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CN102975203A - 一种高速五自由度并联机械手 - Google Patents

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CN102975203A CN2012105148222A CN201210514822A CN102975203A CN 102975203 A CN102975203 A CN 102975203A CN 2012105148222 A CN2012105148222 A CN 2012105148222A CN 201210514822 A CN201210514822 A CN 201210514822A CN 102975203 A CN102975203 A CN 102975203A
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王攀峰
赵学满
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种高速五自由度并联机械手，包括固定架、动平台、两自由度手腕以及布置在固定架与动平台之间的五条结构相同的支链，五条结构相同的支链带动动平台产生三维平动运动；动平台包括一个中心板、两组分角齿轮组、四个连杆和一个固定连杆；固定连杆和上述四个连杆在中心板上呈径向均布，固定连杆的一端与中心板固接，四个连杆的一端分别与两组分角齿轮组中的分角锥齿轮的转动轴固接，通过两组分角齿轮组与中心锥齿轮的啮合作用，将运动传递给两自由度手腕，从而产生两自由度可控转动。本发明结构对称，受力均匀，运动部件质量小，动态性能较好，可实现高速运动，满足复杂抓放操作的要求。

Description

一种高速五自由度并联机械手
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种机器人的具有空间五自由度的高速并联机构。
背景技术
目前国内对空间五自由度并联机构的研究尚集中于机械加工、喷涂、测量等领域的机构，而对于应用于物料抓放的可实现高速运动的空间五自由度并联机构研究尚缺。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种高速五自由度并联机械手，本发明中的机构结构对称，受力均匀，运动部件质量小，动态性能较好，可实现高速运动，满足复杂抓放操作的要求。
为了解决上述技术问题，本发明一种五自由度并联机械手予以实现的技术方案是：包括固定架、动平台、两自由度手腕以及布置在所述固定架与动平台之间的五条结构相同的支链；所述固定架上固接有五个驱动装置；所述每条支链包括近架杆、两个平行且等长的远架杆、一个上连接轴和一个下连接轴；每条支链中，所述近架杆的一端与固定于所述固定架上的一驱动装置的输出端固定连接，该驱动装置为近架杆提供一个转动或移动自由度；所述近架杆的另一端与所述上连接轴固连；所述两个平行的远架杆的一端分别与所述上连接轴球铰接，所述两个平行的远架杆的另一端分别与所述下连接轴球铰接；每条支链中的所述下连接轴、所述上连接轴和所述两个平行布置且等长的远架杆构成一平行四边形结构；所述动平台包括一个中心板、两组分角齿轮组和四个连杆；每组分角齿轮组包含一个中心锥齿轮和两个分角锥齿轮；所述中心锥齿轮与所述中心板转动连接，所述中心锥齿轮的轴线和转动轴线重合；所述分角锥齿轮与中心板转动连接，两个分角锥齿轮的轴线与所述中心锥齿轮的轴线垂直交于一点，两分角锥齿轮布置于中心锥齿轮两侧且与中心锥齿轮啮合；所述动平台上还设有一固定连杆，所述固定连杆和上述四个连杆在所述中心板上呈径向均布，所述四个连杆的一端分别与两组分角齿轮组中的分角锥齿轮的转动轴固接，所述固定连杆的一端与所述中心板固接，所述四个连杆和固定连杆的另一端分别与五条结构相同的支链中的五个下连接轴固接；所述两自由度手腕固接于所述中心板上，两自由度手腕周围布置两组齿轮传动机构，每组齿轮传动机构包含相互啮合的一大齿轮和一小齿轮，每组齿轮传动机构中的大齿轮分别与所述动平台中每组分角齿轮组的中