專利名稱：一種三自由度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，特別涉及一種三自由度過約束并聯機構。
背景技術：
少自由度并聯機器人具有結構簡單、成本低廉和控制容易等優勢，在食品、醫藥、 電子以及其他輕工行業中廣泛用于抓放和裝箱的操作環節中，有很好的應用前景。專利文獻CN1355087A公開了一種僅含有轉動副的二自由度平動并聯機器人機構，包括機架、動平臺和兩對各含有兩個平行四邊形機構的支鏈。專利文獻CN101642907A 公開了一種二自由度并聯機器人機構，包括基座，動平臺以及分別連接基座和動平臺的兩條主動支鏈和一條被動支鏈。上述機構的局限性在于兩者均是二自由度平動機構，無法實現局部的夾持運動和旋轉運動，這就使其功能相對單一，在實際生產中的應用范圍受到很大的限制。

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機構新穎，側向剛度好的三自由度過約束并聯機構。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三自由度過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及在所述固定架和所述動平臺之間對稱均布的四條支鏈，每一條支鏈均包括一近架桿和與其相連的兩個平行且等長的遠架桿，所述四條支鏈由相對布置的第一主動鏈和第二主動鏈以及相對布置的第三主動鏈和被動鏈組成；所述第一主動鏈和第二主動鏈結構相同，它們的近架桿分別由驅動裝置A和驅動裝置B驅動，且它們的活動平面為同一平面；所述第三主動鏈和所述被動鏈結構相同并呈面對稱布置，所述第三主動鏈和所述被動鏈的活動平面分別與所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的活動平面相交；所述第三主動鏈的近架桿一端由驅動裝置C驅動，所述被動鏈的近架桿一端與所述固定架轉動連接； 所述第三主動鏈和所述被動鏈通過連接在它們近架桿之間的反向等比傳動裝置連接；所述驅動裝置A、所述驅動裝置B和所述驅動裝置C均安裝在所述固定架上；所述動平臺包括四個角板、四根邊桿和四根平行桿，邊桿和平行桿的有效長度相等；四個角板對稱均布，并分別與所述四條支鏈中相應的一條支鏈的兩個遠架桿相連，每條支鏈的兩個遠架桿與對應角板連接形成下連接軸線，四根邊桿依次通過轉動副相連，組成一個菱形結構，菱形結構的四個頂點分別通過轉動副與四個角板連接，菱形結構的中心與四個角板形成的中心重合；在相鄰的兩個角板之間均布置一根與形成菱形結構的邊桿平行的平行桿，每根平行桿的兩端均與對應角板通過轉動副連接；相對的兩個角板上的下連接軸線相互平行，相鄰的兩個角板上的下連接軸線相互平行。所述第三主動鏈和所述被動鏈的兩個遠架桿的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應支鏈近架桿和所述動平臺連接，并且每條支鏈近架桿上的兩個球鉸鏈與動平臺上與其相應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等。所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的兩個遠架桿的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應主動鏈近架桿和所述動平臺連接，并且每條主動鏈的近架桿上的兩個球鉸鏈與動平臺上與其相應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等；在所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的兩個遠架桿之間添加有與它們垂直固接的多個約束桿。所述第一主動鏈和所述第二主動鏈兩個遠架桿的兩端分別與與其對應的主動鏈近架桿和所述動平臺通過轉動副連接，并且每條主動鏈近架桿上的轉動副軸線與動平臺上與其相應的轉動副軸線相互平行。所述反向等比傳動裝置為外嚙合齒輪組傳動機構、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在動平臺增加局部自由度，通過第三主動鏈和被動鏈可以進行獨立控制，使該機構能夠實現多種構型，也可完成夾持和旋轉操作，為實際應用提供了多種選擇，擴大了機構實際應用范圍，另外，第三主動鏈和被動鏈通過近架桿上的反向等比傳動裝置實現了對動平臺的姿態約束和側向運動的過約束，利用此機構特點， 大大提高了機構的側向剛度和動平臺的姿態保持能力，同時亦可改善機構的運動精度，為此類機器人在實際應用中發揮更好的運動特性提供結構基礎。


圖1和圖2為本發明的不同角度的結構示意圖；圖3為本發明中動平臺的結構示意圖。圖中1、第一主動鏈，2、第二主動鏈，3、第三主動鏈，4、被動鏈，5、固定架，6a、驅動裝置A，6b、驅動裝置B，6c、驅動裝置C，7a d、近架桿，8a、b齒輪，9a、b遠架桿，10、約束桿， 11、動平臺，12a d、角板，13a d菱形邊桿，14a d、平行桿，15、齒扇，16、齒輪，17、執行器，18a d、下連接軸線。
