專利名稱：二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，特別是一種二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)構(gòu)由固定平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及連接兩個(gè)平臺(tái)的多個(gè)分支機(jī)構(gòu)組成，其驅(qū)動(dòng)電機(jī) 可以固定在固定平臺(tái)上，減少了運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，且并聯(lián)機(jī)構(gòu)是多個(gè)構(gòu)件共同支撐運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，更易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化設(shè)計(jì)、高剛度以及運(yùn)動(dòng)的 高速。在近20年來(lái)受到越來(lái)越多的研究者和制造商的重視，并已應(yīng)用到機(jī)床、高精密 定位裝置、飛行模擬器、飛船對(duì)接、醫(yī)療機(jī)器人和微動(dòng)機(jī)械等眾多領(lǐng)域中。并聯(lián)機(jī)構(gòu)按自由度分類有二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、四自由度并聯(lián) 機(jī)構(gòu)、五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。當(dāng)自由度較多時(shí)，由其機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)， 存在運(yùn)動(dòng)耦合增強(qiáng)且工作空間與體積比變小，運(yùn)動(dòng)正解不封閉和標(biāo)定困難等問(wèn)題，而且 在醫(yī)藥、食品，以及微電子產(chǎn)品裝配等自動(dòng)化生產(chǎn)線上一些自動(dòng)裝置只需要較少的運(yùn)動(dòng) 自由度就可滿足要求，因此一些少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)受不少研究者關(guān)注，提出不少新的少 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并研究其應(yīng)用。二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)因其自由度少，運(yùn)動(dòng)封閉， 應(yīng)用廣泛，己成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。為保證二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作平移運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)有的技術(shù)方案多數(shù)是采用平行四邊形支鏈結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的平移運(yùn)動(dòng)。例如，CN1628939A、 CN2700064Y、 CN2693426Y 和CN2741730Y提出的二自由度移動(dòng)平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用平行四邊形支鏈來(lái)約束運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)只能作平面平移運(yùn)動(dòng)，這些方案可以很好地保證機(jī)構(gòu)的平移運(yùn) 動(dòng)，但是其克服垂直其運(yùn)動(dòng)平面的載荷能力不強(qiáng)，也就是說(shuō)在垂直運(yùn)動(dòng)平面的剛度不高。 這是由于平行四邊形機(jī)構(gòu)包含有四個(gè)軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副，在垂直平行四邊形運(yùn)動(dòng)平面的 力載荷作用下，組成平行四邊形的桿件將要承受彎矩作用，而且桿件越長(zhǎng)，所承受的彎 矩將越大，這將影響用其組成的二自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的剛度。為提高在垂直運(yùn) 動(dòng)平面的剛度，CN1817574A提出增加兩根被動(dòng)約束分支結(jié)構(gòu)，采用電磁式可控阻尼桿 來(lái)調(diào)節(jié)二自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度，但其結(jié)構(gòu)本質(zhì)上也是基于平行四邊形來(lái)構(gòu)造，所 提出方案既不能從結(jié)構(gòu)本質(zhì)上解決垂直運(yùn)動(dòng)平面的剛度低的問(wèn)題，同時(shí)又增加了控制的 難度和成本。CN1715009A提出的二自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)比較有特色，其沒(méi)有采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)二自由度平移運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)對(duì)滑臺(tái)的巧妙設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)造二自由 度平動(dòng)機(jī)構(gòu)，且輸出的運(yùn)動(dòng)解耦，由于也是通過(guò)平面結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的平移運(yùn)動(dòng)， 所有也存在在垂直運(yùn)動(dòng)平面的方向剛度不高這一缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)剛 度很高，同時(shí)在垂直于運(yùn)動(dòng)平面的方向的剛度也很高。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)導(dǎo)軌 設(shè)置在固定平臺(tái)上，該固定平臺(tái)與作兩自由度平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈連 接并形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)。