具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人制造技術

本發明專利技術涉及一種具有大轉動角度的三轉動自由度并聯機器人，它包括機架、末端輸出桿、第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈。機架包括基座和連接在基座上的U形支架；第一運動支鏈連接在基座與末端輸出桿的第一端之間，第二運動支鏈連接在U形支架的第一臂與末端輸出桿的第二端之間；第三運動支鏈連接在U形支架的第二臂與第二運動支鏈之間。本發明專利技術具有大轉動角度的三個轉動自由度，第一運動支鏈屬于耦合機構，第二運動支鏈和第三運動支鏈的轉動自由度僅依賴運動支鏈的運動副的線性控制，實現原理非常簡單，具有非常好的線性關系。

Three degrees of freedom decoupling parallel robot with large rotation angle

The invention relates to a three rotation degree of freedom parallel robot with a large rotating angle, comprising a frame, an end output rod, a first moving branch chain, a second moving branch chain and a third kinematic branch. The frame comprises a base and a U shaped bracket connected to the base; between the first end of the first moving chain is connected on the base and end of the output rod, between second limbs connected in U shape bracket of the first arm and the end of the output rod of second end; third limbs connected between the second and second movement arm branched U type bracket. The invention has a large rotation angle of the three rotational degrees of freedom, the first moving chain belongs to the coupling mechanism, the rotational degrees of freedom depends only on the limbs motion control of second linear kinematic chains and third limbs, the principle is very simple, has a very good linear relationship.

【技術實現步驟摘要】
具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人
本專利技術涉及醫療機器人，尤其涉及一種具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人。
技術介紹
并聯機構廣泛應用于重載模擬設備、機器人、數控機床、傳感器及微操作領域。然而，并聯機構各驅動單元之間是耦合的，即并聯機構整體輸出平臺沿任一方向的運動都是所有驅動單元的運動合成，并且各驅動單元的運動與并聯機構整體運動(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導致并聯機構控制復雜，標定困難，且制約了精度的提高。因此，如何實現并聯機構解耦，以簡化控制和標定，提高運動精度，一直是一個困難而富有挑戰性的課題。運動解耦并聯機器人是指輸出運動的任一個自由度都僅依賴單個驅動單元，其他驅動單元動作不對此自由度產生影響。具有完全解耦的并聯機構運動關系簡單、標定簡便、控制精度高、剛度大，在虛軸機床和機器人中應用前景廣闊。中國專利文獻CN102145457A報道了由靜平臺、動平臺以及連接在靜平臺與動平臺之間的第一運動支鏈，第二運動支鏈和第三運動支鏈組成的用于虛軸機床和機器人的三轉動自由度并聯機構。此三轉動并聯機構的第二運動支鏈和第三運動支鏈都存在伸縮桿件，在運用伸縮桿件的情況下，機構沒有足夠的剛度，還存在較多的干涉與奇異位型，不能實現大空間范圍內的轉動。隨著工業的發展，具有大轉動角度的三轉動自由度的解耦并聯機構的重要性日益突出。文獻[XianwenKong,ClementM.GosselinTypesynthesisofinput-outputdecoupledparallelmanipulators,TransactionsoftheCSME,Vol.28,SpecialEdition,2004]中報道了具有兩移動一轉動自由度并聯機構，由動平臺、固定平臺和串并聯混搭的運動支鏈組成。文獻[李惠良，金瓊，楊廷力，一類一平移兩轉動解耦并聯機構及其位移分析，機械制造與研究，Feb2002,(1):9-12,14]提出一種具有三角化解耦特性的兩轉動一移動并聯機構，輸出自由度不完全由單個驅動器控制，屬于部分解耦并聯機構。具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯球面機構文獻目前尚未檢索到。
技術實現思路
本專利技術的目的，就是為了解決上述問題，提供一種具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人。為了達到上述目的，本專利技術采用了以下技術方案：一種具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人，包括機架、末端輸出桿、第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈；所述機架包括基座和連接在基座上的U形支架；所述第一運動支鏈連接在基座與末端輸出桿的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在U形支架的第一臂與末端輸出桿的第二端之間；所述第三運動支鏈連接在U形支架的第二臂與第二運動支鏈之間；通過第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈的主動運動，可實現末端輸出桿的三自由度轉動。所述第一運動支鏈包括順序傳動相連的第一轉動副、第一桿件、第二轉動副、第二桿件和第三轉動副，其中第一轉動副為主動副并且與基座可轉動相連，第三轉動副與末端輸出桿的第一端可轉動相連。所述第二運動支鏈包括第四轉動副、第五轉動副、第六轉動副、第七轉動副、第八轉動副、第九轉動副、第十轉動副、第十一轉動副、第三桿件、第四桿件、第五桿件、第六桿件、第七桿件和第八桿件；其中第四轉動副設置在U形支架第一臂的端點，第五轉動副設置在U形支架第二臂的中部，第七轉動副設置在第五桿件的中部，第三桿件連接在第四轉動副與第六轉動副之間，第四桿件連接在第五轉動副與第七轉動副之間，第五桿件連接在第六轉動副與第八轉動副之間，第八轉動副、第六桿件、第九轉動副、第七桿件、第十轉動副、第八桿件，第十一轉動副順序相連；其中，第十一轉動副與末端輸出桿的第二端可轉動相連，第四轉動副為主動副。所述第三運動支鏈包括第十二轉動副、第十三轉動副、第十四轉動副、第十五轉動副、第十六轉動副、第十七轉動副、第九桿件、第十桿件、第十一桿件和第十二桿件；其中，第十二轉動副連接在U形支架第二臂的端點，第九桿件連接在第十二轉動副與第十四轉動副之間，第十桿件的一端通過第十三轉動副與第九桿件的中部相連，第十一桿件的一端與第十四轉動副相連，第十二桿件為帶U形開口的桿件，包括第一端點、第二端點和第三端點，第十五轉動副設置在第一端點并與第十桿件的另一端相連，第十六轉動副設置在第二端點并與第十一桿件的另一端相連，第十七轉動副設置在第三端點并連接在第二運動支鏈的第八桿件上，其中，第十三轉動副為主動副。第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副、第十一轉動副和第十二轉動副的軸線相交于一點，該點定義為原點；第十轉動副的軸線與第十三轉動副、第十四轉動副、第十五轉動副、第十六轉動副、第十七轉動副的軸線平行；第十二轉動副的軸線與第四轉動副、第五轉動副、第六轉動副、第七轉動副、第八轉動副的軸線平行；第十轉動副的軸線過原點并與第六轉動副的軸線垂直。本專利技術由于采用了以上技術方案，具有以下的優點和特點：1、兩個四邊形結構以及桿件414的設計使結構緊湊，安裝方便，可以在很大程度上避免干涉和奇異，實現大轉角輸出。2、利用冗余的平行四邊形結構，提高了機構的剛度，消除了第二運動支鏈和第三運動支鏈的內部干涉。3、第二運動支鏈和第三運動支鏈能夠實現輸入和輸出傳遞關系1:1，使得機構控制精度大大提高。附圖說明圖1為本專利技術的總體結構示意圖；圖2為本專利技術中的第二運動支鏈的結構示意圖；圖3為本專利技術中的第二運動支鏈中的第八桿件的結構示意圖；圖4為本專利技術中的第三運動支鏈的結構示意圖；圖5為本專利技術中的第三運動支鏈中的第十二桿件的結構示意圖；圖6為本專利技術中的總體結構示意圖第三運動支鏈的極限位置1；圖7為本專利技術中的總體結構示意圖第三運動支鏈的極限位置2；圖8為本專利技術中的總體結構示意圖運動到一個位置的狀態1；圖9為本專利技術中的總體結構示意圖運動到一個位置的狀態2。具體實施方式參見圖1，配合參見圖2、圖3、圖4、圖5，本專利技術具有大轉動角度的三轉動自由度并聯機器人，包括機架1、末端輸出桿2、第一運動支鏈3、第二運動支鏈4和第三運動支鏈5。機架1包括基座11和連接在基座上的U形支架。第一運動支鏈3連接在基座11與末端輸出桿2的第一端之間，第二運動支鏈4連接在U形支架12的第一臂12與末端輸出桿2的第二端之間；第三運動支鏈5連接在U形支架的第二臂13與第二運動支鏈4之間；通過第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈的主動運動，可實現末端輸出桿的三自由度轉動。本專利技術中的第一運動支鏈3包括順序傳動相連的第一轉動副31、第一桿件32、第二轉動副33、第二桿件34和第三轉動副35，其中第一轉動副31為主動副并且與基座11可轉動相連，第三轉動副35與末端輸出桿2的第一端可轉動相連。當主動副31旋轉時，驅動第一支鏈運動，并帶動末端輸出桿2繞轉動副48轉動。配合參見圖2、圖3，本專利技術中的第二運動支鏈4包括第四轉動副41、第五轉動副42、第六轉動副43、第七轉動副44、第八轉動副45、第九轉動副46、第十轉動副47、第十一轉動副48、第三桿件49、第四桿件410、第五桿件411、第六桿件412、第七桿件413和第八桿件414；其中第四轉動副41設置在U形支架第一臂12的端點，第五轉動副42設置在U形支架第二臂1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人，其特征在于：包括機架、末端輸出桿、第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈；所述機架包括基座和連接在基座上的U形支架；所述第一運動支鏈連接在基座與末端輸出桿的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在U形支架的第一臂與末端輸出桿的第二端之間；所述第三運動支鏈連接在U形支架的第二臂與第二運動支鏈之間；通過第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈的主動運動，可實現末端輸出桿的三自由度轉動。

