CN103552058A - 一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，涉及机器人设计技术领域。本发明的并联变胞机构包括静平台、动平台、连接静平台和动平台且均匀分布的三条相同结构运动链以及构态转换机构。构态转换机构由分别设置在静平台和动平台上的结构相同的两部分组成，每个部分包括连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ和对心机构。连杆Ⅲ和连杆Ⅳ之间通过滑动副连接，连杆Ⅲ的另一端与虎克铰连接，连杆Ⅳ的另一端与对心机构的圆盘之间转动副连接。连杆Ⅴ一端与对心机构的圆盘相连，另一端与静平台或动平台相连。本发明的并联变胞机构具有两种不同构态，分别实现3自由度平动和3自由度转动的工作要求。本发明保持了传统并联机构的所有特点，易于实现。

Description

一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构

技术领域

本发明涉及并联机构和变胞机构，可用于机器人领域，具体来说，是一种基于变胞原理的可分别实现纯平动和纯转动的并联变胞机构。

技术背景

并联机构（Parallel Mechanism），可以定义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。1965年，Stewart对Gough（Stewart D.A Platform With Six Degrees of Freedom[J].Journal of SystemEngineering and Control,Proc Inst.Mech.Engers Part I,1965,180(15):371–386.）发明的一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞机模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构。并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重符合比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，很好的弥补了串联机构的缺点。其应用前景极为广阔，如：机器人、虚拟轴机床、运载工具模拟器、六维微调机构、空间位姿测量机、六维力矩测量器等。

然而，机械产品正向高速化、精密化、柔性化和多样化方向发展。要求现代机械系统不仅能够高精度、高效率、大负载地运转，而且还应具有适应多任务及复杂环境的特点。并联机构发展到今天虽然结构形式和驱动方式在不断变化，但其机构构型和自由度总是固定不变，无法满足多任务和复杂环境的特殊应用要求。因此，必须要提供一种多构态、多功能、变约束的并联机构设计方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于变胞机构提出一种可分别实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，包括静平台、动平台、连接静平台和动平台且均匀分布的三条相同结构运动链以及构态转换机构。

其中，运动链的上连杆Ⅰ和下连杆Ⅱ之间通过滑动副连接，另一端分别连接一个虎克铰，虎克铰通过转动副连接到动平台和静平台。每个虎克铰包括一个十字形连接件和两长方形件。两长方形件分别通过转动副与所述的十字形连接件的两端相连。虎克铰的两个长方形件分别与连杆Ⅰ（或连杆Ⅱ）和构态转换机构的连杆Ⅲ固定相连，与构态转换机构的连杆III相连的长方形件又通过转动副与静（动）平台连接。

构态转换机构由分别设置在静平台和动平台上的结构相同的两部分组成，每个部分包括连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ和对心机构。连杆Ⅲ和连杆Ⅳ之间通过滑动副连接，连杆Ⅲ的另一端与虎克铰连接，连杆Ⅳ的另一端作为对心机构的连杆，与对心机构的圆盘之间转动副连接。连杆Ⅴ一端与对心机构的圆盘底部圆心部分固定相连，另一端通过滑动副与静平台（或动平台）相连。

构态转换机构中的对心机构由圆盘、四杆机构、活动块以及球铰链的圆球（或球铰链的接头）组成。圆盘起支撑对心机构其他构件的作用。在固定在圆盘上的四杆机构中，相对的两杆长度相等，所以四杆机构的形状始终为平行四边形。活动块可以在圆盘内孔中滑动，静平台的活动块顶部中心设置有球铰链的圆球，球铰链的圆球可以在活动块中自由转动；动平台的活动块顶部中心设置有能与球铰链的圆球配合连接的接头。活动块通过连杆VIII以移动副和四杆机构的连杆VII连接，四杆机构能够保证球铰链圆球的中心和球铰链接头的顶部始终在连杆Ⅳ的延长线上，当球铰链接头和球铰链圆球连接就能完成对心。

