CN109605333B - 一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，包括静平台、动平台、连接所述静平台及动平台的支链组件，所述支链组件包括中间杆件支链与三条空间对称分布的外主动支链，所述外主动支链包括伸缩套筒、设置于所述伸缩套筒内的压缩弹簧、依次穿梭于所述静平台、伸缩套筒、压缩弹簧且末端连接所述动平台的绳索，所述静平台设置有连接所述绳索头端的收线机构。采用本发明，本发明质量较轻且惯量较小。本发明的弹簧绳索混合驱动支链构成的并联机器人能够实现三个独立转动自由度，可绕着垂直于静平台方向实现纯转动，结构简单，减少了电动缸等杆件驱动，减小了机器人运动部件的质量，在一定程度上实现了机器人的轻型化。当中间杆件支链具有驱动时，机器人为一平动三转动并联机器人，具有更大的工作空间。

Description

一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人

技术领域

本发明涉及一种并联机器人及其支链，尤其涉及一种弹簧绳索混合驱动支链及其构成的三转动自由度并联机器人。

背景技术

并联机器人是机器人研究领域的一个重要分支。由多个运动支链将动静平台连接在一起，在并联驱动作用下产生不少于二自由度的闭环机构叫做并联机器人。常见的并联机器人支链以刚性连杆作为驱动元件，如RRR、UPU、RPC、PUU、PRS等，其中，U、P、R、S分别表示虎克铰、移动副、转动副和球铰。目前，部分学者以绳索、弹簧等驱动元件为研究对象，并以此代替刚性连杆。相对于刚性连杆，绳索重量轻、惯性小，能满足特定的性能需求。但绳索仅能提供拉力而不能提供推力，单纯的n自由度的绳索驱动并联机器人至少由n+1个绳索支链才能实现确定的运动。部分学者在绳索驱动并联机器人中引入弹簧，将弹簧代替某一绳索或将弹簧与绳索串联，使得机器人驱动器数目与自由度数目相等的情况下，绳索能满足一定的张紧力要求。但引入的弹簧一般为被动驱动元件，机器人工作空间与刚性杆件、绳索等驱动的机器人相比较小。

并联机器人已被应用于工业机器人、运动模拟器、并联机床、微电子制造中的精密定位装置、力传感器以及典型抓取作业环境中的高速机械手等方面。其中，三转动自由度并联机构是少自由度并联机构中极为重要的一类。三转动自由度的并联机构一般用于机器人肩关节、灵捷眼、卫星跟踪随动装置以及数控回转台等需要结构紧凑且要求较大回转角的场合。现有的三转动自由度并联机构一般为球面机构或多杆件移动副机构。其中球面机构具有结构要求苛刻，制造装配较为困难等缺陷，由于要求转动平台与静平台之间主动支链的诸多关节轴线交于一点，使得此类机构的负载能力与静刚度不高。多杆件移动副机构具有较大负载能力和较强刚度，但移动杆件包含电动缸等驱动部件，具有较大惯性。三根绳索驱动中间由杆支撑的并联机器人也可实现三转动自由度，但因绳索驱动不能产生推力，该机器人的三个转动自由度是耦合的，三个转动不是独立，不能实现单纯绕着Z轴的转动。

因此，亟待一种结构简单、质量轻、惯量小的并联机器人支链及一种由该支链构成的结构简单、便于安装、质量较小、负载能力较大且刚度较强的三转动自由度并联机器人。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人。可使实现便于安装、质量较小、负载能力较大。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，包括静平台、动平台、连接所述静平台及动平台的支链组件，所述支链组件包括中间杆件支链与三条空间对称分布的外主动支链，所述中间杆件支链一端垂直固结于所述静平台，另一端与所述动平台中心铰接，三条所述外主动支链两端分别铰接于所述静平台与动平台之间且关于所述中间杆支链对称分布，所述外主动支链包括伸缩套筒、设置于所述伸缩套筒内的压缩弹簧、依次穿梭于所述静平台、伸缩套筒、压缩弹簧且末端连接所述动平台的绳索，所述静平台设置有连接所述绳索头端的收线机构。

