專利名稱：一種具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人機構，特別是涉及一種機器人的具有空間二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構。
背景技術：
在電子、輕工、食品以及醫藥等行業里，通常需要以較高的速度實現目標物的抓放操作以及擺放操作，在這種情況下，一般需要三個平動自由度和一個轉動自由度。然而，在某些簡單應用場合，僅僅需要在平面內實現目標物的高速抓放和擺放即可，這就要求一種能夠實現二維平動和一維轉動的高速操作機械手。這類裝置通常要求動平臺能在一個運動平面中以較高的速度做二自由度平動而不改變動平臺的姿態。目前，實現平面運動的機構依據拓撲構型分類，主要分為兩種一種是采用串聯構型，在平面內垂直的布置兩串聯的移動副，其中一移動副的直線驅動裝置裝配在另一移動副的運動平臺上，在動平臺上加裝具有旋轉運動的末端執行器，即可實現在平面內的二維平動和一維轉動。這種串聯結構增加了運動平臺的質量，限制了末端運動的速度和加速度，一般很難達到較高的操作速度；另外一種是采用并聯機構實現平面內的兩自由度平動， 再通過末端執行器自身的旋轉運動實現一維轉動。由于并聯機構采用將驅動裝置都裝配在機架上，桿件采用輕質材料做成，從而可以實現較高速運動，如現有專利文獻CN158919A、 CN201275760Y的設計，整個機構有機架、兩條支鏈、動平臺組成，兩個轉動副驅動裝置安裝在機架上，通過轉動副帶動支鏈運動從而實現動平臺的運動，但是這種結構存在以下兩方面的問題1)動平臺姿態保持度低，即與運動方向垂直方向存在剛度薄弱的設計缺陷；2) 末端執行器的轉動需裝配多余的帶有驅動的機構才能實現，無疑又增加了末端平臺的質量，限制了末端運動速度和加速度地提升空間。

發明內容
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種能夠進一步提高動平臺姿態保持度的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構。本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是一種具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及均布連接在所述固定架與動平臺之間的四條支鏈；每條支鏈均包括一近架桿、兩個平行且等長的遠架桿和一上連接軸， 所述近架桿的一端與所述上連接軸固接，所述上連接軸通過球鉸鏈與所述兩個平行且等長的遠架桿的一端連接；所述四條支鏈由相對的第一主動支鏈和第二主動支鏈以及相對的第一運動耦合支鏈和第二運動耦合支鏈組成，所述第二主動支鏈與所述第一主動支鏈結構相同且它們的活動平面為同一平面或相互平行的兩個平面；所述第一運動耦合支鏈和所述第二運動耦合支鏈結構相同且其活動平面相交于所述第二主動支鏈和所述第一主動支鏈的活動平面；所述第一運動耦合支鏈近架桿的另一端和所述第二運動耦合支鏈近架桿的另一端通過傳動機構連接，且所述第一運動耦合支鏈近架桿的該端通過轉動副與所述固定架連接，所述第二運動耦合支鏈近架桿的該端與一驅動裝置連接，所述驅動裝置安裝在所述固定架。所述動平臺包括通過移動副連接且空間相互垂直的主平臺和副平臺，所述副平臺和所述主平臺的兩端分別連接有下連接軸，四個所述下連接軸分別與所述四條支鏈球鉸接。在所述主平臺和所述副平臺之間安裝有換向機構。所述換向機構由絲杠和絲杠螺母構成，所述絲杠螺母與所述副平臺固接，所述絲杠轉動連接在所述主平臺上。所述移動副由四根均勻布置在所述主平臺兩側的互相平行的導向桿以及滑動連接在每根導向桿上的導向套形成，所述導向套與所述副平臺固接，所述導向桿固接在所述主平臺上。所述第一主動支鏈內的兩個遠架桿之間和所述第二主動支鏈內的兩個遠架桿之間均通過與其垂直的遠架桿連接桿相連接。所述傳動機構為齒輪傳動機構、交叉皮帶輪傳動機構和齒形帶傳動機構中的任意一種。本發明具有的優點和積極效果是采用兩條運動耦合支鏈連接固定架與動平臺， 約束動平臺在平面內的轉動以及沿運動平面垂直方向的移動，在有效提高動平臺姿態保持度的同時，使本機構能夠實現更高的運行精度；采用雙平臺設計，利用絲杠螺母副將動平臺的相對運動轉化為末端執行器的轉動，無需加裝多余的旋轉驅動裝置，有效減輕動平臺質量；動平臺相對運動的實現通過導向桿、導套的配合使用，可提高機構在整個工作空間的剛度，同時還可配以換向機構，實現三個正交方向的轉動自由度。