本发明的优点在于：

1.本发明通过将虎克铰与动平台和静平台以转动副连接，并设置构态转换机构，使得该并联机构具有两种不同构态，分别实现3自由度平动和3自由度转动的工作要求。

2.本发明保持了传统并联机构的所有特点，易于实现。

附图说明

图1为本发明的一种并联变胞机构的总体结构示意图；

图2为本发明虎克铰的各组成部分的示意图；

图3为本发明构态转换机构的各组成部分的示意图；

图4A和图4B为本发明对心机构的各组成部分的示意图；

图4C为对心机构的圆盘结构示意图；

图5为本发明的一种并联变胞机构的第一构态示意图，具有3自由度平动运动；

图6为本发明的一种并联变胞机构的第二构态示意图，具有3自由度转动运动。

图中：

1.静平台；         2.动平台；      3.第一运动链；  4.第二运动链；  5.第三运动链；

6.构态转换机构；   7.上连杆I；     8.下连杆II；    9.虎克铰A；     10.虎克铰B；

11.十字形连接件；  12.长方形件A；  13.长方形件B；  14.转动副；     15.转动副；

16.连杆III；       17.转动副C；    18.连杆IV；     19.连杆V；      20.对心机构；

21.圆盘；          22.四杆机构；   23.活动块23；   24.圆球；       25.接头25；

26.连杆VI；        27.连杆VII；    28.连杆VIII；   29.内孔；       30.条形槽。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步说明：

图1为本发明提供的一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构的总体示意图。所述并联变胞机构由静平台1、动平台2、连接静平台1和动平台2且均匀分布的三条相同结构的第一运动链3、第二运动链4和第三运动链5以及构态转换机构6组成。

各运动链结构相同，以第一运动链3为例，上连杆I7和下连杆II8之间通过滑动副连接，上连杆I7的另一端和虎克铰A9固定相连，下连杆II8的另一端和虎克铰B10固定相连。每个虎克铰A9或虎克铰B10，如图2所示，包括十字形连接件11、长方形件A12和长方形件B13。长方形件A12和长方形件B13分别通过转动副14和转动副15与所述的十字形连接件11的两端相连，使得所述的长方形件A12和长方形件B13分别可以绕所述十字形连接件11的两个杆转动。长方形件A12底部中间与上连杆I7（或下连杆II8）固定连接，长方形件B13底部中间与构态转换机构6的连杆III16固定相连，另外长方形件B13还通过转动副C17与静平台1（或动平台2）相连，所述转动副C17的转动轴线平行于长方形件A12的转动轴线。

构态转换机构6由对称的两部分组成，分别位于静平台1和动平台2上，如图1和图3所示。所述构态转换机构6的每个部分包括三个连杆III16、连杆IV18、连杆V19和一个对心机构20。连杆III16和连杆IV18之间通过滑动副连接，连杆III16的另一端与虎克铰连接，连杆IV18的另一端作为对心机构20的连杆，与对心机构20的圆盘21之间转动副连接。连杆V19一端与对心机构20的圆盘21的底部圆心部分（与内孔29相对的一面）固定相连，另一端通过滑动副与静平台1（或动平台2）相连。

如图4A和4B所示，所述对心机构20由圆盘21、四杆机构22、活动块23以及球铰链的圆球24（或球铰链的接头25——对应于动平台2的对心机构）组成。圆盘21起支撑对心机构20其他构件的作用，如图4C所示，所述圆盘21为圆柱形状，中心具有圆筒形内孔29。在固定在圆盘21上的四杆机构22中，相对的两杆长度相等，所以四杆机构22的形状始终为平行四边形。活动块23可以在圆盘21内孔29中滑动。对应静平台1的活动块23顶部中心设置有球铰链的圆球24，球铰链的圆球24可以在活动块23中自由转动；对应动平台2的活动块23顶部中心设置有能与球铰链的圆球24配合连接的接头25。活动块23与连杆VIII28铰接，连杆VIII28的另一端以滑动副和连杆VII27连接。在静平台1一边，连杆VIII28与活动块23的铰接处到球铰链的圆球24的中心（或球铰链的接头25顶部）的距离等于连杆VI26长度，同理在动平台2一边，连杆VIII28与活动块23的铰接处到球铰链接头25顶部的距离等于连杆VI26长度，所以能够保证球铰链的圆球24的中心和球铰链的接头25的顶部始终在连杆IV18的延长线上，当接头25和球铰链的圆球24连接就能完成对心（所有运动链的连杆IV18都对准球铰的中心）。

