多自由度平移运动的柔性并联机构的制作方法

本发明涉及一种空间多自由度平移运动的柔性并联机构，属于柔性并联机器人技术。

背景技术：

三自由度平移并联机构是少自由度并联机构的一种非常重要的构型，其运动平台能够实现空间三维的快速平移运动。由于这类机器人具有结构简单、控制方便、成本低、微动精度高等特点，所以这类机器人被广泛应用在食品、医药、电子、化工等行业的物料分拣作业过程中。

目前，分拣作业中应用最广泛的三自由度平移运动并联机构是delta型机构。delta型机构由机架、移动平台与3支连接机架和移动平台的运动支链组成。每条运动支链中均具有限制移动平台转动的平行四边形机构，使得移动平台不能旋转只能在空间中移动。由于平行四边形中的铰链副具有一定的运动限制，使得delta型机构无法获得很大的工作空间。为了获得大的工作空间，只有使用大尺寸的delta型机构。显然大尺寸的delta型机构会带来更高的制造成本以及更大的装配空间。而且，现有并联机构人机共融性较差，使用时通常需要保护罩，以防止对人体或周围环境的伤害。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多自由度平移运动的柔性并联机构，能够实现移动平台在空间坐标系中多个自由度的平移运动。

为实现上述目的，本发明提供一种多自由度平移运动的柔性并联机构，采用如下技术方案：一种多自由度平移运动的柔性并联机构，包括以下部分：

机架，具有第一导轨、第二导轨……第n导轨，n为大于等于3的正整数；第一导轨、第二导轨……第n导轨上分别滑动连接有第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器；

机架上连接有第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链；

第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链均具有平行设置的上连接件和下连接件，上连接件和下连接件之间至少连接有3根相互平行且长度相等的柔性杆；所述上连接件具有与各柔性运动支链一端连接的上连接面，所述下连接件具有与各柔性运动支链另一端连接的下连接面，所述上连接面与下连接面平行；

第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链的上连接件分别固定在第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器上，第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链的下连接件均固定设置。

优选地，所述上连接件和下连接件之间设有多个保持片，各柔性杆穿过保持片上的过孔，相邻的两块保持片之间具有一定距离。

优选地，相邻的两个保持片之间设有支撑弹簧。

在机架和移动平台之间，可以设置有更多的导轨、驱动器和柔性运动支链。移动平台的实际位移由所有柔性运动支链的最小弹性势能总和来确定。

优选地，所述第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链均具有一节或者多节圆柱形的刚性保持节，所述柔性杆从刚性保持节的通孔中穿过。

优选地，所述第一导轨、第二导轨……第n导轨的上端连接于正n边形连接板的各个顶点处；所述第一导轨、第二导轨……第n导轨的下端连接在一起；优选地，所述n等于3。

优选地，所述第一导轨、第二导轨……第n导轨的上端连接于正n边形连接板的各个顶点处；第一导轨、第二导轨……第n导轨相互平行且均沿上下方向延伸；优选地，所述n等于3。

优选地，所述第一导轨、第二导轨……第n导轨均沿水平方向延伸，优选地，所述n等于3，所述第一导轨、第二导轨、第三导轨连接成“y”形结构。

优选地，所述第一导轨(13)、第二导轨(14)……第n导轨连接形成正n边形；优选地，所述n等于3。

优选地，所述柔性杆由超弹性材料制成。

优选地，所述下连接件固定在移动平台上。

如上所述，本发明涉及的一种多自由度平移运动的柔性并联机构，具有以下有益效果：在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器分别驱动第一柔性运动支链、第二柔性运动支链……第n柔性运动支链的上端分别地沿第一导轨、第二导轨……第n导轨平移，第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器牵拉各柔性运动支链而使各柔性运动支链弯曲变形，由于各柔性运动支链中各柔性杆相互平行且长度相等，使得各柔性运动支链的上连接件和下连接件保持平行，所以与下连接件的移动平台就保持水平地平移；通过控制装置控制第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器分别沿第一导轨、第二导轨……第n导轨平移至不同的位置，就可以使得移动平台在竖直方向及任意的水平方向移动。因此，本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构能够实现在空间坐标系中平移运动，达到更好的人机共融效果。

