CN102879879A - 一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构 - Google Patents

Abstract

一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构。它涉及一种可重构串并混联机构。本发明的目的是为了解决光学物理实验要求光学元件在竖直平面内或者与竖直平面成一定角度的平面内工作，串联机构由于累计误差大、机构体积大、稳定性差等原因，完成大行程、高精度的任务难度较大的问题。本发明为六自由度可重构串并混联机构、五自由度可重构串并混联机构、四自由度可重构串并混联机构或三自由度可重构串并混联机构。本发明易设计、易分析、易装配、控制方便及计算简单，本发明可适应不同自由度组合形式，本发明既完成了宏动的大行程、粗定位，又完成了微动的小行程、精密定位。本发明为光学物理实验中应用的大行程、高精度定位设备的机构。

Description

一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构

技术领域

本发明涉及一种镜架的可重构串并混联机构，具体涉及一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构。

背景技术

光学元件即为动平台，光学物理实验要求光学元件在竖直平面内或者与竖直平面成一定角度的平面内工作，串联机构由于累计误差大、机构体积大、稳定性差等原因，完成大行程(mm量级)、高精度(nm量级)的任务难度较大。并联机构可以克服串联机构的缺点，但是传统并联的上下平台、运动支链对称布局的特点又无法直接应用于这种场合；

高功率激光器、大型光谱仪、光栅拼接、激光惯性约束核聚变(ICF)等领域需要大行程(mm量级)、高精度(nm量级)、大口径的镜架机构，长期以来相关的科研人员采用串联机构制造这种镜架，这种机构方案存在以下不足：(1)串联机构各杆件依次相互联接，导致误差的累积和放大，无法达到高精度、高稳定性任务的要求。(2)机构体积庞大，影响了光学元件的尺寸。(3)机构的刚度低，从而降低了机构的负载能力；

目前并联机构广泛应用于机床、雷达、运动模拟器、机器人等领域，代表性的机构有Stewart机构、3RPS、Tricept等，这些机构都具有上下两个平台和若干个并联、可伸缩的杆件组成的特点，通过控制杆件的长度实现动平台位置控制的目的。镜架机构中安装的光学元件要求在竖直平面或者与竖直平面成一定角度的平面内运动，现有并联机构的上下平台、多杆支撑的布局形式无法满足这种运动方式的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，以解决光学物理实验要求光学元件在竖直平面内或者与竖直平面成一定角度的平面内工作，串联机构由于累计误差大、机构体积大、稳定性差等原因，完成大行程、高精度的任务难度较大的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

所述可重构串并混联机构为六自由度可重构串并混联机构，所述六自由度可重构串并混联机构为6PSSP可重构串并混联机构，所述6PSSP可重构串并混联机构包括六条PSSP支链模块、一个动平台和一个静平台，所述六条PSSP支链模块为可重构支链模块，所述六条PSSP支链模块采用三面正交支撑布局形式，以动平台的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述六自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xyz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述6PSSP可重构串并混联机构由宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP组成，宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP通过SS支链串联连接，6PSSP串并混联机构中每条PSSP支链模块由第一P移动副、第一S球副、第二S球副和第二P移动副组成，所述第一P移动副为宏动并联机构6PSS的主动副且与静平台连接，所述第二P移动副为微动并联机构6SSP的主动副且与动平台连接。

所述可重构串并混联机构为五自由度可重构串并混联机构，所述五自由度可重构串并混联机构为5PSSP-PPS可重构串并混联机构，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构包括五条PSSP支链模块、一条PPS支链模块、一个动平台和一个静平台，所述五条PSSP支链模块为无约束主动支链模块，一条PPS支链模块为恰约束从动支链模块，所述五条PSSP支链模块和一条PPS支链模块采用三面正交支撑布局形式，以动平台的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述五自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS组成，宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS通过SS支链串联连接，5PSSP-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块由第一P移动副、第一S球副、第二S球副和第二P移动副组成，所述第一P移动副为宏动并联机构5PSS-PPS的主动副且与静平台连接，所述第二P移动副为微动并联机构5SSP-PPS的主动副且与动平台连接。

