CN100451434C - 运动解耦的空间三自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运动解耦的空间三自由度并联机构，属于机械结构技术领域，该机构包括一个动平台、一个定平台，以及连接所述动平台和定平台的三个分支，所述的三个分支中，有两个分支是相同的且该两个分支的纵向轴线位于同一平面内，而三个分支均包含：一个输入件，一个连接件，以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于所述输入件与定平台之间的单自由度运动副a，另一个是连接于所述输入件与连接件之间的单自由度运动副b，还有一个是连接于所述动平台与连接件之间的运动副c；其中，所述运动副a是驱动的，运动副c可以是单自由度也可以是多自由度。本发明具有较高的转动能力，即灵活度较高，以及移动和转动解耦的特点。

Description

运动解耦的空间三自由度并联机构
技术领域
本发明属于机械结构技术领域，特别涉及几种空间三自由度并联机构，该种机构具有两个移动自由度和一个转动自由度，而且移动和转动是解耦的。
背景技术
在过去的近二十年里，并联机构由于具有刚度高、精度高、承载能力高、动力学性能好、结构紧凑等优点而在工业界的应用越来越广泛，尤其是在机床、微动操作台、用力与力矩传感器、飞行模拟器等行业领域中的应用。因此，越来越多的学者开始重视对并联机构的研究。
目前的并联机构具有2、3、4、5和6个自由度。6自由度并联机构在这个家族中具有相当重要的地位，因为空间一个自由刚体的自由度就是6个，因此6自由度并联机构是研究得较多的、也是在工业中应用的较为广泛的机构。这类机构的每一个运动链往往至少含有一个多自由度运动铰链，如球铰链或虎克铰链。但是在实际的应用中，往往不需要用6自由度机构，3自由度机构就能满足要求。与此同时，减少机构的自由度能降低机构的制造成本。
但是，这些空间并联机构也有其不足之处。一般的，空间并联机构由于存在运动学耦合问题，往往具有一个共同的缺点，即运动平台灵活度(或称转动能力)有限。而灵活度在工业应用中具有举足轻重的地位；由于有限的灵活度，很多并联机构很难在工业中得到进一步的广泛应用。另外，运动耦合也给机构的标定增加了难度。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题，提出一种运动解耦的空间三自由度并联机构，具有较高的转动能力，即灵活度较高，以及移动和转动解耦的特点。
本发明的运动解耦的空间三自由度并联机构，包括一个动平台、一个定平台，以及连接所述动平台和定平台的三个分支，其特征在于，所述的三个分支中，有两个分支是相同的且该两个分支的纵向轴线位于同一平面内，而三个分支均包含：一个输入件，一个连接件，以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于所述输入件与定平台之间的单自由度运动副a，另一个是连接于所述输入件与连接件之间的单自由度运动副b，还有一个是连接于所述动平台与连接件之间的运动副c；其中，所述运动副a是驱动的，运动副c可以是单自由度也可以是多自由度。
上述机构中还可包括一个接合构件，该接合构件连接在所述两个相同分支与动平台之间。
本发明的特点及效果：
该机构的动平台具有三个独立的自由度，其中两个是移动自由度，一个是转动自由度。相对于其他的三自由度机构，该机构具有较高的转动能力，即灵活度较高，以及移动和转动解耦的特点。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的结构示意图；
图2是本发明的第二实施例的结构示意图；
图3是本发明的第三实施例的结构示意图；
图4是本发明的第四实施例的结构示意图；
图5是本发明的第五实施例的结构示意图；
图6是本发明的第六实施例的结构示意图；
图7是本发明的第七实施例的结构示意图；
图8是本发明的第八实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明三自由度并联机构的第一实施例如图1所示，该机构包括三角形动平台16、定平台10，以及连接动平台16和定平台10的三个分支。其中定平台10为广义平台，包括固结在平台10上的三个斜导轨11。所述的三个分支中，两个分支是相同的，且这两个分支的纵向对称轴线位于同一平面内，且均包含：输入滑块12、桁架杆件14、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接输入滑块12与斜导轨11之间的移动副a，另一个是连接于输入滑块12与桁架杆件14之间的转动副13，还有一个是连接于动平台16与桁架杆件14之间的万向铰链或球铰链15。另一个分支包含：输入滑块12、桁架杆件18、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于输入滑块12与定平台10之间的移动副a，另一个是连接于输入滑块12与桁架杆件18之间的转动副19，还有一个是连接于动平台16与桁架杆件18之间的圆柱副17。本实施例的三个输入滑块12与定平台10之间的移动副是驱动的，且导轨与平面o-xy的夹角可以在[0°，90°]取值。
本发明三自由度并联机构的第二实施例如图2所示，该机构包括动平台26、三角形定平台20，以及连接动平台26和定平台20的三个分支。所述的三个分支中，两个分支是相同的，且该两个分支的纵向轴线位于同一平面内，且均包含：条形输入杆件22、桁架杆件24、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于条形输入杆件22与定平台20之间的转动副21，另一个是连接条形输入杆件22与桁架杆件24之间的转动副23，还有一个是连接于动平台26与桁架杆件24之间的万向铰链或球铰链25。另一个分支包含：条形输入杆件22、桁架杆件28、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于条形输入杆件22与定平台20之间的转动副21，另一个是连接于条形输入杆件22与桁架杆件28之间的转动副29，还有一个是连接于动平台20与桁架杆件28之间的圆柱副27。本实施例的三个分支中连接于条形输入杆件22与定平台20之间的三个转动副21是驱动的。
本发明三自由度并联机构的第三实施例如图3所示，该机构包括动平台36、三角形定平台30，以及连接动平台36和定平台30的三个分支。所述的三个分支中，两个分支是相同的，且该两个分支的纵向轴线位于同一平面内，且均包含：三角形板件32、圆柱形杆件34、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于三角形板件32与定平台30之间的转动副31，另一个是连接于三角形板件32与圆柱形杆件34之间的移动副33，还有一个是连接于动平台36与圆柱形杆件34之间的万向铰链或球铰链35，其中移动副33是驱动的。另一个分支包含：三角形板件32、圆柱形杆件38、以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于三角形板件32与定平台30之间的转动副31，另一个是连接于三角形板件32与圆柱形杆件38之间的移动副39，还有一个是连接于动平台36与圆柱形杆件38之间的圆柱副37，其中移动副39是驱动的。
本发明三自由度并联机构的第四实施例如图4所示，该实施例在第一实施例的基础上，改动了与动平台46相连接的三个运动副。三个分支中，两个相同的分支的纵向轴线仍在同一平面内，且通过圆柱副45将桁架杆件44与动平台46相连接；另一个分支则通过万向铰链或球铰链47将桁架杆件48与动平台46相连接。
本发明三自由度并联机构的第五实施例如图5所示，该实施例则是在第二实施例的基础上，进行了与第四实施例类似的改动，即改动了与动平台56相连接的三个运动副。三个分支中，两个相同的分支的纵向轴线仍在同一平面内，且通过圆柱副55将桁架杆件54与动平台56相连接；另一个分支则通过万向铰链或球铰链57将桁架杆件58与动平台56相连接。
本发明三自由度并联机构的第六实施例如图6所示，该实施例则是在第三实施例的基础上，进行了与第四实施例类似的改动，即改动了与动平台67相连接的三个运动副。三个分支中，两个相同的分支的纵向轴线仍在同一平面内，且通过圆柱副65将圆柱形杆件64与动平台66相连接；另一个分支则通过万向铰链或球铰链67将圆柱形杆件68与动平台66相连接。
本发明三自由度并联机构的第七实施例如图7所示，该实施例是在第一实施例的基础上，改动了动平台77与两个相同分支之间的连接方式。在动平台77与两个相同分支之间加了一个T形连接件75，而取代了分支与动平台之间直接连接的万向铰链或球铰链。该T形连接件75与动平台77、桁架杆件73之间均通过转动副相连接。图7中的导轨垂直与定平台70，这只是在第一实施例中将导轨与平面o-xy的夹角取为90°的实例。
本发明三自由度并联机构的第八实施例如图8所示，该实施例与第七实施例类似，也是在第一实施例的基础上改动了动平台83与两个相同分支之间的连接方式。两个相同分支均通过万向铰链82来连接桁架杆件81与动平台83，所作的改动就是将两个万向铰链82中与动平台相连接的两个同轴的转动副合并成了一个转动副，其他方面都与第一实施例相同。
另外，第七、八实施例中的改动也可以是基于第二、三实施例。

