CN102502450A - 支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于升降设备领域，特别涉及一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构。山字形连接件按等边正三角形的顶点位置分别固定在底座的上平面和支承平台的下表面上，3组剪叉式桁架垂直底座，底端和顶端分别通过底部转动副与山字形连接件连接；每两组剪叉式桁架所在的平面成120°夹角；3组剪叉式桁架之间，每层同高度的连杆之间通过一个水平放置的星形连接件连接，驱动装置安装在底座的中心位置。与现有技术的平行式剪叉机构相比，本发明结构更加稳定，在强度不变的情况下，可以降低自重，增加刚度，能够承受更大的载荷，从而提高升降平台的最大作业高度，具有可展比大、结构紧凑、自重小、承载量大、通过性强和操控性好的特点。

Description

支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构

技术领域

本发明属于升降设备领域，特别涉及一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构。

背景技术

升降台是一种垂直运送人或物的起重机械。除作为不同高度的货物输送外，升降台广泛应用于高空的安装、维修等作业，它自由升降的特点目前已经广泛运用于市政维修，码头、物流中心货物运输，建筑装潢等，具有重量轻、自行走、电启动、自支腿、操作简单、作业面大等优点。

按照升降机构升降原理的不同，升降台可以分为剪叉式升降机、伸缩式升降机、套筒式升降机、伸缩臂式升降机、折臂式升降机等几类；按移动方式的不同分为固定式升降机、拖拉式升降机、自行式升降机、车载式升降机等。其中，由于使用剪叉式升降机构的升降台具有可展比大、结构紧凑、自重小、承载量大、通过性强和操控性好的特点，因此在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护等场合中得到广泛地应用。

现在通用的剪叉式升降机构一般都是两组叉杆并行式，它具有以下的缺点：由于两组叉杆并行的方式并非是对称的，当升降台升至高处受到侧面方向的力时很容易导致升降台刚度不足而晃动；持续的振动增加了结构的不稳定性甚至发生倾倒，因此它的结构刚度较差。另外，当升降机构中支撑平台的叉杆采用一端固定，一端滑动的方式时，在所承载重物重心不变的情况下，升降台升降时容易导致机构受力变化较大，从而增加不稳定因素，给顶端工作人员造成工作的不便以及心理压力，容易酿成危险事故。因此需要一种强度高、刚度大、稳定性好的升降机构。

发明内容

本发明为了克服现有升降台的不足，提供了一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构。

本发明采用的技术方案为：

该升降机构由支承平台、山字形连接件、星形连接件、剪叉式桁架、底座和驱动装置组成。

3个山字形连接件按等边正三角形的3个顶点的分布固定在底座的上平面上，3组剪叉式桁架垂直底座，剪叉式桁架的底端通过底部转动副与山字形连接件连接；3个山字形连接件按等边正三角形的3个顶点的分布固定在支承平台的下表面上，剪叉式桁架的顶端通过顶部转动副与山字形连接件连接；每组剪叉式桁架所在的平面与相邻的剪叉式桁架所在的平面成120°夹角。

3组剪叉式桁架之间，每层同高度的连杆之间均水平放置1个星形连接件，星形连接件的3个顶点分别与3组剪叉式桁架同高度交叉的连杆的中心铰接点构成连杆中心转动副。

驱动装置安装在底座的中心位置。

一个星形连接件和与其构成连杆中心转动副连接的3组交叉的连杆组成一个剪叉层，驱动装置在底座上支撑第一剪叉层的星形连接件，驱动第一剪叉层的升降，第一剪叉层的升降通过剪叉式桁架的传递，驱动整个多面过约束剪叉式升降机构的升降。

所述驱动装置为千斤顶或液压驱动机构。

所述剪叉式桁架为由连杆和短连杆构成的可伸缩机构，由2条交叉的连杆在中心点铰接组成剪叉式单元，上下相邻的剪叉式单元中，对应的2个连杆端部的连杆端部转动副构成上下剪叉式单元连杆之间的铰接，在剪叉式桁架的底部，2条短连杆一端分别与第一剪叉式单元的2条连杆铰接，2条短连杆的另一端互相铰接组成剪叉式桁架底端，在剪叉式桁架的顶部，2条短连杆一端分别与最上剪叉式单元的2条连杆铰接，2条短连杆的另一端互相铰接组成剪叉式桁架顶端，短连杆两端铰接点之间的有效长度为连杆两端铰接点之间的有效长度的1/2。

