平移机构和具有该平移机构的多自由度导向机构的制作方法

本发明涉及机器人领域，尤其涉及并联机器人的组成机构。

背景技术：

从机构学的角度可以将机器人分为串联机器人和并联机器人两大类，并联机器人相比于串联机器人，具有刚度大、承载能力强、精度高和末端件惯性小等优势。然而，现有的并联机器人多采用完全对称设计，导致机器人整体体积较大，不适用于多台机器人在有限空间内同时布置。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的状态而做出本发明，本发明首先提供一种两自由度的平移机构，该平移机构的轨道可错开设置，提高空间利用率；进而提供一种具有该两自由度平移机构的多自由度导向机构，其属于并联结构机器人，采用非完全对称的结构设计，适用于有限空间内多机构的协同工作。

一种平移机构，包括第一滑轨、第二滑轨、第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆、第三连杆和活动块，所述第一滑块设置于所述第一滑轨上并能沿所述第一滑轨往复运动，所述第二滑块设置于所述第二滑轨上并能沿所述第二滑轨往复运动，其中，所述第一连杆的第一端与所述第一滑块铰接，所述第一连杆的第二端与所述活动块铰接，所述第二连杆的第一端与所述第一滑块铰接，所述第二连杆的第二端与所述活动块铰接，所述第三连杆的第一端与所述第二滑块铰接，所述第三连杆的第二端与所述活动块铰接，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第一滑块和所述活动块构成四连杆机构，所述四连杆机构的四个铰接点连线构成平行四边形。

在至少一个实施方式中，还包括第四连杆，所述第四连杆的第一端与所述第二滑块铰接，所述第四连杆的第二端与所述活动块铰接，所述第三连杆、所述第四连杆、所述第二滑块和所述活动块构成第二个四连杆机构，所述第二个四连杆机构的四个铰接点连线构成平行四边形。

在至少一个实施方式中，所述第一滑轨与所述第二滑轨互相不平行。

在至少一个实施方式中，所述第一滑轨与所述第二滑轨贯通，所述第一滑块能够沿所述第一滑轨运动至所述第二滑轨并沿由所述第一滑轨和所述第二滑轨构成的贯通轨道往复运动，所述第二滑块能够沿所述第二滑轨运动至所述第一滑轨并沿由所述第一滑轨和所述第二滑轨构成的贯通轨道往复运动。

在至少一个实施方式中，所述第一滑轨与所述第二滑轨贯通后整体呈折线状或弧状。

在至少一个实施方式中，所述第一滑轨与所述第二滑轨之间间隔一定距离。

在至少一个实施方式中，还包括第四连杆和第三滑块，所述第三滑块设置于所述第二滑轨上并能沿所述第二滑轨往复运动，所述第四连杆的第一端与所述第三滑块铰接，所述第四连杆的第二端与所述活动块铰接，所述第三连杆与所述活动块的铰接轴和所述第四连杆与所述活动块的铰接轴同轴。

在至少一个实施方式中，所述第二滑轨具有第一滑动区间和第二滑动区间，所述第三滑块沿所述第一滑动区间往复运动，所述第四滑块沿所述第二滑动区间往复运动。

一种多自由度导向机构，其包括基台、第一平移机构、第二平移机构和桥组件，其特征在于：所述第一平移机构为根据本发明的平移机构，所述第二平移机构为根据本发明的平移机构，所述第一平移机构与所述第二平移机构间隔一定距离设置于所述基台上，所述桥组件的一端与所述第一平移机构的所述活动块铰接，所述桥组件的另一端与所述第二平移机构的所述活动块铰接，在所述第一平移机构的所述活动块运动和/或所述第二平移机构的所述活动块运动过程中，所述桥组件的长度和/或姿态能相应调整。

在至少一个实施方式中，所述桥组件包括第一铰接件、第二铰接件、中转桥第一组件和中转桥第二组件，所述第一铰接件和所述第二铰接件构成所述桥组件的两个端部；所述第一铰接件的一端与所述第一平移机构的所述活动块铰接，所述第一铰接件的另一端与所述中转桥第一组件的第一端铰接；所述第二铰接件的一端与所述第二平移机构的所述活动块铰接，所述第二铰接件的另一端与所述中转桥第二组件的第一端铰接；所述中转桥第一组件的第二端与所述中转桥第二组件的第二端可相对移动地连接。

