专利名称：具有被动约束分支四自由度并联机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人和机械制造领域。
背景技术：
为便于说明，用n(n＝1、2、3、4、6)表示分支数，用字母S、T、P、R分别表示分支运动链中的球铰、万向铰、移动副、转动副，它们的组合表示分支运动链结构。驱动分支为含驱动装置的运动分支，被动约束分支为不含驱动装置的运动分支。
并联机器人具有机构刚度大，承载能力强，末端质量轻，惯性小，位置误差不累积等特点，在应用上与串联机器人呈互补关系。近年来，少自由度(自由度少于6)并联机器人机构已成为机器人和制造领域研究的热点，现有的三自由度并联机器人机构种类相对较多，诸如Hunt提出的3-RPS机构，Pierrot提出的Delta机构，Tsai提出的3-TPT机构，获美国专利(USANo.5656905)，Gosselin提出的3-RRR机构和3-PRR机构，黄真等提出的新型三自由度并联移动机构，获中国专利(CN 1311083A)。四自由度并联机器人机构种类相对很少，2000年汪劲松等提出一种四自由度并联机器人机构和一种两移两转四轴并联机床结构，分别获中国专利(CN 1267586A)和(CN 1267582A)，2001年黄真提出3-TRT/SPS四自由度并联机构，获中国专利(CN 1306899A)，2003年黄田提出四自由度混联机器人获中国专利(CN 1439492A)。四自由度并联机构种类少并非说明它们不重要，恰恰相反，工业上对此类机构有着更广泛应用的需求。与广泛应用的Stewart六自由度6-SPS并联机构相比，少自由度并联机构相对具有结构简单、容易控制等优点。但少自由度并联机构驱动分支有转动副，容易产生弯矩和剪力，对驱动装置和机构正常运动十分不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直线驱动分支仅受轴向力的运动精度高的具有被动约束分支四自由度并联机器人机构。该发明具有机构相对简单，结构对称，工作空间相对较大，驱动分支不受弯矩和剪力等特点，可实现在三维空间沿被动约束分支轴向一个移动和三个转动。该发明中的每个SPS驱动分支有一个绕其轴线自转的局部自由度，但它不影响机构的运动性质，用很小的柔性约束力即可阻止SPS驱动分支自转，因此忽略SPS驱动分支的局部自由度后，本发明仍为四自由度。
这种具有被动约束分支四自由度并联机器人机构，由基座1、上平台4及连接基座1和上平台4的四个直线驱动分支和一个被动约束分支组成，其特征在于四个直线驱动分支运动链结构相同，呈对称分布，运动约束分支位于中心；直线驱动分支两端有球副2，中间有一个驱动移动副3，构成SPS串联结构分支，驱动移动副3轴线与球铰2中心重合，驱动移动副3由液压或机电驱动装置组成；运动约束分支结构分为两种第一种被动约束分支由一个移动副和一个球铰构成PS串联结构分支，移动副由套5和球铰输入杆6组成，套5轴线与上平台4垂直，套5上端与四边形上平台4中心固连；球铰输出杆7与四边形基座1中心固连；第二种被动约束分支由一个转动副，一个移动副和一个万向铰构成RPT串联结构分支，转动副由转动副输入杆8，转轴9和转动副输出杆10组成，转动副输入杆8与上平台4中心固连，转轴9的轴线与上平台4平面平行，转动副输出杆10与移动副套合二为一，移动副键轴与万向铰输入杆11合二为一，转动副转轴9与万向铰水平轴12空间垂直，万向铰垂直轴13与基座1中心垂直转动联接。
这两种新型四自由度并联机构的基座1和上平台4可以分别是矩形或正方形，但不能同时为正方形，以免机构奇异；四个直线驱动分支分布在矩形的四角顶点，被动约束分支位于矩形的中心；驱动移动副3是由液压或电动机与滚珠丝杠螺旋副组成的直线移动驱动装置构成。
图1具有被动约束分支PS四自由度并联机构； 图2具有被动约束分支RPT四自由度并联机构。
在图1、图2中，1.基座，2.球铰，3.驱动移动副，4.上平台，5.移动副套，6.移动副轴和球铰输入杆，7.球铰输出杆，8.转动副输入杆，9.转动副转轴，10.转动副输出杆和移动副键套，11.移动副键轴和万向铰输入杆，12.万向铰水平轴，13.万向铰输出杆。
