CN102626920A - 含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构 - Google Patents
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Abstract
含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其有动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支。每个分支分别由一个移动副，一个两自由度平面子链和两个转动副构成。平面子链中的转动副相互平行，移动副与转动副相互垂直。平面子链中的转动副与定平台和动平台都倾斜布置。该机构具有三个转动自由度，其分支中以及各分支之间都没有任何汇交的轴线，结构非常简单，加工制造比较方便，具有很广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种并联机构，特别涉及一种具有三个转动自由度的空间少自由度并联机构。
背景技术
并联机器人与串联机器人相比，具有刚度大、运动速度快、精度高等优点，在机械工业领域具有广泛的应用。而具有三个转动自由度的并联机构可以实现空间任意姿态的变化，广泛应用于卫星定位天线，三维转动平台，多轴加工中心以及仿生机器人等领域。传统的三自由度转动并联机构中都包含有多个汇交于一点的轴线，最具代表性的是Cox在1981年提出的3-RRR转动并联机构（D.J. Cox. The Dynamic Modeling and Command Signal Formulation for Parallel Multi-Parameter Robotic Devices. Master Thesis to the University of Florida. 1981），机构三个分支的9个转动副轴线都汇交于空间一点。 Hervé在2000年提出了一个3-UPU转动并联机构（M. Karouia and J. Hervé. A Three-Dof Tripod for Generating Spherical Rotation. Advances in Robot Kinematics, 2000:395-402）。Di Gregorio在2001年提出了3-URC转动并联机构（R. Di Gregorio. Kinematics of a New Spherical Parallel Manipulator with Three Equal Legs: The 3-URC Wrist. Journal of Robotic Systems, 2001, 18(5):213-219）和3-RUU球面并联机构（R. Di Gregorio. A New Parallel Wrist Using Only Revolute Pairs : The 3-RUU Wrist. Robotica, 2001, 19:305-309）；在2004年又提出了3-RRS转动并联机构（R. Di Gregorio. The 3-RRS Wrist: A New, Simple and Non-Overconstrained Spherical Parallel Manipulator. Journal of Mechanical Design, 2004, 126(5):850-855）和3-RSR转动并联机构（R. Di Gregorio. Kinematics of the 3-RSR Wrist. Robotics, IEEE Transactions on, 2004, 20(4):750-753）。ZL 02351745.3中提出了一种3-UPC三自由度转动并联机构。上述的这些三自由度转动并联机构都具有一个共同的特点，即机构中有多个转动副轴线在空间汇交于一点。它的不足之处是：这样的几何约束条件为机构的加工制造带来了很大的难度，难以保证加工精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构。该并联机构主要是由动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支构成，每个分支由一个移动副、两个转动副以及一个两自由度平面子链构成。上述两自由度平面子链是指由两个运动副以一定的连接方式组合在一起，相互之间只发生平面运动的运动链，其可以由两个相互平行的转动副构成，也可以由相互垂直的一个转动副和一个移动副构成。每个活动分支中的两自由度平面子链、两个转动副以及一个移动副有以下四种连接方式。
第一种连接方式，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副，一个中间转动副，一个两自由度平面子链以及一个与动平台相连的动平台转动副；并且定平台移动副可以与定平台平行或倾斜布置，动平台转动副可以与动平台垂直、平行或倾斜布置，平面子链中的转动副与定平台和动平台都倾斜布置，中间转动副轴线与定平台移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，动平台转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线不相互平行。
第二种连接方式，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台转动副，一个两自由度平面子链，一个中间转动副以及一个与动平台相连的动平台移动副；并且定平台转动副可以与定平台垂直、平行或倾斜布置，动平台移动副可以与动平台平行或倾斜布置，平面子链中的转动副与定平台和动平台都倾斜布置，中间转动副轴线与动平台移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，定平台转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线不相互平行。
第三种连接方式，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的两自由度平面子链，一个中间转动副，一个中间移动副以及一个与动平台相连的动平台转动副；并且平面子链中的转动副与定平台倾斜布置，动平台转动副可以与动平台垂直、平行或倾斜布置，中间转动副轴线与中间移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，动平台转动副的轴线与中间移动副不相互平行。
第四种连接方式，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连定平台转动副，一个中间移动副，一个中间转动副以及一个与动平台相连的两自由度平面子链；并且平面子链中的转动副与动平台倾斜布置，定平台转动副可以与定平台垂直、平行或倾斜布置，中间转动副轴线与中间移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，定平台转动副的轴线与中间移动副不相互平行。
上述四种连接方式中，机构中相邻的两个转动副相互垂直时可以替换为一个万向铰链，相邻的一个移动副和一个转动副相互平行时可以替换为一个圆柱副。
本发明与现有技术相比具有如下优点：机构中无任何汇交的轴线，分支结构非常简单，加工制造比较方便，且容易保证加工精度，具有很广阔的应用前景。
附图说明：
图1是本发明实施例1的立体示意图。
图2是本发明实施例2的立体示意图。
