CN103302659A - 单自由度变胞机构 - Google Patents

Abstract

一种机器人技术领域的单自由度变胞机构，包括：动平台、三个静平台和分别连接两种平台的三个支路，其中：第一支路和第二支路的结构相同，分别包括：依次由连杆相连的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向副，其中：第一单自由度运动副与第一静平台或第二静平台相连，第一万向副或第二万向副与动平台相连；第三支路包括：由连杆相连的第一球铰副和第二球铰副，其中：第一球铰副与第三静平台相连，第二球铰副与动平台相连。本发明可以实现末端一维转动特征的改变，即在某一条件下末端具有绕某一方向轴线转动的能力，在另外一条件下末端具有绕另一方向轴线转动的能力。

Description

单自由度变胞机构

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种单自由度变胞机构。

背景技术

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比较，并联机器人具有以下优点：（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；

根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用，而少自由度并联机构相对于6自由度并联机构来说，又具有结构简单、造价低、运动学求解相对简单、输入少且控制较易实现等特点。因此少自由度并联机构在工业机器人、虚轴数控机床、飞机运动模拟器以及医用机器人等领域具有广泛的应用前景。

目前大多数并联机构所具有的自由度数或者其末端动平台所具有的运动特征是恒定不变的，然而在某些特殊场合，需要并联机构末端动平台的自由度数发生改变以减少输入的个数，或者需要末端的运动特征发生改变以满足特定的输出要求。

因此，设计结构简单，能实现动平台纯转动输出、运动解耦性好且末端自由度数或者运动特征可调节的并联机构是实际工程应用的迫切需要。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN202292114，公开日2012-07-04，记载了一种具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架及三个分支；其特征在于第一分支和第二分支串接有万向铰、移动副、连杆和转动副；第三分支串接有转动副、移动副、连杆和万向铰；第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线共线且平行于第三分支的转动副轴线；第一分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线与第二分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线；第三分支中，万向铰第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰第二根转轴轴线平行于第一分支和第二分支的转动副轴线。但该技术不能实现动平台输出自由度数以及运动特征的调节，在任一非奇异的条件下，动平台都具有两转一移的三个自由度，因此需要3个独立的输入。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单自由度变胞机构，动平台的输出运动特征可以调节，从而使得机构的所需的独立输入量减少，即可以减少驱动装置的数量。本发明可以实现末端一维转动特征的改变，即在某一条件下末端具有绕某一方向轴线转动的能力，在另外一条件下末端具有绕另一方向轴线转动的能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及一种单自由度变胞机构，包括：动平台、三个静平台和分别连接两种平台的三个支路，其中：

第一支路和第二支路的结构相同，分别包括：依次由连杆相连的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向副，其中：第一单自由度运动副与第一静平台或第二静平台相连，第一万向副或第二万向副与动平台相连；

第三支路包括：由连杆相连的第一球铰副和第二球铰副，其中：第一球铰副与第三静平台相连，第二球铰副与动平台相连。

所述的万向副有两个相互垂直的转动轴线，其中第一根转轴为固定在动平台上的转动轴线，第二根转轴为与第一根转轴相垂直的转动轴线。

在本发明的一种优选方案中：所述的第一支路的第一单自由度运动副为连接于第一静平台上的第一移动副，第二单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，其中：第一移动副与第一转动副的转轴垂直；

第二支路的第一单自由度运动副为连接于第二静平台上的第二移动副，第二单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，其中：第二移动副与第二转动副的转轴垂直，第二转动副的转轴与第一转动副的转轴垂直；

第一支路的第一移动副、第二支路的第二移动副为主动移动副；主动移动副的驱动装置是电机丝杆机构或液压机构。

在本发明的第二种优选方案中：所述的第一支路的第一单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，第二单自由度运动副为与第一转动副的转轴垂直的第一移动副；

第二支路的第一单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，第二单自由度运动副为与第二转动副的转轴垂直的第二移动副，其中：第二转动副的转轴与第一转动副的转轴垂直。

所述的第一支路的第一移动副或第一转动副、第二支路的第二移动副或第二转动副为主动移动副或主动转动副；主动移动副的驱动是电机丝杆机构或液压机构，主动转动副的驱动是伺服电机。

在本发明的第三种优选方案中：所述的第一支路的第一单自由度运动副为与第一万向副的第二根转轴相平行的第一一转动副，第二单自由度运动副为与第一一转动副转轴相平行的第一二转动副；

第二支路的第一单自由度运动副为与第二万向副的第二根转轴相平行的第二一转动副，第二单自由度运动副为与第二一转动副转轴相平行的第二二转动副；其中：第二一转动副的转轴与第一一转动副的转轴垂直。