Claims (8)

1、一种运动解耦的空间三自由度并联机构，包括一个动平台、一个定平台，以及连接所述动平台和定平台的三个分支，其特征在于，所述的动平台具有两个移动自由度和一个转动自由度，且该转动自由度和移动自由度是解耦的；所述的三个分支中，有两个分支是相同的且该两个分支的纵向轴线位于同一平面内，而三个分支均包含：一个输入件，一个连接件，以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于所述输入件与定平台之间的单自由度运动副a，另一个是连接于所述输入件与连接件之间的单自由度运动副b，还有一个是连接于所述动平台与连接件之间的运动副c；其中，运动副c是单自由度或是多自由度，所述运动副a是驱动的。
2、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述单自由度运动副a是移动副，所述定平台由平台及固结在该平台上的三个导轨组成，且该导轨与所述平台的夹角在[0°，90°]取值。
3、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述输入件为输入滑块、条形杆件或三角形板件，所述连接件为桁架杆件或圆柱形杆件。
4、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述运动副a为移动副或转动副，所述运动副b为转动副或移动副，所述运动副c为圆柱副或万向铰链或球铰链。
5、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述两个相同分支的运动副c为圆柱副，另一个分支的运动副c为万向铰链或球铰链。
6、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述两个相同分支的运动副c为万向铰链或球铰链，另一个分支的运动副c为圆柱副。
7、如权利要求1所述并联机构，其特征在于，还包括一个接合构件，该接合构件连接在所述两个相同分支与动平台之间。
8、如权利要求7所述并联机构，其特征在于，所述接合构件与所述两个相同分支、动平台之间均通过转动副相连接。
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