CN101664924B - 一种二自由度绳牵引并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二自由度绳牵引并联机构，该机构包括机架和动平台，其特征在于该机构还包括一个中间支链和两组绳索牵引支链，所述的中间支链由两个相互垂直的转动关节铰接组成，且安装在机架和动平台之间的中心位置；所述的两组绳索牵引支链结构相同，并以中间支链为中心，十字形安装在机架和动平台之间；每一组绳索牵引支链均由固定在机架上的电机驱动，电机带动绳索经张紧装置和滑轮机构驱动动平台绕所述中间支链转动，实现动平台在两个相互垂直的方向转动。本发明是非冗余驱动，机构简单，控制容易。
Description
技术领域
本发明涉及机械学领域，具体为一种二自由度绳牵引并联机构。
背景技术
绳牵引并联机构是将若干驱动器的运动和力以绳为介质，并行转换为动平台(末端执行器)的运动和力的封闭机械装置。其组成元素包括：机架、驱动器、绳、动平台、连接绳与动平台的关节和驱动器与绳的关节。绳牵引并联机构是一种新型机构，具有结构简单、工作空间大和运动速度快等特点，因而在大型轮船舰艇的制造和维修、机械制造、人造射电望远镜、机器人等领域得到日益广泛的研究和应用。绳牵引并联机构的驱动器是固定的，它的机械效率很高；有效载荷可以分布在多个驱动器上，且能达到非常高的速度和加速度；绳牵引并联机构的尺寸可以制造的非常大，也可以制造的非常小，且与起重机不一样，其运动是可以预测的，也能在没有人工交互时进行控制。
研究员Ming指出，由于柔索(绳)只能承受拉力，不能承受压力，柔索牵引并联机构必须采用冗余驱动，即n自由度的并联柔索牵引机构至少要由n+1根柔索来牵引，即不完全约束定位机构需要外力(如重力)来保持稳定。柔索是柔性元件，只能承受单向拉力，因此在工作过程中必须始终保持其处于张紧状态，并且绳索易出现干涉等现象，也因此需要的驱动电机较多，能耗高，加大了其制造和运行成本，并且控制问题较复杂。
发明内容
本发明针对绳牵引机构必须采用冗余驱动，成本高等缺点，提出一种新型的二自由度绳牵引并联机构，该机构采用了加装两组张紧装置的方法，实现绳索的张紧不松动，不需要冗余驱动，具有结构简单，成本降低，控制操作容易等优点，并且运动灵活，能实现更大的回转空间。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种二自由度绳牵引并联机构，该机构包括机架和动平台，其特征在于该机构还包括一个中间支链和两组绳索牵引支链，所述的中间支链由两个相互垂直的转动关节铰接组成，且安装在机架和动平台之间的中心位置；所述的两组绳索牵引支链结构相同，并以中间支链为中心，十字形安装在机架和动平台之间；每一组绳索牵引支链均由固定在机架上的电机驱动，电机带动绳索经张紧装置和滑轮机构驱动动平台绕所述中间支链转动，实现动平台在两个相互垂直的方向转动。
与现有技术相比，本发明二自由度绳牵引并联机构的有益效果是：由于设计采用了张紧装置，实现了牵引绳索的有效张紧，因而避免了传统机构的冗余驱动；本发明是非冗余驱动，不用多个电机、多个驱动，机构简单，成本降低，操作控制简单易行，且工作空间加大，可满足不同的作业要求，可用于多方面研究，例如可用于太阳跟踪装置等多方面。
附图说明
图1是本发明二自由度绳牵引并联机构一种实施例的整体结构示意图；
图2是本发明二自由度绳牵引并联机构一种实施例的第一绳索牵引支链结构示意图；
图3是本发明二自由度绳牵引并联机构一种实施例的第二绳索牵引支链结构示意图；
图4是本发明第一张紧装置6(第二张紧装置7与第一张紧装置6结构相同)的结构示意图。
图5a是本发明二自由度绳牵引并联机构一种实施例的第一张紧装置6的一种工作状态(第一绳索24紧张时)示意图；
图5b是本发明二自由度绳牵引并联机构一种实施例的第一张紧装置6的另一种工作状态(第一绳索24松弛时)示意图。
具体实施方式：
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。
本发明设计的二自由度绳牵引并联机构(简称机构，参见图1-4)包括：机架1和动平台5，其特征在于该机构还包括一个中间支链4和两组绳索牵引支链：即第一绳索牵引支链2和第二绳索牵引3，所述的中间支链4由两个相互垂直的转动关节铰接组成，且安装在机架1和动平台5之间的中心位置；所述的两组绳索牵引支链结构相同，并以中间支链4为中心，十字形安装在机架1和动平台5之间；每一组绳索牵引支链均由固定在机架1上的电机驱动，所述电机带动绳索经张紧装置和滑轮机构，驱动动平台5绕所述中间支链4转动，实现动平台5在两个相互垂直的方向转动。
