非對稱全解耦四自由度并聯機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機器人空間機構【技術領域】，尤其是一種非對稱全解耦四自由度并聯機構。該機構包括定平臺、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，第一分支運動鏈為混合運動鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；第一分支運動鏈包括一個空間閉回路結構和第十三轉動副，空間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；第二分支運動鏈中包含一個平行四邊形結構；機構的速度雅可比矩陣為4×4對角陣，故所述機構主動副的輸入速度與動平臺的輸出速度之間存在一對一的控制關系，即動平臺的一個輸出運動只需一個主動副的主動輸入控制，解決了一般并聯機構的運動學解耦性差、控制難度大、軌跡規(guī)劃復雜的問題。
【專利說明】 非對稱全解耦四自由度并聯機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人空間機構【技術領域】，尤其是一種非對稱全解耦四自由度并聯機構。
【背景技術】
[0002]并聯機構因其具有精度高、剛度大、承載能力強、動態(tài)性能好和自重負荷比小等優(yōu)點，在并聯機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療機器人、微操作機器人等領域具有廣闊的應用前景。而相對與6自由度并聯機構，少自由度并聯機構具有結構簡單、控制較為容易等特點，因此少自由并聯機構已成為機構學和機器人領域研究的熱點之一，尤其是三自由度并聯機構得到了最多的研究，并設計出多種實用性強的機構，如DeIta機構、Star機構、Angi Ie Eye機構等。目前，四自由度并聯機構中的三維運動一維轉動、三維轉動一維移動兩種類型得到較多關注，我國機構學者已設計出諸多新型此類機構，如申請?zhí)枮?201310163678，201210094275，201010507587, 200910096797, 201210094301的中國專利。而對于二維移動和二維轉動并聯機構，得到的研究和關注則相對較少。
[0003]對于一般的并聯機構，其運動學耦合性都較強，導致運動學解多、工作空間減小、控制設計難等問題，這也嚴重影響了并聯機構的實際推廣和應用。尤其是對于同時具有移動和轉動運動輸出特性的并聯機構，兩種輸出運動間也存在耦合關系，使得機構軌跡規(guī)劃和控制設計更為困難。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種非對稱全解耦四自由度并聯機構，以解決一般并聯機構的運動學解耦性差、控制設計困難的問題。
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的非對稱全解耦四自由度并聯機構采用以下技術方案:非對稱全解耦四自由度并聯機構，該機構包括定平臺、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，第一分支運動鏈為混合運動鏈，第二分支運動鏈為單開鏈；
所述第一分支運動鏈包括一個空間閉回路結構和第十三轉動副，所述空間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；
第一子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第一移動副、第二移動副及第三轉動副，所述第一移動副的軸線、第二移動副的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直；第一移動副與第二移動副之間通過第一連桿連接，第二移動副與第三轉動副之間通過第二連桿連接；
第二子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第四移動副、第五移動畐O、第六轉動副、第七轉動副及第八轉動副，所述第四移動副的軸線、第六轉動副的軸線及第七轉動副的軸線相互平行，所述第五移動副的軸線與第八轉動副的軸線互相平行且均與所述第七轉動副的軸線垂直，所述第四移動副與第五移動副之間通過第三連桿連接，第五移動副與第六轉動副之間通過第四連桿連接，第六轉動副與第七轉動副之間通過第四連桿連接，第七轉動副與第八轉動副之間通過第六連桿連接；
第三子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第九轉動副、第十萬向鉸、第十一轉動副及第十二萬向鉸，第十萬向鉸和第十二萬向鉸分別具有各自的第一轉動副和第二轉動副，第十萬向鉸的第一轉動副的軸線與第十二萬向鉸的第一轉動副的軸線相互平行，所述第十一轉動副、第十萬向鉸的第二轉動副的軸線和第十二萬向鉸的第二轉動副的軸線相互平行，所述第九轉動副與第十萬向鉸之間通過第七連桿連接，第十萬向鉸與第H^一轉動副之間通過第八連桿連接，第十一轉動副與第十二萬向鉸之間通過第九連桿連接，其中第十萬向鉸的第一轉動副與第七連桿連接、第二轉動副與第八連桿連接，第十二萬向鉸的第一轉動副與第九連桿連接、第二轉動副與第十連桿連接；
