CN103009380A - 一种具有运动分岔特性的并联机构 - Google Patents

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Abstract

一种具有运动分岔特性的并联机构，涉及机器人技术领域。解决了传统并联机构不能适应多任务工作环境的问题。该机构包括：动平台(29)、定平台(30)和第一、二、三支链(33、34、35)。第一支链(33)包括一个运动限定机构(31)，一个移动滑轨(32)和一个上部连接杆(27-1)。通过第一驱动电机(4)和第二驱动电机(5)的驱动，运动限定机构(31)可以进入两个不同的工作模式。三条支链结构相同。每条支链通过三个装配面定位并安装在定平台(30)上；通过第一、二、三上部连接杆(27-1、27-2、27-3)上的环形槽端(53、57、61)和动平台(29)上的第一、二、三圆柱套(38、39、40)相连。通过控制并联机构中三个运动限定机构进入不同的工作模式，机构的动平台(29)可以实现四种不同的空间三自由度运动。

Description

一种具有运动分岔特性的并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种具有运动分岔特性的并联机构。
背景技术
传统的机构学研究的一般是具有固定自由度特性的机构。随着科技的发展，在工业生产和应用领域，需要应用一些具有多个工作阶段、多功能和灵巧操作能力的集成化设备。在这种背景下，可重构机构引起了学者们的广泛关注，包括变胞机构，运动分岔机构和运动限定机构。
自由度为三并联机构在工业生产和科学研究中中得到了广泛的应用，如三平移自由度的取放机构，两移动一转动、两转动一移动和三转动自由度的运动模拟器等等。典型的三自由度并联机构包括Delta机构，球面机构等等，都只有固定的自由度特性，无法适应多任务工作环境。
发明内容
本发明要解决的问题是提出一种具有运动分岔特性的并联机构,它可以实现四种不同的空间三自由度运动，能适应多任务工作环境。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种具有运动分岔特性的并联机构，该并联机构包括：
动平台、定平台和第一、二、三支链。
动平台为正三角形，其三个顶点上分别焊接第一、第二、第三圆柱套，三个圆柱套的轴线相交于一点O。
第一支链包括运动限定机构、移动滑轨、第一上部连接杆。
运动限定机构包括：底座、第一电机座、第二电机座、第一驱动电机、第二驱动电机、第一联轴器、第二联轴器、第一主轴、第二主轴、第一十字套、第二十字套、第一键、第二键、第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、连杆一、连杆二、第一转轴、第二转轴、第一螺母、第二螺母、连杆三。
构成运动限定机构的零部件之间的连接为：
第一电机座和第二电机座固定在底座上，第一驱动电机和第二驱动电机分别安装在第一电机座和第二电机座上。
第一十字套的一个同轴通孔通过第一键与第一主轴相连；第一主轴安装在底座上的横向U形端上的两个通孔内，第一主轴的a段轴通过第一联轴器与第一驱动电机相连。
第二十字套的一个同轴通孔通过第二键与第二主轴相连；第二主轴安装在底座上的纵向U形端上的两个通孔内，第二主轴的a段轴通过第二联轴器与第二驱动电机相连。
第一十字套的另一个同轴通孔的两端分别通过第一销轴和第二销轴与连杆一的U形端相连；第二十字套的另一个同轴通孔的两端分别通过第三销轴和第四销轴与连杆二的U形端相连，连杆一和连杆二分别与底座形成虎克铰。
连杆一的圆柱套端通过第一转轴和第一螺母与连杆三的一个U形端相连形成转动副，连杆二的圆柱套端通过第二转轴和第二螺母与连杆三的另一个U形端相连形成转动副。
底座的横向U形端上的两个通孔的公共轴线与底座的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直。
底座的横向U形端上的两个通孔的公共轴线通过底座的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N。
连杆一的圆柱套的轴线与连杆一的U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行。
连杆二的圆柱套的轴线与连杆二的U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直。
连杆三的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行。