附图说明

图1显示为本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构的第一种实施例的结构示意图；

图2显示为本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构的第二种实施例的结构示意图；

图3显示为本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构的第三种实施例的结构示意图；

图4显示为本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构的第四种实施例的结构示意图；

图5显示为柔性运动支链的结构示意图；

图6显示为保持片的结构示意图；

元件标号说明

1机架18第一导轨

2连接板19第二导轨

3第一导轨20第三导轨

4第二导轨21第一驱动器

5第三导轨22第二驱动器

6机架23第三驱动器

7连接板24移动平台

8第一导轨25第一柔性运动支链

9第二导轨26第二柔性运动支链

10第三导轨27第三柔性运动支链

11机架28上连接件

12三角框架29下连接件

13第一导轨30柔性杆

14第二导轨31保持片

15第三导轨32过孔

16机架33刚性保持节

17三角框架34通孔

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。在本说明书的描述说明中，n代表整数，大于等于3。

如图1至图4所示，本发明提供一种多自由度平移运动的柔性并联机构，包括以下部分：

机架1/6/11/16，具有第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19……第n导轨，n为大于等于3的正整数；第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19……第n导轨上分别滑动连接有第一驱动器21、第二驱动器22……第n驱动器；

移动平台24，与机架1/6/11/16之间连接有第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链；

第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链均具有平行设置的上连接件28和下连接件29，上连接件28和下连接件29之间至少连接有3根相互平行且长度相等的柔性杆30；所述上连接件28具有与各柔性运动支链一端连接的上连接面，所述下连接件29具有与各柔性运动支链另一端连接的下连接面，所述上连接面与下连接面平行；

第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链的上连接件28分别固定在第一驱动器21、第二驱动器22……第n驱动器上，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链的下连接件29均固定设置。

在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，第一驱动器21、第二驱动器22……第n驱动器分别驱动第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链的上端分别地沿第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19……第n导轨平移，第一驱动器、第二驱动器……第n驱动器牵拉各柔性运动支链而使各柔性运动支链弯曲变形，由于各柔性运动支链中各柔性杆相互平行且长度相等，所述上连接件28具有与各柔性运动支链一端连接的上连接面，所述下连接件29具有与各柔性运动支链另一端连接的下连接面，所述上连接面与下连接面平行；所以与下连接件的移动平台24就保持水平地平移；通过控制装置控制第一驱动器21、第二驱动器22……第n驱动器分别沿第一导轨25、第二导轨26……第n导轨平移至不同的位置，就可以使得移动平台24在竖直方向及任意的水平方向移动。因此，本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构能够实现在空间坐标系中平移运动。

本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，由于设置了柔性杆，人机共融性大大提高，具有更广阔的应用前景。

作为一种优选的实施方式，上连接件28和下连接件29之间设有多个保持片31，各柔性杆30穿过保持片31上的过孔32，相邻的两块保持片31之间具有一定距离。在机架和移动平台之间，可以设置有更多的导轨、驱动器和柔性运动支链。移动平台的实际位移由所有柔性运动支链的最小弹性势能总和来确定。

为了能够方便地固定所述下连接件29，如图1至图4所示，本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中还包括移动平台24，所述下连接件29固定在移动平台24上。

在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，在移动平台24与机架1/6/11/16之间连接有第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链，通过第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26……第n柔性运动支链的弯曲变形即可实现移动平台24平移，当然，也可以在移动平台24和机架1/6/11/16之间设置更多数量的柔性运动支链，每个柔性运动支链与一个驱动器连接并被驱动器驱动而弯曲变形，各柔性运动支链变形量组合使得移动平台平移。优选地，所述第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19和第三导轨5/10/15/20可以是直线导轨也可以是弧线形导轨，均能够实现移动平台24三自由度平移运动。

