專利名稱：一種四自由度全解耦并聯機器人機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人領域，尤其是一種四自由度全解耦并聯機器人機構。
背景技術：
并聯機器人機構是近幾十年來機構學和機器人領域研究的熱點之一。相對于串聯機構，并聯機構具有承載能力強、精度高、剛度大、速度響應快和自重負荷比小等優點。因此，并聯機器人機構在工業機器人、并聯機床、醫療機器人、微操作機器人等領域具有廣闊的應用前景。早期的并聯機器人機構研究大多集中于六自由度并聯機構，Steward機構是典型的例子。六自由度并聯機構具有較高的承載能力，能應用于運動復雜的場合。但此類機構運動學耦合性強，造成機構的有效工作空間相對較小，同時軌跡規劃和控制設計也較為困難，且很多領域并不需要機構具有六個自由度。因此，近些年來少自由度并聯機器人機構得到了較多的關注。·少自由度并聯機器人機構具有結構簡單、控制較為容易、制造成本低等特點。三自由度并聯機器人機構得到了較多的研究，國際上已有多種三自由度并聯機器人機構得到了實際應用，如Delta機構、Star機構、Agile Eye機構等。目前對于四、五自由度并聯機器人機構得到的研究則相對較少。我國不少機構學者已設計出諸多新型并聯機器人機構，并申請了相關專利，如申請號為:200610151078. 9，200920032890. 9，200710063054. 2，200710057179. 4，201010225502. 6的中國專利。對于一般的并聯機器人機構，其運動學耦合性都較強，導致運動學解有多組和工作空間減小，且使得機構軌跡規劃和精度控制困難。因此如何設計運動學解耦性好、控制簡單的并聯機器人機構已成為該領域研究的新課題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種四自由度全解耦并聯機器人機構，以解決現有的并聯機器人機構的運動學解耦性差的問題。為了解決上述問題，本發明的一種四自由度全解耦并聯機器人機構采用以下技術方案一種四自由度全解耦并聯機器人機構，其特征在于包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，動平臺采用臺面板，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；
第一分支運動鏈包括一個閉回路結構、第十一傳動臂和設在第十一傳動臂上的第十三轉動副，閉回路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成，第一子分支運動鏈從定平臺至第十一傳動臂依次串聯有第一移動副、第二移動副及第三轉動畐0，第一移動副與第二移動副之間通過第二傳動臂連接，第二移動副與第三轉動副之間通過第三傳動臂連接，第一移動副的軸線、第二移動副的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直，它們分別與xyz坐標系的X軸、Y軸和Z軸對應平行，其中第一移動副為主動副；閉回路結構的第二子分支運動鏈包括從定平臺至第十一傳動臂依次串聯的第四移動畐O、第五轉動副、第六轉動副、第七轉動副及第八轉動副，第四移動副與第五轉動副之間通過第四傳動臂連接，第五轉動副與第六轉動副之間通過第五傳動臂連接，第六轉動副與第七轉動副之間通過第六傳動臂連接，第七轉動副與第八轉動副之間通過第七傳動臂連接，其中第四移動副的軸線、第五轉動副的軸線、第六轉動副的軸線以及第七轉動副的軸線均相互平行且與第八轉動副的轉動軸線垂直，第一移動副的軸線與xyz坐標系中的X軸平行，第四移動副與xyz坐標系中的Y軸平行，第八轉動副的軸線與第三轉動副的軸線共線，其中第四移動副為主動副；