底座的横向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点M与底座的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N的距离等于连杆三的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线之间的距离。
连杆一的圆柱套的轴线与连杆一的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离等于连杆二的圆柱套的轴线与连杆二的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离。
移动滑轨包括第一移动滑杆和第二移动滑杆。
第一支链中，第一移动滑杆的一端焊接在连杆三的中部，第一移动滑杆的另一端和第二移动滑杆的一端楔合形成移动副；第二移动滑杆另一端的圆柱套与第一上部连接杆的光轴端间隙配合，形成圆柱副；移动副的移动轴线、圆柱副的轴线和第一主轴的轴线两两垂直。
第一、二、三支链结构相同。
第一上部连接杆的环形槽端的配合段L1中心S1到第一上部连接杆的环形槽端轴线与第一上部连接杆的光轴端轴线交点T1的距离等于第一圆柱套轴线中心R1到O点的距离。
第二上部连接杆的环形槽端的配合段L2中心S2到第二上部连接杆的环形槽端轴线与第二上部连接杆的光轴端轴线交点T2的距离等于第二圆柱套轴线中心R2到O点的距离。
第三上部连接杆的环形槽端的配合段L3中心S3到第三上部连接杆的环形槽端轴线与第三上部连接杆的光轴端轴线交点T3的距离等于第三圆柱套轴线中心R3到O点的距离。
构成具有运动分岔特性的并联机构的零部件之间的连接：
第一支链通过第一支链的第一装配面与定平台的第一装配面贴合、第一支链的第二装配面与定平台的第二装配面齐平、第一支链的第三装配面与定平台的第三装配面齐平固定在定平台上；第一上部连接杆的环形槽端与第一圆柱套间隙配合，形成转动副，采用第一卡簧定位。
第二支链通过第二支链的第一装配面与定平台的第四装配面贴合、第二支链的第二装配面与定平台的第五装配面齐平、第二支链的第三装配面与定平台的第六装配面齐平固定在定平台上；第二上部连接杆的环形槽端与第二圆柱套间隙配合，形成转动副，采用第二卡簧定位。
第三支链通过第三支链的第一装配面与定平台的第七装配面贴合、第三支链的第二装配面与定平台的第八装配面贴合、第三支链的第三装配面与定平台的第九装配面贴合固定在定平台上；第三上部连接杆的环形槽端与第三圆柱套间隙配合，形成转动副，采用第三卡簧定位。
本发明的有益效果：
本发明将一种运动限定机构引入并联机构的设计中，得到了一种具有对称结构的并联机构。通过控制其中的运动限定机构进入不同的工作模式，整体机构可以实现四种不同的空间三自由度运动，包括三移动运动，三转动运动，两移动一转动运动和两转动一移动运动。它能适应多任务工作环境。
附图说明
图1为具有运动分岔特性的并联机构的结构示意图；
图2为为动平台示意图；
图3为第一支链结构示意图；
图4为第二支链结构示意图；
图5为第三支链结构示意图；
图6为运动限定机构立体图；
图7为运动限定机构主视图；
图8为运动限定机构后视图；
图9为图7的A-A剖面图；
图10为图7的B-B剖视图；
图11为底座示意图；
图12为连杆一示意图；
图13为连杆二示意图；
图14为连杆三示意图；
图15为移动滑轨整体示意图；
图16为图11的C-C向视图；
图17为图11的D-D向视图；
图18为第一支链与动平台连接示意图；
图19为定平台示意图；
图20为第一、第二十字套示意图；
图21为第一、第二主轴示意图；
图22为运动限定机构进入工作模式一；
图23为运动限定机构进入工作模式二；
图中：底座1、第一电机座2、第二电机座3、第一驱动电机4、第二驱动电机5、第一联轴器6、第二联轴器7、第一主轴8、第二主轴9、第一十字套10、第二十字套11、第一键12、第二键13、第一销轴14、第二销轴15、第三销轴16、第四销轴17、连杆一18、连杆二19、第一转轴20、第二转轴21、第一螺母22、第二螺母23、连杆三24、第一移动滑杆25、第二移动滑杆26、第一上部连接杆27-1、第二上部连接杆27-2、第一卡簧28-1、第二卡簧28-2、第三卡簧28-3、动平台29、定平台30、运动限定机构31、移动滑轨32、第一支链33、第二支链34、第三支链35、第一圆柱套38、第二圆柱套39、第三圆柱套40、定平台的第一装配面41、定平台的第二装配面42、定平台的第三装配面43、定平台的第四装配面44、定平台的第五装配面45、定平台30第六装配面46、定平台30第七装配面47、定平台的第八装配面48、定平台的第九装配面49、第一支链的第一装配面50、第一支链的第二装配面51、第一支链的第三装配面52、第一上部连接杆27-1的环形槽端53、第二支链的第一装配面54、第二支链的第二装配面55、第二支链的第三装配面56、第二上部连接杆27-2的环形槽端57、第三支链的第一装配面58、第三支链36第二装配面59、第三支链的第三装配面60、第三上部连接杆27-3的环形槽端61。