CN105252525A - 一种二自由度球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度球面并联机构，包括有动平台、直线位移驱动组件2个、球头支杆以及底座；动平台上设置有与球头支杆和直线位移驱动组件相连的结构元素，且这些结构元素按直角三角形分布；球头支杆与动平台上位于直角顶点处的结构元素相连，两个直线位移驱动组件分别与位于两条直角边的结构元素相连；底座上设置2个直线承导件和球碗，呈直角三角形配置，且第一球碗位于直角顶点处，两个直线承导件分别位于两条直角边；球头支杆的球头以及滑杆的球头分别与底座上的第一球碗和两个直线承导件上的第二球碗连接构成球面副。本发明采用球头支杆和两个直线位移驱动组件支承，相比于单环封闭运动链支承，具有支承稳定、负载能力强、刚度大的优点。

Description

一种二自由度球面并联机构

技术领域

本发明涉及球面并联机构的技术领域，具体涉及一种二自由度球面并联机构。

背景技术

球面并联机构是指其执行终端作球面运动的机构。所谓球面运动是指物体运动时，其体内总有一点在空间的位置保持不变，而体内其他各点在空间同心球面上运动。由于仅具有转动自由度，球面机构可用于物体的姿态调整和定位，这使其在航空航天、生物医学工程以及机器人领域具有广阔的应用前景。根据自由度数，球面机构可分为二自由度球面机构和三自由度球面机构。二自由度球面机构可以改变一个矢量在空间的指向，因此，这种机构在平台调平、视轴稳定以及天线方位跟踪系统中具有重要应用价值。现有球面机构多具有三个自由度，尽管可以用于二自由度的姿态定位及对准，但多余的自由度不但增加了机构的驱动数目，而且使控制复杂。在这样的背景下，设计结构紧凑、制造简单、支承刚度大以及负载能力强的二自由度的球面机构具有尤为重要的意义。

中国专利CN1803410A公开了一种二自由度解耦球面并联机构，包括基座、动平台以及连接于动平台和基座之间的两条运动支链。其中一条运动支链包括两个转动副和一个移动副，转动副的轴线需保证相互平行；另一条运动支链包括两个转动副，两转动轴线垂直且相交，交点即为该球面机构球的转动中心。该球面机构在移动副和转动副的驱动下即可作球面运动。

现有二自由度球面并联机构结构环较长，且仅使用一条封闭运动链作为动平台的支承。因此，这种球面机构的支承刚度低，负载能力差；此外，现有技术结构设计复杂，且需满足转动副相互平行或垂直相交等多个几何约束条件，对零部件的加工及装调精度要求高，并增加了机构的制造装配难度，加工成本高。

本发明面向二自由度姿态定位及对准的应用需求，提供了一种新型二自由度球面并联机构，旨在解决现有技术几何约束复杂、制造装配困难、支承刚度低以及负载能力差等问题。该机构具有构型简单、支承稳定以及负载能力强等特点。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种新型二自由度球面并联机构，它具有构型简单、支承稳定以及结构紧凑等特点，可解决现有二自由度球面机构几何约束复杂、制造装配困难、支承刚度低及负载能力差等问题。

本发明采用的技术方案为：一种二自由度球面并联机构，包括有动平台、两个直线位移驱动组件、球头支杆以及底座，所述动平台上设置有与两个直线位移驱动组件以及球头支杆相连的结构，且该相连的结构呈直角三角形配置，其中球头支杆与动平台相连的结构位于直角三角形的直角顶点处，两条直线位移驱动组件与动平台相连的结构分别位于直角三角形的两条直角边；所述底座包括有底板、2个直线导向件、2个直线承导件以及球碗；球碗包括第一球碗和第二球碗；2个直线承导件和第一球碗在底座上呈直角三角形配置，且第一球碗位于直角三角形的直角顶点处，2个直线承导件分别位于直角三角形的两条直角边，2个直线承导件运动方向分别沿直角边方向；所述直线位移驱动组件包括有套筒和滑杆，滑杆一端与套筒构成移动副，滑杆另一端设置有滑杆的球头，用于与第二球碗相连构成球面副；所述球头支杆一端设置有球头支杆的球头，球头支杆的球头与第一球碗构成球面副，球头支杆的另一端设置有用于和动平台相连的结构元素。

其中，所述动平台上设置有与两条直线位移驱动组件以及球头支杆相连的结构为定位孔。

其中，球头支杆的另一端设置有用于和动平台相连的法兰面。

本发明的原理在于：

本发明的二自由度球面并联机构包括有动平台、直线位移驱动组件2个、球头支杆以及底座；动平台上设置有与球头支杆和直线位移驱动组件相连的结构元素，且这些结构元素按直角三角形分布；球头支杆与动平台上位于直角顶点处的结构元素相连，两个直线位移驱动组件分别与位于两条直角边的结构元素相连；

