一种三平移一转动的四自由度并联机器人机构的制作方法

本发明属于工业机器人领域，特别是涉及一种能够实现高速运动的三平移一转动的四自由度并联机器人机构。

背景技术：

三平移一转动并联机器人机构因具有串联机器人机构所不具有的优势，已被广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域的自动化生产线搬运和制造装配作业。

现有专利CN102689305A、CN103846909A、CN102922511A和CN103753521A所公开的可实现三维平动一维转动的并联机器人机构，包括定平台、动平台和连接两平台的四条支链。上述机构中为实现能够绕垂直于动平台的轴线的转动自由度，在动平台的设计上做了大量工作。专利CN102689305A和专利CN103846909A中机构的动平台虽然构造不同，但实质上都是将所述动平台中相关构件的相对移动转化成末端执行器的转动自由度；专利CN102922511A中机构动平台与四条支链之间的四个转动副或移动副互相平行且在所述动平台上呈非正方形布置，有效的避免了机构的奇异；专利CN103753521A中机构动平台包括分别与两组相邻支链的下连接轴连接的两个子平台以及在两子平台之间设有的导向机构和角度转换机构，所述的角度转换机构即是将齿条平动转化成齿轮的转动从而实现末端执行器的转动自由度，该机构结构相对较紧凑、传动精度较高。但这些机构的动平台结构复杂且尺寸和重量较大，不利于实现高速运动。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提出一种能够实现高速运动的三平移一转动的四自由度并联机器人机构，该机构的动平台结构简单并且质量轻便，更容易实现高速运动。

实现上述目的的技术方案为：一种能够实现三平移一转动的四自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台以及连接在定平台与动平台之间的四条支链；所述动平台包括上动平台、下动平台以及位于上动平台与下动平台之间的连接机构；所述下动平台包括由四个连杆组成的平行四边形机构，所述四个连杆依次通过四个转动副连接；所述上动平台与下动平台之间通过转动副连接，且所述上动平台的轴线与下动平台中平两个连杆平行；下动平台中与上动平台的轴线相交的一个连杆上设置有末端执行器；所述四条支链均包括主动驱动装置和四边形机构；所述四边形机构中相对设置的两个连杆等长，四个连杆依次通过球面副连接，四边形机构通过相对设置的两个连杆分别与主驱动装置和动平台连接；所述四条支链中，第一支链和第三支链连接所述定平台和上动平台，第二支链和第四支链连接所述定平台和下动平台。

一种实施方式，所述第一支链与第三支链前后对称设置，第二支链与第四支链左右对称设置。

进一步，所述主动驱动装置包括电机和驱动杆，驱动杆与所述四边形机构中的连杆连接。

进一步，所述主动驱动装置包括滑块和导轨；所述导轨均垂直于定平台平面设置。

另一种实施方式，所述第一支链、第二支链和第三支链左右设置，第二支链和第一支链并排设置在左侧，第三支链设置在右侧，第四支链设置在后侧。

进一步，所述主动驱动装置包括电机和驱动杆，驱动杆与所述四边形机构中的连杆连接。

进一步，所述主动驱动装置包括滑块和导轨；所述导轨均垂直于定平台平面设置

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：利用支链同动平台之间以及动平台内部的约束关系，实现并联机构的三平移一转动运动。该机构利用了上述的四边形机构的高刚度等特性，有效提高了整个并联机构的稳定性，其上、下动平台之间以及内部仅仅是转动副连接，没有使用移动副，避免了受力不均匀，摩擦力大等不足，并且动平台整体的质量轻便，同时本发明结构简单紧凑，更容易实现高速运动。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图5为图1和图3的动平台结构示意图。

图6为图2和图4的动平台结构示意图。

具体实施方式

为了能进一步了解本发明的内容和特点，结合附图和优选实施例对本发明作详细说明，这里不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明所述能够实现三平移一转动的四自由度并联机器人机构，包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的具有相同结构的四条支链；所述的动平台包括上动平台、下动平台以及运动副连接机构；所述的下动平台包括前后两根等长的短连杆和左右两根等长的长连杆，该四根连杆通过转动副连接形成平行四边形机构，其中末端执行器固结于平行四边形机构中相对于上动平台具有旋转运动的左连杆或者右连杆之上，并由所述连杆的转动提供末端执行器绕垂直于上动平台的轴线的转动自由度；所述的运动副连接机构包括下动平台内部四个转动副连接的平行四边形机构以及上、下动平台之间的两个转动副连接机构；如果仅仅为了实现并联机构三平移一转动的运动，上述六个转动副连接机构中任意五个便可以满足要求，即所述的动平台内部只需要五个转动副连接机构便可以实现并联机构三平移一转动的运动，另外一个转动副连接机构是为了改善动平台的力学性能而存在的；所述的四条支链中第一、三支链连接所述的定平台和上动平台，第二、四支链连接所述的定平台和下动平台；所述的四条支链可以有对称布置或者非对称布置等多种布置方式；所述的四条支链均包括：主动驱动装置、四边形机构以及运动副；所述的主动驱动装置可以是连杆或者滑块；所述的四边形机构包括上下两个等长的短连杆和左右两个等长的长连杆，其中短连杆和长连杆之间通过球面副连接成封闭环机构；所述的四条支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过四条支链的运动可以实现空间内末端执行器的三维平动和一维转动运动。

