CN105798889A - 具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，五角双椎体是一种由十个完全相同的正三边形面组成的空间半正多面体，共有五个顶点。该机构包括机架、动平台以及连接机架与动平台的五个分支和五个耦合杆组。五个耦合杆组包括第一耦合杆组、第二耦合杆组、第三耦合杆组、第四耦合杆组和第五耦合杆组。每个耦合杆组与其中两个分支连接，五个分支和五个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每个分支中连接耦合杆组的五个正四边形构件均定义为节点构件。该机构具有刚度大，承载能力强，运动平稳，结构简单，装配和维修方便的特点，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
Description
技术领域
本发明是基于一种完全由正三边形面组成的半正多面体结构得到的一种具有单自由度移动的多环耦合机构，涉及机构学应用技术领域，尤其涉及了一种具有单自由度移动的机器人执行机构。
背景技术
随着机构由简单向复杂、平面向空间、单环向多环的不断发展，机构创新始终是机器装备创新的关键和研究热点。在一些高强度、重载场合，用工业机械臂代替人力劳动的现象十分普遍。这些场合往往要求机械臂的执行机构强度高，结构简单，成本低，维修方便，并且末端执行构件运动平稳，容易控制的特点。现有的并联机构具有承载能力强，刚度大，惯性低等优点，但是工作空间有限；串联机构工作空间大，结构简单灵巧，但强度低，不适用于重载场合；混联机构将串联与并联机构进行有效的复合，同时突破各自结构的缺点，但是混联机构的机架和末端执行器间的连接通常是以在并联机构上添加一个连接上下平台的串联机械手的形式存在，这就使整个机构获得较大工作空间的同时，自身的体积不够灵巧轻便，这给机构的装配，运输以及执行带来不便。
发明内容
基于以上背景，本发明提供了一种可作为移动机器人执行机构的单自由度移动对称耦合机构，该机构具有刚度大，承载能力强，运动平稳，结构简单，装配和维修方便的特点，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
为实现上述目的，本发明基于一种五角双椎体的空间半正多面体结构组成框架的特点，采用一种具有单自由度移动对称耦合机构的技术方案。五角双椎体是一种由十个完全相同的正三边形面组成的空间半正多面体，共有五个顶点，其中两个顶点A和G汇聚了五条棱边，其余三个顶点B、C、D、E和F汇聚了四条棱边。
根据五角双椎体各个顶点汇聚的棱边数目，用五个结构完全相同的正四边形构件分别代替顶点B、C、D、E和F；用两个正五边形构件代替A和G；用十个含有两个转动副的连杆代替空间半正多面体的十条棱边AB、AC、AD、AE、AF、GB、GC、GD、GE和GF，下述方案中的含有两个转动副的连杆简称为连杆；用五个两杆三转动副杆组代替其余的五条棱边BC、CD、DE、EF以及BF，下述方案中的含有两杆三转动副杆组简称为杆组；根据空间半正多面体ABCDEFG的所有棱边和顶点的几何结构特点，用十个连杆和五个杆组连接两个正五边形构件和五个正四边形构件得到耦合机构。每个正五边形构件上的五个转动副轴线均位于正五边形平面内，且相邻轴线之间的夹角均为108°。每个正四边形构件的四个转动副轴线均位于构件本身所在平面内，且相邻转动副轴线相互垂直，对边轴线相互平行。每个杆组由两个连杆串联得到，所述连杆均为包含两个连接转动副的连接杆件，并且这两个转动副轴线相平行。
该机构包括机架(D1)、动平台(M1)以及连接机架与动平台的五个分支和五个耦合杆组。五个分支包括第一分支、第二分支、第三分支、第四分支和第五分支。五个耦合杆组包括第一耦合杆组、第二耦合杆组、第三耦合杆组、第四耦合杆组和第五耦合杆组。每个耦合杆组与其中两个分支连接，五个分支和五个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每个分支中连接耦合杆组的五个正四边形构件均定义为节点构件，分别为第一节点构件(N1)、第二节点构件(N2)、第三节点构件(N3)、第四节点构件(N4)和第五节点构件(N5)。
第一分支包括机架的第一转动副(R1)、节点构件一的第一转动副(R11)、节点构件一的第四转动副(R14)、动平台第一转动副(R61)；机架的第一转动副(R1)与节点构件一的第一转动副(R11)通过第一连杆(L1)连接，节点构件一的第四转动副(R14)与动平台第一转动副(R61)通过第二连杆(L2)连接。