本发明机构的具体结构是：在机架1上安装有第一绳索牵引支链2、第二绳索牵引支链3和中间支链4三条支链，所述的三条支链都与动平台5相连。第一绳索牵引支链2包括安装在机架1上的第一电机23，第二绳索牵引支链3包括安装在机架1上的第二电机33；所述的中间支链4为从动支链，包括依次机械连接的下连杆41、下铰链轴42、中连杆43、上铰链轴44和上连杆45，下连杆41安装在机架1的上表面，上连杆45安装在动平台5的下表面，且所述的下铰链轴42和上铰链轴44相互垂直安装。所述下连杆41的中间部分是框式空芯结构，第一绳索牵引支链2中的第一绳索24和第二绳索牵引支链3中的第二绳索34均可以从下连杆41的框式空芯(腔)中通过(参见图1)。当然这仅是本发明一种实施例结构，它可以采用其他结构，例如，在所述下连杆41的中间部分开有空间相互垂直的两个通孔，所述的第一绳索24和第二绳索34分别从两个通孔中穿过。
所述的第一绳索牵引支链2(参见图2)包括：第一电机23、第一电机座21、第一张紧装置6、第一滑轮机构和第一绳索24；第一电机23安装在第一电机座21上，并且第一电机23上装有第一滑轮机构的第一滑轮22，第一电机21座安装在机架1的一侧边缘上；在机架1的另一侧边缘与所述下连杆41和第一电机21相对(成一直线)的位置上安装有第一滑轮机构的第一滑轮座25，第一滑轮座25上带有第一滑轮座滑轮26；第一绳索24的一端与动平台5的一端相连，另一端依次经第一滑轮22、第一张紧装置6中的第一 小槽轮64和第一滑轮座滑轮26与动平台5的另一端连接，第一绳索24基本构成U字形。第一绳索牵引支链2的工作原理和过程是：第一电机23转动时，带动第一绳索24移动，第一绳索24的移动牵引动平台5绕上铰链轴44旋转，从而实现动平台5的一个方向的转动。
所述的第二绳索牵引支链3(参见图3)与第一绳索牵引支链2的结构完全相同，但两者在机架1上的安装位置相互垂直，构成与以所述中间支链4为中心的十字形(参见图1)。第二绳索牵引支链3中的第二绳索34的一端与动平台5相连，另一端依次经第二滑轮32、第二张紧装置7中的第二小轮子74和第二滑轮座滑轮36与动平台5的另一端连接。第二绳索牵引支链2的工作原理和过程是：第二电机33转动时，带动第二绳索34移动，第二绳索34的移动牵引动平台5绕下铰链轴42旋转，从而实现动平台5的另一个方向(与第一绳索牵引支链2牵引运动垂直的方向)的转动。
本发明机构所述的张紧装置6可以有多种结构设计。实施例的具体设计是拉簧张紧装置(简称张紧装置)，包括第一绳索牵引支链2中的第一张紧装置6和第二绳索牵引支链3中的第二张紧装置7。现以第一张紧装置6为例说明其具体结构(参见图4)：所述第一张紧装置6安装在机架1上，包括第一拉簧61，第一支撑杆62，第一连接板63、第一小槽轮64和第一小轴65；第一拉簧61的下端钩挂在机架1上，上端与第一连接板63相钩挂连接；第一支撑杆62为“Γ”形，竖置的杆下端固定在机架1上，上端的水平杆套装有第一连接板63，且第一连接板63能绕第一支撑杆62的水平杆转动；第一连接板63的结构为两块矩形板呈大于90度固定连接的“<”形，所述两块矩形板的连接处有可套装在所述第一支撑杆62的水平杆上的通孔，两块矩形板中的一块与所述第一拉簧61钩挂连接，另一块为“U”字形结构，在“U”字形的开口处安装有第一小轴65，第一小轴65上安装有第一小槽轮64，第一小槽轮64能绕第一小轴65转动。第二张紧装置7与第一张紧装置6结构完全相同，包括第二拉簧71、第二支撑杆72、第二连接板73、第二小槽轮74和第二小轴。
所述第一张紧装置6的工作原理是：所述的第一绳索24安装在第一小槽 轮64的上面，在滑轮机构的作用下对第一小槽轮64有向下的作用力，而第一小槽轮64、第一连接板63和第一小轴65为一体结构，并与第一拉簧61勾挂连接，因此通过力的传递，第一拉簧61受到作用力而处于拉伸状态。机构工作状态下，第一拉簧61处于适当拉伸状态，并与第一绳索24的张力状态一致或平衡(参见图5a：第一拉簧61长度较长，处于拉伸状态，第一小槽轮64水平位置较低)。当第一绳索24松动时，所述的作用力就减小，那么第一拉簧61就会因弹性势能减小而产生收缩运动，带动第一连接板63绕第一支撑杆62顺时针转动，从而拉动所述的第一小槽轮64向上抬起，进而使第一绳索24向上抬起，张紧第一绳索24，直至第一绳索24的张力与第一拉簧61的拉力之间平衡(参见图5b：第一拉簧61较短，处于收缩状态，第一小槽轮64水平位置较高)。另一方面，当第一绳索24进一步张紧时，所述的作用力就增大，所产生的力就会使第一连接板63逆时针转动，迫使所述的第一小槽轮64向下运动，进而使第一拉簧62被进一步拉伸，增加弹性势能，直至达到与第一绳索24的张力平衡。