所述可重构串并混联机构为四自由度可重构串并混联机构，所述四自由度可重构串并混联机构为4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构包括四条PSSP支链模块、一条SS支链模块、一条PPS支链模块、一个动平台和一个静平台，所述四条PSSP支链模块为四条无约束主动支链模块，一条SS支链模块为从动支链模块，一条PPS支链模块为恰约束从动支链模块，所述四条PSSP支链模块、一条SS支链模块和一条PPS支链模块采用三面正交支撑布局形式，以动平台的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述四自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS，宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS通过SS支链串联连接，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块由第一P移动副、第一S球副、第二S球副和第二P移动副组成，其中第一P移动副为宏动并联机构4PSS-SS-PPS的主动副并与静平台连接，第二P移动副为微动并联机构4SSP-SS-PPS的主动副并与动平台连接。

所述可重构串并混联机构为三自由度可重构串并混联机构，所述三自由度可重构串并混联机构为3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构，所述3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构包括三条PSSP支链模块、两条SS支链模块、一条PPS支链模块、一个动平台和一个静平台，所述三条PSSP支链模块为PSSP无约束主动支链模块，两条SS支链模块为两条从动支链模块，一条PPS支链模块为PPS恰约束从动支链模块，所述三条PSSP支链模块、两条SS支链模块和一条PPS支链模块采用三面正交支撑布局形式，以动平台的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xy表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述3PSSP-2SS-PPS串并混联机构由宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS组成，宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS通过SS支链串联连接，每条PSSP支链模块由第一P移动副、第一S球副、第二S球副和第二P移动副组成，第一P移动副为宏动并联机构3PSS-2SS-PPS的主动副并与静平台连接，第二P移动副为微动并联机构3SSP-2SS-PPS的主动副并与动平台连接。

本发明包含的有益效果是：

一、本发明采用非对称布局形式及直杆支撑，使本发明易设计、易分析、易装配、控制方便及计算简单，本发明可适应不同自由度组合形式，本发明的串并混联机构具有可重构性，本发明的PSSP无约束主动支链模块和PPS恰约束从动支链模块是应用运动解耦的三面正交支撑布局方案而组成的可重构并联机构；

二、本发明包括6PSSP可重构串并混联机构、5PSSP-PPS可重构串并混联机构、4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构以及3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构，这四种可重构串并混联机构均包括宏动并联机构和微动并联机构，宏动并联机构和微动并联机构串联而成的混联机构，这样设置既完成了宏动的大行程、粗定位，又完成了微动的小行程、精密定位，有效解决了大行程、高精度定位的问题，本发明串并混联机构具有串联和并联两种机构的共同优点，本发明不仅具有工作空间、刚度强、承载能力大的优点；

三、根据光学物理实验的需求，本发明包括6PSSP可重构串并混联机构为六自由度串并混联机构的技术方案，5PSSP-PPS可重构串并混联机构为五自由度串并混联机构的技术方案，4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构为四自由度串并混联机构的技术方案，3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构为三自由度串并混联机构，其中改造六自由度串并混联机构得到五自由度串并混联机构，其他自由度机构通过改造五自由度串并混联机构得到；

四、根据光学物理实验的需要，本发明详细阐述了自由度DOF＝3～6的串并混联机构构建方法，包括六自由度的R_xyzT_xyz串并混联机构、五自由度的R_xyzT_xz串并混联机构、四自由度的R_xyzT_z串并混联机构和三自由度的R_xyT_z串并混联机构；

五、本发明采用并联机构，并联机构的动平台由多杆支承，比串联的悬臀梁结构刚度大，系统的承载能力强、结构稳定，并且在位置求解上，串联机构正解容易，逆解复杂，而并联机构正解复杂反解容易，从而简化了机构的控制算法；