第二分支包括机架的第二转动副(R2)、节点构件二的第一转动副(R21)、节点构件二的第四转动副(R24)、动平台第二转动副(R62)；机架的第二转动副(R2)与节点构件二的第一转动副(R21)通过第三连杆(L3)连接，节点构件二的第四转动副(R24)与动平台第二转动副(R62)通过第四连杆(L4)连接。
第三分支包括机架的第三转动副(R3)、节点构件三的第一转动副(R31)、节点构件三的第四转动副(R34)、动平台第三转动副(R63)；机架的第三转动副(R3)与节点构件三的第一转动副(R31)通过第五连杆(L5)连接，节点构件三的第四转动副(R34)与动平台第三转动副(R63)通过第六连杆(L6)连接。
第四分支包括机架的第四转动副(R4)、节点构件四的第一转动副(R41)、节点构件四的第四转动副(R44)、动平台第四转动副(R64)；机架的第四转动副(R4)与节点构件四的第一转动副(R41)通过第七连杆(L7)连接，节点构件四的第四转动副(R44)与动平台第四转动副(R64)通过第八连杆(L8)连接。
第五分支包括机架的第五转动副(R5)、节点构件五的第一转动副(R51)、节点构件五的第四转动副(R54)、动平台第五转动副(R65)；机架的第五转动副(R5)与节点构件五的第一转动副(R51)通过第九连杆(L9)连接，节点构件五的第四转动副(R54)与动平台第五转动副(R65)通过第十连杆(L10)连接。
选择正五边形构件(M1)为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副(R61)连接到动平台(M1)，第二分支通过动平台的第二转动副(R62)连接到动平台(M1)，第三分支通过动平台的第三转动副(R63)连接到动平台(M1)，第四分支通过动平台的第四转动副(R64)连接到动平台(M1)，第五分支通过动平台的第五转动副(R65)连接到动平台(M1)，所述五个分支并联到动平台(M1)上。另外，第一分支节点构件一(N1)和第二分支节点构件二(N2)之间通过第一耦合杆组(G1)耦合连接，第二分支节点构件二(N2)和第三分支节点构件三(N3)之间通过第二耦合杆组(G2)耦合连接，第三分支节点构件三(N3)和第四分支节点构件四(N4)之间通过第三耦合杆组(G3)耦合连接，第四分支节点构件四(N4)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第四耦合杆组(G4)耦合连接，第一分支节点构件一(N1)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第五耦合杆组(G5)耦合连接。其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链(-R13-R6-R22-)，第二耦合杆组表示为简单运动运动链(-R23-R7-R32-)，第三耦合杆组表示为简单运动运动链(-R33-R8-R42-)，第四耦合杆组表示为简单运动运动链(-R43-R9-R52-)，第五耦合杆组表示为简单运动运动链(-R53-R10-R12-)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该机构分支结构简单并且对称，根据各顶点处汇聚棱边的数目，分别用正四边形构件和正五边形构件替代相应的顶点，再用连杆和杆组将替代构件耦合连接得到，整个以连接基座和动平台的几何中心的直线为对称轴，前期装配和后期维修简单方便；
2、与实现同样运动性质的机构相比，整个机构的结构框架完全由正三边形面拼接得到，内部结构可以看作是由十个组成完全相同的环状结构拼接得到的网状结构，兼备串并联机构的优点，具有承载力高，刚度大以及工作空间大等特点，适用于重载机械臂的执行机构；
3、该机构具有单自由度移动运动性质，做特定方向的伸缩运动，具有向心运动趋势，并且根据工作条件及环境需求伸展收拢，便于运输，能更好的适应特殊场合，有良好的应用前景。
附图说明
图1为五角双椎体的空间结构示意图。
图中：A、B、C、D、E、F和G为一个正四面体的6个顶点，其中顶点A和G处汇聚棱边数目为5，B、C、D、E和F处汇聚棱边数目为4。
图2为基于五角双椎体空间半正多面体结构框架的单自由度移动多环对称耦合机构的示意图。
