專利名稱：具有雙平行線組的3、4、5自由度空間對稱并聯機器人機構的制作方法
本項發明屬于機器人和機械制造領域，特別涉及一種新型的具有雙平行線組的少自由度對稱并聯機器人機構。
并聯機器人機構屬于空間多自由度多環閉鏈機構，和串聯機構相比，并聯機器人機構具有剛度大、承載能力大、累積誤差小、動態特性好、結構緊湊等特點。目前，并聯機器人機構被廣泛應用于除并聯機器人外的虛擬軸機床、微動操作臺、各種運動模擬器、傳感器等方面。
少自由度并聯機器人機構是指自由度數為3、4、5自由度的并聯機器人機構，可應用于許多適于并聯機器人操作，但不需要全部6個自由度的工作任務，由于它們的自由度較少，較六自由度并聯機構結構簡單，經濟便宜，控制相對容易，因此具有很好的應用前景。
本發明的目的在于提供一種新型的具有雙平行線組的3、4、5自由度對稱并聯機器人機構，具有結構簡單、加工裝配性好、剛度大等優點。
這種新型的具有雙平行線組的3、4、5自由度對稱并聯機器人機構，包括動平臺1、定平臺11和連接動平臺1和定平臺11的結構完全相同的分支所組成，其特征在于動平臺1通過3個、4個或5個結構完全相同的分支與定平臺11相連接，每個分支中從動平臺1開始計數的前2個運動副2和4為轉動副，它們的軸線相互平行，每個分支中的轉動副6和10，它們的軸線相互平行，并且平行于定平臺11，定平臺11和動平臺1可以是三角形、四邊形或五邊形；在第一種具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構中，定平臺11和動平臺1都是三角形，通過3個結構完全相同的分支相連接，所有3個分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9，轉動副8連接連桿9和連桿7，轉動副6連接連桿7和連桿5，轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副2連接連桿3和動平臺1，轉動副8的軸線平行于轉動副6和10的軸線轉動副4的軸線不平行于動平臺1，斜交于轉動副6的軸線；在第二種具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構中，把第一種空間3自由度移動并聯機器人機構所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線；在第一種具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構中，定平臺11和動平臺1都是三角形，通過3個結構完全相同的分支相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9，轉動副8連接連桿9和連桿7，轉動副6連接連桿7和連桿5，轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副6，連桿5和轉動副4可以構成1個十字頭，轉動副2連接連桿3和動平臺1，轉動副8的軸線平行于轉動副6和10的軸線，轉動副2和轉動副4的軸線垂直于定平臺11；在第二種具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構中，把第一種空間4自由度對稱并聯機器人機構所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線；在第三種具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構中，定平臺11和動平臺1都是四邊形，通過4個結構完全相同的分支相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9，轉動副8連接連桿9和連桿7，轉動副6連接連桿7和連桿5，轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副6、連桿5和轉動副4可以構成一個十字頭，轉動副2連接連桿3和動平臺1，轉動副8的軸線平行于轉動副6和10的軸線，轉動副2和轉動副4的軸線垂直于定平臺11；在第4種具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構中，把第三種空間4自由度對稱并聯機器人機構所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線；在第一種具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構中，定平臺11和動平臺1都是三角形，通過3個結構完全相同的分支相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9，轉動副8連接連桿9和連桿7，轉動副6連接連桿7和連桿5，轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副6、連桿5和轉動副4可以構成一個十字頭，轉動副2連接連桿3和動平臺1，轉動副8的軸線平行于轉動副6和10的軸線，轉動副2和轉動副4的軸線平行于定平臺11，并垂直于轉動副6、8和10的軸線，所有分支中的轉動副10的軸線在定平臺11上都彼此相互平行，所有分支中的轉動副2的軸線在動平臺1上也都彼此相互平行；
