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CN100372657C - 三自由度6-ups三移动并联机器人 - Google Patents

三自由度6-ups三移动并联机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于机器人和机械制造领域。其特征是：三对直线驱动分支在上平台(1)和机座(2)之间呈正三角形对称分布；每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS型同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副，中间有一个移动副，下端有一个万向副与机座(2)联接，移动副由一个机械或液压同步伸缩驱动机构构成；每对直线驱动分支的两球副(3)的距离等于两个万向副垂直轴(9)的距离。本发明相对具有自由度少、容易控制、工作空间大、无冗余自运动、结构对称简单和运动精度高等特点，承载能力及刚度相当于6自由度6-UPS并联机器人的。本发明可设计出相应结构的多种空间三移动式并联机器人、并联机床、微动机器人、医疗器械、大型射电望远镜、保健按摩机械手、三维测量仪、传感器元件以及航天航海模拟器等。

Description

三自由度6-UPS三移动并联机器人
技术领域
发明涉及机器人和机械制造领域，特别是涉及一种三自由度6-UPS三移动并联机器人。
背景技术
为便于说明，用(n，n＝1，2，3，4，6)表示分支数，用(S，U，P，R)分别表示分支运动链中的(球副，万向副，移动副，转动副)，它们的组合表示分支运动链结构类型。
并联机器人相对具有机构刚度大，承载能力强，末端质量轻，惯性小，位置误差不累积等特点，在应用上与串联机器人呈互补关系。自由度少于6的并联机器人机构相对具有结构简单、容易控制等优点，现在已成为机器人和制造领域研究的热点。近年来，1986年Hunt提出3-RPS机构；1990年Pierrot提出三平动Delta机构；1996年Tsai提出三平动3-TPT机构，获美国专利(USA No.5656905)；2002年Gosselin提出三转动3-RRR机构和三平动3-PRR机构；2001年黄真提出新型三自由度并联移动机构，获中国专利(CN1311083A)，2004年黄真提出精密微动并联三维移动机构，获中国专利(CN1539603A)。与Stewart六自由度6-SPS并联机构相比，少自由度并联机构相对具有结构简单、容易控制等优点，但也有缺点：因承受载荷分支数少，降低了并联机构刚度和承载力；3-UPU机构有冗余自运动，驱动分支受扭矩；3-RPS机构工作空间小，有冗余自运动，驱动分支受弯矩；Delta机构和3-RRR机构的转动驱动分支复杂，有弯矩；3-PRR机构的驱动分支有弯矩和剪力。实验发现：冗余自运动影响机构正常运动；驱动分支的扭、弯矩和剪力产生机构弹性变形及在转动副较大载荷，严重影响驱动装置和机构正常运动。
发明内容
本发明目的在于提供一种高刚度、承载力大、工作空间大、运动精度高、控制容易的三自由度6-UPS三移动并联机器人，该发明相对具有自由度少、容易控制、工作空间大、承载能力和刚度相当于六自由度6-UPS并联机器人、结构对称简单和运动精度高等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：三自由度6-UPS并联机器人由上平台、机座和联接上平台与机座的三对直线驱动分支组成，三对直线驱动分支在上平台和机座之间呈正三角形对称分布；每对直线驱动分支包括两个结构形式与尺寸都相同的UPS同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副S，中间有一个移动副P，下端有一个万向副U，移动副由一个机械或液压同步伸缩驱动机构构成；每对直线驱动分支的两球副的距离与两万向副的距离以及连杆长度相同，该几何约束与机械或液压同步伸缩驱动机构的结合保证了每对直线驱动分支伸缩长度相等且相互平行，实现了6-UPS并联机器人上平台的三自由度移动。
机械同步伸缩驱动机构由两个丝母套、两个丝杠、一个连杆、两个销轴、两个水平轴、两个垂直轴、两个大齿轮、一个小齿轮和一个电动机组成；两个丝母套上端与上平台用两个球副联接，下端与两个连杆用转动副联接；上平台上的两个球副、两个丝母套、与连杆的两个销轴构成一个平行四连杆机构；两个丝杠上端与两个丝母套螺旋联接，下端与两个水平轴转动联接，水平轴与垂直轴正交转动联接构成万向副，垂直轴垂直支撑在机座上，并与大齿轮同轴连接；电动机垂直支撑在机座上，并与小齿轮同轴连接，小齿轮与两个大齿轮直接啮合传动，或者小齿轮、两个大齿与同步带啮合传动。电动机带动两个丝杠同向转动，再通过丝杠与丝母套的螺旋副，驱动两个丝母套相对两个丝杠同步伸缩。
同步伸缩驱动机构分别由液压缸和活塞杆组成，液压缸与上平台用球副联接，活塞杆与水平轴转动联接，水平轴与垂直轴正交转动联接构成万向副；垂直轴垂直支撑在机座上，两个液压缸与连杆用两个销轴联接。用液压平衡控制驱动系统确保两个液压缸相对两个活塞杆同步伸缩。
附图说明
图1是机械同步驱动式三自由度6-UPS三移动并联机器人；
图2是齿轮直接啮合传动和齿轮与同步带传动示意图；
图3是液压同步驱动式三自由度6-UPS三移动并联机器人。
在图1、图2和图3中，1.动平台，2.机座，3.球副，4.滚珠丝母套，5.连杆，6.销轴，7.丝杠，8.水平轴，9.垂直轴，10.大齿轮，11.小齿轮，12.步进电机，13.同步带，14.液压缸，15.活塞杆。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明公开的机械同步驱动式三自由度6-UPS三移动并联机器人，三对直线驱动分支联接上平台1与机座2，三对直线驱动分支在上平台1和机座2之间呈正三角形对称分布；每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS型同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副，中间有一个移动副，下端有一个万向副，每对直线驱动分支的两球副3的距离等于两个万向副垂直轴9的距离。每个丝母套4上端与上平台1用球副3联接，两个丝母套4下端侧面与连杆5用两个销轴6联接；上平台1上的两个球副3、两个丝母套4、连杆5与两个销轴6构成一个平行四连杆机构；两个丝杠7上端与两个丝母套4螺旋联接，其下端与两个水平轴8转动联接，两个水平轴8与两个垂直轴9正交转动联接构成两个万向副；两个垂直轴9垂直支撑在机座2上，并与两个大齿轮10同轴连接；电动机12垂直支撑在机座2上并与小齿轮11同轴连接，小齿轮11与两个大齿轮10直接啮合传动。小齿轮11与两个大齿轮10也可以用同步齿形带13间接啮合传动(见图2)。该几何约束与机械同步伸缩驱动机构结合保证了每对直线驱动分支伸缩长度相等且相互平行，实现了6-UPS并联机器人上平台1的三自由度移动。
实施例2
图3是本发明公开的液压同步驱动式三自由度6-UPS三移动并联机器人，三对直线驱动分支在上平台1和机座2之间呈正三角形对称分布；  每对直线驱动分支包括两个结构形式与尺寸都相同的UPS型液压同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副，中间有一个移动副，下端有一个万向副与机座2联接，移动副由液压缸14与活塞15构成液压同步伸缩驱动机构，液压缸14与上平台1用球副3联接，两个液压缸14与连杆5用两个销轴6联接，活塞杆15与水平轴8转动联接，水平轴8与垂直轴9正交转动联接构成万向副，垂直轴9垂直支撑在机座2上。用液压平衡控制驱动系统确保两个液压缸相对两个活塞杆同步伸缩，该几何约束与液压缸14与活塞15同步伸缩驱动机构结合保证了每对液压同步驱动直线驱动分支伸缩长度相等且相互平行，实现了6-UPS并联机器人上平台1的三自由度移动。

