CN101306534A - 具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，它由三自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元组成，其特征是：中心球面铰链的下支撑杆(3)下端与定平台(1)固定，下支撑杆(3)的轴线通过定平台(1)的中心点；圆柱直输出杆(8)穿过动平台(7)中心并与其固定或以棱柱移动副连接；直输出杆(8)上端与偏置输出杆(9)在中心线交点A固联，圆柱直输出杆(8)与偏置输出杆(9)的轴线夹角α_h，α_h取值范围为0°～100°，偏置方向为任意的。本发明具有高过约束、大刚度、大工作空间特性和卸载功能，极大地改善了机构的力学性能。

Description

具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构

技术领域

本发明涉及一种具有中心球面副的偏置输出三自由度球面并联机构，属于机构学或机械领域。

背景技术

加拿大学者Gosselin在1994年提出了一种球面三自由度并联机构的设计方法，并设计了‘摄像机自动定位装置’，其工作空间为：半锥顶角70度的圆锥形，自旋角为正、负30度。

三自由度球面并联机构是重要、典型的少自由度并联机构之一，它有很多种构型，有代表性的典型机构为3-RRR机构，如图3所示。它由固定平台、动平台及3个分支链并联于两平台之间以单转动副连接。每个支链有两个圆弧形构件以单转动副串联连接，所有的转动副的轴线交于一点，即球面机构的球心。机构的结构参数α₁、α₂、β₁、β₂、η_1i、η_2i，其中η_1i(i＝1，2，3)分别为z_i1与z₁₁在下平台的投影所成角度；η_2i(i＝1，2，3)分别为z_i3与z₁₃在上平台投影所形成的角度。

中国专利(公告号：CN2564840Y)公开了一种三自由度球面并联机构控制工作台。其技术方案是：下支撑连杆做成球面弯曲形以避免运动时的空间硬干涉；回转工作台的运动由另外电机驱动、相对机构动平台的迴转运动是独立的，工作台的总的回转运动则由机构动平台运动与回转台迴转运动的叠加。三自由度球面并联机构自身的结构、机构学基本特性没有变化。控制工作台属于三自由度球面并联机构与单转动副串联的混联构型。

在现有技术中，三自由度球面并联机构都存在相同的几个缺点：构件上的载荷构成不合理；机构的静刚度较小、角位移刚度虽较大、线位移刚度却极小，线位移与角位移刚度不匹配；机构的输出工作空间较小，两方向摆角超过某一角度后机构将发生奇异现象。当我们将三自由度球面并联机构作为主动关节使用时，上述不足完全暴露无遗。极大的影响了机构在工程上的应用。

发明内容

基于上述问题与工程上的要求，本发明提供一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，该发明具有卸载特性、高过约束、大工作空间和大的静刚度等优点，从根本上突破了三自由度球面并联机构工作空间小的制约，拓宽了机构在工程上的应用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以三自由度球面并联机构为原型，利用机构具有球面公共约束特点，即所有活动构件均为绕球心旋转，机构的中心区域是空腔的特点，在机构的球心点植入一个被动球面铰链，与球窝固联的支撑杆轴线过三自由度球面并联机构的固定平台中心点并与定平台固定；与球头固联输出杆的轴线过三自由度球面机构的动平台中心，并与其固联或以棱锥型轴向移动副P连接；输出杆穿过动平台后其偏置方向为任意，输出杆整体为弯拐形。形成具有中心球面铰链的偏置输出的四支链并联的新球面并联机构。

所述具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，它由三自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元组成。所述三自由度球面并联机构包括固定平台1、驱动输入轴(2，2′，2″)、下连杆(4，4′，4″)、上连杆(18，18′，18″)、上下连杆构成转动的销轴(5，5′，5″)、动平台7和动平台与上连杆上端构成转动的销轴(12，12′，12″)。所述中心球面铰链包括双耳支架17、下支撑杆3、销轴(16，16′)、圆柱直输出杆8、旋转支撑架13、支撑销轴(11，11′)、支撑辊(10，10′)、球头6、活动球窝14和U形拨叉15。所述偏置输出杆单元包括偏置输出杆9和圆柱直输出杆8。