閉回路結構的第三子分支運動鏈包括從定平臺至閉回路結構第十一傳動臂依次串聯的第九轉動副、第十虎克鉸、第十一移動副及第十二虎克鉸，第九轉動副與第十虎克鉸之間通過第八傳動臂連接，第十虎克鉸與第十一移動副之間通過第九傳動臂連接，第十一移動副與第十二虎克鉸之間通過第十傳動臂連接，其中第十虎克鉸中與第八傳動臂連接的轉動軸與第九轉動副的軸線垂直，二者中第九轉動副的軸線與xyz坐標系的Z軸平行，第十二虎克鉸中與第十傳動臂連接的轉動軸和第十虎克鉸中與第九傳動臂連接的轉動軸互相平行，第十虎克鉸中與第八傳動臂連接的轉動軸和第十二虎克鉸中與第十一傳動臂連接的轉動軸互相平行，其中第九轉動副為主動副； 第一子分支運動鏈的第三轉動副、第二子分支運動鏈的第八轉動副以及第三子分支運動鏈的第十二虎克鉸均通過第十一傳動臂與第十三轉動副連接；第三轉動副與第八轉動副的軸線共線且與第十三轉動副的軸線垂直；第十三轉動副與動平臺相連；
第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第十四移動副、第十五轉動畐O、第十六轉動副、第十七轉動副和第十八轉動副，第十四移動副與第十五轉動副之間通過第十二傳動臂連接，第十五轉動副與第十六轉動副之間通過第十三傳動臂連接，第十六轉動副與第十七轉動副之間通過第十四傳動臂連接，第十七轉動副與第十八轉動副之間通過第十五傳動臂連接，第十四移動副、第十五轉動副、第十六轉動副及第十七轉動副的軸線均與xyz坐標系的Z軸平行，第十八轉動副的軸線與第十三轉動副的軸線互相平行，其中第十四移動副為主動副。由于本發明的四自由度全解耦并聯機器人機構的動平臺具有所述的第一分支運動鏈(混合運動鏈)及第二分支運動鏈(條單開鏈)，所述的第一移動副、第四移動副、第九轉動副和第十四移動副為主動副；第一移動副的軸線、第四移動副的軸線及第九轉動副的軸線兩兩相互垂直，所述第九轉動副軸線與第十四移動副軸線相互平行；所述的與動平臺相連的第十三轉動副和第十八轉動副軸線相互平行，因此，本發明動平臺可實現二維移動二維轉動輸出，且非期望輸出運動為常數；機構速度雅可比矩陣為4X4對角陣，故所述機構動平臺的輸出速度與主動關節的輸入速度之間存在一一對應控制關系，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現有的機器人機構的運動學解耦性差的問題。


圖I是本發明的一種四自由度全解耦并聯機器人機構的實施例I的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的一種自由度全解耦并聯機器人機構的實施例1，如圖I所示，包括定平臺I、動平臺20以及連接定平臺I和動平臺20的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，動平臺20采用臺面板，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈。第一分支運動鏈包括一個閉回路結構、第十一傳動臂11和設在第十一傳動臂11上的第十三轉動副R13，閉回路結構由三條子分支運動鏈組成，此處將其分為第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈，第一子分支運動鏈從定平臺I至第十一傳動臂11依次串聯有第一移動副PU第二移動副P2及第三轉動副R3，第一移動副Pl與第二移動副P2之間通過第二傳動臂2連接，第二移動副P2與第三轉動副R3之間通過第三傳動臂3連接，第一移動副Pl的軸線、第二移動副P2的軸線及第三轉動副R3的軸線兩兩相互垂直，它們分別與xyz坐標系的X軸、Y軸和Z軸對應平行，其中第一移動副Pl為主動副。閉回路結構的第二子分支運動鏈包括從定平臺I至第十一傳動臂11依次串聯的第四移動副P4、第五轉動副R5、第六轉動副R6、第七轉動副R7及第八轉動副R8，第四移動副P4與第五轉動副R5之間通過第四傳動臂4連接，第五轉動副R5與第六轉動副R6之間通過第五傳動臂5連接，第六轉動副R6與第七轉動副R7之間通過第六傳動臂6連接，第七 轉動副R7與第八轉動副R8之間通過第七傳動臂7連接，其中第四移動副P4的軸線、第五轉動副R5的軸線、第六轉動副R6的軸線以及第七轉動副R7的軸線均相互平行且與第八轉動副R8的轉動軸線垂直，第一移動副Pl的軸線與xyz坐標系中的X軸平行，第四移動副P4與xyz坐標系中的Y軸平行，第八轉動副R8的軸線與第三轉動副R3的軸線共線，其中第四移動副P4為王動副。