在第二種具有雙平行線組的5自由度對稱空間并聯機器人機構中，把第一種空間5自由度對稱并聯機器人機構中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線；在第三種具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構中，定平臺11是五邊形，動平臺1是三角形，通過5個結構完全相同的分支相連接，在動平臺1的3個頂點中，有1個頂點連接1個分支，其余2個頂點各連接2個分支；所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9，轉動副8連接連桿9和連桿7，轉動副6連接連桿7和連桿5，轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副6、連桿5和轉動副4可以構成一個十字頭，轉動副2連接連桿3和動平臺1；轉動副8的軸線平行于轉動副6和10的軸線；轉動副2和轉動副4的軸線平行于定平臺11，并垂直于轉動副6、8和10的軸線，所有分支中的轉動副10的軸線在定平臺11上都彼此相互平行，所有分支中的轉動副2的軸線在動平臺1上也都彼此相互平行；在第4種具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構中，把第三種空間5自由度對稱并聯機器人機構中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
附圖及實施例
圖1為第一種具有雙平行線組的3自由度對稱移動并聯機器人機構示意2為第二種具有雙平行線組的3自由度對稱并聯機器人機構示意3為第一種具有雙平行線組的4自由度對稱并聯機器人機構示意4為第二種具有雙平行線組的4自由度對稱并聯機器人機構示意5為第三種具有雙平行線組的4自由度對稱并聯機器人機構示意6為第四種具有雙平行線組的4自由度對稱并聯機器人機構示意7為第一種具有雙平行線組的5自由度對稱并聯機器人機構示意8為第二種具有雙平行線組的5自由度對稱并聯機器人機構示意9為第三種具有雙平行線組的5自由度對稱并聯機器人機構示意10為第四種具有雙平行線組的5自由度對稱并聯機器人機構示意圖附圖1為本發明的具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構第1個實施例(見圖1)。
動平臺1和定平臺11都是三角形，動平臺1通過3個結構完全相同的分支與定平臺11相連接，每個分支中從動平臺1開始計數的前2個運動副為轉動副2和4，它們的軸線相互平行；每個分支中從動平臺1開始計數的后3個運動副為轉動副6、8和10，它們的軸線相互平行；轉動副4的軸線斜交于轉動副6的軸線。所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9；轉動副8連接連桿9和連桿7；轉動副6連接連桿7和連桿5；轉動副4連接連桿5和連桿3，轉動副2連接連桿3和動平臺1。
附圖2為本發明的具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構第2個實施例(見圖2)。
把本發明的第1個具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構實施例中的所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
附圖3為本發明的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構第1個實施例(見圖3)。
動平臺1和定平臺11都是三角形，動平臺1通過3個結構完全相同的分支與定平臺11相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9；轉動副8連接連桿9和連桿7；轉動副6連接連桿7和連桿5；轉動副4連接連桿5和連桿3；轉動副2連接連桿3和動平臺1。轉動副6、8和10的軸線平行于定平臺11；轉動副2和轉動副4的軸線垂直于定平臺。
附圖4為本發明的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構第2個實施例(見圖3)。
把本發明的第1個具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構實施例中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
附圖5為本發明的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構第3個實施例(見圖5)。
動平臺1和定平臺11都是四邊形，動平臺1通過4個結構完全相同的分支與定平臺11相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9；轉動副8連接連桿9和連桿7；轉動副6連接連桿7和連桿5；轉動副4連接連桿5和連桿3；轉動副2連接連桿3和動平臺1。轉動副6、8和10的軸線平行于定平臺11；轉動副2和轉動副4的軸線垂直于定平臺。