图中：D1、机架N1、节点构件一N2、节点构件二N3、节点构件三N4、节点构件四N5、节点构件五M1、动平台R1、机架的第一转动副R2、机架的第二转动副R3、机架的第三转动副R4、机架的第四转动副R5、机架的第五转动副R11、节点构件一的第一转动副R12、节点构件一的第二转动副R13、节点构件一的第三转动副R14、节点构件一的第四转动副R21、节点构件二的第一转动副R22、节点构件二的第二转动副R23、节点构件二的第三转动副R24、节点构件二的第四转动副R31、节点构件三的第一转动副R32、节点构件三的第二转动副R33、节点构件三的第三转动副R34、节点构件三的第四转动副R41、节点构件四的第一转动副R42、节点构件四的第二转动副R43、节点构件四的第三转动副R44、节点构件四的第四转动副R51、节点构件五的第一转动副R52、节点构件五的第二转动副R53、节点构件五的第三转动副R54、节点构件五的第四转动副R61、动平台的第一转动副R62、动平台的第二转动副R63、动平台的第三转动副R64、动平台的第四转动副R65、动平台的第五转动副L1、第一连杆L2、第二连杆L3、第三连杆L4、第四连杆L5、第五连杆L6、第六连杆L7、第七连杆L8、第八连杆L9、第九连杆L10、第十连杆R6、杆组一(G1)中连接R13和R22的中间转动副R7、杆组二(G2)中连接R23和R32的中间转动副R8、杆组三(G3)中连接R33和R42的中间转动副R9、杆组四(G4)中连接R43和R52的中间转动副R10、杆组五(G5)中连接R53和R12的中间转动副
具体实施方式
如图2所示，第一分支包括机架的第一转动副(R1)、节点构件一的第一转动副(R11)、节点构件一的第四转动副(R14)、动平台第一转动副(R61)；机架的第一转动副(R1)与节点构件一的第一转动副(R11)通过第一连杆(L1)连接，节点构件一的第四转动副(R14)与动平台第一转动副(R61)通过第二连杆(L2)连接。
第二分支包括机架的第二转动副(R2)、节点构件二的第一转动副(R21)、节点构件二的第四转动副(R24)、动平台第二转动副(R62)；机架的第二转动副(R2)与节点构件二的第一转动副(R21)通过第三连杆(L3)连接，节点构件二的第四转动副(R24)与动平台第二转动副(R62)通过第四连杆(L4)连接。
第三分支包括机架的第三转动副(R3)、节点构件三的第一转动副(R31)、节点构件三的第四转动副(R34)、动平台第三转动副(R63)；机架的第三转动副(R3)与节点构件三的第一转动副(R31)通过第五连杆(L5)连接，节点构件三的第四转动副(R34)与动平台第三转动副(R63)通过第六连杆(L6)连接。
第四分支包括机架的第四转动副(R4)、节点构件四的第一转动副(R41)、节点构件四的第四转动副(R44)、动平台第四转动副(R64)；机架的第四转动副(R4)与节点构件四的第一转动副(R41)通过第七连杆(L7)连接，节点构件四的第四转动副(R44)与动平台第四转动副(R64)通过第八连杆(L8)连接。
第五分支包括机架的第五转动副(R5)、节点构件五的第一转动副(R51)、节点构件五的第四转动副(R54)、动平台第五转动副(R65)；机架的第五转动副(R5)与节点构件五的第一转动副(R51)通过第九连杆(L9)连接，节点构件五的第四转动副(R54)与动平台第五转动副(R65)通过第十连杆(L10)连接。
选择正五边形构件(M1)为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副(R61)连接到动平台(M1)，第二分支通过动平台的第二转动副(R62)连接到动平台(M1)，第三分支通过动平台的第三转动副(R63)连接到动平台(M1)，第四分支通过动平台的第四转动副(R64)连接到动平台(M1)，第五分支通过动平台的第五转动副(R65)连接到动平台(M1)，所述五个分支并联到动平台(M1)上。另外，第一分支节点构件一(N1)和第二分支节点构件二(N2)之间通过第一耦合杆组(G1)耦合连接，第二分支节点构件二(N2)和第三分支节点构件三(N3)之间通过第二耦合杆组(G2)耦合连接，第三分支节点构件三(N3)和第四分支节点构件四(N4)之间通过第三耦合杆组(G3)耦合连接，第四分支节点构件四(N4)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第四耦合杆组(G4)耦合连接，第一分支节点构件一(N1)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第五耦合杆组(G5)耦合连接。其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链(-R13-R6-R22-)，第二耦合杆组表示为简单运动运动链(-R23-R7-R32-)，第三耦合杆组表示为简单运动运动链(-R33-R8-R42-)，第四耦合杆组表示为简单运动运动链(-R43-R9-R52-)，第五耦合杆组表示为简单运动运动链(-R53-R10-R12-)。
