一种可重构3D打印并联机器人机构的制作方法

本发明涉及机构学与机器人学技术领域，尤其涉及一种可重构3D打印并联机器人机构。

背景技术：

随着工业4.0和中国制造2025的提出，智能制造与机器人成为制造业发展的主题，智能机器人、无人机、3D打印机器人也逐步成为社会所关注的热点。传统3D打印机器人一般为串联式结构，为提高3D打印的速度，Delta并联机器人被应用于3D打印机设计，例如目前广泛应用的三角洲3D打印机。

无论是采用串联结构还是并联结构，目前大部分3D打印机器人的打印头姿态为固定，其具有如下明显不足：(1)打印产品表面质量差。对于三维实体中一些不垂直于打印头的表面，单向分层3D打印会出现不光滑的台阶，影响产品的光滑度和表面精度。(2)在有些零件上增加几何特征比较困难。零件在使用过程中出现损坏等情况时，可通过3D打印进行修复，在此过程中如不改变打印头的姿态，打印头与零件已有实体特征间可能会发生干涉。(3)打印产品的力学性能具有方向性。例如采用FDM(熔融沉积造型)技术打印产品，材料特性取决于打印方向。

因此在3D打印作业时，根据不同的作业任务需求，在不同性质表面作业时，机器人末端执行器所需要的自由度是不同的。例如作业面为平面时，末端执行器具有3T(表示运动时，字母T代表移动)运动能力即可；作业面为直纹面时，末端执行器需具有3T1R(表示运动时，字母R代表转动)运动能力；作业面为自由曲面时，末端执行器需具备3T2R运动能力。传统的3D打印装备一般为固定自由度装备，不具备根据操作任务变化而变换其拓扑结构和自由度的能力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种可重构3D打印并联机器人机构，其可根据实际工程的不同操作任务需求变换其操作模式和自由度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种可重构3D打印并联机器人机构，包括固定平台和运动平台，所述固定平台和运动平台通过固定自由度支链、第一变胞支链、第二变胞支链相连，所述固定自由度支链、第一变胞支链、第二变胞支链两两相邻呈90°放置并通过螺栓连接在所述固定平台的定位槽中,所述第一变胞支链、第二变胞支链、固定自由度支链的顶部分别通过第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆与所述运动平台相连；第一变胞支链、第二变胞支链的结构一致，均包括一个变胞五杆机构和一个二连杆机构，所述变胞五杆机构的顶部通过所述二连杆机构与所述运动平台相连。

进一步的，所述固定自由度支链包括第一底板、平面五杆机构、第八连杆和第五连杆，所述平面五杆机构安装在所述第一底板上；所述平面五杆机构包括第一T字杆、第二T字杆、第一U字杆、第二U字杆、第六连杆和第七连杆，所述第一T字杆、第二T字杆平行布置且底部均连接在所述第一底板上，所述第一T字杆和所述第一U字杆通过第一直线转动副相连，所述第二T字杆和所述第二U字杆通过第二直线转动副相连，所述第一U字杆和所述第六连杆的底端通过第十二转动副相连，所述第二U字杆和第七连杆的底端通过第十三转动副相连，所述第六连杆和第七连杆的顶端通过第十四转动副相连；所述第八连杆的一端连接在所述平面五杆机构的第十四转动副上，所述第八连杆的另一端与所述第五连杆的一端通过第十一转动副相连，所述第九连杆的另一端连接有第十五转动副相连，所述第十五转动副与所述第三连接杆相连。

再进一步的，所述变胞五杆机构包括包括第二底板、第一球面五杆机构、第二球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，所述第一球面五杆机构和第二球面五杆机构并排设置连接在所述第二底板上，所述第一球面五杆机构和第二球面五杆机构上分别连接有第一连架杆和第二连架杆，所述第一连架杆通过第六转动副与第一连杆连接，所述第二连架杆通过第七转动副与第二连杆连接，所述第一连杆和所述第二连杆的顶端通过第八转动副连接；所述二连杆机构包括第三连杆和第四连杆，所述第三连杆的一端连接在所述第八转动副上，所述第三连杆的另一端和所述第四连杆的一端通过第九转动副连接，所述第四连杆的另一端连接有第十转动副连接，所述第十转动副与所述第一连接杆连接。