实施例1 附图1是本发明公开的一个实施例，这种具有被动约束分支PS四自由度并联机构，包括基座1、上平台4、及连接基座1和上平台4的四个直线驱动分支和一个被动约束分支组成，基座1和上平台4分别是正方形和矩形。四个直线驱动分支的运动链结构相同，分布在基座1和上平台4的四角顶点处，直线驱动分支两端有球铰2，中间有一个驱动移动副3，驱动移动副3轴线与球铰2中心重合。被动约束分支位于矩形中心，它有一个移动副和一个球铰构成PS串联结构分支，移动副由移动副套5和球铰输入杆6组成，移动副套5与上平台4中心垂直固连，球铰输出杆7与基座1中心固连。驱动移动副3由液压直线移动驱动装置或电动机与螺旋副构成的直线移动驱动装置构成。
实施例2 附图2是本发明公开的另一个实施例，这种具有被动约束分支RPT四自由度并联机构，包括基座1、上平台4、及连接基座1和上平台4的四个直线驱动分支和一个被动约束分支组成，基座1和上平台4分别是矩形和正方形。四个直线驱动分支的运动链结构相同，分布在基座1和上平台4的四角顶点处，直线驱动分支两端有球铰2，中间有一个驱动移动副3，驱动移动副3轴线与球铰2中心重合。被动约束分支位于矩形中心，它由一个转动副、一个移动副和一个万向铰构成RPT串联结构分支，转动副输入杆8与上平台4中心固连，转动副转轴9与上平台4平面平行，转动副输出杆与移动副套10合二为一，移动副键轴11与万向铰输入杆合二为一，转动副轴9与万向铰水平轴12空间垂直，万向铰垂直轴13与基座1中心垂直转动联接。驱动移动副3由液压直线移动驱动装置或电动机与螺旋副构成的直线移动驱动装置构成。
这两种新型的含运动约束分支四自由度并联机构除具有并联机构刚度大、承载高，工作空间大，结构对称等特点外，由于只采用球副和移动副，因此还具有驱动分支不受弯矩和剪力，机构相对简单紧凑，易于制造和安装，运动精度等特点。被动约束分支含两种不同具体结构，每种结构的被动约束分支都使上平台4的运动失去两个自由度。第一种并联机构可实现在三维空间沿被动约束分支轴向的一个移动，绕被动约束分支轴线的一个转动，绕与该轴线垂直轴的两个转动。第二种并联机构可实现在三维空间沿被动约束分支轴向的一个移动，绕转动副转轴9的一个转动，绕万向铰水平轴12和垂直轴13的两个转动。用这两种新型四自由度并联机构可设计出各种用途的空间并联机器人、并联机床、微动机器人以及传感器元件等。
权利要求
1.一种具有被动约束分支四自由度并联机构，包括基座(1)、上平台(4)、及连接基座(1)和上平台(4)的四个直线驱动分支和一个被动约束分支组成，其特征在于基座(1)和上平台(4)分别是矩形或正方形，但不能同时为正方形；四个直线驱动分支的运动链结构相同，分布在基座(1)和上平台(4)的四角顶点处，直线驱动分支两端有球铰(2)，中间有一个驱动移动副(3)，驱动移动副(3)轴线与球铰(2)中心重合；一个被动约束分支位于矩形中心，所说的被动约束分支有一个移动副和一个球铰构成PS串联结构分支，移动副由移动副套(5)和球铰输入杆(6)组成，移动副套(5)与上平台(4)中心垂直固连，球铰输出杆(7)与基座(2)中心固连。
2.根据权利要求1所述的具有被动约束分支四自由度并联机构，其特征在于被动约束分支由一个转动副、一个移动副和一个万向铰构成RPT串联结构分支，转动副输入杆(8)与上平台(4)中心固连，转动副转轴(9)与上平台(4)平面平行，转动副输出杆与移动副套(10)合二为一，移动副键轴(11)与万向铰输入杆合二为一，转动副轴(9)与万向铰水平轴(12)空间垂直，万向铰垂直轴(13)与基座(1)中心垂直转动联接。
3.根据权利要求1或2所述的具有被动约束分支四自由度并联机构，其特征在于驱动移动副(3)轴线与球铰(2)中心重合。
4.根据权利要求1或2所述的具有被动约束分支四自由度并联机构，其特征在于驱动移动副(3)由液压直线移动驱动装置或电动机与螺旋副构成的直线移动驱动装置构成。
全文摘要
本发明属于机器人和机械制造领域。本发明提供一类新型的具有被动约束分支四自由度并联机构，它含两种不同的被动约束分支具体结构。此类机构可以作为并联机器人实现沿被动约束分支轴向一个移动和三个不同形式的转动。除具有并联机构刚度大、承载高的特点外，还具有驱动分支只受轴向力、工作空间与机构体积比大、机构相对简单、结构对称、高精度、成本低和易制造等特点。本发明可设计出各种用途的空间并联机器人、并联机床、微动机器人以及传感器元件等。
文档编号B25J9/10GK1644312SQ200510052260
公开日2005年7月27日 申请日期2005年2月6日 优先权日2005年2月6日
发明者路懿 申请人:燕山大学