一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构的制作方法
【专利摘要】一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，涉及机器人机构学、医疗器械、定位装置等领域。该并联机构由运动平台、固定平台和联接上述两个平台的三条运动支链组成，每条运动支链由固定平台到运动平台均由驱动电机和减速机装置、绳轮、驱动绳、绳驱动转动关节、绳驱动直线关节和球铰链组成。相对于目前已有的六自由度并联机构，本发明的机构其驱动装置为绳驱动的转动关节和绳驱动的直线关节，由于采用绳驱动方式，一方面可以将所有的牵引电机置于固定平台大大降低机构本身负载，从而提高机构的传动性能；另一方面通过绳驱动可以有效减少机构运动的颤振，这对拓展并联机构在医疗器械、定位装置等领域内的应用具有重要的现实意义。
【专利说明】 一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人机构学、医疗器械、定位装置等领域，尤其是一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构。
【背景技术】
[0002]并联机构是一组由两个或两个以上的分支机构并联而成的机构。它的特点是所有分支机构可同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，在机构学上属于多路闭环机械系统。以并联机构作为传动进给机构的数控机床、机器人操作机以及由此组成的制造单元统称为并联构型装备，是近年来发展起来的一种有着广阔应用前景的新型制造装备。并联机器人机构广泛应用于大型模拟设备、机器人、数控机床、传感器、微操作器、雕刻机和测量机等【技术领域】。Stewart平台是一种典型的并联机器人机构，该机构具有6个自由度，首次用于并联机器人和数控机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命，在这以后发明了多种6自由度并联机构。
[0003]目前已有的6自由度并联机构的驱动方式主要有两种形式:一是由电动机驱动方式，即由电机-丝杆-螺母等部件组合在一起形成直线滑移运动，并通过滑移运动驱动运动平台到达预期的位置和姿态；另一种方式是采用流体传动方式，即利用液压缸或者气缸的伸缩来驱动运动平台进行运动。就目前的应用实践来看，这两种驱动方式各有利弊。利用电机驱动具有响应速度快，传动效率高，运动精度高，易于控制等优点，但是也存在成本高、环境适应性差、刚性差、负载能力不高等不足；而对于液压缸驱动方式而言，具有承载能力大、环境适应性强、运动平稳等优点，但也存在着维护成本高、易泄露、运动精度差等缺点。
[0004]在工程应用中，有些特定的场合例如医疗手术辅助器械、危险品搬运等等，往往需要一些兼顾上述两种驱动方式优点的一种驱动方式，而目前尚没有相关的专利。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提出一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，通过利用绳驱动直线关节，使得机构具有响应速度快、传动效率高、环境适应性强、运动平稳等优点。
[0006]本发明的技术方案:
一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，由固定平台、运动平台和联接上述两平台的三条结构形式完全相同的运动支链组成；其中每条运动支链由固定平台到运动平台均由驱动电机和减速机装置、绳轮、驱动绳、绳驱动转动关节、绳驱动直线关节和球铰链组成；
所述的驱动电机和减速机装置有两套，分别安装在与固定平台固联的电机座上，并分别用于驱动绳驱动转动关节和绳驱动直线关节；运动支链中的绳驱动直线关节的上端通过球铰链与运动平台相连，绳驱动直线关节的下端通过绳驱动转动关节与固定平台相连。
[0007]所述的绳驱动直线关节包括套装在一起并可伸缩的空心外套和伸缩内杆，伸缩内杆的下端经过空心外套底部的介轮与第一驱动绳连接，第二驱动绳由空心外套上端的介轮折返向下并与伸缩内杆的下端连接，两根驱动绳的另一端均与驱动电机和减速机装置输出轴上的绳轮固定并反向缠绕。
[0008]所述的绳驱动转动关节包括与绳驱动直线关节下端固定的转动轮，该转动轮通过铰轴安装在固定平台上，转动轮与驱动电机和减速机装置输出轴上的绳轮之间通过两根反向缠绕的驱动绳驱动。
[0009]当同时驱动所有三条运动支链的六个电机进行正转或者反转时，运动支链会产生伸长或者缩短以及正转或者反转运功，从而带动运动平台达到不同的位置，实现不同的姿
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[0010]而且，所述的绳驱动转动关节当电机和减速机带动绳轮转时会拽动第三驱动绳并同时松放第四驱动绳，从而实现绳驱动转动关节的转动；相类似，当电机和减速机带动绳轮反向旋转时会拽动第四驱动绳并同时松放第三驱动绳，从而实现绳驱动转动关节的反向转动。
[0011]而且，所述的绳驱动直线关节当电机和减速机带动绳轮旋转时会拽动第一驱动绳并同时松放第二驱动绳时，从而实现绳驱动直线关节的伸长；相类似，当电机和减速机带动绳轮反向旋转时会拽动第二驱动绳并同时松放第一驱动绳，从而实现绳驱动直线关节的缩短。
[0012]本发明的优点和有益效果:
1、利用绳驱动关节实现了三支链并联机构具有六自由度运动输出，这对于克服通常的六支链六自由度并联机构的不足提出了有效的解决方案。
[0013]2、机构的所有驱动电机完全放置于固定平台之上，大大减少了机构整体的运动惯性，从而可以实现机构的高速运动、提高机构的运动灵活性。
[0014]3、由于采用绳驱动方式，使得机构的驱动电机和机构本身之间具有较大的布局空间，非常适用于对电气装置非常不利的环境，如水下环境的操作等。
[0015]4、由于采用了绳驱动关节，使得机构的各支链在运动过程中大大减少了震颤的出现，因此在手术辅助器械、危险品搬运等领域具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构结构示意图。
[0017]图2是本发明的一条运动支链中的绳驱动直线关节的工作原理图。
[0018]图3是本发明的绳驱动直线关节的局部放大示意图。
[0019]图4是本发明的绳驱动转动关节的工作原理图。
[0020]图中，I运动平台，2球铰链，3绳驱动直线关节，4电机座，5电机及减速器装置I，6绳轮1，7绳轮2，8电机及减速器装置2，9绳驱动转动关节，10固定平台，11第一驱动绳，12第二驱动绳，13绳驱动转动关节中的铰轴，14绳驱动直线关节外套，15绳驱动直线关节伸缩内杆，16介轮，17绳驱动转动关节中的转动轮，18第三驱动绳，19第四驱动绳。
[0021]以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
[0022]一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，该机构由固定平台、运动平台和联接上述两平台的三条结构形式完全相同的运动支链组成；其中每条运动支链由固定平台到运动平台均由驱动电机和减速机装置、绳轮、驱动绳、绳驱动转动关节、绳驱动直线关节和球铰链组成；
所述的驱动电机和减速机装置有两套5、8，分别安装在与固定平台10固联的电机座4上，并分别用于驱动绳驱动转动关节9和绳驱动直线关节3 ;运动支链中的绳驱动直线关节的上端通过球铰链2与运动平台I相连，绳驱动直线关节的下端通过绳驱动转动关节与固定平台10相连。
[0023]所述的绳驱动直线关节包括套装在一起并可伸缩的空心外套14和内部的伸缩内杆15 (参见图3)，伸缩内杆的下端经过空心外套底部的介轮与第一驱动绳11连接，第二驱动绳12由空心外套上端的介轮16折返向下并与伸缩内杆的下端连接，两根驱动绳11、12的另一端均与驱动电机和减速机装置5输出轴上的绳轮6固定并反向缠绕。
[0024]所述的绳驱动转动关节9包括与绳驱动直线关节下端固定的转动轮17 (参见图4)，该转动轮通过铰轴13安装在固定平台10上，转动轮与驱动电机和减速机装置8输出轴上的绳轮7之间通过两根反向缠绕的驱动绳18、19驱动。
[0025]当同时驱动所有三条支链的六个电机进行正转或者反转时，支链会产生伸长或者缩短以及正转或者反转运功，从而带动运动平台达到不同的位置，实现不同的姿态。
[0026]而且，所述的绳驱动转动关节当电机和减速机带动绳轮旋转时会拽动第三驱动绳并同时松放第四驱动绳时，从而实现绳驱动转动关节的转动；相类似，当电机和减速机带动绳轮反向旋转时会拽动第四驱动绳并同时松放第三驱动绳，从而实现绳驱动转动关节的反向转动。
[0027]而且，所述的绳驱动直线关节当电机和减速机带动绳轮旋转时会拽动第一驱动绳并同时松放第二驱动绳时，从而实现绳驱动直线关节的伸长；相类似，当电机和减速机带动绳轮反向旋转时会拽动第二驱动绳并同时松放第一驱动绳，从而实现绳驱动直线关节的缩短。
[0028]尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
【权利要求】
1.一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，其特征在于该机构由固定平台、运动平台和联接上述两平台的三条结构形式完全相同的运动支链组成；其中每条运动支链由固定平台到运动平台均由驱动电机和减速机装置、绳轮、驱动绳、绳驱动转动关节、绳驱动直线关节和球铰链组成； 所述的驱动电机和减速机装置有两套，分别安装在与固定平台固联的电机座上，并分别用于驱动绳驱动转动关节和绳驱动直线关节；运动支链中的绳驱动直线关节的上端通过球铰链与运动平台相连，绳驱动直线关节的下端通过绳驱动转动关节与固定平台相连。
2.根据权利要求1所述的含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，其特征在于:所述的绳驱动直线关节包括套装在一起并可伸缩的空心外套和伸缩内杆，伸缩内杆的下端经过空心外套底部的介轮与第一驱动绳连接，第二驱动绳由空心外套上端的介轮折返向下并与伸缩内杆的下端连接，两根驱动绳的另一端均与驱动电机和减速机装置输出轴上的绳轮固定并反向缠绕。
3.根据权利要求1所述的含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构，其特征在于:所述的绳驱动转动关节包括与绳驱动直线关节下端固定的转动轮，该转动轮通过铰轴安装在固定平台上，转动轮与驱动电机和减速机装置输出轴上的绳轮之间通过两根反向缠绕的驱动绳驱动。
【文档编号】B25J19/00GK104476566SQ201410700723
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李彬, 李杨民, 赵新华, 葛为民, 杨玉维 申请人:天津理工大学