再进一步的，所述第一球面五杆机构包括垂直固定在所述第二底板上的第一直杆A和第二直杆A；所述第一直杆A的端头通过第一转动副A连接有第一弯杆A的一端，所述第二直杆A的端头通过第二转动副A连接有第二弯杆A的一端；所述第一弯杆A的另一端通过第三转动副A连接有第三弯杆A的一端，所述第二弯杆A的另一端通过第四转动副A连接有第四弯杆A的一端，所述第四弯杆A的另一端与所述第三弯杆A的另一端通过第五转动副A连接；所述第一弯杆A、第二弯杆A、第三弯杆A和第四弯杆A的弯角角度均为90°；所述第一连架杆的下端固定在第四弯杆A的弯角处，且第一连架杆向上垂直于第四弯杆A所在的平面；

所述第二球面五杆机构与所述第一球面五杆机构结构完全相同，包括垂直固定在所述第二底板上的第一直杆B和第二直杆B；所述第一直杆B的端头通过第一转动副B连接有第一弯杆B的一端，所述第二直杆B的端头通过第二转动副B连接有第二弯杆B的一端；所述第一弯杆B的另一端通过第三转动副B连接有第三弯杆B的一端，所述第二弯杆B的另一端通过第四转动副B连接有第四弯杆B的一端，所述第四弯杆B的另一端与所述第三弯杆B的另一端通过第五转动副B连接；所述第一弯杆B、第二弯杆B、第三弯杆B和第四弯杆B的弯角角度均为90°；所述第二连架杆的下端固定在第四弯杆B的弯角处，且第二连架杆向上垂直于第四弯杆B所在的平面；

所述第六转动副、第七转动副、第八转动副、第四转动副A、第四转动副B的轴线平行，所述第二转动副A和第二转动副B同轴布置且转角相同，所述第一转动副A和第一转动副B的轴线平行。

再进一步的，所述第一连架杆和第二连架杆的规格相同，所述第一连杆和所述第二连杆的规格相同。

再进一步的，所述第二底板上设置有两个避空孔，两个所述避空孔位于所述第一球面五杆机构和第二球面五杆机构的正下方。

再进一步的，所述第一变胞支链以所述固定平台的中轴线顺时针旋转90°后与所述第二变胞支链重合。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明一种可重构3D打印并联机器人机构，包括固定平台和运动平台，固定平台上连接有固定自由度支链、第一变胞支链和第二变胞支链，固定自由度支链包括第一底板、平面五杆机构、第八连杆和第五连杆，平面五杆机构安装在所述第一底板上；变胞支链包括包括一个变胞五杆机构和一个二连杆机构，变胞五杆机构的顶部通过二连杆机构与运动平台相连；变胞五杆机构包括包括第二底板、第一球面五杆机构、第二球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆；作业时，选取球面五杆机构与第二底板相连的第一、第二转动副为输入副，通过锁死或驱动变胞支链上的第一转动副、第二转动副时，顶部的运动平台可以具有具有3T2R运动、3T1R运动和3T运动(表示运动时，T代表移动，R代表转动)三种构态的切换，其中3T1R运动包括旋转方向不同的两种构态方式，从而适应不同性质表面作业，具备根据操作任务变化而变换其拓扑结构和自由度的能力。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明可重构3D打印并联机器人机构结构示意图；

图2为本发明第一变胞支链结构示意图；

图3为本发明固定自由度支链结构示意图；

附图标记说明：1、固定平台；2、运动平台；3、固定自由度支链；4、第一变胞支链；5、第二变胞支链；6、第一连接杆；7、第二连接杆；8、第三连接杆；

301、第一底板；302、第一T字杆；303、第二T字杆；304、第一直线转动副；305、第二直线转动副；306、第一U字杆；307、第二U字杆；308、第六连杆；309、第七连杆；310、第十二转动副；311、第十三转动副；312、第十四转动副；313、第八连杆；314、第五连杆；315、第十一转动副；316、第十五转动副；

401、第二底板；402、第一球面五杆机构；402-1、第一直杆A；402-2、第二直杆A；402-3、第一转动副A；402-4、第一弯杆A；402-5、第二转动副A；402-6、第二弯杆A；402-7、第三转动副A；402-8、第三弯杆A；402-9、第四转动副A；402-10、第四弯杆A；402-11、第五转动副A；