心锥齿轮同轴设置，所述小齿轮与两自由度手腕的一输入轴固接，且同轴设置；所述两组齿轮传动机构为所述两自由度手腕提供两个动力输入，实现所述两自由度手腕的二维可控转动；在五个驱动装置的驱动作用下，五条结构相同的支链中的下连接轴运动，进而带动动平台产生三维平动运动，与此同时，四个下连接轴通过分角齿轮组带动所述中心锥齿轮相对中心板转动；从而，动平台既可以有三个方向的平动自由度，同时又具有两个局部转动自由度，利用两自由度手腕周围布置的两组齿轮传动机构将上述两个局部转动自由度转化为两自由度手腕的二维可控转动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有的优点和积极效果是：在五条支链的驱动作用下，通过动平台设置的两组分角齿轮组的传动作用，使得动平台可实现三维平动运动和两个中心锥齿轮相对于中心板的转动，通过两组齿轮放大机构将中心锥齿轮的转动转化为两自由度手腕的两个动力输入，进而带动两自由度手腕实现二维空间转动。该机构结构对称，受力均匀，运动部件质量小，动态性能较好，可实现高速运动，满足复杂抓放操作的要求。
附图说明
图1为本发明五自由度并联机械手的整体结构示意图；
图2为本发明中动平台的结构示意图；
图3为本发明中两自由度手腕和动平台的结构示意图。
图中：
1-驱动装置        2-固定架              3-近架杆
4-上连接轴        5a、5b-远架杆         6-下连接轴
7-动平台          8-中心板              9a~9d-连杆
9e-固定连杆       10aa~10bb-中心锥齿轮  10a~10b-分角锥齿轮
11a、11c-大齿轮   11b、11d-小齿轮       12-两自由度手腕
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明一种五自由度并联机械手，包括固定架2、动平台7、两自由度手腕12以及布置在所述固定架2与动平台7之间的五条结构相同的支链。
所述固定架2上固接有五个驱动装置1；所述每条支链包括近架杆3、一个上连接轴4两个平行且等长的远架杆5a、5b和一个下连接轴6。
每条支链中，所述近架杆3的一端与固定于所述固定架2上的一驱动装置1的输出端固定连接，该驱动装置1为近架杆3提供一个转动或移动自由度；所述近架杆3的另一端与所述上连接轴4固连；所述两个平行的远架杆5a、5b的一端分别与所述上连接轴4球铰接，所述两个平行的远架杆5a、5b的另一端分别与所述下连接轴6球铰接；每条支链中的所述下连接轴6、所述上连接轴4和所述两个平行布置且等长的远架杆5a和5b构成一平行四边形结构。
如图2所示，所述动平台7包括一个中心板8、两组分角齿轮组和四个连杆9a~9d；每组分角齿轮组包含一个中心锥齿轮10aa(或10bb)和两个分角锥齿轮10a(或10b)。所述中心锥齿轮10aa(或10bb)与所述中心板8转动连接，所述中心锥齿轮10aa(或10bb)的轴线和其转动轴线重合；所述分角锥齿轮10a(或10b)与中心板8转动连接，两个分角锥齿轮10a（或10b）的轴线与所述中心锥齿轮的轴线垂直交于一点，两分角锥齿轮10a（或10b）布置于中心锥齿轮10aa(或10bb)两侧且与中心锥齿轮10aa(或10bb)啮合。
所述动平台7上还设有一固定连杆，所述固定连杆9e和上述四个连杆在所述中心板8上呈径向均布，所述四个连杆的一端分别与两组分角齿轮组中的分角锥齿轮的转动轴固接，所述固定连杆的一端与所述中心板8固接，所述四个连杆和固定连杆9a~9d的另一端分别与五条结构相同的支链中的五个下连接轴6固接。
如图3所示，所述两自由度手腕12固接于所述中心板8上，两自由度手腕12周围布置两组齿轮传动机构11a和11b，每组齿轮传动机构11a（或11b）包含相互啮合的一大齿轮11a（或11c）和一小齿轮11b（或11d），每组齿轮传动机构11a（或11b）中的大齿轮11a（或11c）分别与所述动平台7中每组分角齿轮组的中心锥齿轮10aa(或10bb)同轴设置，所述小齿轮11b（或11d）与两自由度手腕12的一输入轴固接，且同轴设置；本发明中，每组齿轮放大机构中大齿轮与小齿轮相啮合，所述齿轮传动机构将中心锥齿轮10aa和10bb相对于中心板8的相对转动转化为所述两自由度手腕12的动力输入，从而实现所述两自由度手腕12的二维可控转动。