本发明的有益效果为：

本发明由三组剪叉式桁架组成升降机构，三组剪叉式桁架通过每一层的连杆中心与星形连接件以转动副连接，利用星形连接件自身结构的稳定性及三面过约束，三组剪叉式桁架的平面始终围成一个辐射状正三角形结构，辐射状三角形特有的结构稳定性提高了机构的整体稳定性，也提高了支承平台各个方向的刚度和稳定性。

支承平台和底座均通过自身的等边正三角形布置的山字形连接件与三组剪叉式桁架的转动副连接，稳定性高。当升降台通过驱动装置驱动剪叉式桁架伸展或收缩使得升降台在竖直方向做升降运动时，三组剪叉式桁架同步伸展或收缩，支承平台能平稳升降，降低了发生危险的几率。

与现有技术的平行式剪叉机构相比，本发明结构更加稳定，在强度不变的情况下，可以降低自重，增加刚度，能够承受更大的载荷，从而提高升降平台的最大作业高度，具有可展比大、结构紧凑、自重小、承载量大、通过性强和操控性好的特点。

本发明能够应用于高空安装、维修、运输等作业，尤其适用于载荷量大、作业高度大等一般升降设备难以满足要求的环境。

附图说明

图1为支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构实施例示意图；

图2为山字形连接件的结构示意图；

图3为剪叉层结构示意图；

图4为剪叉式桁架的结构示意图；

图5为第一剪叉层结构示意图；

图6为第一剪叉层结构的俯视图。

图中标号：

1-支承平台，2-山字形连接件，3-正三角形连接件，4-剪叉式桁架，41-连杆，42-短连杆，43-连杆中心转动副，44-连杆端部转动副，45-顶部转动副，46-底部转动副，5-底座。

具体实施方式

本发明提供了一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构，下面结合附图对本发明的结构、原理及具体实施方式作进一步的说明。

图1为支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构实施例示意图，升降机构由支承平台1、山字形连接件2、星形连接件3、剪叉式桁架4、底座5和驱动装置组成。3个山字形连接件2按等边正三角形的3个顶点的分布固定在底座5的上平面上，3组剪叉式桁架4垂直底座5，剪叉式桁架4的底端通过底部转动副46与山字形连接件2连接；3个山字形连接件2按等边正三角形的3个顶点的分布固定在支承平台1的下表面上，剪叉式桁架4的顶端通过顶部转动副45与山字形连接件2连接；每组剪叉式桁架4所在的平面与相邻的剪叉式桁架4所在的平面成120°夹角。山字形连接件的结构如图2所示。3组剪叉式桁架4在支承平台1和底座5之间呈辐射状布置。3组剪叉式桁架4之间，每层同高度的连杆41之间均水平放置1个星形连接件3，星形连接件3的3个顶点分别与3组剪叉式桁架4同高度交叉的连杆41中心铰接点构成连杆中心转动副43，一个星形连接件3和与其构成连杆中心转动副43连接的3组交叉的连杆41组成一个剪叉层，如图3所示。驱动装置在底座5上支撑第一剪叉层的星形连接件3，驱动第一剪叉层的升降，第一剪叉层的升降通过剪叉式桁架4的传递，驱动整个多面过约束剪叉式升降机构的升降，驱动装置6为液压驱动装置。

剪叉式桁架4的结构如图4所示，剪叉式桁架4为由连杆41和短连杆42构成的可伸缩机构，由2条交叉的连杆41在中心点铰接组成一个剪叉式单元，上下相邻的剪叉式单元中，对应的2个连杆端部的连杆端部转动副44构成上下剪叉式单元连杆41之间的铰接，在剪叉式桁架4的底部，2条短连杆42一端分别与第一剪叉式单元的2条连杆41铰接，2条短连杆42的另一端互相铰接组成剪叉式桁架底端，在剪叉式桁架4的顶部，2条短连杆42一端分别与最上剪叉式单元的2条连杆41铰接，2条短连杆42的另一端互相铰接组成剪叉式桁架顶端，短连杆42两端铰接点之间的有效长度为连杆41两端铰接点之间的有效长度的1/2。

如图5的单组剪叉式桁架与底座的连接示意图所示，单组剪叉式桁架4通过与山字形连接件2的底部转动副46连接置于底座5上，剪叉式桁架4具有两个自由度：一是绕山字形连接件2在固定平面内的转动，二是沿着各交叉的连杆中心连接而成的剪叉式桁架轴线做伸缩运动。三组剪叉式桁架4都具有这两个自由度。当利用正三角形连接件3通过连杆中心以连杆中心转动副43分别与三组剪叉式桁架4连接后，剪叉式桁架4在各自所在平面的转动被限制了，仅剩下伸缩的自由度。即只能做垂直底座5的升降运动，这便实现了升降机构的工作要求。而且在升降机构做升降运动时，三组桁架升降幅度保持一致。当底座5所安放在水平状况良好的地面时，支承平台也会在水平状态下升降，不会晃动或者倾倒。