403、第二球面五杆机构；403-1、第一直杆B；403-2、第二直杆B；403-3、第一转动副B；403-4、第一弯杆B；403-5、第二转动副B；403-6、第二弯杆B；403-7、第三转动副B；403-8、第三弯杆B；403-9、第四转动副B；403-10、第四弯杆B；403-11、第五转动副B；

404、第一连架杆；405、第一连杆；406、第二连杆；407、第二连架杆；408、第六转动副；409、第七转动副；410、第八转动副；411、第二连杆；412、第四连杆；413、第九转动副；414、第十转动副。

具体实施方式

如图1-3所示，一种可重构3D打印并联机器人机构，包括固定平台1和运动平台2，所述固定平台1和运动平台2通过固定自由度支链3、第一变胞支链4、第二变胞支链5相连，所述固定自由度支链3、第一变胞支链4、第二变胞支链5两两相邻呈90°放置并通过螺栓连接在所述固定平台1的定位槽中,所述第一变胞支链4、第二变胞支链5、固定自由度支链3的顶部分别通过第一连接杆6、第二连接杆7、第三连接杆8与所述运动平台2相连；第一变胞支链4、第二变胞支链5的结构一致，均包括一个变胞五杆机构和一个二连杆机构，所述变胞五杆机构的顶部通过所述二连杆机构与所述运动平台2相连。具体的，所述第一连接杆6、第二连接杆7、第三连接杆8呈圆周均布在所述运动平台2的外侧面上，且与所述运动平台2固定连接为一个整体。

如图3所示，所述固定自由度支链3包括第一底板301、平面五杆机构、第八连杆313和第五连杆314，所述平面五杆机构安装在所述第一底板301上；所述平面五杆机构包括第一T字杆302、第二T字杆303、第一U字杆306、第二U字杆307、第六连杆308和第七连杆309，所述第一T字杆302、第二T字杆303平行布置且底部均连接在所述第一底板301上，所述第一T字杆302和所述第一U字杆306通过第一直线转动副304相连，所述第二T字杆303和所述第二U字杆307通过第二直线转动副305相连，所述第一U字杆306和所述第六连杆308的底端通过第十二转动副310相连，所述第二U字杆307和第七连杆309的底端通过第十三转动副311相连，所述第六连杆308和第七连杆309的顶端通过第十四转动副312相连；所述第八连杆313的一端连接在所述平面五杆机构的第十四转动副312上，所述第八连杆313的另一端与所述第五连杆314的一端通过第十一转动副315相连，所述第九连杆314的另一端连接有第十五转动副316相连，所述第十五转动副316与所述第三连接杆8相连。具体的，所述第六连杆308、所述第八连杆313固定连接在所述第十四转动副312的转动壳上，所述第七连杆309固定连接在所述第十四转动副312的转动轴上。第六连杆308、所述第八连杆313和所述第七连杆309形成一个转动副连接。

具体的，第一U字杆306、第二U字杆307、第六连杆308和第七连杆309和第一底板301组成平面五杆机构，第十二转动副310、第十三转动副311、第十四转动副312、第一直线转动副304和第二直线转动副305的轴线平行且平行于第一底板301。所述第九连杆314具体包括外杆和内杆两部分，外杆和内杆均设计为方形杆并通过一个移动副连接，外杆与第十一转动副315相连，内杆与所述第十五转动副316相连，第十五转动副316通过所述第三连接杆8与运动平台2相连。第十一转动副315和第十五转动副316的轴线平行且正交于第十二转动副310、第十三转动副311、第十四转动副312、第一直线转动副304和第二直线转动副305的轴线。第十一转动副315和第十五转动副316的轴线正交于所述第九连杆314上的移动副。

该固定自由度支链3的自由度为五，存在一个约束力偶。第十二转动副310、第十三转动副311、第十四转动副312、第一直线转动副304和第二直线转动副305的轴线组成轴线平行的一组线矢量，第十一转动副315和第十五转动副316的轴线组成轴线平行的另一组线矢量，两组线矢量的公法线方向即为固定自由度支链的约束力偶方向。第一U字杆306、第二U字杆307垂直于第一底板301时，为固定自由度支链的初始位形。初始位形时，第十一转动副315和第十五转动副316的轴线平行于第一底板301。

