝于動平臺中軸上，齒輪靠支架連接齒條副二級平臺；運(yùn)動支鏈連接齒條副二級平臺和固定平臺。各運(yùn)動支鏈都是具有對稱結(jié)構(gòu)的四桿機(jī)構(gòu)，全部由轉(zhuǎn)動副組成，獨(dú)立驅(qū)動器安裝在運(yùn)動支鏈頂部的轉(zhuǎn)動副上；轉(zhuǎn)動副以其軸線構(gòu)成的不同平行線組形成組別。本發(fā)明機(jī)器人機(jī)構(gòu)由獨(dú)立驅(qū)動器驅(qū)動，能實(shí)現(xiàn)空間三個移動及由齒條副二級平臺相對移動轉(zhuǎn)化成的轉(zhuǎn)動，共四個自由度運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)對稱、裝配容易、設(shè)計(jì)制造成本低、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、裝配生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域。
文檔編號B25J9/00GK101100066SQ200710119598
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月26日
發(fā)明者房海蓉, 方躍法, 盛 郭 申請人:北京交通大學(xué)