专利名称：转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明属于工业机器人技术，特别是一种由转动副驱动的二自由度平移运动并联 机器人机构。背景技术：
在自动化、轻工、食品和医疗等行业中，通常需要机器人完成诸如插装、封装和包 装等操作，其运动所需要的自由度数不多，这些操作的特点是准确重复定位高，运动 速度高、动作为往复运动且在运动过程中不改变姿态。现在完成这些任务多采用串联机 构构成的机械手，这类机械手为开环结构， 一个运动臂串接一个运动臂，各运动臂运动 惯量比较大，比刚度低，因此需要将运动臂做得很大来保证其刚度。这样会对驱动电机 的功率以及力矩特性提出了更高的要求，受电机特性的影响，其运行速度很难进一步提 高，限制了生产效率的提高。为了进一步提高这类机械手的性能， 一些基于并联机构的 高速机械手结构也相继被提出。目前，基于并联机构的高速机械手结构主要有两种结构。 一是专利申请CN1355087A提出的结构包含机架、运动平台和两支链，机架上安装两伺服电机，动平 台通过两支链与机架相连，形成封闭结构，两支链各包含两个平行四边形机构，分别作 为驱动杆组和从动杆组。但是，CN1355087A提出的结构通过支链中的两平行四边形机 构来保证动平台的平面内平移运动，存在垂直于运动平面的方向静态和动态刚度不高的 缺点，这样在高速运动时容易引起振动。另一份专利申请CN1589191A提出的结构是一种用于抓放式机器人的连杆机构， 该结构包括一个基座和一个动平台，基座上安装有两个可转动的驱动装置，每个驱动装 置分别通过连杆机构与动平台相连接，每个连杆机构由主动杆和从动杆组成，主动杆的 一端与驱动装置固接，并随驱动装置旋转，从动杆的一端与动平台铰接，主动杆与从动 杆的另一端通过转动副相连接在一起。为了保证动平台在运动过程中的位姿不变，在连 杆机构的基础上外接了一个定位结构，定位结构包括位于主动杆与从动杆铰接处的曲柄、铰接于基座和曲柄之间的连杆、铰接于曲柄和动平台之间的连杆。由于CN1589191A提出的结构要求主动杆与第一定位杆等长，从动杆与第二定位杆等长，其定位方式也是靠平行四边形机构来保证，所以也存在垂直于运动平面的方向静态和动态刚度不高的缺点，不利于机构的高速运动。
发明内容本发明的目的在于提供一种具有运动速度高、在运动平面内和垂直于运动平面的方 向刚度都高的转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构。实现本发明目的的技术解决方案为 一种转动副驱动的二自由度高速平移运动并联 机器人机构，基座与作两自由度平移运动的运动平台通过两运动支链连接，形成封闭结 构；每条运动支链由主动杆、中间构件及从动杆件组串接组成，该主动杆通过转动副分 别与基座和中间构件相连，该中间构件与基座之间还设置定位机构。本发明与现有技术相比，其显著优点现有技术方案定位机构或从动杆组中的杆件 或构件都是布置在相互平行的方向，抵抗垂直运动平面的方向的动态载荷不强，制约了 二自由度高速平移运动并联机器人机构加速度的进一步提高，而本发明的由转动副驱动 的二自由度平移运动并联机器人机构构件不全是在相互平行或重合的平面内运动，而是 通过虎克铰形成空间约束，改善了构件的受力状况，保证了机构在高速运行时的动态和 静态刚度。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 四
图1为本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构的实施例1的主 视图。图2为图1的侧视图。 图3为图1的三维视图。图4为图1机构安装在一个横向运动组件上的三维视图。图5为本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构的实施例2的三 维视图。图6为本发明实施例2的主视图。五具体实施方式
结合图1至图3，本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构，基 座1保持不动，运动平台7可作两自由度平移运动。基座l与运动平台7通过两运动支 链连接，形成封闭结构；每条运动支链由主动杆8、中间构件4及从动杆件组串接组成， 该主动杆8通过转动副9分别与基座1和中间构件4相连。为保证动平台只能平移运动， 该中间构件4与基座1之间还设置定位机构。其中，从动杆件组分为第一、第二、第三从动杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b，每组分别由虎克铰、连杆和虎克铰串接组成；该第一、第二、第三从动 杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b布置在中间构件4与运动平台7 之间，三个连杆61、 62、 63长度相等，布置方式如下第一、第二、第三从动杆件组 51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b安装在运动平台7两侧，其中第三从动杆 件组53a、 63、 53b在一侧，第一、第二从动杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b在另 一侧，在同一侧的第一、第二从动杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b的两个连杆61、 62相互平行，且与另一侧的第三从动杆件组53a、 63、 53b的连杆63不平行；第一、第 二、第三从动杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b与中间构件4相连 的虎克铰51a、 52a、 53a的转动副轴线与运动平台7相连的虎克铰51b、 52b、 53b的转 动副轴线相互平行，与三个连杆6K 62、 63相连的虎克铰51a、 51b; 52a、 52b; 53a、 53b的转动副轴线相互平行。三从动杆件组51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b约束运动平台的7姿 态与中间构件4的姿态一致，而定位机构又约束中间构件4使得中间构件4的姿态与基 座l的姿态一致，以保证运动平台7只能作平移运动而姿态不发生变化；通过驱动两个 主动杆8与基座1相连的转动副9，带动主动杆8绕转动副9的轴线进行旋转运动，使 得中间构件4也跟着一起运动，中间构件4的位置相对基座1就发生变化，但是姿态保 持不变，并通过机构本身的几何约束，使得动平台7的位置也跟着变化，实现二自由度 的平移运动。如图4所示，本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构还可以将基座1不固定，将基座1安装在与动平台7运动垂直的导轨10上，使得基座l可以沿 导轨10方向运动，通过丝杠11螺母副的传动使得基座1可以在导轨方向上运动，这样 运动平台就可以在三维空间内作平移运动。实施例l。