图3是本发明实施例3的立体示意图。
图4是本发明实施例4的立体示意图。
图5是本发明实施例5的立体示意图。
图6是本发明实施例6的立体示意图。
图7是本发明实施例7的立体示意图。
图8是本发明实施例8的立体示意图。
图9是本发明实施例9的立体示意图。
图10是本发明实施例10的立体示意图。
具体实施方式：
在图1所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例1的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支由定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副P1、一个中间转动副R2、一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个轴线相互平行的转动副R3、转动副R4构成。移动副P1连接定平台1和连杆2，并且与定平台平行布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，并且与移动副P1相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。转动副R4连接连杆4和连杆5，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。
在图2所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例2的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支由定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副P1、一个中间转动副R2、一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个轴线相互平行的转动副R3、转动副R4构成。移动副P1连接定平台1和连杆2，并且与定平台平行布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，并且与移动副P1相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。转动副R4连接连杆4和连杆5。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台平行布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。
在图3所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例3的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支由定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副P1、一个中间转动副R2、一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个轴线相互平行的转动副R3和转动副R4构成。移动副P1连接定平台1和连杆2，并且与定平台平行布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，并且与移动副P1相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。转动副R4连接连杆4和连杆5。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台倾斜布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。
在图4所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例4的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支由定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副P1、一个中间转动副R2、一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个相互垂直的移动副P3和转动副R4构成。移动副P1连接定平台1和连杆2，并且与定平台平行布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，并且与移动副P1相互平行。移动副P3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。转动副R4连接连杆4和连杆5，并且与转动副R2相互垂直。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台平行布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。
在图5所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例5的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支由定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副P1、一个中间转动副R2、一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个相互垂直的转动副R3和移动副P4构成。移动副P1连接定平台1和连杆2，并且与定平台平行布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，并且与移动副P1相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。移动副P4连接连杆4和连杆5。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台平行布置。转动副R5的轴线与移动副P4相互垂直，且与转动副R3的轴线不相互平行。
在图6所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例6的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的两自由度的平面子链、一个中间转动副R3、一个中间移动副P4和一个与动平台相连的动平台转动副R5，上述两自由度平面子链是由两个相互平行的转动副R1和转动副R2构成。转动副R1连接定平台1和连杆2，并且与定平台倾斜布置。转动副R2连接连杆2和连杆3。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与转动副R2相互垂直。移动副P4连接连杆4和连杆5，并且与转动副R3相互平行。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台平行布置。转动副R5的轴线与移动副P4不相互平行。