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和第三子分支運動鏈的第十二萬向鉸均通過第十連桿與第十三轉動副連接，所述第三轉動副的軸線與第八轉動副的軸線重合并與第十三轉動副的軸線垂直；
所述第二分支運動鏈包括由定平臺至動平臺依次設置的第十四圓柱副、第十五轉動畐O、第十六平行四邊形結構和第十七轉動副，所述平行四邊形結構由四個軸線平行的轉動副組成，第十六平行四邊形結構通過一條邊與動平臺連接，所述第十四圓柱副的軸線與第十五轉動副的軸線相互平行且垂直于所述第十六平行四邊形結構平面，所述第十七副的軸線與第十六平行四邊形結構的、與動平臺連接的邊平行或重合，所述第十四圓柱副和第十五轉動副之間通過第十一連桿 連接，第十五轉動副和第十六平行四邊形結構之間通過第十二連桿連接；
所述第十三轉動副與動平臺相連，且第十三轉動副的軸線與第十七轉動副的軸線平行；所述第一移動副的軸線、第四移動副的軸線和第九轉動副的軸線兩兩相互垂直，所述第九轉動副的軸線與第十四圓柱副的軸線相互平行，所述第一移動副、第四移動副、第九轉動副與第十四圓柱副為主動副。
[0006]本發(fā)明的非對稱全解耦四自由度并聯機構的所述第一分支運動鏈中的第一移動畐O、第四移動副、第九轉動副和第二分支運動鏈中的第十四圓柱副安裝在所述的定平臺上，且被選取為主動副；所述第一移動副軸線、第四移動副軸線和第九轉動副軸線兩兩相互垂直，所述十四圓柱副軸線與第九轉動副軸線相互平行；所述第十三轉動副和第十七轉動副與動平臺相連，且它們的軸線相互平行，因此本發(fā)明的并聯機構動平臺可實現二維移動二維轉動輸出運動；機構的速度雅可比矩陣為4X4對角陣，故所述機構主動副的輸入速度與動平臺的輸出速度之間存在一對一的控制關系，即動平臺的一個輸出運動只需一個主動副的主動輸入控制，避免各分支運動鏈之間的相互影響，解決了一般并聯機構的運動學解耦性差、工作空間小、控制難度大的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是非對稱全解耦四自由度并聯機構的實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]非對稱全解耦四自由度并聯機構的實施例，如圖1所示，該機構包括定平臺20、動平臺30以及連接定平臺20和動平臺30的第一分支運動鏈和第二分支運動鏈，動平臺30采用臺面板，第一分支運動鏈為混合運動鏈、第二條分支運動鏈為單開鏈。
[0009]第一分支運動鏈包括一個空間閉回路結構和第十三轉動副R13，所述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。
[0010]第一子分支運動鏈包括由定平臺20至空間閉回路結構輸出構件第十連桿10依次串聯的第一移動副P1、第二移動副P2及第三轉動副R3，各運動副之間依次由第一連桿1、第二連桿2連接，所述第一移動副P1、第二移動副P2及第三轉動副R3的軸線兩兩相互垂直，其中第一移動副Pl為主動副。
[0011]第二子分支運動鏈包括從定平臺20至第十連桿10依次串聯的第四移動副P4、第五移動副P5、第六轉動副R6、第七轉動副R7及第八轉動副R8，各運動副之間依次由第三連桿3、第四連桿4、第五連桿5、第六連桿6連接，第四移動副P4的軸線、第六轉動副R6的軸線及第七轉動副R7的軸線相互平行，第五移動副P5的軸線與第八轉動副R8的軸線平行且與第七轉動副R7的軸線垂直，其中第四移動副P4為主動副。 [0012]第三子分支運動鏈包括從定平臺20至第十連桿10依次串聯的第九轉動副R9、第十萬向鉸U10、第十一轉動副Rll及第十二萬向鉸U12，各運動副之間依次分別由第七連桿7、第八連桿8、第九連桿9連接，第九轉動副R9軸線與第十萬向鉸UlO第一轉動副UlO-1的軸線垂直，第十萬向鉸UlO的第一轉動副UlO-1的軸線與第十二萬向鉸U12的第一轉動副U12-1的軸線平行，第十虎克鉸UlO的第二轉動副UlO-1I的軸線、第十一轉動副Rll的軸線及第十二萬向鉸U12的第二轉動副U12-1I的軸線平行，其中第十萬向鉸UlO的第一轉動副UlO-1與第七連桿7連接、第二轉動副UlO-1I與第八連桿8連接，第十二萬向鉸U12的第一轉動副U12-1與第九連桿9連接、第二轉動副U12-1I與第十連桿10連接；第九轉動副R9為王動副。
[0013]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、第三子分支運動鏈的第十二虎克鉸U12通過第十連桿10與第十三轉動副R13連接；第三轉動副R3的軸線與第八轉動副R8的軸線重合且均與第十三轉動副R13的軸線垂直。