所述的第一支路的第一一转动副、第二支路的第二一转动副为主动转动副；主动转动副的驱动是伺服电机。

在本发明的第四种优选方案中：所述的第一支路的第一单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，第二单自由度运动副为第一复合副，该第一复合副包括：四个依次相连形成封闭回路的转动连接副，其中：第一转动副连接于其中两个转动连接副的连接杆上，第一万向副连接于另外两个转动连接副的连接杆上；

第二支路的第一单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，第二单自由度运动副为第二复合副，该第二复合副包括：四个依次相连形成封闭回路的转动连接副，其中：第二转动副连接于其中两个转动连接副的连接杆上，第二万向副连接于另外两个转动连接副的连接杆上。

所述的第一支路的第一转动副、第二支路的第二转动副为主动转动副；主动转动副的驱动是伺服电机。

所述的第三支路的第二球铰副位于第一万向副的第一根转轴和第二万向副的第一根转轴的延长线的交点上。

动平台可实现空间内的一个转动自由度；其中转动自由度是动平台可绕第一分支的第一万向副的第一根转轴转动，即第一转动特征，或者是动平台可绕第二分支的第二万向副的第一根转轴转动，即第二转动特征；

当处于初始位置时，动平台平面与第一、二分支转动副轴线平行的位置，该变胞机构具有两个自由度，即具有上述的第一、第二转动特征；

当动平台在初始位置绕第一转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第二转动特征，从而只具有第一转动特征；

当动平台在初始位置绕第二转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第一转动特征，从而只具有第二转动特征；

因此通过控制输入可以改变该变胞机构的输出运动特征，同时，变胞机构的末端自由度数与输入数相同。

该发明专利的结构特点：含有较少的球铰，故其结构简单，制造精度要求可以降低，制造成本也可以降低。

附图说明

图1为实施例1结构图；

图2为实施例2结构图；

图3为实施例3结构图；

图4为实施例4结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，动平台M通过三个分支与静平台并联连接：

第一支路A1中，第一移动副P₁连接第一静平台F₁与第一上连杆11，第一转动副R₁连接第一上连杆11与第一下连杆12，第一万向副U₁连接第一下连杆12与动平台M；

第二支路A2中，第二移动副P₂连接第二静平台F₂与第二上连杆21，第二转动副R₂连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U₂连接第二下连杆22与动平台M；

第三支路A3中，第一球铰副S₁连接第三静平台F₃与第三上连杆31，第二球铰副S₂连接第三上连杆31与动平台M；

其中，各分支的运动副满足如下关系：

第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L12与第一转动副R₁轴线相互平行，第一移动副P₁与第一转动副R₁轴线垂直；第二支路A2中第二万向副U₂的第二根转轴L22与第二转动副R₂轴线相互平行，第二移动副P₂与第二转动副R₂轴线垂直；

第一支路A1中第一转动副R₁的轴线与第二支路A2中第二转动副R₂的轴线垂直；第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L11与第二支路A2中第二万向副U2的第二一转轴L21相互垂直；第三分支第二球铰副S2位于第一、二分支万向副U1、U2的第一根转轴L11、第一根转轴L21的延长线交点上。

所述的第一支路A1的第一移动副P1、第二支路A2的第二移动副P2为主动副；主动移动副的驱动是电机丝杆机构或液压机构。

此机构的动平台可实现空间内的一个转动自由度；其中转动自由度是动平台可绕第一分支的第一万向副的第一根转轴L11转动，即第一转动特征，或者是动平台可绕第二分支的第二万向副的第一根转轴L21转动，即第二转动特征；

当处于初始位置时，即动平台平面与第一、二分支转动副轴线R1、R2平行的位置，该变胞机构具有两个自由度，即具有上述的第一、第二转动特征；

当动平台在初始位置绕第一转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第二转动特征，从而只具有第一转动特征；

当动平台在初始位置绕第二转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第一转动特征，从而只具有第二转动特征；

初始位置是实现动平台转动特征变化的中间过渡状态，即通过中间过渡状态，可以实现动平台第一转动特征、第二转动特征的相互转化。

因此通过控制输入可以改变该变胞机构的输出运动特征，同时，变胞机构的末端自由度数与输入数相同。

实施例2

如图2所示，动平台M通过三个分支与静平台并联连接：

第一支路A1中，第一转动副R₁连接第一静平台F₁与第一上连杆11，第一移动副P₁连接第一上连杆11与第一下连杆12，第一万向副U₁连接第一下连杆12与动平台M；

第二支路A2中，第二转动副R₂连接第二静平台F₂与第二上连杆21，第二移动副P₂连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U₂连接第二下连杆22与动平台M；

第三支路A3中，第一球铰副S₁连接第三静平台F₃与第三上连杆31，第二球铰副S₂连接第三上连杆31与动平台M；

其中，各分支的运动副满足如下关系：

其中，第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L12与第一转动副R₁轴线相互平行，第一移动副P₁与第一转动副R₁轴线垂直；第二支路A2中第二万向副U₂的第二根转轴L22与第二转动副R₂轴线相互平行，第二移动副P₂与第二转动副R₂轴线垂直；

