专利名称：齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术，具体地讲是一种齿轮齿条副非过约束四自由度并 联机器人机构。
背景技术：
并联机器人由动平台、定平台以及连接二者的两个或者两个以上的运动支 链构成。各条运动支链由若干运动副连接杆件形成。
具有3平动、1转动的4自由度机器人可以实现任意复杂的空间抓取、摆放 作业。在流水线上广为应用的SCARA机器人即是具有该运动特性的串联机器人。 但是，业界一直希望开发出可以实现同样运动且具有更高承载能力、工作空间 对称、结构和控制稳定的并联机器人机构。然而，全对称的该类型4自由度并 联机器人机构综合问题一直是公开的机构学难题之一。
目前，中国知识产权局公布的与4自由度并联机构相关的发明专利申请23 件，实用新型申请7件。典型的机构包括刘辛军等(中国专利申请号 00105935. 1)。该机构由RPS和UPS两种结构的运动支链组成。其不相同结构
的运动支链导致了运动平台的工作空间不对称；黄真等(中国专利申请号
00101494. 3)得出了由三个TRT分支和一个SPS分支构成的3平动、1转动4 自由机构。方跃法(中国专利申请号02158043.X)得出了一系列过约束4自 由度并联机器人机构，四条运动支链的结构相同，每条运动支链由转动副、万 向节和圆柱副组成。张宪民等(中国专利申请号200510101133.9)也得出了
一种3移动、l转动的并联机构。此外，金琼等也提出了一些可实现3移动、1 转动的并联机构。但是，以上机构全部属于过约束机构。其约束特点是为了 保证机构具有4条可以独立安装驱动器的运动支链和4个独立运动自由度，必
须使本来需要2条支链的机构再增加2条一样的支链，这样一来，对动平台的
约束作用同时由一对支链提供。如果支链的制造和安装存在误差，那么这种过 约束机构存在的条件就被破坏，机构的特性就发生变化。
非过约束机构的特点在于机构受到的约束数目正好是自由度特性的要求。
在机构设计中，不需要让约束线性相关。Pierrot和Company在1999年提出四 自由度H4并联机构。在整个设计过程中，关于机构的运动副数目和支链数目 等设计根据则是完全按照传统的Grilbler-Kutzbach自由度公式进行。而且利 用这一公式，还提出了机构保持4个自由度的一些必要条件以及几个变种设计。 属于第一个满足传统自由度计算方法的非过约束4自由度并联机构。此外， Rolland提出两种用于物料搬运的四自由度并联机构Kanuk和Manta。 Sebastien krut在H4的设计基础上，提出了 14机构。以上几种构型都属于 非过约束机构。它们的特点是支链中都具有Delta机构所特有的平行四边形闭 环结构。闭环结构的存在给机构装配造成不方便。申请中国专利的用于产生舍 恩夫利斯运动的四自由度平行操纵装置(中国专利申请号200380105362.7) 属于非过约束机构。该机构利用二级组合，应用平行阵列来产生四自由度运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构。 本发明以两级运动拓扑为设计手段，机构支链中所有的运动副都是转动副，末 端利用齿轮齿条副实现移动向转动的转化，克服了4自由度机构过约束的设计
难题，实现了非过约束四自由度运动。 本发明的技术方案是
本发明由固定平台、动平台、齿轮、齿条副二级平台和运动支链组成；固 定平台与动平台分别设于机构顶部和底部，齿轮固定套装于动平台中轴上，齿 轮靠支架连接齿条副二级平台；运动支链连接齿条副二级平台和固定平台。
各运动支链都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动 器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成 组别。
运动支链连接齿条副二级平台的转动副在同一平面内，其中有转动副轴线 不平行；运动支链连接固定平台的转动副轴线在同一平面内，其中有转动副轴 线不平行。
本发明机器人机构由独立驱动器驱动，能实现空间三个移动及由齿条副二 级平台相对移动转化成的转动，共四个自由度运动，具有结构对称、装配容易、 设计制造成本低、工作空间大等优点，可应用于并联机器人、并联机床、装配 生产线等工业领域。
图1是齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构示意图。 图2是组成机构的转动副结构示意图。
具体实施例方式
本发明机器人机构由固定平台(1)、动平台(2)、齿轮(3)、齿条副二级 平台(4)和(5)、四条运动支链(I 、 II、 m及iv)组成，固定平台(1)与 动平台(2)分别设于机构顶部和底部，齿轮(3)固定套装于动平台(2)中 轴上，齿轮(3)靠支架(26)连接齿条副二级平台(4)和(5);运动支链(I 、 n、 ni及w)连接齿条副二级平台(4)、 (5)及固定平台(1)。所有支链都是 一类具有对称结构的四杆机构，每条运动支链全部由转动副组成。
运动支链(I )和运动支链(III)连接齿条副二级平台(4)与固定平台(1):
运动支链(I )由五个转动副(6、 7、 8、 9、 10)组成，其中转动副轴线 (6)和(7)组成一组平行线，转动副轴线(8)、 (9)和(10)组成另外一组 平行线。
