CN102848380B - 无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构 - Google Patents
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Abstract
无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，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。所有活动分支分别由一个三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分别与定平台和动平台倾斜布置。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。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无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构。本发明主要是由动、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。每个活动分支是由两个转动副和一个三自由度平面子链构成。上述三自由度平面子链是指由三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，其可以由三个相互平行的转动副构成（表述为RRR），也可以由转动副和移动副共同构成，其中转动副相互平行，移动副与转动副相互垂直。三自由度平面子链有以下7种组合形式：RRR、RPR、RRP、PRR、RPP、PRP、PPR。每个活动分支中的平面子链和两个转动副有以下三种连接方式。
第一种连接方式，每个活动分支由一个与定平台相连的三自由度平面子链，一个与动平台相连的动平台转动副以及连接平面子链和动平台转动副的一个中间转动副构成，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倾斜、垂直或共面布置；中间转动副的轴线与动平台转动副的轴线不相互平行，而且该中间转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线也不相互平行。
第二种连接方式，每个活动分支由一个与定平台相连的定平台转动副、一个与动平台相连的三自由度平面子链以及连接定平台转动副和平面子链的一个中间转动副构成，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倾斜、垂直或共面布置；上述中间转动副的轴线与定平台转动副的轴线不相互平行，而且该转动副的轴线与平面子链中的转动副的轴线也不相互平行。
第三种连接方式，每个活动分支由一个与定平台相连的定平台转动副、一个与动平台相连的动平台转动副以及连接定平台转动副和动平台转动副的一个三自由度平面子链构成，并且定平台转动副和动平台转动副分别可以与定平台和动平台倾斜、垂直或共面布置，平面子链中的转动副分别与定平台和动平台倾斜布置；该平面子链中的转动副轴线与定平台转动副轴线不相互平行，而且与动平台转动副的轴线也不相互平行。
上述三种连接方式中，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。
图11是本发明实施例11的立体示意图。
图12是本发明实施例12的立体示意图。
图13是本发明实施例13的立体示意图。
具体实施方式
在图1所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、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，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、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，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、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，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、转动副R2 、转动副R3构成，转动副R2的轴线与移动副P1相互垂直，转动副R3的轴线与转动副R2的轴线相互平行，移动副P1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2与定平台倾斜布置，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，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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5所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、移动副P2 、转动副R3构成，移动副P2与转动副R1的轴线相互垂直，转动副R3的轴线与转动副R1的轴线平行，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1与定平台倾斜布置，移动副P2连接连杆2和连杆3，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，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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6所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、转动副R2 、移动副P3构成，转动副R2的轴线与转动副R1的轴线相互平行，移动副P3与转动副R2的轴线相互垂直，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1与定平台倾斜布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5与动平台6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7所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、移动副P2、移动副P3构成，移动副P2与转动副R1的轴线相互垂直，移动副P3与转动副R1的轴线相互垂直，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1与定平台倾斜布置，移动副P2连接连杆2和连杆3，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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8所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、转动副R2 、移动副P3构成，转动副R2的轴线与移动副P1相互垂直，移动副P3与转动副R2的轴线相互垂直，移动副P1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2与定平台倾斜布置，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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9所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、移动副P2、转动副R3构成，移动副P1与转动副R3相互垂直，移动副P2与转动副R3相互垂直，移动副P1连接定平台1和连杆2，移动副P2连接连杆2和连杆3，移动副P2与移动副P1不相互平行，转动副R3连接连杆3和连杆4，该转动副R3与定平台倾斜布置，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5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10所示的无汇交轴线的三自由度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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R3、转动副R4 、转动副R5构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，并且转动副R1与定平台垂直布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，转动副R3连接连杆3和连杆4，该转动副R3的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，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，并且转动副R5与动平台6倾斜布置。
在图11所示的无汇交轴线的三自由度转动并联机构实施例11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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R2、转动副R3、转动副R4构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，转动副R1与定平台倾斜布置，转动副R2的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，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，转动副R5连接连杆5和动平台6，该转动副R5与动平台6平行布置，转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。
在图12所示的无汇交轴线的三自由度转动并联机构实施例12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活动分支构成，每个活动分支由两个转动副和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R2、转动副R3、转动副R4构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，转动副R1与定平台平行布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，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，转动副R5连接连杆5和动平台6，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线倾斜布置，转动副R5与动平台垂直布置。
在图13所示的无汇交轴线的三自由度转动并联机构实施例13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活动分支构成，每个活动分支由圆柱副C1、转动副R2和万向铰链U3构成，圆柱副C1连接定平台1和连杆2，且位于定平台平面内。转动副R2连接连杆2和连杆3，且该转动副轴线与圆柱副C1的轴线相互垂直。万向铰链U3连接连杆3和动平台6。 万向铰链U3中包含两个垂直相交的转动副。万向铰链U3与连杆3通过其第一个转动副相连，且该转动副轴线方向平行于转动副R2。万向铰链U3与动平台6通过其第二个转动副相连，且该转动副与动平台倾斜布置。
Claims (7)
1.一种无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，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：每个活动分支由一个与定平台相连的三自由度平面子链、一个与动平台相连的动平台转动副以及连接平面子链和动平台转动副的一个中间转动副构成，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倾斜、垂直或共面布置；上述中间转动副的轴线与上述平面子链中的转动副的轴线不相互平行，上述中间转动副的轴线与上述动平台转动副的轴线不相互平行。
2.一种无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，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：每个活动分支由一个与定平台相连的定平台转动副、一个与动平台相连的三自由度平面子链以及连接定平台转动副和平面子链的一个中间转动副构成，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倾斜、垂直或共面布置；上述中间转动副的轴线与上述平面子链中的转动副的轴线不相互平行，上述中间转动副的轴线与上述定平台转动副的轴线不相互平行。
3.一种无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，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：每个活动分支由一个与定平台相连的定平台转动副、一个与动平台相连的动平台转动副以及连接定平台转动副和动平台转动副的一个三自由度平面子链构成，并且定平台转动副和动平台转动副分别可以与定平台和动平台倾斜、垂直或共面布置，平面子链中的转动副分别与定平台和动平台倾斜布置；上述定平台转动副的轴线与上述平面子链中的转动副的轴线不相互平行，上述动平台转动副的轴线与上述平面子链中的转动副的轴线不相互平行。
4.根据权利要求1、或2、或3所述的无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，其特征在于：三自由度平面子链是由三个相互平行的转动副构成。
5.根据权利要求1、或2、或3所述的无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，其特征在于：三自由度平面子链是由两个转动副和一个移动副构成，其中转动副相互平行，移动副与转动副相互垂直。
6.根据权利要求1、或2、或3所述的无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，其特征在于：三自由度平面子链是由一个转动副和两个移动副构成，其中移动副与转动副相互垂直。
7.根据权利要求1、或2、或3所述的无汇交轴线的对称三自由度转动并联机构，其特征在于：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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Granted publication date: 20141210 Termination date: 20170322 |