进一步地，所述伸缩套筒一端通过虎克铰与所述静平台转动连接，另一端通过球铰与所述动平台转动连接。

更进一步地，所述中间杆支链一端垂直固定连接于所述静平台中心，另一端通过虎克铰转动连接于所述动平台中心。

更进一步地，所述外主动支链与所述静平台的连接处的分布呈等边三角形分布，所述外主动支链与所述动平台的连接处的分布也呈等边三角形分布。

更进一步地，所述收线机构包括电机以及卷筒，所述卷筒连接所述绳索的头端。

更进一步地，所述中间杆件可增加气缸、电缸、液压缸之一成为驱动杆件使得该机器人为一平动三转动自由度并联机器人。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的支链采用弹簧绳索组合驱动结构，可进行长距离传动，可代替长距离传动、短运动行程的电动缸等刚性杆件，大大减轻装置重量，尤其适用于并联机器人。本发明的弹簧绳索混合驱动支链构成的并联机器人具有三个独立转动的自由度，动平台可绕支撑杆的轴线自旋，结构简单、便于安装，相对于伸缩杆驱动的三自由度并联机器人质量较轻。此外，由于中间杆支链对动平台具有支撑和约束运动作用，相对于三自由度球面机构能承受较大的负载。中间支撑杆为驱动杆时，机器人为一平动三转动并联机器人，具有更大的工作空间。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的又一整体结构示意图。

其中，1、动平台，2、转动副，3、中间杆支链，4、虎克铰，5、绳索，6、球铰，7、伸缩套筒，8、压缩弹簧，9、静平台，10、卷筒，11、电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例的一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，包括静平台9、动平台1、连接静平台9及动平台1的支链组件，所述支链组件包括中间杆件支链与三条空间对称分布的外主动支链。

中间杆件支链3一端垂直固结于静平台9，另一端与动平台1中心铰接，具体而言，中间杆支链3一端垂直固定连接于所述静平台中心，另一端通过虎克铰转动连接于所述动平台中心，中间杆件支链3可增加气缸、电缸、液压缸之一成为驱动杆件使得该机器人为一平动三转动自由度并联机器人，优选为电缸进行实施。

三条所述外主动支链两端分别铰接于静平台9与动平台1之间且关于中间杆支链3对称分布，外主动支链包括伸缩套筒7、设置于伸缩套筒7内的压缩弹簧8、依次穿梭于静平台9、伸缩套筒、压缩弹簧且末端连接所述动平台的绳索5，静平台9设置有连接绳索5头端的收线机构。

收线机构包括设置于静平台9底部的电机11以及卷筒10，卷筒10连接绳索5的头端。

伸缩套筒7一端通过虎克铰4与静平台9转动连接，另一端通过球铰6与动平台1转动连接。

优选的是，外主动支链与所述静平台的连接处的分布呈等边三角形分布，所述外主动支链与所述动平台的连接处的分布也呈等边三角形分布。

本发明中，所述中间杆支链一端垂直固结于静平台9，另一端与动平台1相连从而对所述动平台1起到支撑和约束运动的作用，所述三条外主动支链由弹簧绳索组合驱动，为可伸缩结构，铰接于所述动平台1和静平台9之间，进而使整个机构具有三转动自由度，所述动平台1能绕固定点做三个坐标轴方向上的转动运动。所述中间支撑杆为驱动杆件时，动平台1具有垂直于静平台9方向的一平动自由度。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，其特征在于，包括静平台、动平台、连接所述静平台及动平台的支链组件，所述支链组件包括中间杆件支链与三条空间对称分布的外主动支链，所述中间杆件支链一端垂直固结于所述静平台，另一端与所述动平台中心铰接，三条所述外主动支链两端分别铰接于所述静平台与动平台之间且关于所述中间杆支链对称分布，所述外主动支链包括伸缩套筒、设置于所述伸缩套筒内的压缩弹簧、依次穿梭于所述静平台、伸缩套筒、压缩弹簧且末端连接所述动平台的绳索，所述静平台设置有连接所述绳索头端的收线机构，所述伸缩套筒一端通过虎克铰与所述静平台转动连接，另一端通过球铰与所述动平台转动连接，所述中间杆支链一端垂直固定连接于所述静平台中心，另一端通过虎克铰与转动副连接于所述动平台中心。

2.根据权利要求1所述的弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，其特征在于，所述外主动支链与所述静平台的连接处的分布呈等边三角形分布，所述外主动支链与所述动平台的连接处的分布也呈等边三角形分布。

3.根据权利要求1或2所述的弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，其特征在于，所述收线机构包括电机以及卷筒，所述卷筒连接所述绳索的头端。

4.根据权利要求1或2所述的弹簧绳索混合驱动支链及三转动自由度并联机器人，其特征在于，所述中间杆件为气缸、电缸、液压缸之一时，该机器人为一平动三转动自由度并联机器人。

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