六、由于本发明的并联机构的各部分是串并联形式组成，误差不容易累计和放大，提高了系统的精度，并联机构的模块化、对称性、高精度、高刚度、运动杆件质量轻以及驱动装置安放在机架上等特性特别适合于作为高负载、大行程、高精度镜架机构；

七、本发明中宏动并联机构和微动并联机构没有具体的中间平台，与传统意义上的混联机构不同，可行性高，具有重要的研究价值。

附图说明

图1为本发明的六自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线平行于或者近似平行于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图2为本发明的五自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线平行于或者近似平行于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图3为本发明的四自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线平行于或者近似平行于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图4为本发明的三自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线平行于或者近似平行于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图5为PSSP支链模块1的布局结构示意图；

图6为SS支链模块5的布局结构示意图；

图7为PPS支链模块2的布局结构示意图；

图8a为改变第一P移动副8运动轴方向的PSSP主动支链模块的布局结构示意图；

图8b为改变第一P移动副8和第二P移动副11的运动轴方向的PSSP主动支链模块的布局结构示意图；

图9为本发明的六自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图10为本发明的五自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图11为本发明的四自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线垂直于或者近似垂直于v向布局的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)；

图12为本发明的三自由度串并混联机构中第一P移动副8的运动轴线垂直于或者近似垂直于v向布局的布局结构示意图(图中垂直于动平台3方向为v)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图5、图6、图7、图8a、图8b和图9说明本实施方式，本实施方式中所述可重构串并混联机构为六自由度可重构串并混联机构，所述六自由度可重构串并混联机构为6PSSP可重构串并混联机构，所述6PSSP可重构串并混联机构包括六条PSSP支链模块1、一个动平台3和一个静平台4，所述六条PSSP支链模块1为可重构支链模块，所述六条PSSP支链模块1采用三面正交支撑布局形式，以动平台3的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述六自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xyz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述6PSSP可重构串并混联机构由宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP组成，宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP通过SS支链串联连接，6PSSP串并混联机构中每条PSSP支链模块1由第一P移动副8、第一S球副9、第二S球副10和第二P移动副11组成，所述第一P移动副8为宏动并联机构6PSS的主动副且与静平台4连接，所述第二P移动副11为微动并联机构6SSP的主动副且与动平台3连接。

本实施方式为六自由度R_xyzT_xyz的混联机构，R_xyz表示绕x轴、y轴、z轴的转动自由度，T_xyz表示沿x轴、y轴、z轴的移动自由度，其他类型机构通过改造六自由度机构获得，为便于运动解耦、减小机构体积、运动学分析与控制、机构设计与装配，将六条PSSP支链模块设计成三面正交支撑的非对称形式，六条PSSP支链模块分别为第一PSSP支链模块1-1、第二PSSP支链模块1-2、第三PSSP支链模块1-3、第四PSSP支链模块1-4、第五PSSP支链模块1-5和第六PSSP支链模块1-6，本实施方式中的六自由度可重构串并混联机构中的第一PSSP支链模块1-1、第二PSSP支链模块1-2、第三PSSP支链模块1-3主要完成T_z、R_x、R_y自由度，第四支链模块1-4主要完成T_x自由度，第五支链模块1-5和第六支链模块1-6完成T_y、R_z自由度，对机构自由度完成情况的分析有助于改造机构得到其他自由度机构；第五支链模块1-5、第六支链模块1-6支撑动平台3的重量，这样设置结构形式承载力强，机构更稳定；为方便光路设计、计算，将坐标系建立在动平台3的前表面的几何中心，采用6PSS支链模块时为宏动并联机构，6SSP支链模块为微动并联机构；宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP通过SS支链串联连接，两个机构之间没有具体的中间平台；