在至少一个实施方式中，所述中转桥第一组件的第二端设有导杆，所述中转桥第二组件的第二端设有引导块，所述引导块上设有贯通槽，所述导杆穿过所述贯通槽，当所述桥组件的姿态发生变化时，所述导杆能相对所述贯通槽伸入或伸出。

在至少一个实施方式中，所述桥组件包括第一铰接件、第二铰接件、中转桥第一组件和中转桥第二组件，所述第一铰接件和所述第二铰接件构成所述桥组件的两个端部；所述第一铰接件的一端与所述第一平移机构的所述活动块铰接，所述第一铰接件的另一端与所述中转桥第一组件的第一端铰接；所述第二铰接件的一端与所述第二平移机构的所述活动块铰接，所述第二铰接件的另一端与所述中转桥第二组件的第一端铰接；所述中转桥第一组件的第二端与所述中转桥第二组件的第二端互相铰接。

在至少一个实施方式中，所述桥组件还包括桥滑轨和终端活动块，所述终端活动块能够沿所述桥滑轨往复运动。

在至少一个实施方式中，所述基台能够往复运动。

本发明能够实现以下技术效果中的一个或多个：

1、通过在四连杆机构上附加至少一个一端沿滑轨滑动、另一端与四连杆上某一目标构件铰接的连杆，形成结构简单、稳定性好的平移机构，实现了对四连杆上目标构件的两个平移自由度的导向；

2、平移机构的滑轨可以分段设置，且不同区段的滑轨互相不平行，使得装置整体的尺寸缩小、装置结构更紧凑；

3、当一套平移机构的两个滑轨互成角度设置时，可以将多套类似的平移机构合理阵列布置，使得有限空间内可以布置更多的平移机构；

4、使用两套根据本发明的平移机构作为支撑臂，构成根据本发明的多自由度导向机构，该导向机构属于并联机器人结构中的非完全对称结构，该导向机构体积小、承载能力强、精度高。

附图说明

图1是根据本发明的平移机构的第一实施方式的结构示意图。

图2是根据本发明的平移机构的第二实施方式的结构示意图。

图3是根据本发明的平移机构的第三实施方式的结构示意图。

图4是根据本发明的具有平移机构的多自由度导向机构的第一实施方式的结构示意图。

图5是根据本发明的具有平移机构的多自由度导向机构的第二实施方式的结构示意图。

附图标记说明

101、111第一滑轨

102、112第二滑轨

1121第二滑轨第一区段

1122第二滑轨第二区段

201、211第一滑块

202、212第二滑块

213第三滑块

301、311第一连杆

302、312第二连杆

303、313第三连杆

304、314第四连杆

400、410、420、430、440活动块

501-508、511-515铰接轴

600基台

l、l’、l”、l-1、l-2、l’-1、l’-2平移机构

700桥组件

701第一铰接件

702第二铰接件

703中转桥第一组件

7031导槽

704中转桥第二组件

7041导杆

705桥滑轨

706终端活动块

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

参照图1-5，下面介绍本发明的主要结构和实现方式。

本发明首先提供了一种两自由度的平移机构，该平移机构可以作为机器人导向机构的一个支撑臂，该平移机构以紧凑的结构为其悬出的端部提供了两个方向的平移自由度。

下面参照图1-3，介绍根据本发明的平移机构的主要结构。

平移机构的第一实施方式

参照图1，第一种实施方式下的平移机构l包括第一滑轨101和第二滑轨102，第一滑轨101和第二滑轨102互相成一定夹角地设置于基台上。第一滑轨101和第二滑轨102构成一定夹角使得基台的尺寸可以相应减小，并且可以在如图1所示的第一滑轨101和第二滑轨102所在平面以阵列形式设置多组平移机构l，从而提高了空间利用率。第一滑轨101和第二滑轨102可以互不相通、也可以互相贯通，当第一滑轨101和第二滑轨102互相贯通时，第一滑轨101和第二滑轨102可以是一体成型的曲线(例如圆弧曲线、椭圆曲线等)轨道。当然，在对空间利用率没有特殊要求的场合，第一滑轨101和第二滑轨102也可以互相平行、甚至贯通成一直线轨道。