第一支路A1中第一转动副R₁的轴线与第二支路A2中第二转动副R₂的轴线垂直；第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L11与第二支路A2中第二万向副U₂的第二一转轴L21相互垂直；第三分支第二球铰副S₂位于第一、二分支万向副U₁、U₂的第一根转轴L11、L21的延长线交点上。

所述的第一支路A1的第一移动副P₁或第一转动副R₁、第二支路A2的第二移动副P₂或第二转动副R₂为主动副；主动移动副的驱动是电机丝杆机构或液压机构，主动转动副的驱动是伺服电机。

此机构的动平台可实现空间内的一个转动自由度；其中转动自由度是动平台可绕第一分支的第一万向副的第一根转轴L11转动，即第一转动特征，或者是动平台可绕第二分支的第二万向副的第一根转轴L21转动，即第二转动特征；

当处于初始位置时，即动平台平面与第一、二分支转动副轴线R1、R2平行的位置，该变胞机构具有两个自由度，即具有上述的第一、第二转动特征；

当动平台在初始位置绕第一转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第二转动特征，从而只具有第一转动特征；

当动平台在初始位置绕第二转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第一转动特征，从而只具有第二转动特征；

初始位置是实现动平台转动特征变化的中间过渡状态，即通过中间过渡状态，可以实现动平台第一转动特征、第二转动特征的相互转化。

因此通过控制输入可以改变该变胞机构的输出运动特征，同时，变胞机构的末端自由度数与输入数相同。

实施例3

如图3所示，动平台M通过三个分支与静平台并联连接：

第一支路A1中，第一一转动副R_1a连接第一静平台F₁与第一上连杆11，第一二转动副R_1b连接第一上连杆11与第一下连杆12，第一万向副U₁连接第一下连杆12与动平台M；

第二支路A2中，第二一转动副R_2a连接第二静平台F₂与第二上连杆21，第二二移动副R_2b连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U₂连接第二下连杆22与动平台M；

第三支路A3中，第一球铰副S₁连接静平台F₃与第三上连杆31，第二球铰副S₂连接第三上连杆31与动平台M；

其中，各分支的运动副满足如下关系：

其中，第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L12、第一一转动副R_1a以及第一二转动副R_1b的轴线相互平行；第二支路A2中第二万向副U₂的第二根转轴L22、第二一转动副R_2a以及第二转动副R_2b的轴线相互平行；

第一支路A1中第一一转动副R_1a的轴线与第二支路A2中第二一转动副R_2a的轴线垂直；第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L11与第二支路A2中第二万向副U₂的第二一转轴L21相互垂直；第三分支第二球铰副S₂位于第一、二分支万向副U₁、U₂的第一根转轴L11、第二一转轴L21的延长线交点上。

所述的第一支路A1的第一一转动副R_1a、第二支路A2的第二一转动副R_2a为主动副；主动转动副的驱动是伺服电机。

此机构的动平台可实现空间内的一个转动自由度；其中转动自由度是动平台可绕第一分支的第一万向副的第一根转轴L11转动，即第一转动特征，或者是动平台可绕第二分支的第二万向副的第一根转轴L21转动，即第二转动特征；

当处于初始位置时，即动平台平面与第一、二分支转动副轴线R1a、R2a平行的位置，该变胞机构具有两个自由度，即具有上述的第一、第二转动特征；

当动平台在初始位置绕第一转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第二转动特征，从而只具有第一转动特征；

当动平台在初始位置绕第二转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第一转动特征，从而只具有第二转动特征；

初始位置是实现动平台转动特征变化的中间过渡状态，即通过中间过渡状态，可以实现动平台第一转动特征、第二转动特征的相互转化。

因此通过控制输入可以改变该变胞机构的输出运动特征，同时，变胞机构的末端自由度数与输入数相同。

实施例4

如图4所示，动平台M通过三个分支与静平台并联连接：

第一支路A1中，第一转动副R₁连接第一静平台F₁与第一上连杆11，第一复合副P_a1连接第一上连杆11与第一下连杆12，第一万向副U₁连接第一下连杆12与动平台M；

第二支路A2中，第二转动副R₂连接第二静平台F₂与第二上连杆21，第二复合副P_a2连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U₂连接第二下连杆22与动平台M；

第一复合副P_a1、第二复合副P_a2的结构相同，分别包括：四个依次相连形成封闭回路的转动连接副，其中：第一转动副R₁或第二转动副R₂连接于其中两个转动连接副的连接杆上，第一万向副U₁或第二万向副U₂连接于另外两个转动连接副的连接杆上。

