[发明专利]一种含虚约束的二自由度机构

说明书

技术领域

本发明属于机器人机构领域，尤其涉及一种适合抓放操作的二自由度平面并联机械手机构。

背景技术

在机器人化作业的现有机器人中，有两类机构：串联机构和并联机构。串联机构具有工作空间大、灵活性高的优点，同时，也存在一些不足之处：存在各杆件的误差累积、末端精度低；惯性大、刚度低、动态性能较差。

并联机构是一种具有多个运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构。并联机器人相对串联机器人而言，具有刚度大、承载能力强、位置误差不累积、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点。基于并联机构的各种装备成为传统串联装备的一个重要补充，在许多领域发挥重要作用。目前，并联机器人主要应用于医用外科设备、移动机器人、运动模拟、机械制造、自动化装配、精密加工与测量、微电子制造及娱乐行业等领域，如飞行模拟器、虚拟轴机床、坐标测量机、微动机器人、机器人用力与力矩传感器、步行器及爬壁机器人腿以及大型矿山机械等。

目前，已经提出的新型并联机构约一百多种，但二自由度的平面并联机构依然非常少。二自由度平动并联机器人具有结构简单、有封闭形式的运动学正解、控制容易、造价低等特点。二自由度平动并联机器人的动平台能在其工作平面内以较高速度作二自由度移动，并保持姿态不变，适用于电子、包装等轻工行业的抓放操作，具有较好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含虚约束的二自由度机构。机构的输出端在工作平面内进行二维移动。该机构具有精度高、惯性小、高动态性能、工作空间较大、运动学正解和反解简单等优点。

本发明的含虚约束的二自由度机构，由10连杆组成。包括机架、两条运动支链和连接两条支链的连杆。机架通过两条运动支链和支链连接杆组成多环结构。机构中，所有连杆通过转动副相连。机构的每条运动支链由4根杆组成。包含一个主动臂，一个主动臂和从动臂分别平行于支链中的另外两条连杆，组成一个缩放机构。两条运动支链通过一根连杆相连，该连杆平行于机架，并形成机构的虚约束。两条从动臂的铰接处作为机构的输出端。两个主动臂的转动为机构的主动输入，通过两个主动臂的转动实现输出端的平面二自由度运动。

所述机架可通过一个线性传动机构在与该机构运动平面垂直的方向运动，从而实现动平台的三维运动。

本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明的含虚约束的二自由度机构采用多环结构，与传统二自由度串联机构相比，具有高精度、高刚度、高动态性能、位置误差不累积等优点；

2.本发明的含虚约束的二自由度机构运动学正解、反解简单。正解具有解析解，有利于机构的运动学标定；

3.本发明的含虚约束的二自由度机构，因引入了虚约束并形成多环结构，极大地提高了机构的整体刚度，有利于机构的轻量化。

4.本发明采用主动臂的转动作为机构的主动输入，可实现输出端的高速二维移动。

附图说明

图1是本发明的含虚约束的二自由度机构的结构示意图。

图中：1-主动臂  2-从动臂  3、4-辅助连杆  5-支链连杆  6-机架

主动臂(1)平行于辅助连杆(4)；从动臂(2)平行于辅助连杆(3)；支链连杆(5)平行于机架(6)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明的含虚约束的二自由度机构，由10条连杆组成，包括机架6、两条运动支链和支链连杆5。每条运动支链由连杆(1、2、3、4)组成。机构中，运动副全部为转动副。

运动支链中，连杆(1)为主动臂，连杆(2)为从动臂。连杆(3、4)为辅助连杆。主动臂(1)平行于辅助连杆(4)；从动臂(2)平行于辅助连杆(3)。因此，连杆(1、2、3、4)形成一个定比缩放机构。辅助连杆(3)和(4)的铰接点将与两从动臂交接点、主动臂和机架的交接点共线，如图1中虚线所示。

连杆5通过转动副连接两个运动支链，其杆长与机架杆长之比，等于支链的缩放比例。同时，当两个运动支链对称设计时，连杆(5)还将平行于机架(6)。连杆(5)的存在，使机构引入虚约束并形成多环结构：一方面，将极大地增强机构工作平面内的刚度；另一方面，将对其两端转动中心的长度提出了较高的制造要求。考虑到转动副都存在一定的装配间隙，连杆(5)在引入虚约束的同时，在一定程度上能起到消除给运动关节间隙的作用。因为刚度的提升，有利于机构的轻量化结构设计。

机构的两从动臂(2)的铰接处，作为机构的输出端，可安装各种工具。机构采用两个主动臂(1)的转动作为机构的主动输入，使输出端在其工作平面内以较高的速度作二自由度移动。本发明的含虚约束的二自由度机构采用多环结构，与传统二自由度机构相比，具有高精度、高刚度、低惯性、高动态性能等优点。