CN103278905B - 一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构 - Google Patents

Abstract

一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，属于机构学领域。本发明为解决现有串并混联镜架机构耦合性较强，容易造成机构卡死，不便于运动控制；结构复杂，不利于机构设计、装配，且成本较高；以及不利于机构学分析和建模的问题。PPU支链模块为有约束从动支链模块，PSSP支链模块为无约束主动支链模块，PSSP支链模块由第三移动副、第一球副、第二球副和第四移动副依次串联组成，第四移动副为主动副，两条PSSP支链模块及PPU支链模块三者相互并联，动平台的下端与PPU支链模块的一端固接，两条PSSP支链模块的一端分别固接在动平台上，PPU支链模块的一端及PSSP支链模块的一端分别固接在静平台上。本发明用于光学实验。

Description

一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构

技术领域

本发明涉及一种无约束主动链与有约束从动链相结合的机构，属于机构学领域。

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，同时，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，因此，可以采用串并混联镜架机构，但现有串并混联镜架机构。参照专利申请号为201210370081.5的发明专利：一种大行程、高精度镜架的可重构串并混联机构，以及专利申请号为201210519869.8的发明专利：3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，由于这两项专利都具有多条从动链，使得机构整体具有以下缺点：（1）机构运动耦合性较强，容易造成机构卡死，不便于运动控制；（2）结构复杂，不利于机构设计、装配，且成本较高；（3）不利于机构学分析和建模。

发明内容

本发明提供一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，以解决现有串并混联镜架机构耦合性较强，不便于运动控制；结构复杂，不利于机构设计、装配，且成本较高；以及不利于机构学分析和建模的问题。

本发明所提供的技术方案是：

方案一：一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，所述镜架机构包括PPU支链模块、动平台、静平台和两条PSSP支链模块，所述PPU支链模块为有约束从动支链模块，PPU支链模块由第一移动副、第二移动副和万向铰链依次串联组成，所述两条PSSP支链模块均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块由第三移动副、第一球副、第二球副和第四移动副依次串联组成，第四移动副为主动副，两条PSSP支链模块及PPU支链模块三者相互并联，所述动平台的下端与PPU支链模块上设置有万向铰链的一端相固接，两条PSSP支链模块上设置有第三移动副的一端分别固接在动平台上，PPU支链模块上设置有第一移动副的一端及两条PSSP支链模块上设置有第四移动副的一端分别固接在静平台上；

方案二：一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，所述镜架机构包括PU支链模块、动平台、静平台和三条PSSP支链模块，所述PU支链模块为有约束从动支链模块，PU支链模块由第一移动副和万向铰链依次串联组成，所述三条PSSP支链模块均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块由第三移动副、第一球副、第二球副和第四移动副依次串联组成，第四移动副为主动副，三条PSSP支链模块及PU支链模块四者相互并联，所述动平台的下端与PU支链模块上设置有万向铰链的一端相固接，三条PSSP支链模块上设置有第三移动副的一端分别固接在动平台上，PU支链模块上设置有第一移动副的一端及三条PSSP支链模块上设置有第四移动副的一端分别固接在静平台上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明仅需要一个从动链即可实现与现有串并混联镜架机构相同的功能，机构运动耦合性弱，便于运动控制；