所述第二张紧装置7与第一张紧装置6的结构相同。第二张紧装置7对第二绳索34的张紧作用原理同于第一张紧装置6对第一绳索24的张紧作用原理。在第一张紧装置6和第二张紧装置7的共同作用下，可实现第一绳索24和第二绳索34始终保持适当的整体张紧状态，都不松动，完成本发明的任务。
为防止第一绳索24与第二绳索34之间可能发生的运动干涉，本发明机构的进一步特征是在第一绳索牵引支链2中或第二绳索牵引支链3中的电机、张紧装置和滑轮机构的滑轮座的下边分别加装等厚的垫片。具体说是，在第一绳索牵引支链2中的第一电机、第一张紧装置和第一滑轮机构的第一滑轮座的下边分别加装等厚的电机垫片，张紧装置垫片和滑轮座垫片，使第一电机、第一张紧装置和第一滑轮座与第二电机、第二张紧装置和第二滑轮座的整体高度不同；或者相反，在第二电机、第二张紧装置和第二滑轮座的下边分别加装等厚的电机垫片，张紧装置垫片和滑轮座垫片，使第二电机、第二张紧装置和第二滑轮座与第一电机、第一张紧装置和第一滑轮座的整体高度 不同；或者直接设计第二绳索牵引支链3中的第二张紧装置7与第一绳索牵引支链2中的第一张紧装置6两者具有不同的整体高度。实施例是在第二电机33、第二张紧装置7和第二滑轮座35的下边分别加装了等厚的第二电机垫片81，第二张紧装置垫片82和第二滑轮座垫片83(参见图1、3)。
本发明并联机构为二自由度并联机构，根据工作任务的要求，可控制选择第一电机23或第二电机33单独工作，驱动相应的第一绳索牵引支链2或第二绳索牵引支链3单独运动，实现动平台5在某一个方向上的转动；也可以控制选择第一电机23和第二电机33同时工作，分别驱动第一绳索牵引支链2和第二绳索牵引支链3同时运动，实现动平台5在两个相互垂直方向上的转动。
Claims (4)
1.一种二自由度绳牵引并联机构，该机构包括机架和动平台，其特征在于该机构还包括一个中间支链和两组绳索牵引支链，所述的中间支链由两个相互垂直的转动关节铰接组成，且安装在机架和动平台之间的中心位置；所述的两组绳索牵引支链结构相同，并以中间支链为中心，十字形安装在机架和动平台之间；每一组绳索牵引支链由固定在机架上的两台电机分别驱动，电机带动绳索经张紧装置和滑轮机构驱动动平台绕所述中间支链转动，第一绳索牵引支链的第一绳索的一端与动平台的一端相连，另一端依次经第一滑轮、第一张紧装置中的第一小槽轮和第一滑轮座滑轮与动平台的另一端连接，第一绳索基本构成U字形；第二绳索牵引支链与第一绳索牵引支链的结构完全相同，但两者在机架上的安装位置相互垂直，构成与以所述中间支链为中心的十字形，实现动平台在两个相互垂直的方向转动。
2.根据权利要求1所述的二自由度绳牵引并联机构，其特征在于所述的中间支链为从动支链，包括依次机械连接的下连杆、下铰链轴、中连杆、上铰链轴和上连杆，下连杆安装在机架的上表面，上连杆安装在动平台的下表面，且所述的下铰链轴和上铰链轴相互垂直安装；所述下连杆的中间部分是框式空芯结构，第一绳索牵引支链中的第一绳索和第二绳索牵引支链中的第二绳索均从下连杆的框式空芯中通过。
3.根据权利要求1所述的二自由度绳牵引并联机构，其特征在于所述张紧装置安装在机架上，包括拉簧，支撑杆，连接板、小轴和小槽轮；拉簧的下端钩挂在机架上，上端与连接板相钩挂；支撑杆为“Γ”形，竖置的杆下端固定在机架上，上端的水平杆套装有连接板，且连接板能绕支撑杆的水平杆转动；连接板为两块矩形板呈大于90度固定连接的“＜”形，两块矩形板的连接处有可套装在所述支撑杆的水平杆上的通孔，两块矩形板中的一块与所述拉簧钩挂连接，另一块为“U”字形结构，在“U”字形的开口处安装有小轴，小轴上安装有小槽轮，小槽轮能绕小轴转动。
4.根据权利要求1所述的二自由度绳牵引并联机构，其特征在于在所述第一绳索牵引支链中或者第二绳索牵引支链中的电机、张紧装置和滑轮机构的滑轮座的下边分别加装等厚的垫片；或者直接设计第一绳索牵引支链中的第一张紧装置与第二绳索牵引支链中的第二张紧装置两者具有不同的整体高度。
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