專利名稱：一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單動平臺并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)機器人領(lǐng)域，特別涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速運動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)機器人領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)具有選擇順應(yīng)性的裝配機器人手臂(SelectiveComplianceAssembly Robot Arm, SCARA)運動的機械手在自動搬運、噴涂、焊接以及裝配等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。SCARA運動一般是指空間的三維平動和一維轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動軸線垂直于水平面，機械手在水平面內(nèi)具有良好的順應(yīng)性，在垂直于水平面方向上具有良好的剛性。這種機器人手臂最早通過串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)。串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)是一對相對概念，與串聯(lián)機構(gòu)的單開環(huán)支鏈結(jié)構(gòu)不同，并聯(lián)機構(gòu)是由多個支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機構(gòu)，這種獨特的結(jié)構(gòu)使得該類機構(gòu)具有更高的動態(tài)響應(yīng)性能，更容易實現(xiàn)高速高加速度運動，更適用于上述工 業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)，Clavel提出了由三條對稱支鏈構(gòu)成的Delta并聯(lián)機構(gòu)，后被ABB公司推廣并應(yīng)用于食品包裝等生產(chǎn)線中代替人工完成食品等的快速分揀操作。該機構(gòu)可實現(xiàn)空間內(nèi)的三維平動，并具有高速運動特性，一度在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起強烈反響。但該機構(gòu)在分揀生產(chǎn)線應(yīng)用時需添加一旋轉(zhuǎn)自由度以解決分揀生產(chǎn)線輸送產(chǎn)品的雜亂無章排列對機械手轉(zhuǎn)動靈活性的需求。為了進一步增加拾取動作的柔性并提高效率，Pierrot等提出了具有四支鏈、雙動平臺結(jié)構(gòu)特征的可實現(xiàn)SCARA運動的H4型并聯(lián)機構(gòu)，并將其成功商業(yè)化，基于H4機構(gòu)開發(fā)的典型的產(chǎn)品如Adept Quattro S650H等。H4型并聯(lián)機構(gòu)繼承了 Delta機構(gòu)的優(yōu)點，滿足了生產(chǎn)線上對于機械手實現(xiàn)SCARA運動的應(yīng)用需求。但其轉(zhuǎn)動輸出運動是由雙平臺的相對運動產(chǎn)生的，這種雙動平臺結(jié)構(gòu)增加了此類機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，并導(dǎo)致了復(fù)雜的運動學(xué)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服H4型并聯(lián)機構(gòu)的雙平臺結(jié)構(gòu)對機械手高速高動態(tài)響應(yīng)的不利影響，提出一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單動平臺并聯(lián)機構(gòu)，該機構(gòu)具有單平臺結(jié)構(gòu)特征，且結(jié)構(gòu)簡潔、更容易實現(xiàn)高速運動，能夠?qū)崿F(xiàn)SCARA運動的機器人的應(yīng)用需求。本發(fā)明提出的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，其特征在于還包括連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三和第四支鏈，該第一、第二、第三和第四支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二、第三和第四支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)三個平動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的特點及技術(shù)效果
本發(fā)明提出一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)，可實現(xiàn)SCARA運動，并具有聞速運動特性。本發(fā)明的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)通過四個主動驅(qū)動的運動副驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)空間內(nèi)的三維平動運動和一維旋轉(zhuǎn)運動，與H4型并聯(lián)機構(gòu)不同，該機構(gòu)具有單平臺結(jié)構(gòu)特征，其結(jié)構(gòu)簡潔、運動學(xué)相對簡單。


圖I為本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)結(jié)合附圖及實施 例詳細說明如下本發(fā)明提出的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，其特征在于還包括連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三和第四支鏈，該第一、第二、第三和第四支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二、第三和第四支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)三個平動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。所述結(jié)構(gòu)相同的第一、第二、第三和第四支鏈均包括滑塊、上連桿、下連桿、支撐桿以及運動副。所述運動副有七個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和上連桿之間的球鉸S，一個是連接于滑塊和下連桿之間的球鉸S，一個是連接于支撐桿和上連桿之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于支撐桿和下連桿之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于動平臺和上連桿之間的球鉸S，一個是連接于動平臺和下連桿之間的球鉸S。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅(qū)動的。所述結(jié)構(gòu)相同的第一、第二、第三和第四支鏈也可均包括滑塊、平行四邊形機構(gòu)以及運動副；所述運動副有三個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和平行四邊形機構(gòu)之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于平行四邊形機構(gòu)和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副R ;所述平行四邊形機構(gòu)是由上連桿、下連桿、左連桿和右連桿通過轉(zhuǎn)動副首尾順次連接構(gòu)成的封閉環(huán)機構(gòu)；其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅(qū)動的，該支鏈SER(Pa)R型運動支鏈。