专利名称：转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人领域，特别是转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构。
背景技术：
现有的五自由度机构分为串联式、并联式和混联式三种类型。串联式机构具有结构简单、运动灵活、工作空间大等优点，但由于机构是串联连接且需要在关节处安装驱动电机而造成其具有机械臂重量大、转动惯量大、误差累积大等不足。相对串联机构来讲，并联式机构是由多条运动支链共同驱动动平台来实现其末端执行器的位姿输出，因而此类机构具有精度高、结构紧凑、刚度高、承载能力强等优点，同时也具有结构复杂，控制困难等缺点。混联式机构是采用并联与串联结合的方式来实现机构的运动，但由于其串联部分仍需将驱动安装在机构关节上，所以机构的运动学和动力学性能较差。US. Patent No. 4976582公开了一种可实现三维平动一维转动空间四自由度机构，该机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，可实现末端执行器的高速3维平动，同时还在动静平台间设置两端带有虎克铰链的可伸缩转轴，以实现末端执行器的单自由度转动。此机构是在三平移并联机构上串联一个单自由度机构来实现其转动输出从而实现空间四自由度运动，但发明人巧妙的将本应在动平台上安装的电机安装在机架上。受US. Patent No. 4976582启发，本实用新型为实现空间五自由度运动而首次将机构设计成三维平动并联机构上串联两维转动并联机构，且本机构的五台驱动电机全部安装在机架上，平动自由度与转动自由度可实现独立控制。本实用新型解决了五自由度并联机构运动学正、逆解困难，控制困难等问题。
发明内容本实用新型的目的在于提供转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，可解决五自由度串联机构刚性差、惯量大、关节误差累积等问题和五自由度并联机构运动学正、逆解困难，控制困难等问题。本实用新型通过以下技术方案达到上述目的转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、平动台以及球面运动链。所述第一运动支链由第一伺服电机、第一主动杆、第一连杆和第二连杆组成，安装在机架上的第一伺服电机通过第一转动副驱动第一主动杆运动，第一主动杆通过第一虎克铰(或球面副)和第二虎克铰(或球面副)带动第一连杆和第二连杆运动，第一连杆和第二连杆通过第三虎克铰(或球面副)和第四虎克铰(或球面副)带动平动台运动。所述第二运动支链由第二伺服电机、第二主动杆、第三连杆和第四连杆组成，安装在机架上的第二伺服电机通过第二转动副驱动第二主动杆运动，第二主动杆通过第五虎克铰(或球面副)和第六虎克铰(或球面副)带动第三连杆和第四连杆运动，第三连杆和第四连杆通过第七虎克铰(或球面副)和第八虎克铰(或球面副)带动平动台运动。所述第三运动支链由第三伺服电机、第三主动杆、第五连杆和第六连杆组成，安装在机架上的第三伺服电机通过第三转动副驱动第三主动杆运动，第三主动杆通过第九虎克铰(或球面副)和第十虎克铰(或球面副)带动第五连杆和第六连杆运动，第五连杆和第六连杆通过第十一虎克铰(或球面副)和第十二虎克铰(或球面副)带动平动台运动。所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链联合驱动平动台运动，所述平动台可实现空间三维平动的运动。所述第四运动支链由第四伺服电机、第七连杆和第八连杆、第一锥齿轮和第二锥齿轮组成，安装在机架上的第四伺服电机通过第十三虎克铰驱动第七连杆运动，第七连杆通过第一移动副与第八连杆连接并带动第八连杆运动，第八连杆另一端通过第十四虎克铰带动第一锥齿轮运动，第一锥齿轮通过第四转动副与平动台连接且通过与第二锥齿轮啮合带动第二锥齿轮运动，第二锥齿轮通过第五转动副与平动台连接。所述第五运动支链由第五伺服电机、第九连杆和第十连杆、第三锥齿轮和第四锥齿轮组成，安装在机架上的第五伺服电机通过第十五虎克铰驱动第九连杆运动，第九连杆通过第二移动副与第十连杆连接并带动第十连杆运动，第十连杆另一端通过第十六虎克铰带动第三锥齿轮运动，第三锥齿轮通过第六转动副与平动台连接且通过与第四锥齿轮啮合带动第四锥齿轮运动，第四锥齿轮通过第七转动副与平动台连接。所述球面运动链由第十一连杆、第十二连杆、第十三连杆和第十四连杆组成，第二锥齿轮通过第五转动副带动第十一连杆运动，第四锥齿轮通过第七转动副带动第十四连杆运动，第十一连杆和第十四连杆通过第八转动副和第十转动副带动通过第九转动副连接的第十二连杆和第十三连杆运动，第五转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副和第十转动副的轴线相交于一点，第十二连杆和第十三连杆均可实现绕上述交点的两维转动。本实用新型的突出优点在于1、驱动电机均安装在机架上，杆件做成轻杆，机构重量轻、刚性好、惯量小、动力学性能好；2、机构的平动运动和转动运动分别由不同的支链单独控制，机构运动学正、逆问题求解容易，控制方便；3、安装上不同的末端执行器，本机构可应用到装配、焊接、姿态调整和定位设备、激光、医用等领域。