每條運(yùn)動(dòng)支鏈包括運(yùn)動(dòng)滑塊以及連接該運(yùn)動(dòng)滑塊和固定平臺(tái) 的三個(gè)子約束支鏈，該三個(gè)子約束支鏈分別由與運(yùn)動(dòng)滑塊連接的虎克鉸、連桿和與運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)連接的虎克鉸組成，該三個(gè)子約束支鏈分布在導(dǎo)軌軸線的兩側(cè)，其中有兩個(gè)子約束 支鏈?zhǔn)遣贾迷趯?dǎo)軌軸線的一側(cè)，另一個(gè)子約束支鏈設(shè)置在導(dǎo)軌軸線的另一側(cè)；該三個(gè)子 約束支鏈的三個(gè)連桿長(zhǎng)度相等，每個(gè)子約束支鏈與運(yùn)動(dòng)滑塊相連的虎克鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線 分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連的虎克鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相互平行，與連桿相連的虎克鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸 線相互平行；與運(yùn)動(dòng)滑塊連接的第一虎克鉸的中心與第三虎克鉸中心的距離等于與運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)連接的第一虎克鉸中心與第三虎克鉸中心的距離；與運(yùn)動(dòng)滑塊連接的第一、第二、 第三虎克鉸的中心組成一個(gè)三角形，與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接的第一、第二、第三虎克鉸的中心 組成一個(gè)三角形，所述的兩個(gè)三角形相互平行但不全等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)采 用虎克鉸的運(yùn)動(dòng)約束來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成空間約束，抵抗各個(gè)方向的載荷能力都強(qiáng)，而采用平 行四邊形機(jī)構(gòu)的約束來(lái)保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有二自由度平移運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形成的約束相互平 行，抵抗多個(gè)方向的載荷能力不強(qiáng)，如垂直于運(yùn)動(dòng)平面的方向，因此在同等條件下本發(fā) 明的機(jī)構(gòu)具有更高的剛度。(2)本發(fā)明機(jī)構(gòu)連桿兩端為虎克鉸，使得連桿在外部載荷作 用下不再受彎矩作用，改善了機(jī)構(gòu)的受力狀況。當(dāng)通過(guò)連桿長(zhǎng)度增加來(lái)增大其工作空間 時(shí)，不需要加大連桿的幾何結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)保證其剛度，減少其幾何質(zhì)量，進(jìn)一步減小其慣 性載荷，這樣機(jī)構(gòu)的性能可以進(jìn)一步提升。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 四


圖1為本發(fā)明的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)施例1的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)施例2的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)施例3的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 五具體實(shí)施方式
結(jié)合圖l，本發(fā)明二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，固定平臺(tái)l保持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6 可作兩自由度平移運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)導(dǎo)軌2設(shè)置在固定平臺(tái)1上，該固定平臺(tái)1與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6 通過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈連接并形成封閉結(jié)構(gòu)。每條運(yùn)動(dòng)支鏈包括運(yùn)動(dòng)滑塊3以及連接該運(yùn)動(dòng) 滑塊3和固定平臺(tái)1的三個(gè)子約束支鏈，該三個(gè)子約束支鏈分別由與運(yùn)動(dòng)滑塊3連接的 虎克鉸41a、 42a、 43a、連桿51、 52、 53和與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6連接的虎克鉸41b、 42b、 43b 組成，該三個(gè)子約束支鏈分布在導(dǎo)軌2軸線的兩側(cè)，其中有兩個(gè)子約束支鏈?zhǔn)窃O(shè)置在平 行導(dǎo)軌2軸線的一側(cè)，另一個(gè)子約束支鏈設(shè)置在導(dǎo)軌2軸線的另一側(cè)；該三個(gè)子約束支 鏈的三個(gè)連桿51、 52、 53長(zhǎng)度相等，每個(gè)子約束支鏈與運(yùn)動(dòng)滑塊3相連的虎克鉸41a、 42a、 43a的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6相連的虎克鉸41b、 42b、 43b的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相 互平行，與連桿51、 52、 53相連的虎克鉸41a、 42a、 43a、 41b、 42b、 43b的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸 線相互平行；與運(yùn)動(dòng)滑塊3連接的第一虎克鉸41a的中心與第三虎克鉸43a中心的距離 等于與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6連接的第一虎克鉸41b中心與第三虎克鉸43b中心的距離；與運(yùn)動(dòng)滑 塊3連接的第一、第二、第三虎克鉸41a、 42a、 43a的中心組成一個(gè)三角形，與運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)6連接的第一、第二、第三虎克鉸41b、 42b、 43b的中心組成一個(gè)三角形，所述的兩 個(gè)三角形相互平行但不全等。其中， 一條運(yùn)動(dòng)支鏈的三個(gè)子約束支鏈與另一條運(yùn)動(dòng)支鏈 的三個(gè)子約束支鏈中的桿件長(zhǎng)度相同或不相同。通過(guò)三個(gè)子約束支鏈的約束，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)滑塊3的姿態(tài)保持一 致，而運(yùn)動(dòng)滑塊3只能在固定平臺(tái)1上滑動(dòng)，不能改變姿態(tài)，這樣確保運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6可實(shí) 現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)；通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)滑塊3，改變兩個(gè)運(yùn)動(dòng)滑塊3在固定平臺(tái)1上的位置， 并通過(guò)支鏈的約束，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6的位置發(fā)生變化。實(shí)施例l。本發(fā)明二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，除了上述結(jié)構(gòu)相同外，通過(guò)驅(qū)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)滑塊3，使運(yùn)動(dòng)滑塊3在固定平臺(tái)1上的運(yùn)動(dòng)軸線重合的兩導(dǎo)軌2上平移運(yùn)動(dòng)，通 過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈的約束，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6可實(shí)現(xiàn)二自由度平移運(yùn)動(dòng)，如圖l。