CN102275162A - 一种三转动球面并联操作装置 - Google Patents

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杨廷力
邓嘉鸣
余同柱
曹凯
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一种三转动球面并联操作装置，由上动平台、下静平台及连接上动平台和下静平台的三条结构相同的支链组成，其特征是第一条支链上的杆一、杆二、杆三分别以转动副轴线相平行的转动副二、转动副三连接后，杆一的另一端和静平台以转动副一连接，杆三的另一端与圆弧型杆一的一端以转动副四连接，圆弧型杆一的另一端和动平台以转动副五连接，且圆弧型杆一的二端的转动副四与转动副五的轴线须相交于转动中心点；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一的二端的转动副四和转动副五、第二条支链上的圆弧型杆二的二端的转动副六和转动副七、第三条支链上的圆弧型杆三的二端的转动副八和转动副九，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点。驱动下静平台上的三个转动副，就可实现上动平台的三维纯转动输出。该装置结构简单、制造安装方便，可作为并联机床、操作平台、雷达跟踪、机器人关节的执行机构。

Description

一种三转动球面并联操作装置
技术领域
本发明涉及一种并联虚轴机床、工作台与机器人关节的执行机构，具体地说是为并联结构虚轴机床、操作工作台与机器人关节等提供一种新型的三维转动球面操作装置。
背景技术
并联机构在机器人、虚拟轴机床、坐标测量机、工作平台、机械手等领域获得了广泛应用，除了6自由度的6-SPS、6-RSS典型并联结构外，还有自由度为2～5的少自由度并联机构，它们在实际的工业生产上更具有实用价值。研究较多的是三维平移并联机构，如Delta机构、Star Like机构、Tsai氏三维平移并联机构(美国专利号：5656905，1997)。
三维转动并联机构也可广泛应用于机械加工、雷达跟踪、舞台照明、机器人关节等场合。加拿大学者Gosselin最早研究、设计基于球面并联机构的“灵巧眼”，后来，国内一些学者也提出了一些球面并联机构或装置，例，专利ZL022090649、ZL200810055018.6、201010126955.3、201010274735.5等三维转动并联机构。总之，相对来说，三维转动并联操作装置的型式还比较少，需要综合结构简单、控制解耦、刚度好、制造容易的实用化新机型。
发明内容
本发明的目的是要提供结构简单、控制解耦、刚度好的新型三转动球面并联操作装置。
本发明的第一种三转动球面并联操作装置，由上动平台(5)、下静平台(0)及连接上动平台(5)和下静平台(0)的三条结构相同的支链组成，其特征是第一条支链上的杆一(1)、杆二(2)、杆三(3)分别以转动副轴线相平行的转动副二(R12)、转动副三(R13)连接后，杆一(1)的另一端和下静平台(0)以转动副一(R11)连接，杆三(3)的另一端与圆弧型杆一(4)的一端以转动副四(R14)连接，圆弧型杆一(4)的另一端和上动平台(5)以转动副五(R15)连接，且圆弧型杆一(4)的二端的转动副四(R14)与转动副五(R15)的轴线须相交于转动中心点(O′)；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一(4)二端的转动副四(R14)和转动副五(R15)、第二条支链上的圆弧型杆二(6)二端的转动副六(R25)和转动副七(R24)、第三条支链上的圆弧型杆三(7)二端的转动副八(R35)和转动副九(R34)，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点(O′)。
同时，第一条支链上的转动副一(R11)、第二条支链上的转动副十(R21)、第三条支链上的转动副十一(R31)，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。
本发明的第二种三转动球面并联操作装置，由上动平台(5)、下静平台(0)及连接上动平台(5)和下静平台(0)的三条结构相同的支链组成；其特征是第一条支链上的杆一(1)的一端与下静平台(0)以转动副一(R11)连接后，另一端与杆二(2)以轴线垂直于转动副一(R11)轴线的移动副(P12)连接，杆二(2)与杆三(3)又以平行于转动副二(R11)轴线的转动副三(R13)连接，杆三(3)的另一端与圆弧型杆一(4)的一端以转动副四(R14)连接，而圆弧型杆一(4)的另一端与上动平台(5)以转动副五(R15)连接，且圆弧型杆一(4)的二端的转动副四(R14)与转动副五(R15)的轴线须相交于转动中心点(O′)；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一(4)二端的转动副四(R14)和转动副五(R15)、第二条支链上的圆弧型杆二(6)二端的转动副六(R25)和转动副七(R24)、第三条支链上的圆弧型杆三(7)二端的转动副八(R35)和转动副九(R34)，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点(O′)。
同时，第一条支链上的转动副一(R11)、第二条支链上的转动副十(R21)、第三条支链上的转动副十一(R31)，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。。
这二种机构结构简单、对称性好、制造安装容易，可用作并联机床、工作平台、雷达跟踪、舞台照明、机器人关节装置的开发。
附图说明
附图1为本发明的一种结构示意图。附图2为本发明的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实例对本发明的技术给予进一步地说明。
附图1所示的三转动球面并联操作装置为本发明的第一个实施例。它由上动平台5、下静平台0及连接上动平台5和下静平台0的三条结构相同的支链组成，其特征是第一条支链上的杆一1、杆二2、杆三3分别以转动副轴线相平行的转动副二R12、转动副三R13连接后，杆一1的另一端和下静平台0以转动副一R11连接，杆三3的另一端与圆弧型杆一4的一端以转动副四R14连接，圆弧型杆一4的另一端和上动平台5以转动副五R15连接，且圆弧型杆一4的二端的转动副四R14与转动副五R15的轴线须相交于转动中心点O′；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一4二端的转动副四R14和转动副五R15、第二条支链上的圆弧型杆二6二端的转动副六R25和转动副七R24、第三条支链上的圆弧型杆三7二端的转动副八R35和转动副九R34，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点O′。
进一步，第一条支链上的转动副一R11、第二条支链上的转动副十R21、第三条支链上的转动副十一R31，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。。
附图2所示的三转动球面并联操作装置为本发明的第二个实施例。它由上动平台5、下静平台0及连接上动平台5和下静平台0的三条结构相同的支链组成；其特征是第一条支链上的杆一1的一端与下静平台0以转动副一R11连接后，另一端与杆二2以轴线垂直于转动副一R11轴线的移动副P12连接，杆二2与杆三3又以平行于转动副二R11轴线的转动副三R13连接，杆三3的另一端与圆弧型杆一4的一端以转动副四R14连接，而圆弧型杆一4的另一端与上动平台5以转动副五R15连接，且圆弧型杆一4的二端的转动副四R14与转动副五R15的轴线须相交于转动中心点O′；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一4二端的转动副四R14和转动副五R15、第二条支链上的圆弧型杆二6二端的转动副六R25和转动副七R24、第三条支链上的圆弧型杆三7二端的转动副八R35和转动副九R34，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点O′。
同样，第一条支链上的转动副一R11、第二条支链上的转动副十R21、第三条支链上的转动副十一R31，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。
在上述二个实施例中，控制三条支链上与下静平台0联接的三个转动副R11、R21、R31的运动，就可实现上动平台5绕转动中心O′的三维转动输出。
该种三转动球面并联装置的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装，且具有结构简单、工作空间较大、便于制造安装，可作为并联结构的虚拟轴机床、工作平台、雷达跟踪、舞台照明、机器人关节的执行机构。