图1为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的第一结构示意图。图2为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的第二结构示意图。图3为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的第三结构示意图。图4为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的工作示意图。[0022]图5为本实用新型所述转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的球面运动链示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。对照图1、图2和图3，转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，包括机架1、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、平动台39以及球面运动链。所述第一运动支链由第一伺服电机2、第一主动杆10、第一连杆19和第二连杆20组成，安装在机架I上的第一伺服电机2通过第一转动副7驱动第一主动杆10运动，第一主动杆10通过第一虎克铰(或球面副)13和第二虎克铰(或球面副)14带动第一连杆19和第二连杆20运动，第一连杆19和第二连杆20通过第三虎克铰(或球面副)25和第四虎克·铰(或球面副)26带动平动台39运动。所述第二运动支链由第二伺服电机3、第二主动杆11、第三连杆21和第四连杆22组成，安装在机架I上的第二伺服电机3通过第二转动副8驱动第二主动杆11运动，第二主动杆11通过第五虎克铰(或球面副)15和第六虎克铰(或球面副)16带动第三连杆21和第四连杆22运动，第三连杆21和第四连杆22通过第七虎克铰(或球面副)27和第八虎克铰(或球面副)28带动平动台39运动。所述第三运动支链由第三伺服电机4、第三主动杆12、第五连杆23和第六连杆24组成，安装在机架I上的第三伺服电机4通过第三转动副9驱动第三主动杆12运动，第三主动杆12通过第九虎克铰(或球面副)17和第十虎克铰(或球面副)18带动第五连杆23和第六连杆24运动,第五连杆23和第六连杆24通过第^^一虎克铰(或球面副)29和第十二虎克铰(或球面副)30带动平动台39运动。所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链联合驱动平动台39运动，所述平动台39可实现空间三维平动的运动。所述第四运动支链由第四伺服电机5、第七连杆33和第八连杆35、第一锥齿轮51和第二锥齿轮52组成，安装在机架I上的第四伺服电机5通过第十三虎克铰31驱动第七连杆33运动，第七连杆33通过第一移动副55与第八连杆35连接并带动第八连杆35运动，第八连杆35另一端通过第十四虎克铰37带动第一锥齿轮51运动，第一锥齿轮51通过第四转动副40与平动台39连接且通过与第二锥齿轮52啮合带动第二锥齿轮52运动，第二锥齿轮52通过第五转动副42与平动台39连接。所述第五运动支链由第五伺服电机6、第九连杆34和第十连杆36、第三锥齿轮53和第四锥齿轮54组成，安装在机架I上的第五伺服电机6通过第十五虎克铰32驱动第九连杆34运动，第九连杆34通过第二移动副56与第十连杆36连接并带动第十连杆36运动，第十连杆36另一端通过第十六虎克铰38带动第三锥齿轮53运动,第三锥齿轮53通过第六转动副41与平动台39连接且通过与第四锥齿轮54啮合带动第四锥齿轮54运动，第四锥齿轮54通过第七转动副50与平动台39连接。所述球面运动链由第i^一连杆43、第十二连杆45、第十三连杆47和第十四连杆49组成，第二锥齿轮52通过第五转动副42带动第十一连杆43运动，第四锥齿轮54通过第七转动副50带动第十四连杆49运动，第i^一连杆43和第十四连杆49通过第八转动副44和第十转动副48带动通过第九转动副46连接的第十二连杆45和第十三连杆47运动，第五转动副42、第七转动副50、第八转动副44、第九转动副46和第十转动副48的轴线相交于一点，第十二连杆45和第十三连杆47均可实现绕上述交点的两维转动。