结合图1至图3，本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器 人机构，定位机构由三条被动支链组成，每条被动支链由虎克铰、连杆和虎克铰串接组 成；该第一、第二、第三条被动支链21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b布 置在中间构件4与基座1之间，三个连杆31、 32、 33长度相等，布置方式如下第一、 第二、第三条被动支链21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b安装在中间构件4 两侧，其中第三条被动支链23a、 33、 23b在一侧，第一、第二条被动支链21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b在另一侧，在同一侧的第一、第二条被动支链21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b的两个连杆31、 32相互平行，且与另一侧的第三条被动支链23a、 33、 23b的连杆 33不平行；第一、第二、第三条被动支链21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b 与中间构件4相连的虎克铰21b、 22b、 23b篮转动副轴线与基座1相连的虎克铰21a、 22a、 23a的转动副轴线相互平行，与三个连杆31、 32、 33相连的虎克铰21a、 21b; 22a、 22b; 23a、 23b的转动副轴线相互平行。实施例2。结合图5和图6，本发明转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器 人机构的定位机构也可以通过定位连杆13和转动副9与主动杆8构成平行四边形机构 来约束中间构件4的姿态与基座1的姿态一致。
权利要求
1、一种转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构，其特征在于基座[1]与作两自由度平移运动的运动平台[7]通过两运动支链连接，形成封闭结构；每条运动支链由主动杆[8]、中间构件[4]及从动杆件组串接组成，该主动杆[8]通过转动副[9]分别与基座[1]和中间构件[4]相连，该中间构件[4]与基座[1]之间还设置定位机构。
2、 根据权利要求1所述的转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机 构，其特征在于从动杆件组分为第一、第二、第三从动杆件组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b]，每组分别由虎克铰、连杆和虎克铰串接组成；该 第一、第二、第、三从动杆件组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b]布置 在中间构件[4]与运动平台[7]之间，三个连杆[61、 62、 63]长度相等，布置方式如 下第一、第二、第三从动杆件组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b] 安装在运动平台[7]两侧，其中第三从动杆件组[53a、 63、 53b]在一侧，第一、第二 从动杆件组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b]在另一侧，在同一侧的第一、第二从动 杆件组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b]的两个连杆[61、 62]相互平行，且与另一侧 的第三从动杆件组[53a、 63、 53b]的连杆[63]不平行；第一、第二、第三从动杆件 组[51a、 61、 51b; 52a、 62、 52b; 53a、 63、 53b]与中间构件[4]相连的虎克铰[51a、 52a、 53a]的转动副轴线与运动平台[7]相连的虎克铰[51b、 52b、 53b]的转动副轴线 相互平行，与三个连杆[61、 62、 63]相连的虎克铰[51a、 51b; 52a、 52b; 53a、 53b〗 的转动副轴线相互平行。
3、 根据权利要求1所述的转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构，其特征在于定位机构由三条被动支链组成，每条被动支链由虎克铰、连杆和虎克铰串接组成；该第一、第二、第三条被动支链[21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b]布置在中间构件[4]与基座[l]之间，三个连杆[31、 32、 33]长度相等， 布置方式如下第一、第二、第三条被动支链[21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b]安装在中间构件[4]两侧，其中第三条被动支链[23a、 33、 23b]在一侧，第一、第二条被动支链[21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b]在另一侧，在同一侧的第一、 第二条被动支链[21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b]的两个连杆[31、 32]相互平行，且 与另一侧的第三条被动支链[23a、 33、 23b]的连杆[33]不平行；第一、第二、第三 条被动支链[21a、 31、 21b; 22a、 32、 22b; 23a、 33、 23b]与中间构件[4]相连的虎 克铰[21b、 22b、 23bl的转动副轴线与基座[l]相连的虎克铰i;21a、 22a、 23a〗的转动 副轴线相互平行，与三个连杆[31、 32、 33]相连的虎克铰[21a、 21b; 22a、 22b; 23a、 23b]的转动副轴线相互平行。
4、根据权利要求1所述的转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机 构，其特征在于定位机构通过定位连杆[13]和转动副[9]与主动杆[8]构成平行四 边形机构来约束中间构件[4]的姿态与基座[1]的姿态一致。
全文摘要
本发明公开了一种转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构。该并联机器人机构的基座与作两自由度平移运动的运动平台通过两运动支链连接，形成封闭结构；每条运动支链由主动杆、中间构件及从动杆件组串接组成，该主动杆通过转动副分别与基座和中间构件相连，该中间构件与基座之间还设置定位机构。本发明由转动副驱动的二自由度平移运动并联机器人机构构件不全是在相互平行或重合的平面内运动，而是通过虎克铰形成空间约束，改善了构件的受力状况，保证了机构在高速运行时的动态和静态刚度。
文档编号B25J9/16GK101224577SQ20081001894
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者宇 孙, 彭斌彬, 凯 武, 王栓虎 申请人:南京理工大学