CN102275163A - 一种球面并联运动机构 - Google Patents

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Abstract

一种球面并联运动机构，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，第一条支链上的圆弧形杆一和圆弧形杆二在一端以转动副二联接后，圆弧形杆一的另一端以转动副一和下静平台联接，圆弧形杆二的另一端以转动副三和连接杆联接；而连接杆的另一端又与圆弧形杆三的一端以转动副四联接，圆弧形杆三的另一端则以转动副五和上动平台联接；圆弧形杆一和圆弧形杆二上的三个转动副轴线必须相交于一点，而圆弧形杆三的二端的二个转动副轴线也必须相交于转动中心点。进一步，每条支链上与上动平台联接的圆弧形杆的二端的二个转动副，三条支链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，就可控制上动平台的三维转动球面运动输出。该并联机构结构简单、工作空间较大、制造安装方便，可作为三维转动平台或机器人三维转动关节的执行机构。

Description

一种球面并联运动机构
技术领域
本发明涉及一种并联虚轴机床、操作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提供一种新型的三维转动球面机构。
背景技术
自从Gough以及Stewart提出并联机构概念以来，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。
研究较多的有三维平移并联机构，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)，其主要特点是运动学正解为8次，且位置与方向解耦。
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，如，专利文献ZL022090649、ZL200810055018.6、201010126955.3、201010274735.5等公开。
总之，相对来说，三维转动并联机构的型式还比较少，需要综合结构简单、控制解耦、刚度好的实用化新机型。
发明内容
本发明目的是要提供一些结构简单、控制解耦、刚度好的新型三维转动球面并联机构。
本发明之一的球面并联运动机构，它由上动平台、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，其中第一条支链上的圆弧形杆一和圆弧形杆二在一端以转动副二联接后，圆弧形杆一的另一端以转动副一和下静平台联接，圆弧形杆二的另一端以转动副三和连接杆一联接；而连接杆一的另一端又与圆弧形杆三的一端以转动副四联接，圆弧形杆三的另一端则以转动副五和上动平台联接；圆弧形杆一和圆弧形杆二上的三个转动副轴线必须相交于一点，而圆弧形杆三的二端的二个转动副轴线也必须相交于转动中心点。进一步，第一、二、三条支链上与上动平台分别联接的圆弧形杆三、圆弧形杆四、圆弧形杆五的二端的二个转动副，共六个转动副的轴线必须相交于转动中心点。
本发明的第二个球面并联机构，它由上动平台、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，其中第一条支链上的圆弧形杆一的一端和下静平台以转动副一联接后，另一端以转动副二和连接杆一联接，而连接杆一的另一端又与圆弧形杆二的一端以转动副三联接，圆弧形杆二的另一端以转动副四与圆弧形杆三连接，圆弧形杆三的另一端以转动副五与上动平台连接；进一步，圆弧形杆一的二端的两个转动副的轴线必须相交于一点，而圆弧形杆二和圆弧形杆三上的三个转动副的轴线也必须相交于转动中心点。进一步，第一、二、三条支链上分别串接于上动平台的圆弧形杆二和圆弧形杆三、圆弧形杆四和圆弧形杆五、圆弧形杆六和圆弧形杆七，每对圆弧形杆所具有的三个转动副，共九个转动副的轴线必须相交于转动中心点。
这二种机构具有结构简单、对称性好、工作空间较大、便于制造安装等优点，可以简化三维转动并联结构虚拟轴机床、工作平台、雷达跟踪、舞台照明、机器人关节的控制与轨迹规划的复杂性，为这些装置的开发与实用化提供可能。
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所示的球面并联运动机构为本发明的一个实施例，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，其中第一条支链上的圆弧形杆一1和圆弧形杆二2在一端以转动副二R12联接后，圆弧形杆一1的另一端以转动副一R11和下静平台0联接，圆弧形杆二2的另一端以转动副三R13和连接杆3联接；而连接杆3的另一端又与圆弧形杆三4的一端以转动副四R14联接，圆弧形杆三4的另一端则以转动副五R15和上动平台5联接；圆弧形杆一1和圆弧形杆二2上的三个转动副轴线必须相交于一点O1’，而圆弧形杆三4的二端的二个转动副轴线也必须相交于转动中心点O。进一步，第一条支链上的圆弧形杆三4二端的转动副四R14、转动副五R15、第二条支链上的圆弧形杆四6二端的转动副六R25、转动副七R24、第三条支链上的圆弧形杆五7的二端的转动副八R35、转动副九R34，共六个转动副轴线必须相交于转动中心点O。
附图2所示的球面并联运动机构为本发明的另一个实施例，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，其中第一条支链上的圆弧形杆一1的一端和下静平台0以转动副一R11联接后，另一端以转动副二R12和连接杆2联接，而连接杆2的另一端又与圆弧形杆二3的一端以转动副三R13联接，圆弧形杆二3的另一端以转动副四R14与圆弧形杆三4连接，圆弧形杆三4的另一端以转动副五R15与上动平台5连接；进一步，圆弧形杆一1的二端的转动副一R11、转动副二R12的轴线必须相交于一点O1’；而圆弧形杆二3和圆弧形杆三4上的转动副三R13、转动副四R14、转动副五R15的轴线也必须相交于转动中心点O。进一步，第一条支链上圆弧形杆二3和圆弧形杆三4上的转动副三R13转动副四R14、转动副五R15、第二条支链上圆弧形杆四6和圆弧形杆五7上的转动副六R25、转动副七R24、转动副八R23、第三条支链上圆弧形杆六8和圆弧形杆七9上的转动副九R35、转动副十R34、转动副十一R33，共九个转动副的轴线必须相交于转动中心点O。
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绕转动中心点O的三维转动输出运动。
该种球面并联运动机构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)