（2）结构简单，便于机构设计、制造、装配，同时，节约了多个支链的成本；

（3）便于机构学分析与建模。

附图说明

图1是本发明方案一中所述机构整体的结构示意图，图2是本发明方案一中所述宏动机构的结构示意图，图3是本发明方案一中所述微动机构的结构示意图，图4是本发明方案二中所述机构整体的结构示意图，图5是本发明方案二中所述宏动机构的结构示意图，图6是本发明方案二中所述微动机构的结构示意图，图7是PSSP支链模块的结构示意图，图8是PSS无约束主动链的结构示意图，图9是SSP无约束主动链的结构示意图，图10是PPU支链模块的结构示意图，图11是U-P有约束从动链的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，所述镜架机构包括PPU支链模块2、动平台3、静平台4和两条PSSP支链模块1，所述PPU支链模块2为有约束从动支链模块，PPU支链模块2由第一移动副P₁、第二移动副P₂和万向铰链u依次串联组成，所述两条PSSP支链模块1均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块1由第三移动副P₃、第一球副S₁、第二球副S₂和第四移动副P₄依次串联组成，第四移动副P₄为主动副，两条PSSP支链模块1及PPU支链模块2三者相互并联，所述动平台3的下端与PPU支链模块2上设置有万向铰链u的一端相固接，两条PSSP支链模块1上设置有第三移动副P₃的一端分别固接在动平台3上，PPU支链模块2上设置有第一移动副P₁的一端及两条PSSP支链模块1上设置有第四移动副P₄的一端分别固接在静平台4上，P为移动副，S为球副，U为万向铰链（万向铰链常用T表示，但此处为避免与移动自由度T冲突，故用U来表示万向铰链）。

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，所述镜架机构的自由度为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，两条PSSP支链模块1和PPU支链模块2组成三自由度支链机构，所述三自由度支链机构为(2PSSP-U)-PP串并混联机构，按机构宏动和微动的角度来说，(2PSSP-U)-PP串并混联机构由宏动机构(2PSS-U)-P和微动机构(2SSP-U)-P通过SS铰链串联而成。

宏动机构(2PSS-U)-P由两条PSS无约束主动链（具有六个自由度）和一条U-P有约束从动链（具有R_xyT_z，三个自由度）组成，实现动平台3的R_xyT_z自由度大行程、粗定位。

微动机构(2SSP-U)-P由两条SSP无约束主动链（具有六个自由度）和一条U-P有约束从动链（具有R_xyT_z，三个自由度）组成，实现动平台3的R_xyT_z自由度小行程、精密定位。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，所述镜架机构包括PU支链模块5、动平台3、静平台4和三条PSSP支链模块1，所述PU支链模块5为有约束从动支链模块，PU支链模块5由第一移动副P₁和万向铰链u依次串联组成，所述三条PSSP支链模块1均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块1由第三移动副P₃、第一球副S₁、第二球副S₂和第四移动副P₄依次串联组成，第四移动副P₄为主动副，三条PSSP支链模块1及PU支链模块5四者相互并联，所述动平台3的下端与PU支链模块5上设置有万向铰链u的一端相固接，三条PSSP支链模块1上设置有第三移动副P₃的一端分别固接在动平台3上，PU支链模块5上设置有第一移动副P₁的一端及三条PSSP支链模块1上设置有第四移动副P₄的一端分别固接在静平台4上，P为移动副，S为球副，U为万向铰链（万向铰链常用T表示，但此处为避免与移动自由度T冲突，故用U来表示万向铰链）。

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，所述镜架机构的自由度为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，三条PSSP支链模块1和PU支链模块5组成三自由度支链机构，按机构宏动和微动的角度来说，所述三自由度支链机构由宏动机构3PSS-PU和微动机构3SSP-PU通过SS铰链串联而成。

宏动机构3PSS-PU由三条PSS无约束主动链（具有六个自由度）和一条PU有约束从动链（具有R_xyT_z，三个自由度）组成，实现动平台3的R_xyT_z自由度大行程、粗定位。