如图5所示为柔性运动支链的结构示意图，柔性运动支链为一种柔性连续体机构，在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，优选地，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27均采用此结构。柔性运动支链具有平行设置的上连接件28和下连接件29，上连接件28和下连接件29之间至少连接有3根相互平行且长度相等的柔性杆30及多个保持片31，如图6所示，保持片31上设置有过孔32，各柔性杆30穿过保持片31上的过孔32，相邻的两块保持片31之间具有一定距离；其中，柔性杆30由超弹性材料制成，一般可以采用镍钛合金等高强度、高韧性、具有弹性的金属材料制造柔性杆30。柔性运动支链可以弯曲变形，在柔性运动支链弯曲时，柔性运动支链的各柔性杆30保持平行弯曲的状态，因各柔性杆30相互平行且长度相等，所以，在柔性运动支链弯曲变形时，柔性杆30会弯曲，但各柔性杆30依然保持平行，上连接件28和下连接件29总是保持平行的状态，这样，各柔性运动支链可限制移动平台24相对于机架1/6/11/16旋转，从而使得移动平台24具备三个平移自由度。

在图5所示的柔性运动支链的结构中，还包括一节或者多节圆柱形的刚性保持节33，所述柔性杆30从刚性保持节33的通孔34中穿过；所述刚性保持节33的两端各有多个保持片31，刚性保持节33中的通孔34和保持片31中的过孔32都是为了能够从柔性杆30的径向支撑柔性杆30，使得各柔性杆30在弯曲变形的过程中依然保持平行的状态。刚性保持节33的长度可以根据需要而设置，也可以不设置刚性保持节33，仅在各柔性杆30上套上多个保持片31，利用保持片31来使柔性杆30在弯曲的时候依然保持平行的状态。相邻的保持片31之间应该具有一定的距离，相邻的两个保持片31之间的距离保持在3mm至20mm之间，可以在相邻的两个保持片31之间安装支撑弹簧(图中未显示)，支撑弹簧可以是套在柔性杆30上的压缩弹簧，支撑弹簧还可以是两端分别连接在相邻的两个保持片31上的压缩弹簧。支撑弹簧的两端分别顶在两个相邻的保持片31上。刚性保持节33中的通孔34和保持片31中的过孔32略大于柔性杆30的直径，柔性杆30可以在刚性保持节33中的通孔34和保持片31中的过孔32中滑动。

作为一种优选的实施方式，第一驱动器21、第二驱动器22……第n驱动器可以是采用气动驱动、液压驱动、电机驱动的直线运动机构。

本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构能够实现多个自由度的平移运动，如图1至图4所示，第一驱动器21沿第一直线导轨3/8/13/18向下移动时，第一柔性运动支链25的下端就会推动移动平台24向下移动并朝远离第一导轨3/8/13/18的方向水平移动。同理，第二驱动器22沿第二导轨4/9/14/19移动就能使得移动平台24产生竖直移动的分量及靠近或远离第二导轨4/9/14/19的水平运动分量；第三驱动器23沿第三导轨5/10/15/20移动就能使得移动平台24产生竖直移动的分量及靠近或远离第三导轨5/10/15/20的水平运动分量。由此可见，通过控制装置控制第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23分别沿第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19和第三导轨5/10/15/20平移至不同的位置，就可以使得移动平台24平移至一定空间内的任一位置。本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构能够使得移动平台24具有水平面内的两个自由度以及竖直方向的一个自由度，因此能够实现多个自由度的平移运动。

本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构可以有多种实现方式，作为一种优选的实施方式，请参考图1，所述第一导轨3、第二导轨4……第n导轨的上端连接于正n边形连接板7的各个顶点处；所述第一导轨3、第二导轨4……第n导轨的下端连接在一起。还可以如图2所示，所述第一导轨8、第二导轨9……第n导轨的上端连接于正n边形连接板7的各个顶点处；第一导轨8、第二导轨9……第n导轨相互平行且均沿上下方向延伸。还可以如图3和图4所示为导轨水平设置的情形，所述第一导轨(13)、第二导轨(14)……第n导轨均沿水平方向延伸。

以下，我们通过四个实施例对本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构进行说明，以n＝3为例进行说明。