Claims (4)

1.一种三转动球面并联操作装置，由上动平台(5)、下静平台(0)及连接上动平台(5)和下静平台(0)的三条结构相同的支链组成，其特征是第一条支链上的杆一(1)、杆二(2)、杆三(3)分别以转动副轴线相平行的转动副二(R12)、转动副三(R13)连接后，杆一(1)的另一端和下静平台(0)以转动副一(R11)连接，杆三(3)的另一端与圆弧型杆一(4)的一端以转动副四(R14)连接，圆弧型杆一(4)的另一端和上动平台(5)以转动副五(R15)连接，且圆弧型杆一(4)的二端的转动副四(R14)与转动副五(R15)的轴线须相交于转动中心点(O′)；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一(4)二端的转动副四(R14)和转动副五(R15)、第二条支链上的圆弧型杆二(6)二端的转动副六(R25)和转动副七(R24)、第三条支链上的圆弧型杆三(7)二端的转动副八(R35)和转动副九(R34)，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点(O′)。
2.一种三转动球面并联操作装置，由上动平台(5)、下静平台(0)及连接上动平台(5)和下静平台(0)的三条结构相同的支链组成；其特征是第一条支链上的杆一(1)的一端与下静平台(0)以转动副一(R11)连接后，另一端与杆二(2)以轴线垂直于转动副一(R11)轴线的移动副(P12)连接，杆二(2)与杆三(3)又以平行于转动副二(R11)轴线的转动副三(R13)连接，杆三(3)的另一端与圆弧型杆一(4)的一端以转动副四(R14)连接，而圆弧型杆一(4)的另一端与上动平台(5)以转动副五(R15)连接，且圆弧型杆一(4)的二端的转动副四(R14)与转动副五(R15)的轴线须相交于转动中心点(O′)；进一步，第一条支链上的圆弧型杆一(4)二端的转动副四(R14)和转动副五(R15)、第二条支链上的圆弧型杆二(6)二端的转动副六(R25)和转动副七(R24)、第三条支链上的圆弧型杆三(7)二端的转动副八(R35)和转动副九(R34)，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点(O′)。
3.按权利要求1所述的三转动球面并联操作装置，其特征是第一条支链上的转动副一(R11)、第二条支链上的转动副十(R21)、第三条支链上的转动副十一(R31)，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。
4.按权利要求2所述的三转动球面并联操作装置，其特征是第一条支链上的转动副一(R11)、第二条支链上的转动副十(R21)、第三条支链上的转动副十一(R31)，这三个转动副的轴线不能平行于同一平面。
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