如图2所示，所述变胞五杆机构包括包括第二底板401、第一球面五杆机构402、第二球面五杆机构403、两个连架杆和两个连杆，所述第一球面五杆机构402和第二球面五杆机构403并排设置连接在所述第二底板401上，所述第一球面五杆机构402和第二球面五杆机构403上分别连接有第一连架杆404和第二连架杆407，所述第一连架杆404通过第六转动副408与第一连杆405连接，所述第二连架杆407通过第七转动副409与第二连杆406连接，所述第一连杆405和所述第二连杆406的顶端通过第八转动副410连接；

所述二连杆机构包括第三连杆411和第四连杆412，所述第三连杆411的一端连接在所述第八转动副410上，所述第三连杆411的另一端和所述第四连杆412的一端通过第九转动副413连接，所述第四连杆412的另一端连接有第十转动副414连接，所述第十转动副414通过所述第一连接杆6与运动平台2连接。具体的，所述第一连杆405、所述第三连杆411固定连接在所述第八转动副410的转动壳上，所述第二连杆406固定连接在所述第八转动副410的转动轴上。所述一连杆405、所述第三连杆411和所述第二连杆406形成一个转动副连接。

所述第一球面五杆机构402包括垂直固定在所述第二底板401上的第一直杆A402-1和第二直杆A402-2；所述第一直杆A402-1的端头通过第一转动副A402-3连接有第一弯杆A402-4的一端，所述第二直杆A402-2的端头通过第二转动副A402-5连接有第二弯杆A402-6的一端；所述第一弯杆A402-4的另一端通过第三转动副A402-7连接有第三弯杆A402-8的一端，所述第二弯杆A402-6的另一端通过第四转动副A402-9连接有第四弯杆A402-10的一端，所述第四弯杆A402-10的另一端与所述第三弯杆A402-8的另一端通过第五转动副A402-11连接；所述第一弯杆A402-4、第二弯杆A402-6、第三弯杆A402-8和第四弯杆A402-10的弯角角度均为90°；所述第一连架杆404的下端固定在第四弯杆A402-10的弯角处，且第一连架杆404向上垂直于第四弯杆A402-10所在的平面；

所述第二球面五杆机构403与所述第一球面五杆机构402结构完全相同，包括垂直固定在所述第二底板401上的第一直杆B403-1和第二直杆B403-2；所述第一直杆B403-1的端头通过第一转动副B403-3连接有第一弯杆B403-4的一端，所述第二直杆B403-2的端头通过第二转动副B403-5连接有第二弯杆B403-6的一端；所述第一弯杆B403-4的另一端通过第三转动副B403-7连接有第三弯杆B403-8的一端，所述第二弯杆B403-6的另一端通过第四转动副B403-9连接有第四弯杆B403-10的一端，所述第四弯杆B403-10的另一端与所述第三弯杆B403-8的另一端通过第五转动副B403-11连接；所述第一弯杆B403-4、第二弯杆B403-6、第三弯杆B403-8和第四弯杆B403-10的弯角角度均为90°；所述第二连架杆407的下端固定在第四弯杆B403-10的弯角处，且第二连架杆407向上垂直于第四弯杆B403-10所在的平面；所述第六转动副408、第七转动副409、第八转动副410、第四转动副A402-9、第四转动副B403-9的轴线平行，所述第二转动副A402-5和第二转动副B403-5同轴布置且转角相同，所述第一转动副A402-3和第一转动副B403-3的轴线平行。

具体的，第一球面五杆机构402与第二底板401相连的第二转动副A402-5、第二球面五杆机构403与第二底板401相连的转动副第一转动副B403-3为变胞五杆机构的输入副，第二转动副A402-5与第一转动副B403-3的轴线正交且都平行于第二底板401，选择驱动或锁死第二转动副A402-5与第一转动副B403-3该变胞五杆机构将具有不同的子构态。

具体来说，如图2所示，当第一连架杆404和第二连架杆407垂直于第二底板401时，为第一、第二变胞支链的初始位形。初始位形时，第一转动副A402-3和第一转动副B403-3的轴线与第六转动副408、第七转动副409和第八转动副410的轴线平行，第九转动副413和第十转动副414的轴线正交于第二底板401，第一转动副B403-3和第四转动副B403-9的轴线共线，第一转动副A402-3和第四转动副A402-9的轴线共线。