第一种实施例：

如图1所示，机架1固定设置，机架1包括一块水平设置的连接板2，本实施例中，n＝3，连接板2呈等边三角形，第一导轨3、第二导轨4和第三导轨5的上端连接于连接板2的各个顶点处；第一导轨3、第二导轨4和第三导轨5的下端连接在一起。优选地，第一导轨3、第二导轨4和第三导轨5相互之间的夹角相同，更为优选地，第一导轨3、第二导轨4和第三导轨5相互之间的夹角为120°；第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的结构相同，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的上连接件28分别固定在第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23上，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29均固定在移动平台24的上表面上，移动平台24的下方悬空地设置，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的各下连接件29中心的连线构成三角形，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29中心的连线优选地构成等边三角形。

第二种实施例：

如图2所示的多自由度平移运动的柔性并联机构中，机架6固定设置，机架6包括一块水平设置的连接板7，本实施例中，n＝3，连接板7呈等边三角形，所述第一导轨8、第二导轨9和第三导轨10的上端连接于连接板7的各个顶点处；第一导轨8、第二导轨9和第三导轨10相互平行且均沿上下方向延伸。第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的结构相同，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的上连接件28分别固定在第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23上，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29均固定在移动平台24的上表面上，移动平台24的下方悬空地设置，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的各下连接件29中心的连线构成三角形，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29中心的连线优选地构成等边三角形。

第三种实施例：

如图3所示，机架11固定地设置，机架11具有一个水平设置的三角框架12，本实施例中，n＝3，三角框架12呈等边三角形，所述第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15连接于三角框架12内，第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15均沿水平方向延伸，第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15的外端连接于三角框架12的各个顶点处，第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15的内端连接在一起，第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15连接成“y”形结构，第一导轨13、第二导轨14和第三导轨15相互之间的夹角优选地为120°。第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的结构相同，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的上连接件28分别固定在第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23上，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29均固定在移动平台24的上表面上，移动平台24的下方悬空地设置，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的各下连接件29中心的连线构成三角形，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29中心的连线优选地构成等边三角形。

第四种实施例：

如图4所示，机架16固定地设置，第一导轨18、第二导轨19和第三导轨20的首尾依此连接而构成一个水平设置的三角框架17，本实施例中，n＝3，三角框架17呈等边三角形，所述第一导轨18、第二导轨19和第三导轨20均沿水平方向延伸，第一导轨18、第二导轨19和第三导轨20连接成三角形结构。第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的结构相同，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的上连接件28分别固定在第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23上，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29均固定移动平台24的上表面上，移动平台24的下方悬空地设置，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的各下连接件29中心的连线构成三角形，第一柔性运动支链25、第二柔性运动支链26和第三柔性运动支链27的下连接件29中心的连线构成等边三角形。

相比于图1和图2所示的立体形式的导轨结构，图3和图4所示的平面形式的导轨结构结构紧凑，更易于实现。

在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构中，第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23均与控制装置连接，控制装置可以控制第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23分别地移动至第一导轨3/8/13/18、第二导轨4/9/14/19和第三导轨5/10/15/20上的任意位置，从而使得第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23相互协调配合地带动移动平台24在三维空间内的平移至预定的位置，控制装置可以通过开环的控制方式控制第一驱动器21、第二驱动器22和第三驱动器23的运动。需要说明的是，虽然本发明提供的上述四种实施方式中均采用了三个驱动器分别连接在三个导轨上，以分别驱动三个柔性运动支链带动移动平台平移，但实际上，还可以在移动平台和机架之间设置更多的柔性运动支链，每个柔性运动支链与一个驱动器连接，每个驱动器与一个导轨连接，各驱动器相互配合运动最终实现移动平台的平移运动。

基于上述实施例的技术方案，本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构能够实现在空间坐标系中多个自由度的平移运动，通过使用柔性运动支链形成的柔性关节代替delta型机构中的铰链副，使得每条柔性运动支链的运动范围大大增加，从而提高了三自由度平移并联机构的工作空间，占据空间较小，结构简单，成本较低。在本发明的一种多自由度平移运动的柔性并联机构的移动平台上可装配一个末端执行器，应用于工业中的分拣作业，根据不同物体的抓取需求，可选用不同的末端执行器，如吸盘、电磁铁及机械爪等。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。