下面对升降机构的运动做理论上的分析。

图6为第一剪叉层结构示意图，即为升降结构的简化模式，第一层的正三角形连接件3的运动与支承平台1的运动相同，对其进行理论分析即是对升降机的整体分析。建立如图6所示的坐标系oxyz，z轴垂直地面向上，x轴为正三角形A₀B₀C₀的对称轴，y轴垂直x轴，平行于正三角形的B₀C₀边，坐标系满足右手定则。

正三角形连接件3受到A₁、B₁、C₁三点的三个连杆中心转动副43的约束，而A₁，B₁，C₁分别通过剪叉式桁架被约束在与底座固结的连接件上(图中的A₀、B₀、C₀点)，即A₁、B₁、C₁分别通过两条并联的运动链与固定的底座5连接。因此研究正三角形连接件所受到的约束转换成分析A₁、B₁、C₁的三个连杆中心转动副43的约束，也即是分析A₁、B₁、C₁分别受到的两个并联的运动链的约束问题。

如图6所标示的字母。运动副i的坐标位置用(x_iy_iz_i)表示，设正三角形的边长为l。首先分析A₁的约束情况：A₁通过两条并联的运动链A₀A_LA₁和A₀A_RA₁组成的一组并联运动链与底座连接。根据【赵景山，冯之敬，褚福磊.机器人机构自由度分析理论[M].北京：科学出版社，2009.】提出的机构自由度的分析理论，研究A₁的运动可以转化为分析与其相连的两个串联运动链的终端约束问题，利用螺旋理论进行求解。

${\$}_{A_0{A}_L{A}_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{A_0}& {\$}_{A_L}& {\$}_{A_1}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，各个运动副的方向向量根据图6所示的直角坐标系中各运动副的坐标位置及轴线方向确定。

${\$}_{A_0}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& x_{A_0}\end{array}\right)}^T$

${\$}_{A_L}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& -z_{A_L}& 0& x_{A_L}\end{array}\right)}^T$

${\$}_{A_1}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& -z_{A_1}& 0& x_{A_1}\end{array}\right)}^T$

其中，T表示矩阵的转置。

运动链A₀A_LA₁的终端约束

可以由互易螺旋理论求出$，即

$^TE$^r＝0                              (2)

其中$为运动螺旋系， $E=\left[\begin{array}{cc}0& I_3\\ I_3& 0\end{array}\right],$ $I_3=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $^r为$的反螺旋系，亦即约束螺旋。

由(1)式可以求出

为：

${\$}_{A_1{A}_L{A}_0}^r={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

同样，可以写出连接件A₁的另一运动链A₀A_RA₁的运动螺旋系为：

${\$}_{A_0{A}_R{A}_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{A_0}& {\$}_{A_R}& {\$}_{A_1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

${\$}_{A_0}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& x_{A_0}\end{array}\right)}^T$

${\$}_{A_R}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& -z_{A_R}& 0& x_{A_R}\end{array}\right)}^T$

${\$}_{A_1}={\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& -z_{A_1}& 0& x_{A_1}\end{array}\right)}^T$

运动链A₀A_RA₁的终端约束

可以由互易螺旋理论求出，由(2)式可以得：

${\$}_{A_1{A}_R{A}_0}^r={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

因此，A₁所受到的约束螺旋系完全由

和

决定，即A₁受到的约束可表示为：

${\$}_{A_1}=\left[\begin{array}{cc}{\$}_{A_0{A}_L{A}_1}^r& {\$}_{A_0{A}_R{A}_1}^r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T$

${\$}_{A_1}^r=\left[\begin{array}{cc}{\$}_{A_1{A}_L{A}_0}^r& {\$}_{A_1{A}_R{A}_0}^r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(6\right)$

将所受到的约束代入(2)式，可以求得A₁的自由运动螺旋为：

${\$}_{A_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(7\right)$

同理，B₁和C₁的自由运动螺旋可以通过类似的过程得到。

${\$}_{B_0{B}_L{B}_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{B_0}& {\$}_{B_L}& {\$}_{B_1}\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，各个运动副的方向向量根据直角坐标系中各运动副的坐标位置及轴线方向确定。