第一滑轨101上设有第一滑块201，第一滑块201能沿第一滑轨101往复运动；第二滑轨102上设有第二滑块202，第二滑块202能沿第二滑轨102往复运动。当第一滑轨101和第二滑轨102互相贯通时，第一滑块201能沿第一滑轨101进入第二滑轨102、并在第一滑轨101和第二滑轨102构成的贯通轨道上往复运动，第二滑块202也能沿第二滑轨102进入第一滑轨101、并在第一滑轨101和第二滑轨102构成的贯通轨道上往复运动。

第一连杆301的一端与第一滑块铰接于铰接轴501，第一连杆301的另一端与活动块400铰接于铰接轴502，第二连杆302的一端与第一滑块铰接于铰接轴503，第二连杆302的另一端与活动块400铰接于铰接轴504；用经过第一连杆301和第二连杆302的平面切割铰接轴501、铰接轴502、铰接轴503和铰接轴504将得到四个铰接点，这四个铰接点的连线构成一个平行四边形。第三连杆303的一端与第二滑块铰接于铰接轴505，第三连杆303的另一端与活动块400铰接于铰接轴506，第四连杆304的一端与第二滑块铰接于铰接轴507，第四连杆304的另一端与活动块400铰接于铰接轴508；用经过第三连杆303和第四连杆304的平面切割铰接轴505、铰接轴506、铰接轴507和铰接轴508将得到四个铰接点，这四个铰接点的连线构成一个平行四边形。

上述两个平行四边形的结构保证了活动块400相对基台的固定姿态，即在第一滑块201和/或第二滑块202往复运动过程中，活动块400仅能发生平移运动而不能够发生转动。值得注意的是，第四连杆304并不是必须的，即，在上述机构中，省略第四连杆304与相应的铰接轴507和铰接轴508，仍能达到相同的使活动块400相对基台的姿态保持固定的效果；第四连杆304省略后，装置将具有更紧凑的结构。

在如图1所示的空间直角坐标系中，分别驱动第一滑块201和第二滑块202，各连杆的位置发生变化，带动活动块400产生沿x轴和y轴的两个方向的平移，即活动块具有两个平移自由度。

平移机构的第二实施方式

参照图2，对于与平移机构的第一实施方式相同或相似的部件标注相同或相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。第二实施方式的平移机构l’相比于第一实施方式的平移机构l具有更紧凑的结构。在第二实施方式中，将第一连杆301和第二连杆302与活动块400的铰接轴设置于活动块的一个表面，将第三连杆303和第四连杆304与活动块400的铰接轴设置于活动块的另一个表面，即利用活动块另一个方向(不同于第一实施方式中从铰接轴502指向铰接轴508的方向)上的尺寸将由第一滑块201、第一连杆301、第二连杆302和活动块400构成的平行四边形和由第二滑块202、第三连杆303、第四连杆304和活动块400构成的平行四边形错开，使得第一活动块201和第二活动块202在往复运动过程中，各连杆不会发生运动干涉。

同样的，该实施方式中，可以省略第四连杆304。

平移机构的第三实施方式

参照图3，平移机构的第三实施方式是对平行机构的第一实施方式的另一种变形，对于与平移机构的第一实施方式相同或相似的部件标注相同或相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。

第三实施方式的平移机构l”中的第一滑轨111是直线轨道，但这并不是必须的，第一滑轨111也可以是曲线滑轨。第二滑轨112与第一滑轨111间隔一定距离设置，即在图3所示的z轴方向上，第二滑轨112与第一滑轨111错开一定距离设置。第二滑轨112被设置成具有两个区段，第二滑轨第一区段1121与第二滑轨第二区段1122构成一定夹角使得基台的尺寸可以相应减小；但这并不是必须的，在对空间利用率没有特殊要求的场合，第二滑轨第一区段1121和第二滑轨第二区段1122也可以互相平行、甚至贯通成一直线轨道；此外，第二滑轨第一区段1121和第二滑轨第二区段1122也可以贯通成一曲线轨道。

第一滑块211设置于第一滑轨111上并能沿第一滑轨111往复运动；第二滑块212设置于第二滑轨第一区段1121上并能沿第二滑轨第一区段1121往复运动；第三滑块213设置于第二滑轨第二区段1122上并能沿第二滑轨第二区段1122往复运动。当第二滑轨第一区段1121和第二滑轨第二区段1122互相贯通时，第二滑块212能沿第二滑轨第一区段1121进入第二滑轨第二区段1122、并在整个第二滑轨112上往复运动，第三滑块213也能沿第二滑轨第二区段1122进入第二滑轨第一区段1121、并在整个第二滑轨112上往复运动。