實(shí)施例2。本發(fā)明二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，除了上述結(jié)構(gòu)相同外，兩導(dǎo)軌2的運(yùn)動(dòng)軸線相互平行，因此運(yùn)動(dòng)滑塊3的運(yùn)動(dòng)方向是相互平行，如圖2。實(shí)施例3。本發(fā)明二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，除了上述結(jié)構(gòu)相同外，與運(yùn)動(dòng)滑 塊3連接的第一、第二、第三虎克鉸41a、 42a、 43a的中心組成一個(gè)三角形，與運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)6連接的第一、第二、第三虎克鉸41b、 42b、 43b的中心組成一個(gè)三角形，所述的兩 個(gè)三角形與兩導(dǎo)軌2的運(yùn)動(dòng)軸線相互平行或不平行，如圖3。如通過(guò)對(duì)虎克鉸的組成的 平面與導(dǎo)軌軸線方向不平行布置，約束子支鏈的運(yùn)動(dòng)范圍能更大一些，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不 會(huì)因虎克鉸的運(yùn)動(dòng)干涉而縮小運(yùn)動(dòng)范圍。
權(quán)利要求
1、一種二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于兩個(gè)導(dǎo)軌[2]設(shè)置在固定平臺(tái)[1]上，該固定平臺(tái)[1]與作兩自由度平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]通過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈連接，每條運(yùn)動(dòng)支鏈包括運(yùn)動(dòng)滑塊[3]以及連接該運(yùn)動(dòng)滑塊[3]和固定平臺(tái)[1]的三個(gè)子約束支鏈，該三個(gè)子約束支鏈分別由與運(yùn)動(dòng)滑塊[3]連接的虎克鉸[41a、42a、43a]、連桿[51、52、53]和與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]連接的虎克鉸[41b、42b、43b]組成，該三個(gè)子約束支鏈分布在導(dǎo)軌[2]軸線的兩側(cè)，其中有兩個(gè)子約束支鏈在導(dǎo)軌[2]軸線一側(cè)設(shè)置，另一個(gè)子約束支鏈設(shè)置在導(dǎo)軌[2]軸線的另一側(cè)；該三個(gè)子約束支鏈的三個(gè)連桿[51、52、53]長(zhǎng)度相等，每個(gè)子約束支鏈與運(yùn)動(dòng)滑塊[3]相連的虎克鉸[41a、42a、43a]的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]相連的虎克鉸[41b、42b、43b]的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相互平行，與連桿[51、52、53]相連的虎克鉸[41a、42a、43a、41b、42b、43b]的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相互平行；與運(yùn)動(dòng)滑塊[3]連接的第一虎克鉸[41a]的中心與第三虎克鉸[43a]中心的距離等于與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]連接的第一虎克鉸[41b]中心與第三虎克鉸[43b]中心的距離；與運(yùn)動(dòng)滑塊[3]連接的第一、第二、第三虎克鉸[41a、42a、43a]的中心組成一個(gè)三角形，與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]連接的第一、第二、第三虎克鉸[41b、42b、43b]的中心組成一個(gè)三角形，所述的兩個(gè)三角形相互平行但不全等。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于通過(guò)驅(qū)動(dòng)運(yùn) 動(dòng)滑塊[3]，使運(yùn)動(dòng)滑塊[3]在固定平臺(tái)[1]上的運(yùn)動(dòng)軸線重合的兩導(dǎo)軌[2]上平移運(yùn)動(dòng)，通 過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈的約束，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[6]實(shí)現(xiàn)二自由度平移運(yùn)動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于兩導(dǎo)軌[2] 的運(yùn)動(dòng)軸線相互平行。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于與運(yùn) 動(dòng)滑塊[3]連接的第一、第二、第三虎克鉸[41a、 42a、 43a]的中心組成一個(gè)三角形，與運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)[6]連接的第一、第二、第三虎克鉸[41b、 42b、 43b]的中心組成一個(gè)三角形，所 述的兩個(gè)三角形與兩導(dǎo)軌[2]的運(yùn)動(dòng)軸線相互平行或不平行。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于 一條 運(yùn)動(dòng)支鏈的三個(gè)子約束支鏈中的桿件與另一條運(yùn)動(dòng)支鏈的三個(gè)子約束支鏈中的桿件長(zhǎng) 度相同或不相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的固定平臺(tái)與作兩自由度平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈連接，形成封閉結(jié)構(gòu)；每條運(yùn)動(dòng)支鏈包括運(yùn)動(dòng)滑塊以及連接該運(yùn)動(dòng)滑塊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)子約束支鏈組成，每個(gè)子約束支鏈分別由虎克鉸、連桿和虎克鉸串接而成，并且都并接在運(yùn)動(dòng)滑塊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間，然后再與運(yùn)動(dòng)滑塊串接形成一條運(yùn)動(dòng)支鏈。本發(fā)明的二自由度平移運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用虎克鉸的運(yùn)動(dòng)約束來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成空間約束，連桿不再受彎矩作用，改善了機(jī)構(gòu)的受力狀況，提高了機(jī)構(gòu)的剛度。
文檔編號(hào)B25J9/16GK101224578SQ200810018948
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者丁武學(xué), 宇 孫, 彭斌彬, 黃曉華 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)