本发明利用下动平台是平行四边形机构以及第二、四支链只能约束掉下动平台的一个转动自由度的特点，保留了绕垂直于下动平台的轴线的转动自由度；利用上、下动平台平行布置方式以及转动副连接关系，实现下动平台中的左右两长连杆绕上动平台的转动自由度，并将其作为末端执行器的转动输出。

本发明可以通过改变支链的布置方式改善末端执行器的转角范围。

本发明可以将下动平台内部的左右两根长连杆做成主连杆和辅助连杆的形式，主连杆主要承受力的作用并提供末端执行器的转动自由度，辅助连杆主要是辅助主连杆满足运动要求。

本发明还可以通过改变各支链的主动驱动方式实现机构的三平移一转动运动。

实施例1

如图1所示，是一种三平移一转动的四自由度并联机器人机构，包括定平台1、动平台7、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ，所述的四条支链分别连接在定平台1和动平台7之间，并具有相同的结构；所述的动平台7包括上动平台8、下动平台12以及上动平台8和下动平台12之间的连接机构，其结构示意图如图5所示；所述的下动平台12为一平行四边形机构，其中第一连杆4b4和第二连杆4b2平行且等长，第三连杆11b和第四连杆11a平行且等长，第一连杆4b4与第三连杆11b和第四连杆11a之间通过转动副10c和转动副10f连接，第二连杆4b2与第三连杆11b和第四连杆11a之间通过转动副10a和转动副10d连接，四根连杆形成平行四边形机构。末端执行器9固结于平行四边形机构中相对于上动平台8具有旋转运动的第四连杆11a之上，并由第四连杆11a的转动提供末端执行器9绕垂直于上动平台8的轴线的转动自由度；所述上动平台8与下动平台12之间通过转动副10b和转动副10e连接，且上动平台的轴线平行于第一连杆4b4的轴线；所述的四条支链中第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ连接所述的定平台1和上动平台8，第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ连接所述的定平台1和下动平台12，并且该四条支链采用对称布置的方式；所述的四条支链均包括：主动驱动装置、四边形机构以及运动副；所述的主动驱动装置包括电机2和驱动杆3；以第一支链Ⅰ为例，所述的四边形机构包括两个等长的第五连杆4a和第六连杆4b以及两个等长的第七连杆6a和第八连杆6b，其中第五连杆4a与第七连杆6a和第八连杆6b之间通过球面副5a和球面副5b连接，第六连杆4b与第七连杆6a和第八连杆6b之间通过球面副5c和球面副5d连接，四根连杆成封闭环机构；驱动杆3与第一连杆4a固连，所述驱动杆3的转动轴线与所述的第五连杆4a相互平行；所述的四条支链分别与定平台1以及动平台7连接形成一个空间并联闭环机构，通过四条支链的运动可以实现空间内末端执行器9的三维平动和一维转动运动。

实施例2

如图2和图6所示，与实施例1类似，机构包括定平台1、动平台71、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ，其中第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ连接所述的定平台1和上动平台8，第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ连接所述的定平台1和下动平台12，并且这四条支链结构相同。本实施例与实施例1的区别在于，第二支链Ⅱ由与第四支链Ⅳ相对布置改变为与第一支链Ⅰ并排布置，下动平台12中的前第二连杆4b2的端部改变为T形结构，同时保持其他模块不变。为避免实施例1中的动平台运动成为矩形机构时机构的运动学性能变差，本实施例利用四条支链非对称布置的方式，通过上述改变后，本实施例中的下动平台12中的第四连杆11a相对于上动平台8的转动范围将会扩大，即末端执行器9的转动能力将会增强。

实施例3

如图3和图5所示，与实施例1类似，机构包括定平台1、动平台7、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ，其中第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ连接所述的定平台1和上动平台8，第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ连接所述的定平台1和下动平台12，并且这四条支链结构相同。本实施例与实施例1的不同点在于：所述四条支链的主动驱动装置均采用了移动副主动驱动的驱动形式，所述的移动副在导轨上运动，所述的导轨均匀分布在定平台1的四周。体现在具体结构上为:其第一支链Ⅰ的滑块31与所述四边形机构的第五连杆4a固连，并且在导轨21上运动，而导轨21固定在定平台1上。

实施例4

如图4和图6所示，与实施例2类似，机构包括定平台1、动平台71、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ。本实施例与实施例2的不同点在于：所述四条支链的主动驱动装置均采用了移动副主动驱动的驱动形式，所述的移动副在导轨上运动。