对照图4，转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，平动台39在第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链的驱动下做三维平动运动，而球面运动链的两维转动运动由第四运动支链和第五运动支链共同驱动，本机构的转动运动与平动运动由不同的运动支链驱动。对照图2和图5，转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构的球面运动链第五转动副42、第七转动副50、第八转动副44、第九转动副46和第十转动副48的轴线相交于一点，第十一连杆43、第十二连杆45、第十三连杆47以及第十四连杆49共同组成了一 个球面运动链。
权利要求1.转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、平动台以及球面运动链，其特征在于: 所述第一运动支链由第一伺服电机、第一主动杆、第一连杆和第二连杆组成，第一主动杆一端通过第一转动副与安装在机架上的第一伺服电机连接，第一主动杆另一端通过第一虎克铰或球面副和第二虎克铰或球面副与第一连杆和第二连杆连接，第一连杆另一端通过第三虎克铰或球面副与平动台连接，第二连杆另一端通过第四虎克铰或球面副与平动台连接， 所述第二运动支链由第二伺服电机、第二主动杆、第三连杆和第四连杆组成，第二主动杆一端通过第二转动副与安装在机架上的第二伺服电机连接，第二主动杆另一端通过第五虎克铰或球面副和第六虎克铰或球面副与第三连杆和第四连杆连接，第三连杆另一端通过第七虎克铰或球面副与平动台连接，第四连杆另一端通过第八虎克铰或球面副与平动台连接， 所述第三运动支链由第三伺服电机、第三主动杆、第五连杆和第六连杆组成，第三主动杆一端通过第三转动副与安装在机架上的第三伺服电机连接，第三主动杆另一端通过第九虎克铰或球面副和第十虎克铰或球面副与第五连杆和第六连杆连接，第五连杆另一端通过第十一虎克铰或球面副与平动台连接，第六连杆另一端通过第十二虎克铰或球面副与平动台连接， 所述第四运动支链由第四伺服电机、第七连杆和第八连杆、第一锥齿轮和第二锥齿轮组成，第七连杆一端通过第十三虎克铰与安装在机架上的第四伺服电机连接，第七连杆另一端通过第一移动副与第八连杆连接，第八连杆另一端通过第十四虎克铰与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮通过第四转动副与平动台连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮通过第五转动副与平动台连接， 所述第五运动支链由第五伺服电机、第九连杆和第十连杆、第三锥齿轮和第四锥齿轮组成，第九连杆一端通过第十五虎克铰与安装在机架上的第五伺服电机连接，第九连杆另一端通过第二移动副与第十连杆连接，第十连杆另一端通过第十六虎克铰与第三锥齿轮连接，第三锥齿轮通过第六转动副与平动台连接，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮通过第七转动副与平动台连接， 所述球面运动链由第十一连杆、第十二连杆、第十三连杆和第十四连杆组成，第十一连杆一端通过第五转动副与第二锥齿轮连接，第十一连杆另一端通过第八转动副与第十二连杆连接，第十二连杆另一端通过第九转动副与第十三连杆连接，第十三连杆另一端通过第十转动副与第十四连杆连接，第十四连杆另一端通过第七转动副与第四锥齿轮连接，第五转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副和第十转动副的轴线相交于一点。
专利摘要转动运动和平动运动单独控制的空间五自由度机构，包括机架、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链、平动台以及球面运动链。所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链共同驱动平动台做三维平动运动；所述第四运动支链和第五运动支链共同驱动球面运动链运动，球面运动链可实现绕球心的两维转动。本实用新型平动运动与转动运动由不同的支链单独控制，机构运动学正、逆解求解容易，控制方便，且驱动电机均安装在机架上，杆件可以做成轻杆，有效降低机构重量，机构刚性好、惯量小、动力学性能好。
文档编号B25J9/00GK202825822SQ20122043224
公开日2013年3月27日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者王红州 申请人:江西省机械科学研究所