所述底座上设置有连接2个直线承导件和球碗的结构元素，这些结构元素呈直角三角形配置，且球碗与位于直角顶点处的结构元素相连，两个直线承导件分别位于两条直角边；球头支杆的球头以及运动滑杆的球头分别与底座上的球碗和直线承导件上的球碗连接构成球面副。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明基于直角正交构型，几何约束条件易于满足，具有构型简单、结构紧凑的优点。

2)本发明采用球头支杆和两条直线位移驱动运动链支承，相比于单环封闭运动链支承，具有支承稳定、负载能力强的优点。

3)本发明的标准化程度高，所采用的均为常用机械零部件，加工、装配简单、制造成本低。

附图说明

图1为本发明的二自由度球面并联机构示意图；

图2为直线位移驱动组件示意图；

图3为球头支杆示意图；

图4为底座示意图。

其中图中附图标记含义为：1为动平台，2为直线位移驱动组件，3为球头支杆，4为底座，5为滑杆，6为套筒，7为滑杆的球头，8为法兰面，9为球头支杆的球头，10为底板，11为直线承导件，12为导向件，13为第一球碗，14为第二球碗。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种二自由度球面机构，它包括动平台1、两个直线位移驱动组件2、球头支杆3以及底座4。

动平台1上设置有用于和直线位移驱动组件2和球头支杆3相连的结构元素，如定位孔，且这些相连的结构元素呈直角三角形配置。球头支杆3相连的结构元素位于直角三角形的直角顶点，和直线位移驱动组件2相连的结构元素分别位于直角三角形的两条直角边。

直线位移驱动组件2包括有滑杆5和套筒6；滑杆5的一端与套筒6构成移动副，另一端设置有滑杆的球头7，用于和底座4中相应结构相连；直线位移驱动运动链通过套筒6与动平台上直角边上的结构元素相连；

如图2所示，球头支杆3一端设置有与动平台连接的结构元素，如法兰面8，另一端设置有球头支杆的球头9，它与动平台上直角顶点处的结构元素相连；

如图3所示，底座4包括有底板10、直线承导件11、导向件12以及可以与球头构成球面副的结构元素，典型如球碗；具体的，导向件12上设置有第二球碗14；底板上设置有用于连接直线承导件11和第一球碗13的结构元素，且这些结构元素呈直角三角形配置，其中第一球碗13与直角三角形的直角顶点处的结构元素相连，直线承导件11与直角三角形的直角边上的结构元素相连；导向件12与直线承导件11连接构成移动副；球头支杆3.的球头9与第一球碗13相连构成球面副，直线位移驱动组件2上的滑杆的球头7与第二球碗14相连构成球面副。

Claims (3)

1.一种二自由度球面并联机构，包括有动平台(1)、两个直线位移驱动组件(2)、球头支杆(3)以及底座(4)，其特征在于：所述动平台(1)上设置有与两条直线位移驱动组件(2)以及球头支杆(3)相连的结构，且该相连的结构呈直角三角形配置，其中球头支杆(3)与动平台(1)相连的结构位于直角三角形的直角顶点处，两个直线位移驱动组件(2)与动平台(1)相连的结构分别位于直角三角形的两条直角边；所述底座(4)包括有底板(10)、2个直线导向件(12)、2个直线承导件(11)以及球碗；球碗包括第一球碗(13)和第二球碗(14)；2个直线承导件(11)和第一球碗(13)在底座(4)上呈直角三角形配置，且第一球碗(13)位于直角三角形的直角顶点处，2个直线承导件(11)分别位于直角三角形的两条直角边，2个直线承导件(11)运动方向分别沿直角边方向；所述直线位移驱动组件(2)包括有套筒(6)和滑杆(5)，滑杆(5)一端与套筒(6)构成移动副，滑杆(5)另一端设置有滑杆的球头(7)，用于与第二球碗(14)相连构成球面副；所述球头支杆(3)一端设置有球头支杆的球头(9)，球头支杆的球头(9)与第一球碗(13)构成球面副，球头支杆(3)的另一端设置有用于和动平台(1)相连的结构元素。

2.根据权利要求1所述的一种二自由度球面并联机构，其特征在于：所述动平台(1)上设置有与两个直线位移驱动组件(2)以及球头支杆(3)相连的结构元素为定位孔。

3.根据权利要求1所述的一种二自由度球面并联机构，其特征在于：球头支杆(3)的另一端设置有用于和动平台(1)相连的法兰面(8)。