上述五自由度并联机械手的传动过程是，在五个驱动装置1的驱动作用下，五条结构相同的支链中的下连接轴6运动，也即，所述驱动装置1为与其固接的近架杆3提供一个转动或移动自由度，通过所属支链的两平行等长远架杆5a、5b带动所述支链的下连接轴6产生平动，进而带动动平台7产生三维平动运动；与此同时，四个下连接轴通过分角齿轮组带动所述中心锥齿轮相对中心板转动；从而使动平台7既可以有三个方向的平动自由度，同时又具有两个局部转动自由度，利用两自由度手腕周围布置的两组齿轮传动机构的放大作用将上述两个局部转动自由度转化为两自由度手腕(末端执行器)的二维可控转动。
本发明与现有技术相比，其不同点在于：
动平台由中心板和两组分角齿轮组及一固定连杆构成，其中，与两组分角齿轮组连接的下连接轴的相对运动可通过分角齿轮组转化为中心锥齿轮相对于中心板的转动，由于固定连杆固接于中心板，从而使动平台既可以有三个方向的平动自由度，同时又具有两个局部转动自由度。进而利用齿轮传动机构的放大作用将这两个局部转动自由度转化为两自由度手腕的可控运动。
本发明结构对称，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，易实现高速运动，且满足复杂抓放操作的要求。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种高速五自由度并联机械手，包括固定架（2）、动平台（7）、两自由度手腕（12）以及布置在所述固定架（2）与动平台（7）之间的五条结构相同的支链；
所述固定架（2）上固接有五个驱动装置（1）；所述每条支链包括近架杆（3）、两个平行且等长的远架杆、一个上连接轴(4)和一个下连接轴(6)；
每条支链中，所述近架杆（3）的一端与固定于所述固定架（2）上的一驱动装置（1）的输出端固定连接，该驱动装置（1）为近架杆（3）提供一个转动或移动自由度；所述近架杆(3)的另一端与所述上连接轴（4）固连；所述两个平行的远架杆的一端分别与所述上连接轴（4）球铰接，所述两个平行的远架杆的另一端分别与所述下连接轴（6）球铰接；每条支链中的所述下连接轴、所述上连接轴和所述两个平行布置且等长的远架杆构成一平行四边形结构；
其特征在于：
所述动平台（7）包括一个中心板（8）、两组分角齿轮组和四个连杆；每组分角齿轮组包含一个中心锥齿轮和两个分角锥齿轮；所述中心锥齿轮与所述中心板（8）转动连接，所述中心锥齿轮的轴线和转动轴线重合；所述分角锥齿轮与中心板（8）转动连接，两个分角锥齿轮的轴线与所述中心锥齿轮的轴线垂直交于一点，两分角锥齿轮布置于中心锥齿轮两侧且与中心锥齿轮啮合；
所述动平台（7）上还设有一固定连杆，所述固定连杆和上述四个连杆在所述中心板（8）上呈径向均布，所述四个连杆的一端分别与两组分角齿轮组中的分角锥齿轮的转动轴固接，所述固定连杆的一端与所述中心板（8）固接，所述四个连杆和固定连杆的另一端分别与五条结构相同的支链中的五个下连接轴固接；
所述两自由度手腕（12）固接于所述中心板（8）上，两自由度手腕（12）周围布置两组齿轮传动机构，每组齿轮传动机构包含相互啮合的一大齿轮和一小齿轮，每组齿轮传动机构中的大齿轮分别与所述动平台（7）中每组分角齿轮组的中心锥齿轮同轴设置，所述小齿轮与两自由度手腕的一输入轴固接，且同轴设置；所述两组齿轮传动机构为所述两自由度手腕（12）提供两个动力输入，实现所述两自由度手腕（12）的二维可控转动；
在五个驱动装置（1）的驱动作用下，五条结构相同的支链中的下连接轴（6）运动，进而带动动平台（7）产生三维平动运动，与此同时，四个下连接轴通过分角齿轮组带动所述中心锥齿轮相对中心板转动；从而，动平台既可以有三个方向的平动自由度，同时又具有两个局部转动自由度，利用两自由度手腕周围布置的两组齿轮传动机构将上述两个局部转动自由度转化为两自由度手腕的二维可控转动。
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