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
一种具有运动分岔特性的并联机构，如图1，该并联机构包括：
动平台29、定平台30和第一、二、三支链33、34、35。
动平台29为正三角形，其三个顶点上分别焊接第一、第二、第三圆柱套38，39，40，三个圆柱套的轴线相交于一点O，如图2。
第一支链33，如图3，包括运动限定机构31、移动滑轨32、第一上部连接杆27-1。
运动限定机构31，如图6、7、8、9、10、11、12、13、14、20、21，包括：底座1、第一电机座2、第二电机座3、第一驱动电机4、第二驱动电机5、第一联轴器6、第二联轴器7、第一主轴8、第二主轴9、第一十字套10、第二十字套11、第一键12、第二键13、第一销轴14、第二销轴15、第三销轴16、第四销轴17、连杆一18、连杆二19、第一转轴20、第二转轴21、第一螺母22、第二螺母23、连杆三24。
构成运动限定机构31的零部件之间的连接为：
第一电机座2和第二电机座3固定在底座1上，第一驱动电机4和第二驱动电机5分别安装在第一电机座2和第二电机座3上。
第一十字套10的一个同轴通孔通过第一键12与第一主轴8相连；第一主轴8安装在底座1上的横向U形端上的两个通孔内，第一主轴的a段轴通过第一联轴器6与第一驱动电机4相连。
第二十字套11的一个同轴通孔通过第二键13与第二主轴9相连；第二主轴9安装在底座1上的纵向U形端上的两个通孔内，第二主轴的a段轴通过第二联轴器7与第二驱动电机5相连。
第一十字套10的另一个同轴通孔的两端分别通过第一销轴14和第二销轴15与连杆一18的U形端相连；第二十字套11的另一个同轴通孔的两端分别通过第三销轴16和第四销轴17与连杆二19的U形端相连，连杆一18和连杆二19分别与底座1形成虎克铰。
连杆一18的圆柱套端通过第一转轴20和第一螺母22与连杆三24的一个U形端相连形成转动副，连杆二19的圆柱套端通过第二转轴21和第二螺母23与连杆三24的另一个U形端相连形成转动副。
底座1的横向U形端上的两个通孔的公共轴线与底座1的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直。
底座1的横向U形端上的两个通孔的公共轴线通过底座1的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N。
连杆一18的圆柱套的轴线与连杆一18的U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行。
连杆二19的圆柱套的轴线与连杆二19的U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直。
连杆三24的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三24的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行。
底座1的横向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点M与底座1的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N的距离等于连杆三24的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三24的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线之间的距离。
连杆一18的圆柱套的轴线与连杆一18的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离等于连杆二19的圆柱套的轴线与连杆二19的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离。