本实施方式中为减小机构体积将PSSP模块的运动副P的轴线方向设计成与动平台3垂直或者近似垂直的形式，通过移动P副来改变角度θ实现动平台3的运动，本实施方式中垂直于动平台方向为v，两个S铰链之间的距离为L，与v之间最大的夹角为θ，则动平台3在v方向上最大的移动距离k按公式①计算，设第二P移动副11未运动，则第一P移动副8的移动距离m＝Lsinθ，将此公式带入公式①中，得到k与m之间的关系为公式②，由于0＜θ＜90°，0＜tanθ/2＜1，因此k＜m，所以P副运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局方式较平行于或者近似平行于v向的布局方式要求P副运动行程大，在机构设计中要考虑这方面的因素，公式①和公式②如下所示：

k＝L(1-cosθ)①

$k=\frac{m(1-\cos \mathrm{\θ})}{\sin \mathrm{\θ}}=m\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$ ②

本实施方式中的串并混联机构采用图8a所示的PSSP支链模块时，要注意当两条支链模块位于动平台3同一侧时SS铰链采用图9中相对布局的形式，当本实施方式中串并混联机构采用图8b所示的PSSP支链模块时，有利于机构的稳定性。

具体实施方式二：结合图2、图5、图6、图7、图8a、图8b和图10说明本实施方式，本实施方式中所述可重构串并混联机构为五自由度可重构串并混联机构，所述五自由度可重构串并混联机构为5PSSP-PPS可重构串并混联机构，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构包括五条PSSP支链模块1、一条PPS支链模块2、一个动平台3和一个静平台4，所述五条PSSP支链模块1为无约束主动支链模块，一条PPS支链模块2为恰约束从动支链模块，所述五条PSSP支链模块1和一条PPS支链模块2采用三面正交支撑布局形式，以动平台3的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述五自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS组成，宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS通过SS支链串联连接，5PSSP-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块1由第一P移动副8、第一S球副9、第二S球副10和第二P移动副11组成，所述第一P移动副8为宏动并联机构5PSS-PPS的主动副且与静平台4连接，所述第二P移动副11为微动并联机构5SSP-PPS的主动副且与动平台3连接。

本实施方式中宏动并联机构和微动并联机构之间通过SS支链串联连接，主动链均为PSSP无约束主动支链模块，本实施方式中微动机构为实现nm量级的运动，可以采用压电陶瓷和柔性铰链作为驱动装置，压电陶瓷行程是μm量级，兼顾机构体积与压电陶瓷行程两个前提，将宏动的P副垂直于或者近似垂直于v向，v向为垂直于动平台3的方向，根据光学物理实验任务的需要，五自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xz，即在笛卡尔坐标系中，R_xyz表示绕x轴、y轴、z轴的转动自由度，T_xz表示沿x轴、z轴的移动自由度(坐标系的建立同六自由度串并混联机构)，通过改造六自由度机构得到五自由度机构，由于无y轴的移动自由度，六自由度可重构串并混联机构的第五支链模块1-5、第六支链模块1-6支链可以改造为一条恰约束从动支链，再将一条主动支链移到与第四支链模块4平行的位置，由机构设计方案，从动支链的自由度应该与机构的自由度相等，即限制了沿y轴的移动自由度；从动支链的类型为P_xP_zS、P_xP_zR_xR_yR_z、P_xR_xR_yC_z、P_zR_yR_zC_x、P_xP_zR_xU_yz、P_xP_zR_yU_xz和P_xP_zR_zU_xy，为便于机械设计与制造，选择P_xP_zS作为五自由度机构的从动支链，综合对五自由度串并混联机构构造方法的分析，宏动机构、微动机构与六自由度机构的构造方法相同，本实施方式中五条PSSP支链模块分别为第一PSSP支链模块1-1、第二PSSP支链模块1-2、第三PSSP支链模块1-3、第四PSSP支链模块1-4和第五PSSP支链模块1-5，第一PSSP支链模块1-1、第二PSSP支链模块1-2、第三PSSP支链模块1-3主要完成T_z、R_x、R_y自由度，第四支链模块1-4主要完成T_x自由度，第五支链模块1-5主要完成R_z自由度；本实施方式中的PPS支链模块2由第三P移动副12、第四P移动副13和第三S球副14组成；

