CN104772751B - 三自由度的并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度的并联机构，包括定平台、动平台以及位于所述定平台与所述动平台之间的第一分支链、第二分支链、第三分支链和第四分支链，所述第一分支链与所述第三分支链沿水平的第一方向相对而置，所述第二分支链与所述第四分支链沿与所述第一方向垂直的第二方向相对而置，其中，所述第一分支链和所述第三分支链均具有两个转动副和一个胡克铰，所述第二分支链和所述第四分支链均具有两个转动副和一个三自由度转动结构。采用本发明的三自由度的并联机构，能够实现两转动一移动的三自由度运动，且其结构简单、刚度高、易于控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种并联机构，尤其涉及一种三自由度的并联机构。
背景技术
目前，六自由度的并联机构已得到广泛应用，但在许多特殊场合，例如机器人领域，并联机构只需要部分自由度就可实现相应的使用功能，所以近年来，空间少自由度尤其是三自由度的并联机构已成为机器人技术的热门领域。
公告号为CN103056870A的中国发明专利说明书公开了一种两转动一移动三自由度并联机构，其包括定平台、动平台以及连接这两个平台的三个运动分支，该并联机构结构简单、加工组装容易且易于控制。但是，由于该并联机构仅包括三个运动分支，所以造成系统刚度较低。
公告号为CN103029121A的中国发明专利说明书公开了一种具有平面四连杆闭环结构的三自由度并联模拟台，其包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，该并联模拟平台高度低、占用体积小、承载能力强且工作空间大。但是，该并联模拟平台结构复杂、驱动形式复杂且控制精度低。
公告号为CN102601789A的中国发明专利说明书公开了一种含RPRPR闭环子链的三自由度并联机构，其包括RPRPR闭环子链和执行机构子链，该三自由度并联机构结构紧凑、控制简单、运动惯量小且运动学性能好。但是，该三自由度并联机构系统刚度低且控制精度也较低。
针对现有技术中所存在的上述问题，提供一种新的三自由度的并联机构具有重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种三自由度的并联机构，其能够实现两转动一移动的三自由度运动，且其结构简单、刚度高、易于控制。
为实现上述目的，本发明的三自由度的并联机构，包括定平台、动平台以及位于所述定平台与所述动平台之间的第一分支链、第二分支链、第三分支链和第四分支链，所述第一分支链与所述第三分支链沿水平的第一方向相对而置，所述第二分支链与所述第四分支链沿与所述第一方向垂直的第二方向相对而置，其中，
所述第一分支链，具有第一下连杆和第一上连杆，所述第一下连杆与所述定平台之间以及所述第一下连杆与所述第一上连杆之间均设置有第一转动副，所述第一转动副的转动轴线与所述第二方向平行，所述第一上连杆与所述动平台之间设置有第一胡克铰；
所述第二分支链，具有第二下连杆和第二上连杆，所述第二下连杆与所述定平台之间以及所述第二下连杆与所述第二上连杆之间均设置有第二转动副，所述第二转动副的转动轴线与所述第一方向平行，所述第二上连杆与所述动平台之间设置有三自由度转动结构；
所述第三分支链，具有第三下连杆和第三上连杆，所述第三下连杆与所述定平台之间以及所述第三下连杆与所述第三上连杆之间均设置有第三转动副，所述第三转动副的转动轴线与所述第二方向平行，所述第三上连杆与所述动平台之间设置有第二胡克铰；
所述第四分支链，具有第四下连杆和第四上连杆，所述第四下连杆与所述定平台之间以及所述第四下连杆与所述第四上连杆之间均设置有第四转动副，所述第四转动副的转动轴线与所述第一方向平行，所述第四上连杆与所述动平台之间设置有三自由度转动结构。
优选地，所述第一分支链与所述第三分支链相对于所述第二分支链及所述第四分支链对称设置；所述第二分支链与所述第四分支链相对于所述第一分支链及所述第三分支链对称设置。
优选地，所述第二分支链的三自由度转动结构包括第一连接杆，所述第一连接杆与所述第二上连杆之间设置有第五转动副，所述第一连接杆与所述动平台之间设置有第三胡克铰，所述第五转动副的转动轴线与所述第三胡克铰的两个转动轴线形成有交点。