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2，一種三自由度過約束并聯機構，包括固定架5和動平臺11以及連接在所述固定架5與動平臺11之間的對稱均布的四條支鏈，每條支鏈均包括一近架桿和與其相連的兩個平行且等長的遠架桿9a、9b。所述四條支鏈由第一主動鏈1，第二主動鏈 2，第三主動鏈3和被動鏈4組成。所述第一主動鏈1、第二主動鏈2和第三主動鏈3的近架桿7a、7b、7c的一端與驅動裝置A6a、驅動裝置B6b和驅動裝置C6c分別連接，驅動裝置A6a、驅動裝置B6b和驅動裝置C6c安裝在固定架5上。相對布置的所述第一主動鏈1和第二主動鏈2的活動平面為同一平面，第一主動鏈1和第二主動鏈2的結構相同。相對布置的所述第三主動鏈3和被動鏈4結構相同，并呈面對稱布置。第三主動鏈3和被動鏈4的活動平面分別與第一主動鏈1和第二主動鏈2的活動平面相交；被動鏈 4的近架桿7d的一端與固定架5轉動連接。第三主動鏈3和被動鏈4通過固接在它們近架桿7c、7d之間的齒輪8a、8b相互嚙合傳動實現耦合運動，保證其對動平臺11姿態的約束和沿垂直動平臺活動面方向的過約束作用。所述第三主動鏈3和被動鏈4的兩個遠架桿9a、 9b的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應支鏈近架桿7c、7d的另一端、與動平臺11連接，并且近架桿7c、7d上的兩個球鉸鏈的中心連線與動平臺11上與其對應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等。第一主動鏈1和第二主動鏈2的兩個遠架桿的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應主動鏈的近架桿7a、7b的另一端以及動平臺11連接，并且主動鏈近架桿7a、7b上的兩個球鉸鏈的中心連線與動平臺上與其相應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等。在此基礎上，在第一主動鏈1和第二主動鏈2的兩個遠架桿9c、9d之間分別添加多個約束桿10，約束桿10垂直固接在兩個遠架桿9c、9d之間，使每條主動鏈的兩個遠架桿只能做繞端部兩球鉸鏈中心連線的旋轉運動。上述第一和第二被動鏈之間的傳動機構，可以是外嚙合齒輪組傳動機構、交叉皮帶輪傳動機構或齒形帶傳動機構，還可以是其他符合反向等比傳動的機構。
另外，第一主動鏈1和第二主動鏈2的兩個遠架桿并不限于上述結構，也可以采用如下結構第一主動鏈1和第二主動鏈2的兩個遠架桿9a、9b之間不加約束桿，個遠架桿的兩端分別與與其對應的主動鏈近架桿和動平臺直接通過轉動副連接，并且每條主動鏈近架桿上的轉動副軸線與動平臺U上與其相應的轉動副軸線相互平行。請參閱圖3，所述動平臺11包括四個角板12a d、四根邊桿13a d和四根平行桿1 d，所述邊桿和平行桿的有效長度相等，四個角板1 d對稱均布，并分別與所述四條支鏈中相應的一條支鏈的兩個遠架桿相連，每條支鏈的兩個遠架桿與對應角板連接形成下連接軸線。四根邊桿13a d依次通過轉動副相連，組成一個菱形結構。所述菱形結構的四個頂點分別通過轉動副與四個角板12a d連接，菱形結構的中心與四個角板形成的中心重合。在相鄰的兩個所述角板之間，均布置一根與形成菱形結構的邊桿平行的平行桿 14a、14b、14c、14d，每根所述平行桿的兩端均與對應所述角板通過轉動副連接。所述平行桿的布置必須保證相對的兩個角板上的下連接軸線相互平行，即相對的兩下連接軸線18a、 18c相互平行，相對的兩下連接軸線18b、18d相互平行，并且相鄰兩個角板上的下連接軸線垂直，即相鄰的兩根下連接軸線18a、18b相互垂直，相鄰的兩根下連接軸線18c、18b相互垂直，相鄰的兩根下連接軸線18a、18c相互垂直，相鄰的兩根下連接軸線18c、18d相互垂直。當在相對的兩個邊桿13a、13c或者相對的兩個邊桿13b、13d上布置一個由齒扇15 和齒輪16組成的角度放大機構時，在動平臺產生伸縮變形的相對運動時，可以使安裝在齒輪16上的末端執行器17產生一個旋轉運動。當在相對的兩個角板12a、12c或相對的兩個角板12b、12d上安裝一套夾持機構時，在動平臺11產生伸縮變形的相對運動時，可以產生一個夾持運動。