移动滑轨32如图15、16、17，包括第一移动滑杆25和第二移动滑杆26。
第一支链33中，第一移动滑杆25的一端焊接在连杆三24的中部，第一移动滑杆25的另一端和第二移动滑杆26的一端楔合形成移动副；第二移动滑杆26另一端的圆柱套36与第一上部连接杆27-1的光轴端间隙配合，形成圆柱副；移动副的移动轴线、圆柱副的轴线和第一主轴8的轴线两两垂直。
第一、二、三支链33、34、35结构相同，如图3、4、5。
第一上部连接杆27-1的环形槽端53的配合段L1中心S1到第一上部连接杆27-1的环形槽端53轴线与第一上部连接杆27-1的光轴端轴线交点T1的距离等于第一圆柱套38轴线中心R1到O点的距离，如图2、3；
第二上部连接杆27-2的环形槽端57的配合段L2中心S2到第二上部连接杆27-2的环形槽端57轴线与第二上部连接杆27-2的光轴端轴线交点T2的距离等于第二圆柱套39轴线中心R2到O点的距离，如图2、4；
第三上部连接杆27-3的环形槽端61的配合段L3中心S3到第三上部连接杆27-3的环形槽端61轴线与第三上部连接杆27-3的光轴端轴线交点T3的距离等于第三圆柱套40轴线中心R3到O点的距离，如图2、5。
构成具有运动分岔特性的并联机构的零部件之间的连接：
第一支链33通过第一支链的第一装配面50与定平台的第一装配面41贴合、第一支链的第二装配面51与定平台的第二装配面42齐平、第一支链的第三装配面52与定平台的第三装配面43齐平固定在定平台30上；第一上部连接杆27-1的环形槽端53与第一圆柱套38间隙配合，形成转动副，采用第一卡簧28-1定位，如图1、18、19。
第二支链34通过第二支链的第一装配面54与定平台的第四装配面44贴合、第二支链的第二装配面55与定平台的第五装配面45齐平、第二支链的第三装配面56与定平台的第六装配面46齐平固定在定平台30上；第二上部连接杆27-2的环形槽端57与第二圆柱套39间隙配合，形成转动副，采用第二卡簧28-2定位，如图1。
第三支链35通过第三支链的第一装配面58与定平台的第七装配面47贴合、第三支链的第二装配面59与定平台的第八装配面48齐平、第三支链的第三装配面60与定平台的第九装配面49齐平固定在定平台30上；第三上部连接杆27-3的环形槽端61与第三圆柱套40间隙配合，形成转动副，采用第三卡簧28-3定位，如图1。
通过第一驱动电机4和第二驱动电机5的驱动，运动限定机构进入工作模式一或工作模式二，如图22、23。通过控制并联机构中三个运动限定机构进入不同的工作模式，机构的动平台29能实现四种不同的空间三自由度运动：三移动运动，三转动运动，两移动一转动运动和两转动一移动运动。

Claims (1)

1.一种具有运动分岔特性的并联机构，其特征在于，该并联机构包括：动平台(29)、定平台(30)和第一、二、三支链(33、34、35)；
动平台(29)为正三角形，其三个顶点上分别焊接第一、第二、第三圆柱套(38，39，40)，三个圆柱套的轴线相交于一点O；
第一支链(33)包括运动限定机构(31)、移动滑轨(32)、第一上部连接杆(27-1)；
运动限定机构(31)包括：底座(1)、第一电机座(2)、第二电机座(3)、第一驱动电机(4)、第二驱动电机(5)、第一联轴器(6)、第二联轴器(7)、第一主轴(8)、第二主轴(9)、第一十字套(10)、第二十字套(11)、第一键(12)、第二键(13)、第一销轴(14)、第二销轴(15)、第三销轴(16)、第四销轴(17)、连杆一(18)、连杆二(19)、第一转轴(20)、第二转轴(21)、第一螺母(22)、第二螺母(23)、连杆三(24)；
构成运动限定机构(31)的零部件之间的连接为：
第一电机座(2)和第二电机座(3)固定在底座(1)上，第一驱动电机(4)和第二驱动电机(5)分别安装在第一电机座(2)和第二电机座(3)上；
第一十字套(10)的一个同轴通孔通过第一键(12)与第一主轴(8)相连；第一主轴(8)安装在底座(1)上的横向U形端上的两个通孔内，第一主轴的a段轴通过第一联轴器(6)与第一驱动电机(4)相连；
第二十字套(11)的一个同轴通孔通过第二键(13)与第二主轴(9)相连；第二主轴(9)安装在底座(1)上的纵向U形端上的两个通孔内，第二主轴的a段轴通过第二联轴器(7)与第二驱动电机(5)相连；
第一十字套(10)的另一个同轴通孔的两端分别通过第一销轴(14)和第二销轴(15)与连杆一(18)的U形端相连；第二十字套(11)的另一个同轴通孔的两端分别通过第三销轴(16)和第四销轴(17)与连杆二(19)的U形端相连，连杆一(18)和连杆二(19)分别与底座(1)形成虎克铰；