實施例一本實施例的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括由四塊固定平板12、13、18、19所組成的定平臺、一個安裝執(zhí)行器的動平臺11以及第一支鏈I、第二支鏈II、第三支鏈III和第四支鏈IV，所述四條支鏈一端分別連接于四個固定平板(12、13、18、19)，另一端與動平臺11相連，四條支鏈分別與四塊固定平板(12、13、18、19)和動平臺11構(gòu)成空間閉環(huán)機構(gòu)。所述第一支鏈I、第二支鏈II、第三支鏈III和第四支鏈IV結(jié)構(gòu)完全相同，圖中只標(biāo)出第一支鏈I的結(jié)構(gòu)，包括滑塊14、上連桿16、下連桿17、支撐桿15以及運動副。所述運動副有七個，一個是連接于定平臺13和滑塊14之間的移動副P，一個是連接于滑塊14和上連桿16之間的球鉸S，一個是連接于滑塊14和下連桿17之間的球鉸S，一個是連接于支撐桿15和上連桿16之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于支撐桿15和下連桿17之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于動平臺11和上連桿16之間的球鉸S，一個是連接于動平臺11和下連桿17之間的球鉸S。其中，連接于固 定平板13和滑塊14之間的移動副P是主動驅(qū)動的。本實施例中，四塊固定平板(12、13、18和19)均豎直放置且在圓周上呈均勻?qū)ΨQ布置。連接于所述動平臺11與所述第一支鏈I、第二支鏈II、第三支鏈III和第四支鏈IV之間的四個轉(zhuǎn)動副相互平行且在所述動平臺11上呈非正方形布置，當(dāng)呈正方形布置時機構(gòu)發(fā)生奇異，此時機構(gòu)無效。因此，所有呈非正方形布置情形均屬于本發(fā)明保護范圍。實施例二本實施例的一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，與實施例相同，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺21、結(jié)構(gòu)完全相同的第一支鏈I、第二支鏈II、第三支鏈III和第四支鏈IV，以及由四塊固定平板所組成的定平臺。本實施例與實施例一的不同之處在于所述第一支鏈I、第二支鏈II、第三支鏈III和第四支鏈IV中均由滑塊、平行四邊形機構(gòu)以及運動副構(gòu)成，即采用了平行四邊形機構(gòu)Pa。體現(xiàn)在具體結(jié)構(gòu)上為圖中以第一支鏈I為例，滑塊22與所述平行四邊形機構(gòu)Pa通過轉(zhuǎn)動副連接，動平臺21與所述平行四邊形機構(gòu)Pa通過轉(zhuǎn)動副連接，所述平行四邊形機構(gòu)Pa是由上連桿25、下連桿24、左連桿26和右連桿23通過轉(zhuǎn)動副首尾順次連接構(gòu)成的封閉環(huán)機構(gòu)。本發(fā)明實施例一和實施例二中所示機構(gòu)的驅(qū)動方式還可通過轉(zhuǎn)動副主動驅(qū)動實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，還包括具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三和第四支鏈；該第一、第二、第三和第四支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二、第三和第四支鏈分別與定平臺和動平臺連接，形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)三個平動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。
2.如權(quán)利要求I所述機構(gòu)，其特征在于，所述運動副有七個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)或轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于滑塊和上連桿之間的球鉸(S)，一個是連接于滑塊和下連桿之間的球鉸(S)，一個是連接于支撐桿和上連桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于支撐桿和下連桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于動平臺和上連桿之間的球鉸(S)，一個是連接于動平臺和下連桿之間的球鉸(S);其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)或轉(zhuǎn)動副是主動驅(qū)動的。
3.如權(quán)利要求I所述機構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四支鏈包括滑塊、平行四邊形機構(gòu)以及運動副；所述運動副有三個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)或轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于滑塊和平行四邊形機構(gòu)之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于平行四邊形機構(gòu)和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)。所述平行四邊形機構(gòu)是由上連桿、下連桿、左連桿和右連桿通過轉(zhuǎn)動副首尾順次連接構(gòu)成的封閉環(huán)機構(gòu)。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)或轉(zhuǎn)動副是主動驅(qū)動的，該支鏈為ER(Pa)R型運動支鏈。
4.如權(quán)利要求I所述機構(gòu)，其特征在于，所述定平臺由四塊分離，均豎直放置且在圓周上呈均勻?qū)ΨQ布置的固定平板構(gòu)成，所述第一、第二、第三和第四支鏈的一端分別與一塊固定平板相連，所述動平臺與所述第一、第二、第三和第四支鏈之間的四個轉(zhuǎn)動副相互平行且在所述動平臺上呈非正方形布置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可實現(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度單平臺并聯(lián)機構(gòu)，屬于工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域。包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三和第四支鏈，該第一、第二、第三和第四支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二、第三和第四支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)空間內(nèi)的三維平動和一維轉(zhuǎn)動運動。該并聯(lián)機構(gòu)具有單平臺的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)簡潔、運動學(xué)簡單，有利于實現(xiàn)高速運動。
文檔編號B25J9/00GK102922512SQ20121043448
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者謝福貴, 劉辛軍, 王立平, 尤政 申請人:清華大學(xué)