进一步地，所述第三胡克铰的其中一个轴的两端分别通过直线轴承与所述第一连接杆连接，并且，所述轴能够相对于所述直线轴承移动。
优选地，所述第四分支链的三自由度转动结构包括第二连接杆，所述第二连接杆与所述第四上连杆之间设置有第六转动副，所述第二连接杆与所述动平台之间设置有第四胡克铰，所述第六转动副的转动轴线与所述第四胡克铰的两个转动轴线形成有交点。
进一步地，所述第四胡克铰的其中一个轴的两端分别通过直线轴承与所述第二连接杆连接，并且，所述轴能够相对于所述直线轴承移动。
本发明的三自由度的并联结构，在定平台和动平台之间设置四个分支链，通过转动副、胡克铰以及三自由度转动结构实现该并联机构的两转动一移动的三自由度运动，且该并联机构结构简单、刚度高、易于控制。其中，将第三胡克铰的其中一个轴的两端通过直线轴承与第一连接杆连接，使该轴能够相对于直线轴承移动，避免了该三自由度的并联机构发生卡死现象。
附图说明
图1为本发明的三自由度的并联机构的结构示意图；
图2为本发明中第二分支链的三自由度转动结构的结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。
图1为本发明的三自由度的并联机构的结构示意图。
为叙述方便，在图中建立坐标系，将定平台1的长度方向(即图1本身的左右方向)视为x轴方向，将定平台1的高度方向(即图1本身的上下方向)视为z轴方向，将定平台1的宽度方向(即与x轴、y轴均垂直的方向)视为y轴方向。
参见图1，本发明的三自由度的并联机构，包括定平台1、动平台2以及位于定平台1与动平台2之间的第一分支链3、第二分支链4、第三分支链6和第四分支链5，第一分支链3与第三分支链6沿水平的第一方向相对而置，其中第一方向即为x轴方向；第二分支链4与第四分支链5沿与第一方向垂直的第二方向相对而置，其中第二方向即为y轴方向。
第一分支链3，具有第一下连杆302和第一上连杆303，第一下连杆302与定平台1之间以及第一下连杆302与第一上连杆303之间均设置有第一转动副301，第一转动副301的转动轴线A-A′与第二方向平行；第一上连杆303与动平台2之间设置有第一胡克铰304。
第二分支链4，具有第二下连杆402和第二上连杆403，第二下连杆402与定平台1之间以及第二下连杆402与第二上连杆403之间均设置有第二转动副401，第二转动副401的转动轴线B-B′与第一方向平行；第二上连杆403与动平台2之间设置有三自由度转动结构(图中未标示)。
第三分支链6，具有第三下连杆602和第三上连杆603，第三下连杆602与定平台1之间以及第三下连杆602与第三上连杆603之间均设置有第三转动副601，第三转动副601的转动轴线D-D′与第二方向平行；第三上连杆603与动平台2之间设置有第二胡克铰604。
第四分支链5，具有第四下连杆502和第四上连杆503，第四下连杆502与定平台1之间以及第四下连杆502与第四上连杆503之间均设置有第四转动副501，第四转动副501的转动轴线C-C′与第一方向平行；第四上连杆503与动平台2之间设置有三自由度转动结构(图中未标示)。
通过以上四个分支链中的转动副，动平台2相对于定平台1可作沿z轴方向的上下移动；通过第一分支链3的第一胡克铰304、第二分支链4的三自由度转动结构、第三分支链6的第二胡克铰604以及第四分支链5的三自由度转动结构，动平台2相对于定平台1可分别绕x轴和y轴转动。因此，通过上述四个分支链可实现该三自由度的并联机构的两转动一移动的三自由度运动，且其结构简单、易于控制。
优选地，第一分支链3与第三分支链6相对于第二分支链4及第四分支链5对称设置；第二分支链4与第四分支链5相对于第一分支链3及第三分支链6对称设置，以使该三自由度的并联机构更加稳定，提高其刚度。
图2为本发明中第二分支链的三自由度转动结构的结构示意图。
第二分支链的三自由度转动结构可以采用常规的球面副结构，但是球面副的承载能力有限，且易磨损，所以本发明的三自由度的并联机构还可以采用如图2所示的结构，其包括第一连接杆405，第一连接杆405与第二上连杆403之间设置有第五转动副404，第一连接杆405与动平台2之间设置有第三胡克铰406，第五转动副404的转动轴线E-E′与第三胡克铰406的两个转动轴线F-F′、G-G′形成有交点H。上述这种结构承载能力强且不易磨损。