綜上所述，本發明采用對稱運動耦合支鏈，約束動平臺在平面內的轉動以及沿運動平面垂直方向的移動，有效提高了動平臺的姿態保持度，同時亦使本機構實現更高的運行精度。而且，主動支鏈和動平臺均采用多重過約束機構，有效保證該機構在整個工作空間的剛度，易于實現操作的高速和高加速，同時還可通過調換主平臺和副平臺，或配以換向機構，實現三個正交方向的轉動自由度。本發明可將豎直方向上的相對錯動轉化為沿豎直方向的轉動。采用平面運動耦合鏈約束平臺的運動，從而進一步提高了動平臺的姿態保持度。 并且結構簡單，運動方式明確，可滿足復雜抓放操作的要求。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明中動平臺的結構示意圖。圖中1、第一運動耦合支鏈，2、第一主動支鏈，3、第二運動耦合支鏈，4、第二主動支鏈，5、驅動裝置，6、固定架，7、近架桿，8a、遠架桿I，8b、遠架桿II，9、遠架桿連接桿，10、 上連接軸，11、下連接軸，12、動平臺，13、主平臺，14、導套，15、副平臺，16、導向桿，17、絲杠， 18、絲杠螺母。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下請參閱圖1 圖2，一種具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，包括固定架6、動平臺12以及連接在所述固定架6與動平臺12之間的四條支鏈，每條支鏈均由一近架桿7、兩個平行且等長的遠架桿I 8a、遠架桿II 8b和一上連接軸10。四條支鏈由第一主動支鏈2、第二主動支鏈4、第一運動耦合支鏈1和第二運動耦合支鏈3組成；相對的所述第二主動支鏈4與所述第一主動支鏈2的結構相同，它們的活動平面為同一平面或相互平行的兩個平面。所述第二主動支鏈4的遠架桿I 8a和遠架桿II 8b通過與其垂直的遠架桿連接桿9連接，所述第一主動支鏈2的兩個遠架桿之間亦通過與其垂直的遠架桿連接桿連接，將每個主動支鏈內的兩個遠架桿限制在同一平面內。呈面對稱布置的所述第一運動耦合支鏈1和所述第二運動耦合支鏈3的結構相同，且其活動平面相交于所述第二主動支鏈和所述第一主動支鏈的活動平面。所述第一主動支鏈2、第二主動支鏈4和第二運動耦合支鏈3的近架桿7的一端各與一驅動裝置5的驅動端固接，驅動裝置5安裝在固定架6上， 近架桿7的另一端與相應上連接軸10固接。所述第一運動耦合支鏈1的近架桿7的一端與固定架通過轉動副連接，且與第二運動耦合支鏈3的近架桿7的一端通過齒輪傳動機構連接。每條支鏈中兩個平行且等長的遠架桿I 7和遠架桿II 8，其一端分別通過球鉸鏈與其所在支鏈的上連接軸10連接，另一端分別通過球鉸鏈與固接于所述動平臺12的下連接軸11球鉸接。上述第一運動耦合支鏈1和第二運動耦合支鏈2的近架桿通過運動傳遞機構在固定架上建立運動傳遞關系，保證機構只有平動的同時，還可為機構提供垂直動平臺運動平面的約束反力。且每條主動支鏈內兩根遠架桿之間加裝連接桿件，有效地保證了機構的剛度和運動精度。上述兩個運動耦合支鏈近架桿之間的傳動機構并不限于齒輪傳動機構，還可以是交叉皮帶輪傳動機構或齒形帶傳動機構，還可以是其它定比傳動機構。動平臺12由主平臺13和副平臺15構成，主平臺13和副平臺15通過移動副實現空間垂直連接。上述結構可以限制主平臺13和副平臺15的三個回轉自由度，即主平臺和副平臺均可實現三維平動，而副平臺除隨主平臺三維平動外，還可沿固接在主平臺上的導向桿16實現與主平臺的相對移動。固接在主平臺13上的四根平行導向桿16均勻布置在所述主平臺13的兩側，每根導向桿16上套裝有一與其滑動連接的導套14，導套14與副平臺15固接。上述結構可保證機構有較高的剛度，受力平衡，從而滿足運動的穩定性。所述動平臺12配以換向機構可實現繞垂直于動平臺12軸線的轉動，所述換向機構由絲杠17和絲杠螺母18構成，所述絲杠螺母18與副平臺15固接，可隨副平臺移動，所述絲杠17以轉動副連接在主平臺13上，可以將絲杠螺母18沿主平臺導向桿的移動轉化為絲杠17繞其自身軸線的轉動。所述主平臺13和副平臺15之間通過安裝換向機構實現了繞豎直軸的轉動。所述換向機構也可采用多級齒條齒輪換向，或其他換向機構。所述換向機構可獨立安裝一套，也可沿主平臺軸線方向并聯安裝多套換向機構，從而達到配置多個末端執行器的目的；所述換向機構可在副平臺兩側對稱安裝兩套或多套，以保證動平臺運動時的慣性平衡。本發明與現有技術相比，其不同點在于