中心球面铰链的下支撑杆3下端与定平台1固定，下支撑杆3的轴线通过定平台的中心点；圆柱直输出杆8穿过动平台7中心并与其固定；圆柱直输出杆8上端与偏置输出杆9在中心线交点A固联，圆柱直输出杆8与偏置输出杆9的轴线夹角α_h，α_h取值范围为0～100°，偏置方向为任意，输出杆整体为弯拐形。双耳支架17轴线与下支撑杆3轴线重合固联为一体，同时与球头6在球头的球心与铰链的球心重合点处固定；旋转支架13为回转体、中间为圆柱形孔、前后各装支撑销轴(11，11′)，支撑辊(10，10′)则对称装在相应的两个销轴上，支撑销轴(11，11′)与旋转支架13轴线垂直相交；圆柱直输出杆8下端与活动球窝14对心固定并与球头6构成球面运动副；圆柱直输出杆8为阶梯形轴、中间设有轴向定位台阶，旋转支架13连同装在其上的支撑销轴(11，11′)、支撑辊(10，10′)一起套装在输出杆上，并与轴向定位台阶实现定位；U形拨叉15为半圆弧形柱面组合体，两端设有销孔、装在双耳支架17的内侧，它可绕装在双耳支架17两侧的销轴(16，16′)往复摆动，两销轴所在的公共轴线为通过球心的直径，且与下支撑杆3轴线垂直；以U形拨叉15的轴向宽度中间平面为对称面沿圆周方向、开出径向内外通透的封闭长槽，圆柱直输出杆8的输出端由U形拨叉15的槽中穿过，圆柱直输出杆8直径与长槽同宽，并可沿槽侧壁往复摆动。旋转支架13上的前后的支撑辊(10，10′)与U形拨叉15两侧圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉15圆柱面的轴线平行。

支撑球窝21与宽双耳支架19及下支撑杆3对心固定，即宽的双耳支架19的回转轴线与下支撑杆3轴线重合并过支撑球窝21的球心；球头6与棱柱输出杆20的下端对心固定，即棱柱输出杆20的轴线过球头6的球心，球头6置于支撑球窝21中、球心重合构成球面副；U形拨叉15置于宽的双耳支架19的外侧。棱柱直输出杆20下端为圆柱形、上端为棱柱形；于动平台中心点处穿过，并与动平台构成棱柱移动副连接。

本发明的有益效果是：引入中心球面铰链实现了对机构的卸载，作用在输出件上的复合载荷中的力的成分将由动平台、中心球面铰链直接传到机架，其它三支链上的由外力产生的载荷被完全或部分力卸掉；同时由于中心球面铰链的刚度较大，而极大的提高新机构的线位移刚度及整体静刚度；明显改善机构的力学性能，支链的构件上的力减小了，从而减小了构件的变形、提高机构运动、输出位置精度，特别是力成分特别大的外载荷，也有利于机构的小型化设计。工程中，外力一般与环境相关的随机的量，对机构的影响具有不确定性、难以把握，排除了外力或部分排除了外力对机构的影响，大大改善机构的控制性能，在工程上有重大意义；采用偏置输出结构，从根本上突破了三自由度球面并联机构工作空间小的制约，拓宽机构在工程上的应用范围，使机构具有卸载特性、高过约束、大工作空间和大的静刚度特性。该并联机构对人形机器人的关节设计有重要的价值和意义。

附图说明

图1是输出杆与动平台固定的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构的结构示意图；

图2是输出杆与动平台以棱柱移动副连接的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构的结构示意图；

图3是3-RRR三自由度球面并联机构示意图。

在上述附图中，1.固定平台，(2，2′，2″).输入轴，3.下支撑杆，(4，4′，4″).下连杆，(5，5′，5″).连杆销轴，6.球头，7.动平台，8.圆柱直输出杆，9.偏置输出杆，(10，10′).支撑滚，(11，11′).支撑销轴，(12，12′，12″).动平台销轴，13.旋转支架。14.活动球窝，15.U形拨叉，(16，16′).销轴，17.双耳支架，(18，18′，18″).上连杆，19.宽双耳支架，20.棱柱直输出杆，21.支撑球窝。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明公开的第一个实施例，输出杆与动平台固定的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构。它由三自由度球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元组成。中心球面铰链的下支撑杆3下端与定平台1固定，下支撑杆3的轴线通过固定平台的中心点；圆柱直输出杆8穿过动平台7中心并与其固定；圆柱直输出杆8上端与偏置输出杆9在中心线交点A固联，圆柱直输出杆8与偏置输出杆9的轴线夹角α_h，α_h＝60°，偏置方向为任意的。

双耳支架17轴线与下支撑杆3轴线重合固联为一体，同时与球头6在球头的球心与铰链的球心重合点处固定；旋转支架13为回转体、中间为圆柱形孔、前后各装支撑销轴(11，11′)，支撑辊(10，10′)则对称装在相应的两个销轴上，支撑销轴(11，11′)与旋转支架13轴线垂直相交；圆柱直输出杆8下端与活动球窝14对心固定并与球头6构成球面运动副；圆柱直输出杆8为阶梯形轴、中间设有轴向定位台阶，旋转支架13连同装在其上的支撑销轴(11，11′)、支撑辊(10，10′)一起套装在输出杆上，并与轴向定位台阶实现定位；U形拨叉15为半圆弧形柱面组合体，两端设有销孔、装在双耳支架17的内侧，它可绕装在双耳支架17两侧的销轴(16，16′)往复摆动，两销轴所在的公共轴线为通过球心的直径，且与下支撑杆3轴线垂直；以U形拨叉15的轴向宽度中间平面为对称面沿圆周方向、开出径向内外通透的封闭长槽，圆柱直输出杆8的输出端由U形拨叉15的槽中穿过，圆柱直输出杆8直径与长槽同宽，并可沿槽侧壁往复摆动。旋转支架13上的前后的支撑辊(10，10′)与U形拨叉15两侧圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉15圆柱面的轴线平行；偏置输出杆9、圆柱直输出杆8、动平台7、活动球窝14为一体可绕球心同步运动；驱动输入轴(2，2′，2″)与下连杆(4，4′，4″)下端固联、与定平台1在支撑点处构成转动链接后外端与减速器固接；三个支链中的杆件、动平台7的所有转动销轴的轴线交于同一点即球心。