Claims (5)

1.一种三自由度6-UPS三移动并联机器人，由上平台(1)、机座(2)和联接上平台(1)与机座(2)的三对直线驱动分支组成，其特征是：三对直线驱动分支在上平台(1)和机座(2)之间呈正三角形对称分布；每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS型同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副，中间有一个移动副，下端有一个万向副与机座(2)联接，移动副是一个同步伸缩驱动机构，每对直线驱动分支的两个球副(3)的距离等于两个万向副垂直轴(9)的距离。
2.根据权利要求1所述的三自由度6-UPS三移动并联机器人，其特征是：每个丝母套(4)上端与上平台(1)用球副(3)联接，两个丝母套(4)下端侧面与连杆(5)用两个销轴(6)联接；上平台(1)上的两个球副(3)、两个丝母套(4)、连杆(5)与两个销轴(6)构成一个平行四连杆机构；两个丝杠(7)上端与两个丝母套(4)螺旋联接，其下端与两个水平轴(8)转动联接，两个水平轴(8)与两个垂直轴(9)正交转动联接构成两个万向副；两个垂直轴(9)垂直支撑在机座(2)上，并与两个大齿轮(10)同轴连接；电动机(12)垂直支撑在机座(2)上并与小齿轮(11)同轴连接，小齿轮(11)与两个大齿轮(10)直接啮合传动。
3.根据权利要求2所述的三自由度6-UPS三移动并联机器人，其特征是：小齿轮(11)、两个大齿轮(10)与同步齿形带(13)间接啮合传动。
4.根据权利要求1所述的三自由度6-UPS三移动并联机器人，其特征是：同步伸缩驱动机构的液压缸(14)与上平台(1)用球副(3)联接，活塞杆(15)与水平轴(8)转动联接，水平轴(8)与垂直轴(9)正交转动联接构成万向副；垂直轴(9)垂直支撑在机座(2)上。
5.根据权利要求4所述的三自由度6-UPS三移动并联机器人，其特征是：两个液压缸(14)与连杆(5)用两个销轴(6)联接。
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