附圖6為本發明的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構第4個實施例(見圖6)。
把本發明的第3個具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構實施例中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
附圖7為本發明的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構第1個實施例(見圖7)。
動平臺1和定平臺11都是三角形，動平臺1通過3個結構完全相同的分支與定平臺11相連接，所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9；轉動副8連接連桿9和連桿7；轉動副6連接連桿7和連桿5；轉動副4連接連桿5和連桿3；轉動副2連接連桿3和動平臺1。轉動副6、8和10的軸線平行于定平臺11；轉動副2和轉動副4的軸線平行于動平臺1，但垂直于轉動副6、8和10的軸線。所有分支中的轉動副10的軸線在定平臺11上都彼此相互平行。所有分支中的轉動副2的軸線在動平臺1上都彼此相互平行。
附圖8為本發明的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構第2個實施例(見圖8)。
把本發明的第1個具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構實施例中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
附圖9為本發明的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構第3個實施例(見圖9)。
定平臺11是五邊形，動平臺1是三角形，通過5個結構完全相同的分支相連接。在動平臺1的3個頂點中，有1個頂點連接1個分支，其余2個頂點各連接2個分支。所有分支的轉動副10連接定平臺11和連桿9；轉動副8連接連桿9和連桿7；轉動副6連接連桿7和連桿5；轉動副4連接連桿5和連桿3；轉動副2連接連桿3和動平臺1。轉動副6、8和10的軸線平行于定平臺11；轉動副2和轉動副4的軸線平行于動平臺1，但垂直于轉動副6、8和10的軸線。所有分支中的轉動副10的軸線在定平臺11上都彼此相互平行。所有分支中的轉動副2的軸線在動平臺1上都彼此相互平行。
附圖10為本發明的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構第4個實施例(見圖10)。
把本發明的第3個具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構實施例中所有分支中的轉動副8替換為移動副12，該移動副12的軸線垂直于轉動副6和轉動副10的軸線。
本發明的具有雙平行線組的3、4、5自由度空間對稱并聯機器人機構，具有很好的運動學性能、高的剛度和較大的工作空間；其運動學正反解十分簡單，易于控制；其中的3自由度并聯機器人機構可以實現在空間的3個移動；4自由度并聯機器人機構可以實現空間的3個移動和1個轉動；5自由度并聯機器人機構可以實現在三維空間的3個移動和2個轉動。它們可以被應用作為機器人、微動作器、并聯機床和飛行模擬器等。
權利要求
1.一種具有雙平行線組的3、4、5自由度空間對稱并聯機器人機構，包括動平臺(1)、定平臺(11)和連接動平臺(1)和定平臺(11)的結構完全相同的分支所組成，其特征在于動平臺(1)通過3個、4個或5個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，每個分支中從動平臺(1)開始計數的前2個運動副(2)和(4)為轉動副，它們的軸線相互平行；每個分支中的轉動副(6)和(10)它們的軸線相互平行，都平行于定平臺(11)；動平臺(1)和定平臺(11)可以是三角形、四邊形或五邊形。
2.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構，其特征在于定平臺(11)和動平臺(1)都是三角形，通過3個結構完全相同的分支相連接。所有3個分支轉動副(4)的軸線不平行于動平臺(1)，還斜交于轉動副(6)的軸線，轉動副(8)的軸線平行于定平臺(11)。
3.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的3自由度空間對稱移動并聯機器人機構，其特征在于定平臺(11)和動平臺(1)都是三角形，通過3個結構完全相同的分支相連接，所有分支從定平臺(11)開始計數的前3個運動副(6)、(12)和(10)分別為轉動副、移動副和轉動副，移動副(12)的軸線垂直于轉動副(6)和(10)的軸線。
4.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是三角形，動平臺(1)通過3個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，轉動副(8)的軸線平行于定平臺，轉動副(2)和(4)的軸線都垂直于動平臺(1)。