本实施方式中为减小机构体积将PSSP模块的运动副P的轴线方向设计成与动平台3垂直或者近似垂直的形式，通过移动P副来改变角度θ实现动平台3的运动，设垂直于动平台3方向为v，两个S铰链之间的距离为L，与v之间最大的夹角为θ，则动平台3在v方向上最大的移动距离k按公式①计算，设第二P移动副11未运动，则第一P移动副8的移动距离m＝L sinθ，将此公式带入公式①中，得到k与m之间的关系为公式②，由于0＜θ＜90°，0＜tanθ/2＜1，因此k＜m，所以P副运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局方式较平行于或者近似平行于v向的布局方式要求P副运动行程大，在机构设计中要考虑这方面的因素，公式①和公式②如下所示：

k＝L(1-cosθ)①

$k=\frac{m(1-\cos \mathrm{\θ})}{\sin \mathrm{\θ}}=m\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$ ②

本实施方式中的串并混联机构采用图8a所示的PSSP支链模块时，要注意当两条支链模块位于动平台3同一侧时SS铰链采用图10所示的相对布局的形式，当本实施方式中串并混联机构采用图，8b所示的PSSP支链模块时，有利于机构的稳定性。

具体实施方式三：结合图3、图5、图6、图7、图8a、图8b和图11说明本实施方式，本实施方式中所述可重构串并混联机构为四自由度可重构串并混联机构，所述四自由度可重构串并混联机构为4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构包括四条PSSP支链模块1、一条SS支链模块5、一条PPS支链模块2、一个动平台3和一个静平台4，所述四条PSSP支链模块1为四条无约束主动支链模块，一条SS支链模块5为从动支链模块，一条PPS支链模块2为恰约束从动支链模块，所述四条PSSP支链模块1、一条SS支链模块5和一条PPS支链模块2采用三面正交支撑布局形式，以动平台3的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述四自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS，宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS通过SS支链串联连接，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块1由第一P移动副8、第一S球副9、第二S球副10和第二P移动副11组成，其中第一P移动副8为宏动并联机构4PSS-SS-PPS的主动副并与静平台4连接，第二P移动副11为微动并联机构4SSP-SS-PPS的主动副并与动平台3连接。

本实施方式中光学物理实验需要的四自由度一般为R_xyzT_z，R_xyz表示绕x轴、y轴、z轴的转动自由度，T_z表示沿z轴的移动自由度，四自由度可重构串并混联机构通过改造五自由度可重构串并混联机构得到，其中微动并联机构构建方法：支链布局采用五自由度可重构串并混联机构的三面正交支撑形式，第四支链模块1-4或者第五支链模块1-5的主动副P去除改造为从动支链，即完成了自由度为R_xyzT_z的可重构串并混联机构方案设计；本实施方式中的PPS支链模块2由第三P移动副12、第四P移动副13和第三S球副14组成；

本实施方式中为减小机构体积将PSSP模块的运动副P的轴线方向设计成与动平台3垂直或者近似垂直的形式，通过移动P副来改变角度θ实现动平台3的运动，设垂直于动平台3方向为v，两个S铰链之间的距离为L，与v之间最大的夹角为θ，则动平台3在v方向上最大的移动距离k按公式①计算，设第二P移动副11未运动，则第一P移动副8的移动距离m＝L sinθ，将此公式带入公式①中，得到k与m之间的关系为公式②，由于0＜θ＜90°，0＜tanθ/2＜1，因此k＜m，所以P副运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局方式较平行于或者近似平行于v向的布局方式要求P副运动行程大，在机构设计中要考虑这方面的因素，公式①和公式②如下所示：

k＝L(1-cosθ)①

$k=\frac{m(1-\cos \mathrm{\θ})}{\sin \mathrm{\θ}}=m\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$ ②