閉回路結構的第三子分支運動鏈包括從定平臺I至閉回路結構第十一傳動臂11依次串聯的第九轉動副R9、第十虎克鉸U10、第i^一移動副Pll及第十二虎克鉸U12，第九轉動副R9與第十虎克鉸UlO之間通過第八傳動臂8連接，第十虎克鉸UlO與第i^一移動副Pll之間通過第九傳動臂9連接，第十一移動副Pll與第十二虎克鉸U12之間通過第十傳動臂10連接，其中第十虎克鉸UlO中與第八傳動臂8連接的轉動軸U10-1與第九轉動副R9的軸線垂直，二者中第九轉動副R9的軸線與xyz坐標系的Z軸平行，第十二虎克鉸U12中與第i^一傳動臂11連接的轉動軸U12-1與轉動軸UlO-I互相平行，第十虎克鉸UlO中與第九傳動臂9連接的轉動軸U10-2與第十二虎克鉸U12的與第十傳動臂10連接的轉動軸U12-2互相平行，其中第九轉動副R9為主動副。第一子分支運動鏈的第三轉動副R3、第二子分支運動鏈的第八轉動副R8以及第三子分支運動鏈的第十二虎克鉸U12均通過第十一傳動臂11與第十三轉動副R13連接；第三轉動副R3與第八轉動副R8的軸線共線且與第十三轉動副R13的軸線垂直；第十三轉動副R13與動平臺20相連。第二分支運動鏈包括從所述定平臺I至動平臺20依次串聯的第十四移動副P14、第十五轉動副R15、第十六轉動副R16、第十七轉動副R17和第十八轉動副R18，第十四移動副P14與第十五轉動副R15之間通過第十二傳動臂12連接，第十五轉動副R15與第十六轉動副R16之間通過第十三傳動臂13連接，第十六轉動副R16與第十七轉動副R17之間通過第十四傳動臂14連接，第十七轉動副R17與第十八轉動副R18之間通過第十五傳動臂15連接，第十四移動副P14、第十五轉動副R15、第十六轉動副R16及第十七轉動副R17的軸線均與xyz坐標系的Z軸平行，第十八轉動副R18的軸線第十三轉動副R13的軸線互相平行，其中第十四移動副P14為主動副。
本發明的四自由度全解耦并聯機器人機構在工作過程中，當需要動平臺在X方向往復運動時，可通過驅動所述第一移動副來驅動所述動平臺，在此過程中，所述的第二子分支運動鏈、第三子分支運動鏈及第二分支運動鏈做適應性運動；當需要所述動平臺在Y方向做往復運動時，可通過所述第四移動副來驅動所述動平臺，此過程中，所述第一子分支運動鏈、第三子分支運動鏈和第二分支運動鏈做適應性運動；當需要所述動平臺繞Z軸轉動時，通過第九轉動副來驅動所述動平臺，與此同時，所述第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈及第二分支運動鏈做適應性運動；當需要所述動平臺繞第十三轉動副的軸線轉動時，可通過第十四移動副驅動所述動平臺，最終實現本發明的四自由度全解耦并聯機器人機構的“二維移動和二維轉動”。由于本發明的一種四自由度全解耦并聯機器人機構的動平臺具有所述的第一分支運動鏈(混合鏈)和第二分支運動鏈(單開鏈)，所述的第一移動副、第四移動副、第九轉動副和第十四移動副為主動副，第一移動副的軸線、第四移動副的軸線及第九轉動副的軸線兩兩相互垂直，所述第九轉動副軸線與第十四移動副軸線相互平行；所述第一子分支運動鏈的第三轉動副、第二子分支運動鏈的第八轉動副、第三子分支運動鏈的第十二虎克鉸通過第十一傳動臂與第十三轉動副連接；所述第三轉動副與第八轉動副的軸線共線且與第十三轉動副的軸線垂直；所述第十三轉動副與第十八轉動副的軸線相互平行，因此機構動平臺可實現二維移動二維轉動輸出，非期望輸出運動為常數；機構雅可比矩 陣為4X4單位陣，故所述機構動平臺的輸出速度與主動關節的輸入速度之間存在一一對應控制關系，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器控制，解決了一般并聯機器人機構的運動學解耦性差的問題。該機構可作為工業機器人、醫療機器人和微操作機器人的末端執行機構，實現二維移動和二維轉動的操作動作。
權利要求