第一连杆311的一端与第一滑块211铰接于铰接轴511，第一连杆311的另一端与活动块400铰接于铰接轴512，第二连杆312的一端与第一滑块211铰接于铰接轴513，第二连杆312的另一端与活动块400铰接于铰接轴514；用经过第一连杆311和第二连杆312的平面切割铰接轴511、铰接轴512、铰接轴513和铰接轴514将得到四个铰接点，这四个铰接点的连线构成一个平行四边形。第三连杆313的一端与第二滑块212铰接，第三连杆313的另一端与活动块400铰接于铰接轴515；第四连杆314的一端与第三滑块213铰接，第四连杆314的另一端与活动块400铰接于铰接轴515。

在如图3所示的空间直角坐标系中，分别驱动第二滑块212和第三滑块213，各连杆的位置发生变化，第一滑块211将作为随动件沿第一滑轨111运动，而活动块400作为目标运动物具有沿x轴和y轴的两个方向的平移自由度。

同样的，该实施方式中，可以省略第四连杆314。当第四连杆314被省略后，分别驱动第一滑块211和第二滑块212，各连杆的位置发生变化，带动活动块400产生沿x轴和y轴的两个方向平移的位移。

此外，在其他实施方式中，第一滑轨111和第二滑轨112可以分别设置在铰接轴515的径向两侧，即在图3所示的空间直角坐标系中，第一滑轨111和第二滑轨112可以在x轴方向上错开一定距离设置，此时第一滑轨111和第二滑轨112在z轴方向上可以错开一定距离设置、也可以在z轴方向上具有相同的坐标。

上述平移机构l、l’或l”中的仍一者可以作为本发明接下来要提出的具有五个自由度的导向机构的两个支撑臂中的一个。

以下结合图4-5介绍根据本发明的具有平移机构的多自由度导向机构。

多自由度导向机构的第一实施方式

参照图4，基台600上间隔一定距离设置两套平移机构，分别为平移机构l-1和平移机构l-2，两套平移机构作为导向机构的两个支撑臂在两个端部支撑了桥组件700。桥组件700的终端活动块706为操作部件(例如实现精细操作的机械手，图中未示出)提供了接入的接口，或者可以认为终端活动块706本身是一个操作部件，从而通过导向机构为操作部件提供多自由度的位移导向。

两套平移机构的滑轨在如图4所示的空间直角坐标系的z轴方向上大致对准，然而这并不是必须的，即平移机构l-1和平移机构l-2的滑轨在xoy平面的投影可以彼此不重合；这在以下情况下将更容易被理解，即平移机构l-1和平移机构l-2本身的结构就不相同(图4中示出的平移机构l-1和平移机构l-2结构相同)，两者可以分别取自上文提到的平移机构的三种实施方式中的任一种。

在平移机构l-1的活动块410和平移机构l-2的活动块420之间铰接有桥组件700，桥组件700的长度和桥组件700在空间所呈现的姿态可以随活动块410和活动块420在空间内位移的变化而变化。为了实现桥组件700的长度和空间姿态的变化，桥组件700被这样构成：

桥组件700的两个端部分别为第一铰接件701和第二铰接件702，第一铰接件701的一端与活动块410铰接，第一铰接件701的另一端与中转桥第一组件703的第一端铰接；第二铰接件702的一端与活动块420铰接，第二铰接件702的另一端与中转桥第二组件704的第一端铰接；中转桥第一组件703的第二端和中转桥第二组件704的第二端可相互移动地相连、构成“中间桥接件”。位于端部的第一铰接件701和第二铰接件702为中间桥接件提供了绕x轴的转动自由度和绕y轴的转动自由度。该实施方式中第一铰接件701和第二铰接件702分别为中间桥接件提供的两个转动自由度均是通过第一铰接件701和第二铰接件702两端的两个铰接轴实现的；在其他实施方式中，也可以将第一铰接件701与活动块410设置成固定连接、而将相应的铰接轴转移到第一铰接件701与中转桥第一组件703之间(即将一个转动自由度转移到第一铰接件701与中转桥第一组件703之间)，和/或将第二铰接件702与活动块420设置成固定连接、而将相应的铰接轴转移到第二铰接件702与中转桥第二组件704之间(即将一个转动自由度转移到第二铰接件702与中转桥第二组件704之间)；此外，还可以将第一铰接件701给中间桥接件提供的两个转动自由度都转移到第一铰接件701和活动块410之间，和/或将第二铰接件702给中间桥接件提供的两个转动自由度都转移到第二铰接件702和活动块420之间。在这种变形思想指导下，具体铰接轴的设置属于本领域的常规设置，本领域技术人员也可以在现有技术中选择合适的铰链实现相应的转动自由度，例如，当把第一铰接件701给中间桥接件提供的两个转动自由度中的一个转移到第一铰接件701与中转桥第一组件703之间时，可以把第一铰接件701与中转桥第一组件703之间的铰链替换为胡克铰链。