${\$}_{B_0}={\left(\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& -\frac{z_{B_0}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}{z}_{B_0}& \frac{x_{B_0}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{B_0}\end{array}\right)}^T(z_{B_0}=0)$

${\$}_{B_L}={\left(\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& -\frac{z_{B_0}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}{z}_{B_L}& \frac{x_{B_L}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{B_L}\end{array}\right)}^T$

${\$}_{B_1}={\left(\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& -\frac{z_{B_1}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}{z}_{B_1}& \frac{x_{B_0}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{B_0}\end{array}\right)}^T$

运动链B₀B_LB₁的终端约束可以由互易螺旋理论求出，由(2)式可以求出：

${\$}_{B_0{B}_L{B}_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(9\right)$

同理可求得运动链B₀B_LB₁的终端约束

${\$}_{B_0{B}_L{B}_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(10\right)$

最后得到

${\$}_{B_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(11\right)$

${\$}_{C_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(12\right)$

正三角形连接件分别通过A₁、B₁、C₁上的转动副与三组运动链连接，则正三角形连接件通过三组并联运动链相对于底座运动。其中，各点运动链的运动螺旋系为：

${\$}_{A_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(13\right)$

${\$}_{B_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(14\right)$

${\$}_{C_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(15\right)$

因此，正三角形连接件受到的约束螺旋系$由

和

确定。

$\$=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{A_1}^r& {\$}_{B_1}^r& {\$}_{C_1}^r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(16\right)$

将上式(16)化简整理得：

$\$={\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(17\right)$

由此，将式(17)代入式(2)可以求得支承平台的自由运动为：

$^r＝[0 0 0 0 0 1]^T              (18)

即星形连接件只具有沿z轴方向的移动自由度，即只能做垂直上下的升降运动。当若干层这样的剪叉层单元串联起来时，其顶端连接的钢架或平台也只具有沿z轴方向的移动自由度。

整个升降机构通过多个星形连接件固定，整个机构强度和刚度都得到显著提高，可以承受更大的载荷及更高的作业高度。

通过驱动装置，譬如千斤顶(或者类似千斤顶的动力机构)通过施加作用力于第一层的星形连接件3，实现第一层的星形连接件的升降，从而带动整个装置做整体垂直的升降，实现升降台的工作要求。

本发明提供的三面过约束剪叉式升降机构，其最大提升高度可以通过改变剪叉式桁架4中剪叉单元的数量或剪叉层的数目来改变，根据用户需求而设计。由于该机构具有结构刚度大、运动稳定性高的结构特性，与一般的升降机构相比，该机构能够承受更大的载荷，并且能够满足更大的作业高度要求。

本发明适用于高空安装、维修、运输等作业，尤其适用于载荷量大、作业高度大等一般升降设备难以满足要求的环境。广泛应用在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构，其特征在于，升降机构由支承平台(1)、山字形连接件(2)、星形连接件(3)、剪叉式桁架(4)、底座(5)和驱动装置组成；

3个山字形连接件(2)按等边正三角形的3个顶点的分布固定在底座(5)的上平面上，3组剪叉式桁架(4)垂直底座(5)，剪叉式桁架(4)的底端通过底部转动副(46)与山字形连接件(2)连接；3个山字形连接件(2)按等边正三角形的3个顶点的分布固定在支承平台(1)的下表面上，剪叉式桁架(4)的顶端通过顶部转动副(45)与山字形连接件(2)连接；每组剪叉式桁架(4)所在的平面与相邻的剪叉式桁架(4)所在的平面成120°夹角；

3组剪叉式桁架(4)之间，每层同高度的连杆(41)之间均水平放置1个星形连接件(3)，星形连接件(3)的3个顶点分别与3组剪叉式桁架(4)同高度交叉的连杆(41)的中心铰接点构成连杆中心转动副(43)；

驱动装置安装在底座(5)的中心位置；

一个星形连接件(3)和与其构成连杆中心转动副(43)连接的3组交叉的连杆(41)组成一个剪叉层，驱动装置在底座(5)上支撑第一剪叉层的星形连接件(3)，驱动第一剪叉层的升降，第一剪叉层的升降通过剪叉式桁架(4)的传递，驱动整个多面过约束剪叉式升降机构的升降。

2.根据权利要求1所述的一种支点固定式多面过约束辐射状剪叉式升降机构，其特征在于，所述驱动装置为千斤顶或液压驱动机构。

Images