1)采用運動耦合支鏈連接固定架與動平臺，約束動平臺在平面內的轉動以及沿運動平面垂直方向的移動，在有效提高動平臺姿態保持度的同時，使本機構獲得了更高的運行精度，從而易使該機構達到更高的速度和加速度；2)主動支鏈1和主動支鏈3中的遠架桿I 8a和II 8b通過多根遠架桿連接桿9 相連，保證遠架桿的剛度和運動精度；3)動平臺12由相互錯動且垂直相交的兩部分組成；4)主平臺13和副平臺15之間通過導向桿實現相互錯動。本發明所述機構結構簡單，運動方式明確，可滿足復雜抓放操作的要求。采用兩條運動耦合支鏈連接固定架與動平臺，提高動平臺姿態保持度的同時，亦使本機構能夠實現更高的運行精度；采用雙平臺設計，利用絲杠螺母副將動平臺的相對運動轉化為末端執行器的轉動，無需假裝多余的旋轉驅動裝置，有效減輕動平臺質量。盡管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及連接在所述固定架與動平臺之間的四條支鏈；每條支鏈均包括一近架桿、兩個平行且等長的遠架桿和一上連接軸，所述近架桿的一端與所述上連接軸固接，所述上連接軸通過球鉸鏈與所述兩個平行且等長的遠架桿的一端連接；其特征在于，所述四條支鏈由相對的第一主動支鏈和第二主動支鏈以及相對的第一運動耦合支鏈和第二運動耦合支鏈組成，所述第二主動支鏈與所述第一主動支鏈結構相同且它們的活動平面為同一平面或相互平行的兩個平面；所述第一運動耦合支鏈和所述第二運動耦合支鏈結構相同，呈面對稱布置，且其活動平面相交于所述第二主動支鏈和所述第一主動支鏈的活動平面；所述第一運動耦合支鏈近架桿的另一端和所述第二運動耦合支鏈近架桿的另一端通過傳動機構連接，且所述第一運動耦合支鏈近架桿的該端通過轉動副與所述固定架連接，所述第二運動耦合支鏈近架桿的該端與一驅動裝置連接，所述驅動裝置安裝在所述固定架。
2.根據權利要求1所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，所述動平臺包括通過移動副連接且空間相互垂直的主平臺和副平臺，所述副平臺和所述主平臺的兩端分別連接有下連接軸，四個所述下連接軸分別與所述四條支鏈球鉸接。
3.根據權利要求2所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，在所述主平臺和所述副平臺之間安裝有換向機構。
4.根據權利要求3所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，所述換向機構由絲杠和絲杠螺母構成，所述絲杠螺母與所述副平臺固接，所述絲杠轉動連接在所述主平臺上。
5.根據權利要求2所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，所述移動副由四根均勻布置在所述主平臺兩側的互相平行的導向桿以及滑動連接在每根導向桿上的導向套形成，所述導向套與所述副平臺固接，所述導向桿固接在所述主平臺上。
6.根據權利要求2所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，所述第一主動支鏈內的兩個遠架桿之間和所述第二主動支鏈內的兩個遠架桿之間均通過與其垂直的遠架桿連接桿相連接。
7.根據權利要求1所述的具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，其特征在于，所述傳動機構為齒輪傳動機構、交叉皮帶輪傳動機構和齒形帶傳動機構中的任意一種。
全文摘要
本發明公開了一種具有二維平動一維轉動的多重過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及連接在所述固定架與動平臺之間的四條支鏈；所述四條支鏈由相對的第一主動支鏈和第二主動支鏈以及相對的第一運動耦合支鏈和第二運動耦合支鏈組成；所述第一運動耦合支鏈近架桿的一端和所述第二運動耦合支鏈近架桿的一端通過傳動機構連接，且所述第一運動耦合支鏈近架桿的該端通過轉動副與所述固定架連接，所述第二運動耦合支鏈近架桿的該端與一驅動裝置連接，所述驅動裝置安裝在所述固定架。本發明能夠有效提高動平臺的姿態保持度，同時亦能使本機構實現更高的運行精度。
文檔編號B25J9/08GK102554917SQ20121000689
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者倪雁冰, 劉松濤, 梅江平, 汪滿新, 白普俊, 趙學滿, 黃田 申請人:天津大學