继续参见图1，同样，第四分支链5的三自由度转动结构也可以采用上述结构，其包括第二连接杆505，第二连接杆505与第四上连杆503之间设置有第六转动副504，第二连接杆505与动平台2之间设置有第四胡克铰506，第六转动副504的转动轴线(图中未示出)与第四胡克铰506的两个转动轴线(图中未示出)形成有交点(图中未示出)。
由于该三自由度的并联机构在两转动的复合运动时可能出现卡死现象，为避免该问题，本发明中，第三胡克铰406的其中一个轴4061的两端分别通过直线轴承(图中未示出)与第一连接杆405连接，并且，该轴4061能够相对于该直线轴承移动，即该轴4061可沿x轴方向移动，以避免发生卡死现象。
当然，第四胡克铰506也可以与上述第三胡克铰406的结构相同，即第四胡克铰506的其中一个轴的两端也分别通过直线轴承与第二连接杆505连接，并且，该轴能够相对于该直线轴承移动，即该轴可沿x轴方向移动，以避免发生卡死现象。
本发明的这种三自由度的并联结构，在使用时，动平台2可以绕x轴、y轴转动以及沿z轴移动，从而使得动平台2可以实现两转动一移动的三自由度运动。
另外，本发明的三自由度的并联机构通过安装在定平台1的电机(图中未示出)直接驱动，降低了该三自由度的并联机构的振动频率；并且，驱动方式统一，减少了不同的驱动方式带来的较大的运动惯量。
以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种三自由度的并联机构，包括定平台、动平台以及位于所述定平台与所述动平台之间的第一分支链、第二分支链、第三分支链和第四分支链，所述第一分支链与所述第三分支链沿水平的第一方向相对而置，所述第二分支链与所述第四分支链沿与所述第一方向垂直的第二方向相对而置，其中，
所述第一分支链，具有第一下连杆和第一上连杆，所述第一下连杆与所述定平台之间以及所述第一下连杆与所述第一上连杆之间均设置有第一转动副，所述第一转动副的转动轴线与所述第二方向平行，所述第一上连杆与所述动平台之间设置有第一胡克铰；
所述第二分支链，具有第二下连杆和第二上连杆，所述第二下连杆与所述定平台之间以及所述第二下连杆与所述第二上连杆之间均设置有第二转动副，所述第二转动副的转动轴线与所述第一方向平行，所述第二上连杆与所述动平台之间设置有三自由度转动结构；
所述第三分支链，具有第三下连杆和第三上连杆，所述第三下连杆与所述定平台之间以及所述第三下连杆与所述第三上连杆之间均设置有第三转动副，所述第三转动副的转动轴线与所述第二方向平行，所述第三上连杆与所述动平台之间设置有第二胡克铰；
所述第四分支链，具有第四下连杆和第四上连杆，所述第四下连杆与所述定平台之间以及所述第四下连杆与所述第四上连杆之间均设置有第四转动副，所述第四转动副的转动轴线与所述第一方向平行，所述第四上连杆与所述动平台之间设置有三自由度转动结构；
所述第二分支链的三自由度转动结构包括第一连接杆，所述第一连接杆与所述第二上连杆之间设置有第五转动副，所述第一连接杆与所述动平台之间设置有第三胡克铰，所述第五转动副的转动轴线与所述第三胡克铰的两个转动轴线形成有交点。
2.根据权利要求1所述的三自由度的并联机构，其特征在于，所述第一分支链与所述第三分支链相对于所述第二分支链及所述第四分支链对称设置；所述第二分支链与所述第四分支链相对于所述第一分支链及所述第三分支链对称设置。
3.根据权利要求1所述的三自由度的并联机构，其特征在于，所述第三胡克铰的其中一个轴的两端分别通过直线轴承与所述第一连接杆连接，并且，所述轴能够相对于所述直线轴承移动。
4.根据权利要求1所述的三自由度的并联机构，其特征在于，所述第四分支链的三自由度转动结构包括第二连接杆，所述第二连接杆与所述第四上连杆之间设置有第六转动副，所述第二连接杆与所述动平台之间设置有第四胡克铰，所述第六转动副的转动轴线与所述第四胡克铰的两个转动轴线形成有交点。
5.根据权利要求4所述的三自由度的并联机构，其特征在于，所述第四胡克铰的其中一个轴的两端分别通过直线轴承与所述第二连接杆连接，并且，所述轴能够相对于所述直线轴承移动。
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