上述齒扇15和齒輪16相互嚙合，所述齒扇15固接在相對的兩個邊桿中的一個邊桿上，所述齒輪通過轉動副連接在相對的兩個邊桿中的另一個邊桿上。上述機構，在所述第一和第二主動鏈的約束下，所述動平臺整體有兩個在活動平面內的移動自由度，和一個繞垂直于該活動平面軸線的旋轉自由度；所述第三主動鏈和第四被動鏈約束所述動平臺繞所述活動平面軸線的旋轉自由度。所述第三主動鏈和第四被動鏈通過固接于相應近架桿的反向等比傳動裝置實現耦合運動，提供沿垂直動平臺活動平面方向的過約束作用。所述動平臺本身具有一個自由度的相對運動，在所述四條支鏈的協調作用下，實現對此自由度的獨立控制。保證機構整體具有三個自由度。本發明與現有技術相比，其不同點在于1)動平臺可實現三個自由度的運動，使此并聯機構的應用范圍擴大。2)動平臺上的局部自由度，可以通過四個支鏈的協調運行進行獨立控制。3)第三主動鏈和被動鏈通過近架桿上的反向等比傳動裝置實現了對動平臺的姿態約束和側向運動的過約束，可大大提高機構的側向剛度和動平臺的姿態保持能力，同時亦可改善機構的運動精度，為此類機器人在實際應用中發揮更好的運動特性提供結構基石出。4)該機構的末端執行器能夠實現多種構型，也可完成夾持和旋轉操作，為實際應用提供了多種選擇。該發明設計巧妙獨特，結構的剛性和穩定性好，運動靈活，受力均勻，精度較高，使用壽命長，易實現高速運動，且滿足復雜抓放操作的要求。并且多種動平臺的組合方式為實際應用提供了多種選擇。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
1.一種三自由度過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及在所述固定架和所述動平臺之間對稱均布的四條支鏈，每一條支鏈均包括一近架桿和與其相連的兩個平行且等長的遠架桿，其特征在于所述四條支鏈由相對布置的第一主動鏈和第二主動鏈以及相對布置的第三主動鏈和被動鏈組成；所述第一主動鏈和第二主動鏈結構相同，它們的近架桿分別由驅動裝置A和驅動裝置 B驅動，且它們的活動平面為同一平面；所述第三主動鏈和所述被動鏈結構相同并呈面對稱布置，所述第三主動鏈和所述被動鏈的活動平面分別與所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的活動平面相交；所述第三主動鏈的近架桿由驅動裝置C驅動，所述被動鏈的近架桿一端與所述固定架轉動連接；所述第三主動鏈和所述被動鏈通過連接在它們近架桿之間的反向等比傳動裝置連接；所述驅動裝置A、所述驅動裝置B和所述驅動裝置C均安裝在所述固定架上； 所述動平臺包括四個角板、四根邊桿和四根平行桿，邊桿和平行桿的有效長度相等； 四個角板對稱均布，并分別與所述四條支鏈中相應的一條支鏈的兩個遠架桿相連，每條支鏈的兩個遠架桿與對應角板連接形成下連接軸線，四根邊桿依次通過轉動副相連，組成一個菱形結構，菱形結構的四個頂點分別通過轉動副與四個角板連接，菱形結構的中心與四個角板形成的中心重合；在相鄰的兩個角板之間均布置一根與形成菱形結構的邊桿平行的平行桿，每根平行桿的兩端均與對應角板通過轉動副連接；相對的兩個角板上的下連接軸線相互平行，相鄰的兩個角板上的下連接軸線相互平行。
2.根據權利要求1所述的三自由度過約束并聯機構，其特征在于，所述第三主動鏈和所述被動鏈的兩個遠架桿的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應支鏈近架桿和所述動平臺連接，并且每條支鏈近架桿上的兩個球鉸鏈與動平臺上與其相應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等。
3.根據權利要求1或2所述的三自由度過約束并聯機構，其特征在于，所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的兩個遠架桿的兩端分別通過兩個球鉸鏈與相應主動鏈近架桿和所述動平臺連接，并且每條主動鏈的近架桿上的兩個球鉸鏈與動平臺上與其相應的兩個球鉸鏈的中心連線平行，且中心距相等；在所述第一主動鏈和所述第二主動鏈的兩個遠架桿之間添加有與它們垂直固接的多個約束桿。
4.根據權利要求1或2所述的三自由度過約束并聯機構，其特征在于，所述第一主動鏈和所述第二主動鏈兩個遠架桿的兩端分別與與其對應的主動鏈近架桿和所述動平臺通過轉動副連接，并且每條主動鏈近架桿上的轉動副軸線與動平臺上與其相應的轉動副軸線相互平行。
5.根據權利要求1所述的三自由度過約束并聯機構，其特征在于，所述反向等比傳動裝置為外嚙合齒輪組傳動機構、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
本發明公開了三自由度過約束并聯機構，包括固定架、動平臺以及連接在所述固定架和所述動平臺之間的三條主動鏈和一條被動鏈組成；第三主動鏈和被動鏈通過連接在它們近架桿之間的反向等比傳動裝置連接；所述動平臺包括四個角板、四根邊桿和四根平行桿，邊桿和平行桿的有效長度相等；四個角板對稱均布，并分別與四條支鏈中相應的一條支鏈的兩個遠架桿相連，四根邊桿依次通過轉動副相連，組成一個菱形結構，菱形結構的四個頂點分別通過轉動副與四個角板連接，菱形結構的中心與四個角板形成的中心重合；在相鄰的兩個角板之間均布置一根平行桿；相對的兩個角板上的下連接軸線相互平行，相鄰的兩個角板上的下連接軸線相互平行。本發明機構新穎，側向剛度好。
文檔編號B25J9/08GK102554918SQ20121000712
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