本实施方式中的串并混联机构采用图8a所示的PSSP支链模块时，要注意当两条支链模块位于动平台3同一侧时SS铰链采用图11相对布局的形式，当本实施方式中串并混联机构采用图8b所示的PSSP支链模块时，有利于机构的稳定性。

具体实施方式四：结合图4、图5、图6、图7、图8a、图8b和图12说明本实施方式，本实施方式中所述可重构串并混联机构为三自由度可重构串并混联机构，所述三自由度可重构串并混联机构为3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构，所述3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构包括三条PSSP支链模块1、两条SS支链模块5、一条PPS支链模块2、一个动平台3和一个静平台4，所述三条PSSP支链模块1为PSSP无约束主动支链模块，两条SS支链模块5为两条从动支链模块，一条PPS支链模块2为PPS恰约束从动支链模块，所述三条PSSP支链模块1、两条SS支链模块5和一条PPS支链模块2采用三面正交支撑布局形式，以动平台3的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xy表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述3PSSP-2SS-PPS串并混联机构由宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS组成，宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS通过SS支链串联连接，每条PSSP支链模块1由第一P移动副8、第一S球副9、第二S球副10和第二P移动副11组成，第一P移动副8为宏动并联机构3PSS-2SS-PPS的主动副并与静平台4连接，第二P移动副11为微动并联机构3SSP-2SS-PPS的主动副并与动平台3连接。

本实施方式中的三自由度可重构串并混联机构是根据光学物理实验需求，动平台3运动的三自由度为R_xyT_z，即R_xy表示绕x轴、y轴的转动自由度，T_z表示沿z轴的移动自由度，同理四自由度机构的构建方法，将五自由度机构的微动第四支链模块1-4或是第五支链模块1-5的主动副P去除，即完成了R_xyT_z串并混联机构的方案设计；本实施方式中的PPS支链模块2由第三P移动副12、第四P移动副13和第三S球副14组成；

本实施方式中为减小机构体积将PSSP模块的运动副P的轴线方向设计成与动平台3垂直或者近似垂直的形式，通过移动P副来改变角度θ实现动平台3的运动，设垂直于动平台3方向为v，两个S铰链之间的距离为L，与v之间最大的夹角为θ，则动平台3在v方向上最大的移动距离k按公式①计算，设第二P移动副11未运动，则第一P移动副8的移动距离m＝Lsinθ，将此公式带入公式①中，得到k与m之间的关系为公式②，由于0＜θ＜90°，0＜tanθ/2＜1，因此k＜m，所以P副运动轴线垂直于或者近似垂直于v向的布局方式较平行于或者近似平行于v向的布局方式要求P副运动行程大，在机构设计中要考虑这方面的因素，公式①和公式②如下所示：

k＝L(1-cosθ)①

$k=\frac{m(1-\cos \mathrm{\θ})}{\sin \mathrm{\θ}}=m\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$ ②

本实施方式中的串并混联机构采用图8a所示的PSSP支链模块时，要注意当两条支链模块位于动平台3同一侧时SS铰链采用图12所示的相对布局的形式；当本实施方式中串并混联机构采用图8b所示的PSSP支链模块时，有利于机构的稳定性。

Claims (4)

1.一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，其特征在于：所述可重构串并混联机构为六自由度可重构串并混联机构，所述六自由度可重构串并混联机构为6PSSP可重构串并混联机构，所述6PSSP可重构串并混联机构包括六条PSSP支链模块(1)、一个动平台(3)和一个静平台(4)，所述六条PSSP支链模块(1)为可重构支链模块，所述六条PSSP支链模块(1)采用三面正交支撑布局形式，以动平台(3)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述六自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xyz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述6PSSP可重构串并混联机构由宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP组成，宏动并联机构6PSS和微动并联机构6SSP通过SS支链串联连接，6PSSP串并混联机构中每条PSSP支链模块(1)由第一P移动副(8)、第一S球副(9)、第二S球副(10)和第二P移动副(11)组成，所述第一P移动副(8)为宏动并联机构6PSS的主动副且与静平台(4)连接，所述第二P移动副(11)为微动并联机构6SSP的主动副且与动平台(3)连接。