1. 一種四自由度全解耦并聯機器人機構，其特征在于包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，動平臺采用臺面板，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈； 第一分支運動鏈包括一個閉回路結構、第十一傳動臂和設在第十一傳動臂上的第十三轉動副，閉回路結構由第一子分支運動鏈、第二子分支運動鏈和第三子分支運動鏈組成，第一子分支運動鏈從定平臺至第十一傳動臂依次串聯有第一移動副、第二移動副及第三轉動畐IJ，第一移動副與第二移動副之間通過第二傳動臂連接，第二移動副與第三轉動副之間通過第三傳動臂連接，第一移動副的軸線、第二移動副的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直，它們分別與xyz坐標系的X軸、Y軸和Z軸對應平行，其中第一移動副為主動副；閉回路結構的第二子分支運動鏈包括從定平臺至第十一傳動臂依次串聯的第四移動畐O、第五轉動副、第六轉動副、第七轉動副及第八轉動副，第四移動副與第五轉動副之間通過第四傳動臂連接，第五轉動副與第六轉動副之間通過第五傳動臂連接，第六轉動副與第七轉動副之間通過第六傳動臂連接，第七轉動副與第八轉動副之間通過第七傳動臂連接，其中第四移動副的軸線、第五轉動副的軸線、第六轉動副的軸線以及第七轉動副的軸線均相互平行且與第八轉動副的轉動軸線垂直，第一移動副的軸線與xyz坐標系中的X軸平行，第四移動副與xyz坐標系中的Y軸平行，第八轉動副的軸線與第三轉動副的軸線共線，其中第四移動副為主動副； 閉回路結構的第三子分支運動鏈包括從定平臺至閉回路結構第十一傳動臂依次串聯的第九轉動副、第十虎克鉸、第十一移動副及第十二虎克鉸，第九轉動副與第十虎克鉸之間通過第八傳動臂連接，第十虎克鉸與第十一移動副之間通過第九傳動臂連接，第十一移動副與第十二虎克鉸之間通過第十傳動臂連接，其中第十虎克鉸中與第八傳動臂連接的轉動軸與第九轉動副的軸線垂直，二者中第九轉動副的軸線與xyz坐標系的Z軸平行，第十二虎克鉸中與第十傳動臂連接的轉動軸和第十虎克鉸中與第九傳動臂連接的轉動軸互相平行，第十虎克鉸中與第八傳動臂連接的轉動軸和第十二虎克鉸中與第十一傳動臂連接的轉動軸互相平行，其中第九轉動副為主動副； 第一子分支運動鏈的第三轉動副、第二子分支運動鏈的第八轉動副以及第三子分支運動鏈的第十二虎克鉸均通過第十一傳動臂與第十三轉動副連接；第三轉動副與第八轉動副的軸線共線且與第十三轉動副的軸線垂直；第十三轉動副與動平臺相連； 第二分支運動鏈包括從所述定平臺至動平臺依次串聯的第十四移動副、第十五轉動畐O、第十六轉動副、第十七轉動副和第十八轉動副，第十四移動副與第十五轉動副之間通過第十二傳動臂連接，第十五轉動副與第十六轉動副之間通過第十三傳動臂連接，第十六轉動副與第十七轉動副之間通過第十四傳動臂連接，第十七轉動副與第十八轉動副之間通過第十五傳動臂連接，第十四移動副、第十五轉動副、第十六轉動副及第十七轉動副的軸線均與xyz坐標系的Z軸平行，第十八轉動副的軸線與第十三轉動副的軸線互相平行，其中第十四移動副為主動副。
全文摘要
本發明涉及一種四自由度全解耦并聯機器人機構，包括定平臺、動平臺以及連接定平臺和動平臺的第一、第二分支運動鏈，動平臺采用臺面板，第一分支運動鏈為混合鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；第一分支運動鏈包括一個閉回路結構、第十一傳動臂和設在第十一傳動臂上的第十三轉動副，閉回路結構由第一、第二和第三子分支運動鏈組成；本發明動平臺可實現二維移動二維轉動輸出，且非期望輸出運動為常數；機構速度雅可比矩陣為4×4對角陣，故所述機構動平臺的輸出速度與主動關節的輸入速度之間存在一一對應控制關系，即動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器控制，大大地減少了各分支運動鏈之間的相互影響，解決了現有的并聯機器人機構的運動學解耦性差的問題。
文檔編號B25J9/00GK102896628SQ20121036595
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者張彥斌, 吳鑫, 李一帆, 黨玉功, 張樹乾 申請人:河南科技大學