一种三自由度并联机器人机构.pdf

本发明涉及一种三自由度并联机构。提供一种降低了运动补偿的复杂程度，机构拥有更为简单的运动学的一种三自由度并联机器人机构。技术方案是：包括动平台、定平台和连接动平台与定平台的三条分支；该三条分支结构完全相同，其中左右两个分支的运动平面重合并关于动平台对称分布，中间分支的运动平面与左右分支的对称平面重合；每个分支设置一转动副、一连杆以及一球铰。

1.  一种三自由度并联机器人机构，包括动平台(4)、定平台(6)和连接动平台与定平台的三条分支；其特征在于该三条分支结构完全相同，其中左右两个分支的运动平面重合并关于动平台对称分布，中间分支的运动平面与左右分支的对称平面重合；每个分支设置一转动副、一连杆以及一球铰；并且，
每个分支还分别设置一由电机驱动的移动副；该移动副直接安装在定平台(6)上，动平台(4)依次通过所述球铰、连杆、转动副以及移动副与定平台连接；
或者，该移动副通过所述转动副连接在定平台(6)上，动平台(4)依次通过所述球铰、连杆、移动副以及转动副与定平台连接；
或者，每个分支还设置由电机驱动的第二转动副，该第二转动副通过转动副连接在定平台(6)上，动平台(4)依次通过所述球铰、连杆、第二转动副、第二连杆以及转动副与定平台连接。

2.  根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器人机构，其特征在于所述左右两个分支中的所有转动副的转动轴线均相互平行，中间分支的转动副的转动轴线与左右两个分支中的转动副的转动轴线垂直。