所述四杆机构22如图4A所示，包括连杆IV18、连杆VI26和连杆VII27，其中连杆IV18和连杆VII27之间通过连杆VI26连接，连杆IV18和连杆VII27的另一端分别连接在圆盘21上，且两个连接部位之间的距离等于连杆VI26的长度。连杆IV18和连杆VII27的长度相等。连杆VI26与连杆IV18之间、连杆VI26与连杆VII27之间、连杆VII27与圆盘21之间、连杆IV18与圆盘21之间的连接关系均为转动副连接。

所述圆盘21的结构如图4C所示，圆柱形圆盘结构的轴心具有圆筒形内孔29，圆盘结构的侧面具有条形槽30，分别用于连接固定连杆IV18、连杆VII27和连杆VIII28。

并联变胞机构的构态一，如图5，通过调节构态转换机构6的连杆V19长度，改变圆盘21的高度，使连杆18保持水平。此时每个运动链的虎克铰的两十字形连接件11的轴线两两平行，根据已有并联平台相关理论基础，通过控制第一运动链3、第二运动链4、第三运动链5的长度变化，可以使动平台2在XYZ方向上做三自由度的纯平动运动。

并联变胞机构的构态二，如图6，通过调节构态转换机构6的连杆19长度，改变圆盘21的高度，使接头25和球铰链的圆球24连接形成球铰链副，完成对心。此时每条运动链的连杆IV18都对准一点，根据已有并联平台相关理论基础，通过控制第一运动链3、第二运动链4、第三运动链5的长度变化，可以使动平台2绕球铰链做三自由度转动运动。所述的长度变化是通过各自连接的滑动副实现的。

Claims (5)

1.一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，包括静平台、动平台、连接静平台和动平台且均匀分布的三条相同结构运动链，其特征在于：还包括构态转换机构；运动链的上连杆I和下连杆II之间通过滑动副连接，上连杆I和下连杆II的另一端固定连接一个虎克铰，所述虎克铰通过转动副连接到动平台和静平台；所述构态转换机构由分别设置在静平台和动平台上的结构相同的两部分组成，每个部分包括连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ和对心机构，连杆Ⅲ和连杆Ⅳ之间通过滑动副连接，连杆Ⅲ的另一端与虎克铰连接，连杆Ⅳ的另一端作为对心机构的连杆，与对心机构的圆盘转动副连接，连杆Ⅴ一端与对心机构的圆盘底面圆心部分固定相连，另一端通过滑动副与静平台或动平台相连。

2.根据权利要求1所述的一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，其特征在于：所述虎克铰包括十字形连接件和两长方形件，两长方形件分别通过转动副与所述的十字形连接件的两端相连，其中一个长方形件与连杆Ⅰ或连杆Ⅱ固定连接；另一个长方形件与构态转换机构的连杆Ⅲ固定相连，与连杆III连接的长方形件又通过转动副与静平台或动平台相连。

3.根据权利要求1所述的一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，其特征在于：所述的对心机构由圆盘、四杆机构、活动块以及球铰链的圆球或接头组成，圆盘上固定四杆机构，四杆机构中相对的两杆长度相等，所以四杆机构的形状始终为平行四边形；圆盘上设置有内孔，活动块位于圆盘内孔中并可以上下滑动；静平台的活动块顶部中心设置有球铰链的圆球，球铰链的圆球可以在活动块中自由转动；动平台的活动块顶部中心设置有能与球铰链的圆球配合连接的接头，活动块通过连杆VIII以移动副和四杆机构的连杆Ⅳ连接，四杆机构可保证球铰链圆球的中心和球铰链接头的顶部始终在连杆Ⅳ的延长线上，当球铰链接头和球铰链圆球连接就能完成对心。

4.根据权利要求3所述的一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，其特征在于：所述四杆机构包括连杆IV、连杆VI和连杆VII，其中连杆IV和连杆VII之间通过连杆VI连接，连杆IV和连杆VII的另一端分别连接在圆盘上，且两个连接部位之间的距离等于连杆VI的长度；连杆IV和连杆VII的长度相等；连杆VI与连杆IV之间、连杆VI与连杆VII之间、连杆VII与圆盘之间、连杆IV与圆盘之间的连接关系均为转动副连接。

5.根据权利要求3所述的一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，其特征在于：所述圆盘为圆柱形圆盘结构，圆盘结构的轴心具有圆筒形内孔，圆盘结构的侧面具有三个条形槽，分别用于连接固定连杆IV、连杆VII和连杆VIII。

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