连杆一(18)的圆柱套端通过第一转轴(20)和第一螺母(22)与连杆三(24)的一个U形端相连形成转动副，连杆二(19)的圆柱套端通过第二转轴(21)和第二螺母(23)与连杆三(24)的另一个U形端相连形成转动副；
底座(1)的横向U形端上的两个通孔的公共轴线与底座(1)的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直；
底座(1)的横向U形端上的两个通孔的公共轴线通过底座(1)的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N；
连杆一(18)的圆柱套的轴线与连杆一(18)的U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行；
连杆二(19)的圆柱套的轴线与连杆二(19)的U形端上的两个通孔的公共轴线相互垂直；
连杆三(24)的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三(24)的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线相互平行；
底座(1)的横向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点M与底座(1)的纵向U形端上的两个通孔的公共轴线的中点N的距离等于连杆三(24)的一个U形端上的两个通孔的公共轴线与连杆三(24)的另一个U形端上的两个通孔的公共轴线之间的距离；
连杆一(18)的圆柱套的轴线与连杆一(18)的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离等于连杆二(19)的圆柱套的轴线与连杆二(19)的U形端上的两个通孔的公共轴线的距离；
移动滑轨(32)包括第一移动滑杆(25)和第二移动滑杆(26)；
第一支链(33)中，第一移动滑杆(25)的一端焊接在连杆三(24)的中部，第一移动滑杆(25)的另一端和第二移动滑杆(26)的一端楔合形成移动副；第二移动滑杆(26)另一端的圆柱套(36)与第一上部连接杆(27-1)的光轴端间隙配合，形成圆柱副；移动副的移动轴线、圆柱副的轴线和第一主轴(8)的轴线两两垂直；
第一、二、三支链(33、34、35)结构相同；
第一上部连接杆(27-1)的环形槽端(53)的配合段L1中心S1到第一上部连接杆(27-1)的环形槽端(53)轴线与第一上部连接杆(27-1)的光轴端轴线交点T1的距离等于第一圆柱套(38)轴线中心R1到O点的距离；
第二上部连接杆(27-2)的环形槽端(57)的配合段L2中心S2到第二上部连接杆(27-2)的环形槽端(57)轴线与第二上部连接杆(27-2)的光轴端轴线交点T2的距离等于第二圆柱套(39)轴线中心R2到O点的距离；
第三上部连接杆(27-3)的环形槽端(61)的配合段L3中心S3到第三上部连接杆(27-3)的环形槽端(61)轴线与第三上部连接杆(27-3)的光轴端轴线交点T3的距离等于第三圆柱套(40)轴线中心R3到O点的距离；
构成具有运动分岔特性的并联机构的零部件之间的连接：
第一支链(33)通过第一支链的第一装配面(50)与定平台的第一装配面(41)贴合、第一支链的第二装配面(51)与定平台的第二装配面(42)齐平、第一支链的第三装配面(52)与定平台的第三装配面(43)齐平固定在定平台(30)上；第一上部连接杆(27-1)的环形槽端(53)与第一圆柱套(38)间隙配合，形成转动副，采用第一卡簧(28-1)定位；
第二支链(34)通过第二支链的第一装配面(54)与定平台的第四装配面(44)贴合、第二支链的第二装配面(55)与定平台的第五装配面(45)齐平、第二支链的第三装配面(56)与定平台的第六装配面(46)齐平固定在定平台(30)上；第二上部连接杆(27-2)的环形槽端(57)与第二圆柱套(39)间隙配合，形成转动副，采用第二卡簧(28-2)定位；
第三支链(35)通过第三支链的第一装配面(58)与定平台的第七装配面(47)贴合、第三支链的第二装配面(59)与定平台的第八装配面(48)齐平、第三支链的第三装配面(60)与定平台的第九装配面(49)齐平固定在定平台(30)上；第三上部连接杆(27-3)的环形槽端(61)与第三圆柱套(40)间隙配合，形成转动副，采用第三卡簧(28-3)定位。
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