球心与偏置杆9外端关节点P的连线OP为机构的实际输出杆位置，与圆柱直输出杆8轴线的夹角t称为偏置角，t＝54.6度。

实施例2

图2是本发明公开的第二个实施例，输出杆与动平台以棱柱移动副连接的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构。它同样由三自由度球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元组成。所述三自由度球面并联机构包括固定平台1，驱动输入轴(2，2′，2″)，下连杆(4，4′，4″)，上连杆(18，18′，18″)，上下连杆构成转动的销轴(5，5′，5″)，动平台7，动平台与上连杆上端构成转动的销轴(12，12′，12″)。所述中心球面铰链包括下支撑杆3，支撑球窝21，球头6，棱柱直输出杆20。所述的偏置输出杆单元包括棱柱置输出杆20，偏置输出杆9。其中与实施例1的不同之处为：棱柱直输出杆20下端为圆柱形、上端为棱柱形；于动平台7中心点处穿过，并与动平台构成棱柱移动副连接；支撑球窝21与宽双耳支架19及下支撑杆3对心固定，即宽双耳支架19的回转轴线与下支撑杆3轴线重合并过支撑球窝21的球心；球头6与棱柱输出杆20的下端对心固定，即棱柱输出杆20的轴线过球头6的球心，球头6置于支撑球窝21中、球心重合构成球面副；U形拨叉15置于宽双耳支架19的外侧。

Claims (7)

1.一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，包括三自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元，其特征是：中心球面铰链的下支撑杆(3)下端与定平台(1)固定，下支撑杆(3)的轴线通过定平台(1)的中心点；中心球面铰链的圆柱直输出杆(8)穿过动平台(7)中心并与其固定；圆柱直输出杆(8)上端与偏置输出杆(9)在中心线交点A固联，圆柱直输出杆(8)与偏置输出杆(9)的轴线夹角α_h取值范围为0～100°，偏置方向为任意，输出杆整体为弯拐形。

2.根据权利要求1所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：所述的中心球面铰链的双耳支架(17)轴线与下支撑杆(3)轴线重合固联为一体，同时与球头(6)在球头的球心与铰链的球心重合点处固定；旋转支架(13)为回转体、中间为圆柱形孔、前后各装支撑销轴(11，11′)，圆柱直输出杆(8)下端与活动球窝(14)对心固定并与球头(6)构成球面运动副；U形拨叉(15)为半圆弧形柱面组合体，两端设有销孔、装在双耳支架(17)的内侧，它可绕装在双耳支架(17)两侧的销轴(16，16′)往复摆动，两销轴所在的公共轴线为通过球心的直径，且与下支撑杆(3)轴线垂直；以U形拨叉(15)的轴向宽度中间平面为对称面沿圆周方向、开出径向内外通透的封闭长槽，圆柱直输出杆(8)的输出端由U形拨叉(15)的槽中穿过，旋转支架(13)上的前后的支撑辊(10，10′)与U形拨叉(15)两侧圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉(15)圆柱面的轴线平行。

3.根据权利要求2所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：圆柱直输出杆(8)直径与U形拨叉(15)的封闭长槽同宽，并可沿槽侧壁往复摆动。

4.根据权利要求2所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：圆柱直输出杆(8)为阶梯形轴、中间设有轴向定位台阶，旋转支架(13)连同装在其上的支撑销轴(11，11′)、支撑辊(10，10′)一起套装在输出杆上，并与轴向定位台阶实现定位。

5.根据权利要求4所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：支撑辊(10，10′)则对称装在相应的支撑销轴(11，11′)上，支撑销轴(11，11′)与旋转支架(13)轴线垂直相交。

6.根据权利要求1或2所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：棱柱直输出杆(20)下端为圆柱形，其上端为棱柱形；棱柱直输出杆(20)从动平台(7)的中心点处穿过，与动平台(7)构成棱柱移动副连接。

7.根据权利要求6所述的具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其特征是：支撑球窝(21)与宽双耳支架(19)及下支撑杆(3)对心固定；球头(6)与棱柱输出杆(20)的下端对心固定，球头(6)置于支撑球窝(21)之中，球头(6)和支撑球窝(21)的球心重合构成球面副；U形拨叉(15)置于宽双耳支架(19)的外侧。

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