此外，当活动块410和活动块420分别移动的时候，活动块410和活动块420之间的距离会发生变化，在本实施方式中，中间桥接件可以伸长或缩短来适应活动块410和活动块420之间距离的变化。中转桥第二组件704的第二端设有导杆7041，中转桥第一组件703上设有与导杆7041配合的导槽7031，导杆7041可移动地穿过导槽7031、将中转桥第一组件703和中转桥第二组件704连接在一起。当活动块410和活动块420之间的距离发生变化时，导杆7041伸入导槽7031内部区段的长度相应变化，从而实现了中间桥接件的伸长或缩短。应当理解，中间桥接件整体伸长或缩短的方式并不限于导杆与导槽的连接方式，也可以采用现有技术中其他可实现两部件相对滑动的连接方式。

中间桥接件上还设有桥滑轨705，在本实施例中，桥滑轨705设置在中转桥第二组件704上(然而这并不是必须的，例如桥滑轨705也设置在中转桥第一组件703上)。桥滑轨705上设有终端活动块706，终端活动块706可以沿桥滑轨705往复运动，终端活动块706在沿桥滑轨705往复运动的过程中可以发生沿z轴的位移。在另外一种实施方式中，终端活动块706也可以固定设置在中间桥接件上，而将基台600设置成具有沿z轴方向平移的自由度。应当理解，本发明中所指的基台600是与平移机构的第一滑轨和第二滑轨直接固定的座体部分，其可以单独作为平移机构的支承座体，也可以是平移机构的支承座体的一部分；当基台600作为平移机构的支承座体的一部分，基台600沿z轴平移时，平移机构的支承座体的另一部分可以保持固定。

自此，在以上实施方式中，终端活动块706具有五个自由度，分别为：沿x轴平移的自由度、沿y轴平移的自由度、绕x轴旋转的自由度、绕y轴旋转的自由度和沿z轴平移的自由度。

该导向机构在实际应用中，通过分别驱动以下几个部件实现对终端活动块位移的控制，即：(1)分别驱动平移机构l-1上的两个滑块沿滑轨运动、(2)分别驱动平移机构l-2上的两个滑块沿滑轨运动和(3)驱动终端活动块706沿桥滑轨705运动。驱动的方式可以是电机驱动，也可以是气压、液压等其他现有技术中常用的驱动方式。

多自由度导向机构的第二实施方式

该实施方式主要是对多自由度导向机构的第一实施方式中“中间桥接件”设置方式的变形。

参照附图5，对于与多自由度导向机构的第一实施方式相同或相似的部件标注相同或相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。中间桥接件以姿态发生变化(中转桥第一组件713与中转桥第二组件714之间的夹角发生变化)的方式适应导向机构整体姿态的调整。中转桥第一组件713的第二端与中转桥第二组件714的第二端铰接，从而当平移机构l’-1上的活动块430和平移机构l’-2上的活动块440之间距离发生变化时，中转桥第一组件713和中转桥第二组件714能够相对转动，使中间桥接件以姿态变化的形式实现中间桥接件两端部之间距离的调整。

以上各个实施例在不违背本发明精神范围内可以任意地进行组合。为简洁起见，本文省略了部分零部件的描述，然而该部分零部件均应当理解为能够采用现有技术实施。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

本发明中根据x、y和z轴定义的位置关系是相对的，根据装置的实际应用场合，坐标轴可在空间内旋转。