专利名称：四支链二维平动一维转动自由度并联机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种并联机器人，特别是涉及一种具有二维平动一维转动自由度的并联机械手。
背景技术：
专利文献US 7090458 B2和ZL 01154160. 2公开了一种可实现平面二自由度的并联机构，包括驱动装置、机架、动平台和两对支链。两个伺服电机安装在机架上，动平台通过两个支链与机架连接，形成并联闭环结构。两个支链各含有两个平行四边形机构，分别作为驱动杆组和从动杆组，各运动件之间完全采用转动铰链连接。采用平行四边形支链结构实现动平台的二维平动。上述机构的局限性在于该机构每条支链各含两组平行四边形机构，结构复杂；各运动构件均在同一平面内或平行于该平面，平面法线方向上的刚度较差。实际工程中，存在一些场合需要机构动平台在实现二维平动的基础上具有一定的调姿能力，而采用上述机构无法满足这种需求。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种四支链二维平动和一维转动自由度并联机械手。本发明具有整体刚性好和结构简单的特点，具有较高速度与加速度、较好定位精度和重复定位精度。为了解决上述技术问题，本发明四支链二维平动一维转动自由度并联机械手予以实现的技术方案是包括固定架、运动平台及对称布置在所述固定架与运动平台之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d ;所述固定架上固接有三个驱动装置；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的近架杆上的一端均分别铰接有一上连接轴；其中，运动支链a、运动支链b和运动支链d中的近架杆一端分别与三个驱动装置的输出端固连；所述运动支链a的近架杆上固定连接有第一同步带轮，所述运动支链c的近架杆上固定连接有第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮的轮径相同且转动轴线分别与所连接的近架杆的旋转轴线重合；所述第一同步带轮与第二同步带轮通过一齿形带交叉连接；第一同步带轮在一驱动装置和相应近架杆的驱动下转动，通过交叉设置的齿形带的传动作用带动第二同步带轮产生与第一同步带轮等大反向的转动；运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的远架杆的同侧一端与所述上连接轴球铰接，远架杆的另一端分别与一下连接轴球铰接；每条运动支链的下连接轴、上连接轴和两个平行且等长的远架杆形成平行四边形结构；在驱动装置的驱动下，实现运动平台在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动；所述运动平台包括四个齿轮柄，四个斜齿扇、两个斜齿轮、一个基座和一个末端执行器；所述末端执行器与所述基座转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器同轴固定，四个齿轮柄相互之间90°布置且分别通过一转轴与所述基座转动连接；每个斜齿扇分别与其中一齿轮柄上的转轴固结，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别哨合；每条支链的下连接轴分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于各支链中平行四边形结构对基座的约束作用和两对斜齿扇与旋向相反的斜齿轮间的啮合作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现末端执行器在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动及相对基座的一维转动。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明中的每条支链的平行四边形结构采用球铰接方式，消隙方便，从而该机构的定位精度高；动平台结构中采用了斜齿轮与斜齿扇的啮合结构，使其结构简单、紧凑，运动更灵活；本机构为空间对称机构，大幅提升机构的侧向刚度，运动平台对称设计，齿轮传动受力均匀，运动精度高，系统稳定性好，易实现高速抓取，可满足复杂抓放操作的要求。
图I为本发明四支链二维平动和一维转动自由度并联机械手的整体结构示意图；
图2为本发明中动平台的主体结构示意图；图3为图2中所示斜齿扇与斜齿轮的啮合示意图。图中la、lb、Id-驱动装置 2-固定架3a、3b、3c、3d_近架杆4a、4b、4c、4d_上连接轴 5a、5b_远架杆6_第一同步带轮7-第二同步带轮 8-齿形带9-运动平台10a、10b、10c、IOd-下连接轴 Ila lid-齿轮柄 12a 12d_斜齿扇13a、13b_斜齿轮 14-基座15-末端执行器
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图I所示，本发明的四支链二维平动一维转动自由度并联机械手，包括固定架2、运动平台9及对称布置在所述固定架与运动平台之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d ;所述固定架上固接有三个驱动装置la、lc、Id ;每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的近架杆3a、3b、3c、3d上的一端均分别铰接有一上连接轴4a、4b、4c、4d ;其中，运动支链a、运动支链b和运动支链d中的近架杆3a、3b、3d —端分别与三个驱动装置la、lb、Ic的输出端固连；所述运动支链a的近架杆3a上固定连接有第一同步带轮6，所述运动支链c的近架杆3c上固定连接有第二同步带轮7，第一同步带轮6和第二同步带轮7的轮径相同且转动轴线分别与所连接的近架杆的旋转轴线重合；所述第一同步带轮6与第二同步带轮7通过一齿形带8交叉连接；驱动装置Ia在驱动运动支链a的同时带动第一同步带轮6转动，交叉设置的齿形带8将第一同步带轮6的运动传至第二同步带轮7，从而使第二同步带轮7产生与第一同步带轮6等大反向的转动。从而约束动平台9仅能在运动支链a和运动支链c的对成平面内运动。运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的远架杆的同侧一端与所属运动支链的上连接轴球铰接，远架杆的另一端分别与所述运动支链的下连接轴球铰接；每条运动支链的下连接轴、上连接轴和两个平行且等长的远架杆形成平行四边形结构；即，所述下连接轴IOa 10d、所述上连接轴4a 4d和每个运动支链中的两个平行的远架杆5a 5d分别构成四组平行四边形结构；在驱动装置的驱动下，由于四个运动支链中的平行四边形结构对所述运动平台9的约束作用，实现运动平台9在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动。