在图7所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例7的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的转动副R1，中间移动副P2，中间转动副R3和一个与动平台相连的两自由度的平面子链，该两自由度平面子链是由两个相互平行的转动副R4和转动副R5构成。转动副R1连接定平台1和连杆2，并且与定平台垂直布置。移动副P2连接连杆2和连杆3，且与转动副R1不相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4，并且与移动副P2相互平行。转动副R4连接连杆4和连杆5，并且与转动副R3相互垂直。转动副R5连接连杆5和动平台6，并且与动平台倾斜布置。
在图8所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例8的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的转动副R1，一个两自由度的平面子链，一个中间转动副R4和一个与动平台相连的动平台移动副P5，上述两自由度平面子链是由两个相互平行的转动副R2和转动副R3构成。转动副R1连接定平台1和连杆2，并且与定平台垂直布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，且与转动副R1不相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4。转动副R4连接连杆4和连杆5，并且与转动副R3相互垂直。移动副P5连接连杆5和动平台6，并且与动平台倾斜布置。该移动副P5与转动副R4相互平行。
在图9所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例9的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的转动副R1，一个两自由度的平面子链和一个与动平台相连的圆柱副C4，上述两自由度平面子链是由两个相互平行的转动副R2和转动副R3构成。转动副R1连接定平台1和连杆2，并且与定平台垂直布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，且与转动副R1不相互平行。转动副R3连接连杆3和连杆4。圆柱副C4连接连杆4和动平台6，与转动副R3相互垂直，并且与动平台平行布置。
在图10所示的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构实施例10的立体示意图中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的分支构成，每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的转动副R1，一个中间转动副R2，一个万向铰链U3和一个与动平台相连的移动副P4。转动副R1连接定平台1和连杆2，并且与定平台垂直布置。转动副R2连接连杆2和连杆3，且与转动副R1不相互平行。万向铰链U3连接连杆3和连杆4，万向铰链U3由两个垂直相交的转动副构成，其第一个转动副与R2平行，第二个转动副与移动副P4平行。移动副P4连接连杆4和动平台6，并且与动平台平行布置。
Claims (7)
1.一种含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其有动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支，其特征在于：每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台移动副，一个中间转动副，一个两自由度平面子链以及一个与动平台相连的动平台转动副；并且定平台移动副可以与定平台平行或倾斜布置，动平台转动副可以与动平台垂直、平行或倾斜布置，平面子链中的转动副与定平台和动平台都倾斜布置，中间转动副轴线与定平台移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，动平台转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线不相互平行。
2.一种含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其有动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支，其特征在于：每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台转动副，一个两自由度平面子链，一个中间转动副以及一个与动平台相连的动平台移动副；并且定平台转动副可以与定平台垂直、平行或倾斜布置，动平台移动副可以与动平台平行或倾斜布置，平面子链中的转动副与定平台和动平台都倾斜布置，中间转动副轴线与动平台移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，定平台转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线不相互平行。
3.一种含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其有动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支，其特征在于：每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的两自由度平面子链，一个中间转动副，一个中间移动副以及一个与动平台相连的动平台转动副；并且平面子链中的转动副与定平台倾斜布置，动平台转动副可以与动平台垂直、平行或倾斜布置，中间转动副轴线与中间移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，动平台转动副的轴线与中间移动副不相互平行。
4.一种含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其有动、定两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支，其特征在于：每个分支从定平台开始依次为一个与定平台相连的定平台转动副，一个中间移动副，一个中间转动副以及一个与动平台相连的两自由度平面子链；并且平面子链中的转动副与动平台倾斜布置，定平台转动副可以与定平台垂直、平行或倾斜布置，中间转动副轴线与中间移动副相互平行，中间转动副轴线与平面子链中的转动副轴线相互垂直，定平台转动副的轴线与中间移动副不相互平行。
5.根据权利要求1、或2、或3、或4所述的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其特征在于：两自由度平面子链是由两个相互平行的转动副构成。
6.根据权利要求1、或2、或3、或4所述的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其特征在于：两自由度平面子链是由相互垂直的一个转动副和一个移动副构成。
7.根据权利要求1、或2、或3、或4所述的含两自由度平面子链的无汇交轴对称三维转动并联机构，其特征在于：机构中相邻的两个转动副相互垂直时可以替换为一个万向铰链，相邻的一个移动副和一个转动副相互平行时可以替换为一个圆柱副。
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