3.  根据权利要求1或2所述的一种三自由度并联机器人机构，其特征在于所述动平台(4)的下方垂直设置一刀具(5)，刀具末端与左右两个分支上的球铰中心三点共线。

4.  根据权利要求3所述的一种三自由度并联机器人机构，其特征在于所述转动副是轴孔配合的铰接结构。

一种三自由度并联机器人机构
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别是涉及一种三自由度并联机构。
背景技术
少自由度并联机器人的机构自由度数少于6。对于实际应用中大量要求自由度少于6的操作任务，多余的自由度增加了系统硬件、软件以及后期维护的复杂性，成本也相应增加。典型范例是目前广泛应用的Delta 3(代尔塔)自由度移动机器人。三自由度并联机器人的研究和应用近10年来一直受到国际相关学术界和工业界的高度关注，特别是少自由度并联机器人机构学中构型综合理论与设计方法更成为热点问题。王立平[CN200910086957.1]等人设计了一种并联三自由度主轴头驱动机构，可应用于机械制作领域；李研彪[CN200810162511.8]等设计了一种三自由度拟人并联机械臂，适合于拟人机器人等领域，完成一些较复杂的拟人操作。
两转一移并联机构是少自由度并联机构中的重要一类，可以实现空间的1个移动自由度和2个转动自由度，是少自由度并联机构中具有典型工程应用背景的一类，被用作望远镜聚焦装置、运动模拟器、微操作机械手、坐标测量机、加工中心的主轴头等。现有出版物上所公开的两转一移三自由度并联机构(如US6431802、WO0025976、ZL200610013608.3，EP1123175、CA2349579、DE59905578D、ES2198991T、ZL200710057179.4)都存在着运动学模型复杂的问题，导致实时控制、标定困难。
Carretero(卡雷特罗)等首先引入了3-PRS并联机构中伴随运动的概念，认为伴随运动是3-PRS并联机构被约束的自由度，即非独立的自由度上发生的小幅值运动。[PP]S类包括3-PRS、3-RPS、3-PPS和3-RRS四种机构，其中3-PRS表示由三个分支组成，且每个分支的运动副依次为P(移动副)、R(转动副)、S(球铰)，同理，有3-RPS、3-PPS和3-RRS 。[PP]S类并联机构的伴随运动为X、Y方向的两个移动和绕动平台法线的转动。伴随运动幅值虽小，却对[PP]S类并联机构的实际应用有重要影响。由于伴随运动是该机构固有特性，不能通过自身控制系统来补偿，则需要通过结构优化设计来尽量减少[PP]S类机构的伴随运动。
李秦川[CN200910097535.4]等提出了一种无伴随运动的两转一移三自由度的并联机构，其操作平台中心点处不存在伴随运动。然而，值得注意的是，该点处于运动副中，因而在工作中，很难成为实际的工作点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三自由度并联机构的改进，该机构应具有动平台上的刀具末端处仅一个伴随运动、运动学简单、易于控制及标定的特点，可应用于并联机器人和并联机床。
本发明提供的技术方案是：一种三自由度并联机器人机构，包括动平台、定平台和连接动平台与定平台的三条分支；其特征在于该三条分支结构完全相同，其中左右两个分支的运动平面重合并关于动平台对称分布，中间分支的运动平面与左右分支的对称平面重合；每个分支设置一转动副、一连杆以及一球铰；并且，
每个分支还分别设置一由电机驱动的移动副；该移动副直接安装在定平台上，动平台依次通过所述球铰、连杆、转动副以及移动副与定平台连接；或者，
每个分支还分别设置一由电机驱动的移动副；该移动副通过所述转动副连接在定平台上，动平台依次通过所述球铰、连杆、移动副以及转动副与定平台连接；或者，
每个分支还设置由电机驱动的第二转动副，该第二转动副通过转动副连接在定平台上，动平台依次通过所述球铰、连杆、第二转动副、第二连杆以及转动副与定平台连接。
所述左右两个分支中的所有转动副的转动轴线均相互平行，中间分支的转动副的转动轴线与左右两个分支中的转动副的转动轴线垂直。
所述动平台的下方垂直设置一刀具，刀具末端与左右两个分支上的球铰中心三点共线。
所述转动副是轴孔配合的铰接结构。
本发明的有益的效果是，由于减少了三自由度并联机构动平台刀具末端的伴随运动(只具有一个伴随运动，而常规的三自由度并联机构具有两个或三个伴随运动)，降低了运动补偿的复杂程度，机构拥有更为简单的运动学，使得该机构更加易于控制和标定，可应用于并联机器人和并联机床等场合。
附图说明
图1是本发明实施例1的3-PRS并联机构的结构示意图。
图2是本发明实施例2的3-RPS并联机构的结构示意图。
图3是本发明实施例3的3-RRS并联机构的结构示意图。
图中：1、一分支导轨，1-1、一分支滑块，1-2、一分支转动副，1-3、一分支连杆，1-4、一分支球铰，2、二分支导轨，2-1、二分支滑块，2-2、二分支转动副，2-3、二分支连杆，2-4、二分支球铰，3、三分支导轨，3-1、三分支滑块，3-2、三分支转动副，3-3、三分支连杆，3-4、三分支球铰，4、动平台，5、刀具，6、定平台，1-31、一分支滑管，2-31、二分支滑管，3-31、三分支滑管，1-311、一分支第二转动副，2-311、二分支第二转动副，3-311、三分支第二转动副，1-5、一分支第二连杆，2-5、二分支第二连杆，3-5、，三分支第二连杆。
具体实施方式
以下通过附图所示的实施例进一步说明。
三个附图所示的实施例，均包括动平台4、定平台6和连接动平台与定平台的三条分支；三条分支结构完全相同，其中左右两个分支的运动平面重合并关于动平台对称分布，中间分支的运动平面与左右分支的对称平面重合；每个分支至少设置一转动副、一连杆以及一球铰；刀具5位于动平台下方，并垂直于动平台；在此基础上各实施例的不同点是：
加上A：每个分支还分别设置一由电机驱动的移动副；该移动副直接安装在定平台上，动平台依次通过所述球铰、连杆以及转动副与移动副连接，动平台运动时有三个自由度。例如，第一分支设置一由电机(图中电机省略)驱动的一分支滑块1-1，该滑块直接在与定平台固定的一分支导轨1上滑动；动平台4依次通过一分支球铰1-4、一分支连杆1-3、一分支转动副1-2、一分支滑块1-1与固定在定平台上的一分支导轨1连接(第二分支、第三分支的结构也相同，不再细述)；并且：三个分支的导轨全部相互平行，左右两个分支中的所有转动副的转动轴线均相互平行，中间分支的转动副的转动轴线与左右两个分支中的转动副的转动轴线垂直，刀具末端、第二分支上的球铰、第三分支上的球铰三点共线。由此构成了图1所示实施例1。
或者加上B：每个分支还分别设置一由电机驱动的移动副，该移动副通过所述转动副连接在定平台上，动平台依次通过所述球铰、连杆、移动副以及转动副与定平台连接，动平台运动时有三个自由度。例如，第二分支设置一由电机(图中电机省略)驱动的移动副，该移动副通过所述二分支转动副2-2安装在定平台6上，动平台4依次通过所述二分支球铰2-4、二分支连杆2-3、二分支滑管2-31(二分支连杆2-3作为导轨与二分支滑管2-31组成移动副)、二分支转动副2-2与定平台连接(第二分支、第三分支的结构也相同，不再细述)。并且，左右两个分支中的所有转动副的转动轴线均相互平行，中间分支的转动副的转动轴线与左右两个分支中的转动副的转动轴线垂直，刀具末端、第二分支上的球铰、第三分支上的球铰三点共线。由此构成了图2所示实施例2。显然，实施例2与实施例1的不同点是移动副与转动副的连接次序相反，并且每一分支中的移动副的运动方向与其两端的转动副转动轴线、球铰的转动中心相交，各分支中的移动副的运动方向之间没有要求。
或者加上C：每个分支还设置由电机驱动的第二转动副，该第二转动副通过转动副连接定平台，动平台依次通过所述球铰、连杆、第二转动副、第二连杆、转动副与定平台连接，动平台运动时有三个自由度。例如：第一分支设置第二转动副1-311，第二转动副1-311通过一分支转动副1-2连接在定平台6上，动平台4依次通过一分支球铰1-4、一分支连杆1-3、一分支第二转动副1-311、一分支第二连杆1-5、以及一分支转动副1-2与定平台连接(第二分支、第三分支的结构也相同，不再细述)。并且，左右两个分支中的所有转动副的转动轴线均相互平行，中间分支的转动副的转动轴线与左右两个分支中的转动副的转动轴线垂直，刀具末端、第二分支上的球铰、第三分支上的球铰三点共线。由此构成了图3所示实施例3。
以上所述的全部转动副均为轴孔配合的铰接结构。并且，为图面清晰，图中所有转动副仅画出铰接孔，铰接轴均予省略。
另外，所述的电机，图中均省略不画。