1.一种球面并联运动机构，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圆弧形杆一(1)和圆弧形杆二(2)在一端以转动副二(R12)联接后，圆弧形杆一(1)的另一端以转动副一(R11)和下静平台(0)联接，圆弧形杆二(2)的另一端以转动副三(R13)和连接杆(3)联接；而连接杆(3)的另一端又与圆弧形杆三(4)的一端以转动副四(R14)联接，圆弧形杆三(4)的另一端则以转动副五(R15)和上动平台(5)联接；圆弧形杆一(1)和圆弧形杆二(2)上的三个转动副轴线必须相交于一点(O1’)，而圆弧形杆三(4)二端的二个转动副轴线也必须相交于转动中心点(O)。
2.一种球面并联运动机构，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圆弧形杆一(1)的一端和下静平台(0)以转动副一(R11)联接后，另一端以转动副二(R12)和连接杆(2)联接，而连接杆(2)的另一端又与圆弧形杆二(3)的一端以转动副三(R13)联接，圆弧形杆二(3)的另一端以转动副四(R14)与圆弧形杆三(4)连接，圆弧形杆三(4)的另一端以转动副五(R15)与上动平台(5)连接；进一步，圆弧形杆一(1)二端的转动副一(R11)、转动副二(R12)的轴线必须相交于一点(O1’)，而圆弧形杆二(3)和圆弧形杆三(4)上的转动副三(R13)、转动副四(R14)、转动副五(R15)的轴线也必须相交于转动中心点(O)。
3.按权利要求1所述的球面并联运动机构，其特征是第一条支链上的圆弧形杆三(4)二端的转动副四(R14)和转动副五(R15)、第二条支链上的圆弧形杆四(6)二端的转动副六(R25)和转动副七(R24)、第三条支链上的圆弧形杆五(7)二端的转动副八(R35)和转动副九(R34)，共六个转动副轴线必须相交于转动中心点(O)。
4.按权利要求2所述的一种球面并联运动机构，其特征是第一条支链上圆弧形杆二(3)和圆弧形杆三(4)上的转动副三(R13)、转动副四(R14)、转动副五(R15)、第二条支链上圆弧形杆四(6)和圆弧形杆五(7)上的转动副六(R25)、转动副七(R24)、转动副八(R23)、第三条支链上圆弧形杆六(8)和圆弧形杆七(9)上的转动副九(R35)、转动副十(R34)、转动副十一(R33)，共九个转动副的轴线必须相交于转动中心点(O)。
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