5.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是三角形，動平臺(1)通過3個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，所有分支從定平臺(11)開始計數的前3個運動副(10)、(12)和(6)分別為轉動副、移動副和轉動副，移動副(10)的軸線垂直于轉動副(6)和(10)的軸線，轉動副(2)和(4)的軸線都垂直于定平臺(11)。
6.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是四邊形，動平臺(1)通過4個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，轉動副(8)的軸線平行于定平臺，轉動副(2)和(4)的軸線都垂直于動平臺(1)。
7.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的4自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是四邊形，動平臺(1)通過4個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，所有分支從定平臺(11)開始計數的前3個運動副(10)、(12)和(6)分別為轉動副、移動副和轉動副，移動副(10)的軸線垂直于轉動副(6)和(10)的軸線，轉動副(2)和(4)的軸線都垂直于定平臺(11)。
8.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是三角形，動平臺(1)通過3個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，轉動副(8)的軸線平行于定平臺(11)，轉動副(2)和轉動副(4)的軸線平行于動平臺(1)，但垂直于轉動副(6)、(8)和(10)的軸線，所有分支中的轉動副(10)的軸線在定平臺(11)上都彼此相互平行，所有分支中的轉動副(2)的軸線在動平臺(1)上都彼此相互平行。
9.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于動平臺(1)和定平臺(11)都是三角形，動平臺(1)通過3個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接，所有分支從定平臺(11)開始計數的前3個運動副(10)、(12)和(6)分別為轉動副、移動副和轉動副，移動副(12)的軸線垂直于轉動副(6)和(10)的軸線，轉動副(2)和轉動副(4)的軸線平行于動平臺(1)，但垂直于轉動副(6)和(10)的軸線，所有分支中的轉動副(10)的軸線都彼此相互平行，所有分支中的轉動副(2)的軸線在動平臺(1)上都彼此相互平行。
10.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于定平臺(11)是五邊形，動平臺(1)是三角形，通過5個結構完全相同的分支相連接，在動平臺(1)的3個頂點中，有1個頂點連接1個分支，其余2個頂點各連接2個分支；轉動副(8)的軸線平行于定平臺(11)，轉動副(2)和轉動副(4)的軸線平行于動平臺(1)，但垂直于轉動副(6)、(8)和(10)的軸線；所有分支中的轉動副(10)的軸線在定平臺(11)上都彼此相互平行，所有分支中的轉動副(2)的軸線在動平臺(1)都彼此相互平行。
11.根據權利要求1所述的具有雙平行線組的5自由度空間對稱并聯機器人機構，其特征在于定平臺(11)是五邊形，動平臺(1)是三角形，通過5個結構完全相同的分支相連接，在動平臺(1)的3個頂點中，有1個頂點連接1個分支，其余2個頂點各連接2個分支；所有分支從定平臺(11)開始計數的前3個運動副(10)、(12)和(6)分別為轉動副、移動副和轉動副，移動副(12)的軸線垂直于轉動副(6)和(10)的軸線；轉動副(2)和轉動副(4)的軸線平行于動平臺(1)，但垂直于轉動副(6)和(10)的軸線，所有分支中的轉動副(10)的軸線都彼此相互平行，所有分支中的轉動副(2)的軸線在動平臺(1)上都彼此相互平行。
全文摘要
本發明涉及機器人和機械制造領域,特別涉及一種新型的具有雙平行線組的少自由度空間對稱并聯機器人機構。其特征是:動平臺(1)通過3個、4個或5個結構完全相同的分支與定平臺(11)相連接,每個分支中從動平臺(1)開始計數的前2個運動副(2)和(4)為轉動副,它們的軸線相互平行;每個分支中的轉動副(6)和(10)它們的軸線相互平行,都平行于定平臺(11);動平臺(1)和定平臺(11)可以是三角形、四邊形或五邊形。本發明較六自由度并聯機構結構簡單,經濟便宜,控制相對容易,因此具有很好的應用前景,可以被應用作為機器人、微動作器或并聯機床。
文檔編號B25J11/00GK1381337SQ02104918
公開日2002年11月27日 申請日期2002年3月9日 優先權日2002年3月9日
發明者黃真, 李秦川 申請人:燕山大學