[0014]第二分支運動鏈包括從定平臺20至動平臺30依次串聯的第十四圓柱副C14、第十五轉動副R15、第十六平行四邊形結構Pal6和第十七轉動副R17，第十六平行四邊形結構Pal6由四個軸線平行的轉動副a、轉動副b、轉動副c和轉動副d組成，第十四圓柱副C14與第十五轉動副R15之間、第十五轉動副R15和第十六平行四邊形結構Pal6之間分別由第十一連桿和第十二連桿連接，第十四圓柱副C14軸線與第十五轉動副R15軸線相互平行且垂直于所述第十六平行四邊形結構Pal6平面，所述第十七轉動副R17軸線與第十六平行四邊形結構Pal6的Cd邊重合(其它實施例中還可以為平行)，其中第十四圓柱副C14為主動畐Ij，且以其移動自由度為主動輸入。
[0015]第一移動副P1、第四移動副P4和第九轉動副R9的軸線兩兩相互垂直，第十四圓柱副C14與第九轉動副R9的軸線相互平行。
[0016]第十三轉動副R13軸線與第十七轉動副R17軸線相互平行，且所述兩轉動副與動平臺30相連。
[0017]本發(fā)明的非對稱全解耦四自由度并聯機構在工作過程中，當驅動第一移動副、第四移動副、第九轉動副和第十四圓柱副時，所述動平臺可實現空間二維移動二維轉動輸出。機構速度雅可比矩陣為4X4單位陣，故機構的輸出運動間不存在耦合性，所述動平臺的輸出速度與主動關節(jié)的輸入速度之間存在一對一映射關系，動平臺的一個運動輸出只需一個驅動器輸入控制，這解決了一般并聯機構運動學耦合性強、控制設計困難等問題。所述機構可作為醫(yī)療機器人、微操作機器人、工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構。
【權利要求】
1.非對稱全解耦四自由度并聯機構，該機構包括定平臺、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，其特征在于:第一分支運動鏈為混合運動鏈，第二分支運動鏈為單開鏈； 所述第一分支運動鏈包括一個空間閉回路結構和第十三轉動副，所述空間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； 第一子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第一移動副、第二移動副及第三轉動副，所述第一移動副的軸線、第二移動副的軸線及第三轉動副的軸線兩兩相互垂直；第一移動副與第二移動副之間通過第一連桿連接，第二移動副與第三轉動副之間通過第二連桿連接； 第二子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第四移動副、第五移動畐O、第六轉動副、第七轉動副及第八轉動副，所述第四移動副的軸線、第六轉動副的軸線及第七轉動副的軸線相互平行，所述第五移動副的軸線與第八轉動副的軸線互相平行且均與所述第七轉動副的軸線垂直，所述第四移動副與第五移動副之間通過第三連桿連接，第五移動副與第六轉動副之間通過第四連桿連接，第六轉動副與第七轉動副之間通過第四連桿連接，第七轉動副與第八轉動副之間通過第六連桿連接； 第三子分支運動鏈包括由定平臺至第十三轉動副依次設置的第九轉動副、第十萬向鉸、第十一轉動副及第十二萬向鉸，第十萬向鉸和第十二萬向鉸分別具有各自的第一轉動副和第二轉動副，第十萬向鉸的第一轉動副的軸線與第十二萬向鉸的第一轉動副的軸線相互平行，所述第十一轉動副、第十萬向鉸的第二轉動副的軸線和第十二萬向鉸的第二轉動副的軸線相互平行，所述第九轉動副與第十萬向鉸之間通過第七連桿連接，第十萬向鉸與第十一轉動副之間通過第八連桿連接，第十一轉動副與第十二萬向鉸之間通過第九連桿連接，其中第十萬向鉸的第一轉動副與第七連桿連接、第二轉動副與第八連桿連接，第十二萬向鉸的第一轉動副與第九連桿連接、第二轉動副與第十連桿連接； 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和第三子分支運動鏈的第十二萬向鉸均通過第十連桿與第十三轉動副連接，所述第三轉動副的軸線與第八轉動副的軸線重合并與第十三轉動副的軸線垂直； 所述第二分支運動鏈包括由定平臺至動平臺依次設置的第十四圓柱副、第十五轉動畐O、第十六平行四邊形結構和第十七轉動副，所述平行四邊形結構由四個軸線平行的轉動副組成，第十六平行四邊形結構通過一條邊與動平臺連接，所述第十四圓柱副的軸線與第十五轉動副的軸線相互平行且垂直于所述第十六平行四邊形結構平面，所述第十七副的軸線與第十六平行四邊形結構的、與動平臺連接的邊平行或重合，所述第十四圓柱副和第十五轉動副之間通過第十一連桿連接，第十五轉動副和第十六平行四邊形結構之間通過第十二連桿連接； 所述第十三轉動副與動平臺相連，且第十三轉動副的軸線與第十七轉動副的軸線平行；所述第一移動副的軸線、第四移動副的軸線和第九轉動副的軸線兩兩相互垂直，所述第九轉動副的軸線與第十四圓柱副的軸線相互平行，所述第一移動副、第四移動副、第九轉動副與第十四圓柱副為主動副。
【文檔編號】B25J9/08GK103624778SQ201310366425
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權日:2013年8月21日
【發(fā)明者】張彥斌, 梅群, 劉宗發(fā), 李更更, 王占磊 申請人:河南科技大學