【技術特征摘要】
1.一種具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人，其特征在于：包括機架、末端輸出桿、第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈；所述機架包括基座和連接在基座上的U形支架；所述第一運動支鏈連接在基座與末端輸出桿的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在U形支架的第一臂與末端輸出桿的第二端之間；所述第三運動支鏈連接在U形支架的第二臂與第二運動支鏈之間；通過第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈的主動運動，可實現末端輸出桿的三自由度轉動。2.如權利要求1所述的具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人，其特征在于：所述第一運動支鏈包括順序傳動相連的第一轉動副、第一桿件、第二轉動副、第二桿件和第三轉動副，其中第一轉動副為主動副并且與基座可轉動相連，第三轉動副與末端輸出桿的第一端可轉動相連。3.如權利要求1所述的具有大轉動角度的三轉動自由度解耦并聯機器人，其特征在于：所述第二運動支鏈包括第四轉動副、第五轉動副、第六轉動副、第七轉動副、第八轉動副、第九轉動副、第十轉動副、第十一轉動副、第三桿件、第四桿件、第五桿件、第六桿件、第七桿件和第八桿件；其中第四轉動副設置在U形支架第一臂的端點，第五轉動副設置在U形支架第二臂的中部，第七轉動副設置在第五桿件的中部，第三桿件連接在第四轉動副與第六轉動副之間，第四桿件連接在第五轉動副與第七轉動副之間，第五桿件連接在第六轉動副與第八轉動副之間，第八轉動副、第六桿件、第九轉動...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張帆，張雪，朱云平，
申請(專利權)人：上海工程技術大學，
類型：發明
國別省市：上海,31