当同时驱动第二转动副A402-5与第一转动副B403-3，变胞支链由初始位形切换为子构态A。子构态A时，该变胞支链的自由度为6，无几何约束。

当驱动第一转动副B403-3，锁死第二转动副A402-5，变胞支链由初始位形切换为子构态B。子构态B时，变胞支链的自由度为5，存在一个约束力偶。子构态B时，第六转动副408、第七转动副409和第八转动副410的轴线组成轴线平行的一组线矢量，第九转动副413和第十转动副414的轴线组成轴线平行的另一组线矢量，两组线矢量的公法线方向即为变胞支链的约束力偶方向。

所述第一连架杆404和第二连架杆407的规格相同，所述第一连杆405和所述第二连杆406的规格相同。所述第二底板401上设置有两个避空孔，两个所述避空孔位于所述第一球面五杆机构402和第二球面五杆机构403的正下方。

所述第一变胞支链4以所述固定平台1的中轴线顺时针旋转90°后与所述第二变胞支链5重合。第二变胞支链5顶部的第十转动副通过第二连接杆7与运动平台2连接。

本发明的动作过程如下：

本发明利用两条变胞支链和一条固定自由度支链连接固定平台1和运动平台2，得到如图1所示的一种新型可重构3D打印并联机器人机构；其中第三连接杆8所在支链为固定自由度支链3，第一连接杆6所在支链为第一变胞支链4，第二连接杆7所在支链为第二变胞支链5。第二变胞支链5上的第一转动副B403-3与第一变胞支链4上的第一转动副B403-3的轴线正交布置，第二变胞支链5上的第一转动副B403-3与固定自由度支链3上的第二直线转动副305的轴线平行布置。当固定自由度支链3、第一变胞支链4和第二变胞支链5都位于初始位形时，称新型可重构3D打印并联机器人机构处于初始位形。建立运动坐标系o-xyz于运动平台2的几何中心，初始位形时x轴与第二变胞支链5上的第一转动副B403-3的轴线平行，初始位形时y轴与第一变胞支链4上的第一转动副B403-3的轴线平行，z轴由x轴和y轴叉乘确定。

当第一变胞支链4和第二变胞支链5都切换为子构态A，第一变胞支链4和第二变胞支链5无几何约束作用于运动平台2。固定自由度支链3存在一个约束力偶作用于运动平台2，该约束力偶与z轴同向，运动平台2绕z轴的转动被约束，运动平台2具有3T1Rx1Ry运动(T代表移动，R代表转动，下标x和y代表转动方向，字母前的数字代表运动类型的数目)，此时称新型可重构3D打印并联机器人机构由初始位形切换为操作模式A。

当第二变胞支链5切换为子构态B，第一变胞支链4切换为子构态A，第二变胞支链5和固定自由度支链3都存在约束力偶作用于运动平台2，第一变胞支链4无几何约束作用于运动平台2。第二变胞支链5的约束力偶与y轴同向，固定自由度支链3的约束力偶与z轴同向，运动平台2绕y轴和z轴的转动被约束，运动平台2具有3T1Rx运动，此时称新型可重构3D打印并联机器人机构由初始位形切换为操作模式B。

当第二变胞支链5切换为子构态A，第一变胞支链4切换为子构态B，第一变胞支链4和固定自由度支链3都存在约束力偶作用于运动平台2，第二变胞支链5无几何约束作用于运动平台2。第一变胞支链4的约束力偶与x轴同向，固定自由度支链3的约束力偶与z轴同向，运动平台2绕x轴和z轴的转动被约束，运动平台2具有3T1Ry运动，此时称新型可重构3D打印并联机器人机构由初始位形切换为操作模式C。

当第二变胞支链5和第一变胞支链4都切换为子构态B，第二变胞支链5、第一变胞支链4和固定自由度支链3都存在约束力偶作用于运动平台2。第二变胞支链5的约束力偶与y轴同向，第一变胞支链4的约束力偶与x轴同向，固定自由度支链3的约束力偶与z轴同向，运动平台2的全部转动都被约束，运动平台2具有3T运动，此时称新型可重构3D打印并联机器人机构由初始位形切换为操作模式D。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。