第三支路A3中，第一球铰副S₁连接第三静平台F₃与第三上连杆31，第二球铰副S₂连接第三上连杆31与动平台M；

其中，各分支的运动副满足如下关系：

其中，第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L12与第一转动副R₁轴线相互平行，第一复合副P_a1的移动方向与第一转动副R₁轴线垂直；第二支路A2中第二万向副U₂的第二根转轴L22与第二转动副R₂轴线相互平行，第二复合副P_a2的移动方向与第二转动副R₂轴线垂直；

第一支路A1中第一转动副R₁的轴线与第二支路A2中第二转动副R₂的轴线垂直；第一支路A1中第一万向副U₁的第一根转轴L11与第二支路A2中第二万向副U₂的第二一转轴L21相互垂直；第三分支第二球铰副S₂位于第一、二分支万向副U₁、U₂的第一根转轴L11、第二一转轴L21的延长线交点上。

所述的第一支路A1的第一转动副R₁、第二支路A2的第二转动副R₂为主动转动副；主动转动副的驱动是伺服电机。

此机构的动平台可实现空间内的一个转动自由度；其中转动自由度是动平台可绕第一分支的第一万向副的第一根转轴L11转动，即第一转动特征，或者是动平台可绕第二分支的第二万向副的第一根转轴L21转动，即第二转动特征；

当处于初始位置时，即动平台平面与第一、二分支转动副轴线R1、R2平行的位置，该变胞机构具有两个自由度，即具有上述的第一、第二转动特征；

当动平台在初始位置绕第一转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第二转动特征，从而只具有第一转动特征；

当动平台在初始位置绕第二转动特征轴线转动后，该变胞机构就失去第一转动特征，从而只具有第二转动特征；

初始位置是实现动平台转动特征变化的中间过渡状态，即通过中间过渡状态，可以实现动平台第一转动特征、第二转动特征的相互转化。

因此通过控制输入可以改变该变胞机构的输出运动特征，同时，变胞机构的末端自由度数与输入数相同。

Claims (7)

1.一种单自由度变胞机构，其特征在于，包括：动平台、三个静平台和分别连接两种平台的三个支路，其中：

第一支路和第二支路的结构相同，分别包括：依次由连杆相连的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向副，其中：第一单自由度运动副与第一静平台或第二静平台相连，第一万向副或第二万向副与动平台相连；

第三支路包括：由连杆相连的第一球铰副和第二球铰副，其中：第一球铰副与第三静平台相连，第二球铰副与动平台相连。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征是，所述的万向副有两个相互垂直的转动轴线，其中第一根轴线为固定在动平台上的转动轴线，第二根轴线为与第一根轴线相垂直的转动轴线。

3.根据权利要求2所述的机构，其特征是，所述的第一支路的第一单自由度运动副为连接于第一静平台上的第一移动副，第二单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，其中：第一移动副与第一转动副的转轴垂直；

第二支路的第一单自由度运动副为连接于第二静平台上的第二移动副，第二单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，其中：第二移动副与第二转动副的转轴垂直，第二转动副的转轴与第一转动副的转轴垂直。

4.根据权利要求2所述的机构，其特征是，所述的第一支路的第一单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，第二单自由度运动副为与第一转动副的转轴垂直的第一移动副；

第二支路的第一单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，第二单自由度运动副为与第二转动副的转轴垂直的第二移动副，其中：第二转动副的转轴与第一转动副的转轴垂直。

5.根据权利要求2所述的机构，其特征是，所述的第一支路的第一单自由度运动副为与第一万向副的第二根转轴相平行的第一一转动副，第二单自由度运动副为与第一一转动副转轴相平行的第一二转动副；

第二支路的第一单自由度运动副为与第二万向副的第二根转轴相平行的第二一转动副，第二单自由度运动副为与第二一转动副转轴相平行的第二二转动副；其中：第二一转动副的转轴与第一一转动副的转轴垂直。

6.根据权利要求2所述的机构，其特征是，所述的第一支路的第一单自由度运动副为转轴与第一万向副的第二根转轴相平行的第一转动副，第二单自由度运动副为第一复合副，该第一复合副包括：四个依次相连形成封闭回路的转动连接副，其中：第一转动副连接于其中两个转动连接副的连接杆上，第一万向副连接于另外两个转动连接副的连接杆上；

第二支路的第一单自由度运动副为转轴与第二万向副的第二根转轴相平行的第二转动副，第二单自由度运动副为第二复合副，该第二复合副包括：四个依次相连形成封闭回路的转动连接副，其中：第二转动副连接于其中两个转动连接副的连接杆上，第二万向副连接于另外两个转动连接副的连接杆上。

7.根据权利要求3、4、5或6所述的机构，其特征是，所述的第三支路的第二球铰副位于第一万向副的第一根转轴和第二万向副的第一根转轴的延长线的交点上。

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