2.一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，其特征在于：所述可重构串并混联机构为五自由度可重构串并混联机构，所述五自由度可重构串并混联机构为5PSSP-PPS可重构串并混联机构，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构包括五条PSSP支链模块(1)、一条PPS支链模块(2)、一个动平台(3)和一个静平台(4)，所述五条PSSP支链模块(1)为无约束主动支链模块，一条PPS支链模块(2)为恰约束从动支链模块，所述五条PSSP支链模块(1)和一条PPS支链模块(2)采用三面正交支撑布局形式，以动平台(3)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述五自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_xz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_xz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述5PSSP-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS组成，宏动并联机构5PSS-PPS和微动并联机构5SSP-PPS通过SS支链串联连接，5PSSP-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块(1)由第一P移动副(8)、第一S球副(9)、第二S球副(10)和第二P移动副(11)组成，所述第一P移动副(8)为宏动并联机构5PSS-PPS的主动副且与静平台(4)连接，所述第二P移动副(11)为微动并联机构5SSP-PPS的主动副且与动平台(3)连接。

3.一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，其特征在于：所述可重构串并混联机构为四自由度可重构串并混联机构，所述四自由度可重构串并混联机构为4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构包括四条PSSP支链模块(1)、一条SS支链模块(5)、一条PPS支链模块(2)、一个动平台(3)和一个静平台(4)，所述四条PSSP支链模块(1)为四条无约束主动支链模块，一条SS支链模块(5)为从动支链模块，一条PPS支链模块(2)为恰约束从动支链模块，所述四条PSSP支链模块(1)、一条SS支链模块(5)和一条PPS支链模块(2)采用三面正交支撑布局形式，以动平台(3)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述四自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyzT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xyz表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构由宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS，宏动并联机构4PSS-SS-PPS和微动并联机构4SSP-SS-PPS通过SS支链串联连接，所述4PSSP-SS-PPS可重构串并混联机构的每条PSSP支链模块(1)由第一P移动副(8)、第一S球副(9)、第二S球副(10)和第二P移动副(11)组成，其中第一P移动副(8)为宏动并联机构4PSS-SS-PPS的主动副并与静平台(4)连接，第二P移动副(11)为微动并联机构4SSP-SS-PPS的主动副并与动平台(3)连接。

4.一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，其特征在于：所述可重构串并混联机构为三自由度可重构串并混联机构，所述三自由度可重构串并混联机构为3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构，所述3PSSP-2SS-PPS可重构串并混联机构包括三条PSSP支链模块(1)、两条SS支链模块(5)、一条PPS支链模块(2)、一个动平台(3)和一个静平台(4)，所述三条PSSP支链模块(1)为PSSP无约束主动支链模块，两条SS支链模块(5)为两条从动支链模块，一条PPS支链模块(2)为PPS恰约束从动支链模块，所述三条PSSP支链模块(1)、两条SS支链模块(5)和一条PPS支链模块(2)采用三面正交支撑布局形式，以动平台(3)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三自由度可重构串并混联机构的自由度为R_xyT_z，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R_xy表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的转动轴线方向，T_z表示运动副在笛卡尔坐标系xyz中的移动轴线方向，所述3PSSP-2SS-PPS串并混联机构由宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS组成，宏动并联机构3PSS-2SS-PPS和微动并联机构3SSP-2SS-PPS通过SS支链串联连接，每条PSSP支链模块(1)由第一P移动副(8)、第一S球副(9)、第二S球副(10)和第二P移动副(11)组成，第一P移动副(8)为宏动并联机构3PSS-2SS-PPS的主动副并与静平台(4)连接，第二P移动副(11)为微动并联机构3SSP-2SS-PPS的主动副并与动平台(3)连接。

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