如图2所示,所述运动平台9包括四个齿轮柄11a、lib、11c、Ild,四个斜齿扇12a、12b、12c、12d、两个斜齿轮13a、13b、一个基座14和一个末端执行器15 ;所述末端执行器15与所述基座14转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器15同轴固定，四个齿轮柄lla、llb、llc、lld相互之间呈90°布置且分别通过一转轴与所述基座14转动连接，每个斜齿扇分别与相应齿轮柄上的转轴固结。四个齿轮柄Ila Ild上分别固定连接所述下连接轴IOa IOd ;四个斜齿扇12a 12d分别固定在四个齿轮柄Ila Ild上。如图3所示，相对布置的两对斜齿扇12a 12d与两个斜齿轮13a、13b分别啮合，SP，一对斜齿扇12a、12c与固定在末端执行器15上的一个斜齿轮13a卩齿合连接,另外一对斜齿扇12b、12d与固定在末端执行器15上的另一斜齿轮13b啮合连接，两个斜齿轮13a、13b旋向相反且同轴地固定连接在末端执行器15上，所述末端执行器15与所述基座14转动铰接。如图2所示，每条运动支链的下连接轴10a、10b、10c、IOd分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于各运动支链中平行四边形结构对基座14的约束作用和两对斜齿扇与旋向相反的斜齿轮间的啮合作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，相对布置的两个齿轮柄lla、llc通过运动支链a和运动支链c的传动作用产生相对于基座14的方向相反的转动运动，从而带动斜齿扇12a、12c产生方向相反的旋转运动，通过与斜齿轮13a的啮合传动作用带动末端执行器15产生一维转动。综上，本发明四支链二维平动一维转动自由度并联机械手可实现末端执行器15在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动及相对基座14的一维转动。本发明与现有技术相比，其不同点在于(I)设置了对称布置于固定架和动平台间的四条运动支链，运动支链a、运动支链c的近架杆的运动通过两个轮径相同的同步带轮和一交叉齿形带连接，使得驱动装置驱动运动支链a和运动支链c中的任一运动支链时，另一运动支链随之产生等大相反的运，因而运动支链b和运动支链d所在的平面为主运动平面，通过四条运动支链中的平行四边形结构的约束作用使运动平台实现二维平动运动；运动支链a和运动支链c所在的平面与运动支链b和运动支链d所在平面垂直布置，因而该本发明在垂直于动平台运动平面的方向上刚性较高。(2)四个齿轮柄Ila Ild在四个运动支链a d的驱动作用下产生相对于运动平台基座的转动，从而带动斜齿扇转动，通过斜齿扇与斜齿轮的啮合传动作用，带动末端执行器产生一维转动。本发明中运动支链a和运动支链c中的近架杆间采用同步带轮交叉齿形带传动连接方式，使得动平台被约束运动支链b和运动支链d所在的平面内，运动平台采用了斜齿扇12a 12d与斜齿轮13a、13b的啮合传动结构，本发明设计巧妙独特，结构的刚性和稳定性好，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，易实现高速运动，且满足复杂抓放操作的要求。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上 述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种四支链二维平动一维转动自由度并联机械手，包括固定架(2)、运动平台(9)及对称布置在所述固定架与运动平台之间的结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d ； 所述固定架上固接有三个驱动装置(la、lb、ld);每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的近架杆上的一端均分别固接一上连接轴；其中，运动支链a、运动支链b和运动支链d中的近架杆分别与三个驱动装置的输出端固连；运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d的远架杆 的同侧一端与所述上连接轴球铰接，远架杆的另一端分别与一下连接轴球铰接；每条运动支链的下连接轴、上连接轴和两个平行且等长的远架杆形成平行四边形结构； 其特征在于， 所述运动支链a的近架杆上固定连接有第一同步带轮￠)，所述运动支链c的近架杆上固定连接有第二同步带轮(7),第一同步带轮(6)和第二同步带轮(7)的轮径相同且转动轴线分别与所连接的近架杆的旋转轴线重合；所述第一同步带轮(6)与第二同步带轮(7)通过一齿形带(8)交叉连接；驱动装置(Ia)驱动近架杆(3a)，从而带动第一同步带轮(6)转动，通过交叉设置的齿形带(8)的传动作用带动第二同步带轮(7)产生与第一同步带轮(6)等大反向的转动；实现运动平台(9)在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动； 所述运动平台(9)包括四个齿轮柄(lla、llb、llc、lld)，四个斜齿扇(12a、12b、12c、12d)、两个斜齿轮(13a、13b)、一个基座(14)和一个末端执行器(15);所述末端执行器(15)与所述基座(14)转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器(15)同轴固定，四个齿轮柄(lla、llb、llc、lld)相互之间呈90°布置且分别通过一转轴与所述基座(14)转动连接； 每个斜齿扇分别与其中一齿轮柄上的转轴固结，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别啮合；每条支链的下连接轴分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于各支链中平行四边形结构对基座(14)的约束作用和两对斜齿扇与旋向相反的斜齿轮间的啮合作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现末端执行器(15)在运动支链b和运动支链d所在平面内的二维平动及相对基座(14)的一维转动。
全文摘要
本发明公开了一种四支链二维平动一维转动自由度并联机械手，包括固定架、运动平台及对称布置在所述固定架与运动平台之间的结构相同的四个运动支链；其中两个相对布置的近架杆上固定连接有通过一齿形带交叉连接的一对同步带轮，所述运动平台包括四个齿轮柄，四个斜齿扇、两个斜齿轮、一个基座和一个末端执行器；所述末端执行器与所述基座转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器同轴固定，四个齿轮柄相互之间呈90°且分别通过一转轴与所述基座转动连接；当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现末端执行器在一平面内的二维平动及相对基座的一维转动。
文档编号B25J9/08GK102626922SQ20121010708
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者王攀峰, 赵学满 申请人:天津大学