运动支链(III)由五个转动副(16、 17、 18、 19、 20)组成，其中转动副 轴线(16)和(17)组成一组平行线，转动副轴线(18)、 (19)和(20)组成
另外一组平行线。
运动支链(II )和运动支链(IV)连接齿条副二级平台(5)与固定平台(1):
运动支链(n)由五个转动副(11、 12、 13、 14、 15)组成，其中转动副 轴线(11)和(12)组成一组平行线，转动副轴线(13)、 (14)和(15)组成
另外一组平行线。
运动支链(W)由五个转动副(21、 22、 23、 24、 25)组成，其中转动副 轴线(21)和(22)组成一组平行线，转动副轴线(23)、 (24)和(25)组成
另外一组平行线。
运动支链(I、 II、 III及IV)连接两个齿条副二级平台(4)和(5)的四 个转动副轴线(6、 16、 11及21)在同一平面内，其中转动副轴线(6)和(16) 不平行，转动副轴线(11)和(21)不平行。
运动支链(i 、 n、 ni及iv)连接固定平台(i)的四个转动副轴线(io、
20、 25及15)在同一平面内，其中转动副轴线(10)和(20)不平行，转动
副轴线(15)和(25)不平行。
当机构运动时，动平台(2)受到两个独立的约束，属于非过约束机构。运 动由安装在转动副(10)、 (20)、 (25)及(15)上的四个独立驱动器进行驱动， 使得机构动平台(2)按照控制的运动进行，能实现空间三个移动自由度，以 及由齿条副二级平台(4)和(5)相对移动转化成的转动，共四个自由度。
权利要求
1.一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构，其特征在于它由固定平台(1)、动平台(2)、齿轮(3)、齿条副二级平台(4)和(5)、四条运动支链(I、II、III及IV)组成；固定平台(1)与动平台(2)分别设于机构顶部和底部，齿轮(3)固定套装于动平台(2)中轴上，齿轮(3)靠支架(26)连接齿条副二级平台(4)和(5)；运动支链(I、II、III及IV)连接齿条副二级平台(4)和(5)和固定平台(1)；各运动支链(I、II、III及IV)都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别；运动支链(I、II、III及IV)连接齿条副二级平台(4)和(5)的转动副在同一平面内，其中有转动副轴线不平行；运动支链(I、II、III及IV)连接固定平台(1)的转动副轴线在同一平面内，其中有转动副轴线不平行。
2. 根据权利要求1所述的齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构， 其特征在于运动支链(I )由五个转动副(6、 7、 8、 9、 10)组成，其中转动副轴线 (6)和(7)组成一组平行线，转动副轴线(8)、 (9)和(10)组成另外一组 平行线；运动支链(III)由五个转动副(16、 17、 18、 19、 20)组成，其中转动副 轴线(16)和(17)组成一组平行线，转动副轴线(18)、 (19)和(20)组成另外一组平行线； 运动支链(II)由五个转动副(11、 12、 13、 14、 15)组成，其中转动副 轴线(11)和(12)组成一组平行线，转动副轴线(13)、 (14)和(15)组成另外一组平行线；运动支链(IV)由五个转动副(21、 22、 23、 24、 25)组成，其中转动副 轴线(21)和(22)组成一组平行线，转动副轴线(23)、 (24)和(25)组成另外一组平行线。
3.根据权利要求1所述的齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构， 其特征在于运动支链(I 、 II、 III及IV)连接两个齿条副二级平台(4)和(5)的四 个转动副轴线(6、 16、 11及21)在同一平面内，其中转动副轴线(6)和(16) 不平行，转动副轴线(11)和(21)不平行；运动支链(I 、 II、 III及IV)连接固定平台(1)的四个转动副轴线(10、 20、 25及15)在同一平面内，其中转动副轴线(10)和(20)不平行，转动 副轴线(15)和(25)不平行。
全文摘要
一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构。由固定平台、动平台、齿轮、齿条副二级平台和运动支链组成；固定平台与动平台分别设于机构顶部和底部，齿轮固定套装于动平台中轴上，齿轮靠支架连接齿条副二级平台；运动支链连接齿条副二级平台和固定平台。各运动支链都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别。本发明机器人机构由独立驱动器驱动，能实现空间三个移动及由齿条副二级平台相对移动转化成的转动，共四个自由度运动，具有结构对称、装配容易、设计制造成本低、工作空间大等优点，可应用于并联机器人、并联机床、装配生产线等工业领域。
文档编号B25J9/00GK101100066SQ200710119598
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月26日 优先权日2007年7月26日
发明者房海蓉, 方跃法, 盛 郭 申请人:北京交通大学