微动机构3SSP-PU由三条SSP无约束主动链（具有六个自由度）和一条PU有约束从动链（具有R_xyT_z，三个自由度）组成，实现动平台3的R_xyT_z自由度小行程、精密定位。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述PSSP支链模块1和PPU支链模块2上P移动副初始位置的运动轴线方向相同，如此设置，使机构整体的结构设计更加合理，便于机构设计、机构学分析和建模，其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述PSSP支链模块1和PU支链模块5上P移动副初始位置的运动轴线方向相同，如此设置，使机构整体的结构设计更加合理，便于机构设计、机构学分析和建模，其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式中，PPU支链模块2连接在动平台3下端的中间位置，如此设置，PPU支链模块2用于支撑动平台3，同时，便于动平台3实现绕y轴的转动，使机构整体结构更加合理，其他组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式中，PU支链模块5连接在动平台3下端的中间位置，如此设置，PPU支链模块2用于支撑动平台3，同时，便于动平台3实现绕y轴的转动，使机构整体结构更加合理，其他组成和连接关系与具体实施方式二或四相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述动平台3为方形平板，动平台3沿竖向设置，两条PSSP支链模块1分别固接在动平台3台面的两个对角上，如此设置，使PSSP支链模块1（主动链）提供动力时，作用力的力臂最长，所需提供的动力最小，便于机构的运动控制，其他组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述动平台3为方形平板，动平台3沿竖向设置，两条PSSP支链模块1分别固接在动平台3台面的两个对角上，剩余一条PSSP支链模块1固接在动平台3的上端，如此设置，使PSSP支链模块1（主动链）提供动力时，作用力的力臂最长，所需提供的动力最小，便于机构的运动控制，其他组成和连接关系与具体实施方式六相同。

Claims (8)

1.一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：所述镜架机构包括PPU支链模块(2)、动平台(3)、静平台(4)和两条PSSP支链模块(1)，所述PPU支链模块(2)为有约束从动支链模块，PPU支链模块(2)由第一移动副(P₁)、第二移动副(P₂)和万向铰链(u)依次串联组成，所述两条PSSP支链模块(1)均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块(1)由第三移动副(P₃)、第一球副(S₁)、第二球副(S₂)和第四移动副(P₄)依次串联组成，第四移动副(P₄)为主动副，两条PSSP支链模块(1)及PPU支链模块(2)三者相互并联，所述动平台(3)的下端与PPU支链模块(2)上设置有万向铰链(u)的一端相固接，两条PSSP支链模块(1)上设置有第三移动副(P₃)的一端分别固接在动平台(3)上，PPU支链模块(2)上设置有第一移动副(P₁)的一端及两条PSSP支链模块(1)上设置有第四移动副(P₄)的一端分别固接在静平台(4)上。

2.一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：所述镜架机构包括PU支链模块(5)、动平台(3)、静平台(4)和三条PSSP支链模块(1)，所述PU支链模块(5)为有约束从动支链模块，PU支链模块(5)由第一移动副(P₁)和万向铰链(u)依次串联组成，所述三条PSSP支链模块(1)均为无约束主动支链模块，每条PSSP支链模块(1)由第三移动副(P₃)、第一球副(S₁)、第二球副(S₂)和第四移动副(P₄)依次串联组成，第四移动副(P₄)为主动副，三条PSSP支链模块(1)及PU支链模块(5)四者相互并联，所述动平台(3)的下端与PU支链模块(5)上设置有万向铰链(u)的一端相固接，三条PSSP支链模块(1)上设置有第三移动副(P₃)的一端分别固接在动平台(3)上，PU支链模块(5)上设置有第一移动副(P₁)的一端及三条PSSP支链模块(1)上设置有第四移动副(P₄)的一端分别固接在静平台(4)上。

3.根据权利要求1所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：PSSP支链模块(1)和PPU支链模块(2)上第一移动副至第四移动副初始位置的运动轴线方向相同。

4.根据权利要求2所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：PSSP支链模块(1)和PU支链模块(5)上第一移动副、第三移动副和第四移动副初始位置的运动轴线方向相同。

5.根据权利要求1或3所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：PPU支链模块(2)连接在动平台(3)下端的中间位置。

6.根据权利要求2或4所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：PU支链模块(5)连接在动平台(3)下端的中间位置。

7.根据权利要求5所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：所述动平台(3)沿竖向设置，两条PSSP支链模块(1)分别固接在动平台(3)台面的两个对角上。

8.根据权利要求6所述一种无约束主动链与有约束从动链相结合的镜架机构，其特征在于：所述动平台(3)沿竖向设置，两条PSSP支链模块(1)分别固接在动平台(3)台面的两个对角上，剩余一条PSSP支链模块(1)固接在动平台(3)的上端。