Claims (7)
1.具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
五角双椎体是一种由十个完全相同的正三边形面组成的空间半正多面体，共有五个顶点，其中两个顶点A和G汇聚了五条棱边，其余三个顶点B、C、D、E和F汇聚了四条棱边；
根据五角双椎体各个顶点汇聚的棱边数目，用五个结构完全相同的正四边形构件分别代替顶点B、C、D、E和F；用两个正五边形构件代替A和G；用十个含有两个转动副的连杆代替空间半正多面体的十条棱边AB、AC、AD、AE、AF、GB、GC、GD、GE和GF，下述方案中的含有两个转动副的连杆简称为连杆；用五个两杆三转动副杆组代替其余的五条棱边BC、CD、DE、EF以及BF，下述方案中的含有两杆三转动副杆组简称为杆组；根据空间半正多面体ABCDEFG的所有棱边和顶点的几何结构特点，用十个连杆和五个杆组连接两个正五边形构件和五个正四边形构件得到耦合机构；每个正五边形构件上的五个转动副轴线均位于正五边形平面内，且相邻轴线之间的夹角均为108°；每个正四边形构件的四个转动副轴线均位于构件本身所在平面内，且相邻转动副轴线相互垂直，对边轴线相互平行；每个杆组由两个连杆串联得到，所述连杆均为包含两个连接转动副的连接杆件，并且这两个转动副轴线相平行；
该机构包括机架(D1)、动平台(M1)以及连接机架与动平台的五个分支和五个耦合杆组；五个分支包括第一分支、第二分支、第三分支、第四分支和第五分支；五个耦合杆组包括第一耦合杆组、第二耦合杆组、第三耦合杆组、第四耦合杆组和第五耦合杆组；每个耦合杆组与其中两个分支连接，五个分支和五个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每个分支中连接耦合杆组的五个正四边形构件均定义为节点构件，分别为第一节点构件(N1)、第二节点构件(N2)、第三节点构件(N3)、第四节点构件(N4)和第五节点构件(N5)。
2.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
第一分支包括机架的第一转动副(R1)、节点构件一的第一转动副(R11)、节点构件一的第四转动副(R14)、动平台第一转动副(R61)；机架的第一转动副(R1)与节点构件一的第一转动副(R11)通过第一连杆(L1)连接，节点构件一的第四转动副(R14)与动平台第一转动副(R61)通过第二连杆(L2)连接。
3.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
第二分支包括机架的第二转动副(R2)、节点构件二的第一转动副(R21)、节点构件二的第四转动副(R24)、动平台第二转动副(R62)；机架的第二转动副(R2)与节点构件二的第一转动副(R21)通过第三连杆(L3)连接，节点构件二的第四转动副(R24)与动平台第二转动副(R62)通过第四连杆(L4)连接。
4.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
第三分支包括机架的第三转动副(R3)、节点构件三的第一转动副(R31)、节点构件三的第四转动副(R34)、动平台第三转动副(R63)；机架的第三转动副(R3)与节点构件三的第一转动副(R31)通过第五连杆(L5)连接，节点构件三的第四转动副(R34)与动平台第三转动副(R63)通过第六连杆(L6)连接。
5.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
第四分支包括机架的第四转动副(R4)、节点构件四的第一转动副(R41)、节点构件四的第四转动副(R44)、动平台第四转动副(R64)；机架的第四转动副(R4)与节点构件四的第一转动副(R41)通过第七连杆(L7)连接，节点构件四的第四转动副(R44)与动平台第四转动副(R64)通过第八连杆(L8)连接。
6.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
第五分支包括机架的第五转动副(R5)、节点构件五的第一转动副(R51)、节点构件五的第四转动副(R54)、动平台第五转动副(R65)；机架的第五转动副(R5)与节点构件五的第一转动副(R51)通过第九连杆(L9)连接，节点构件五的第四转动副(R54)与动平台第五转动副(R65)通过第十连杆(L10)连接。
7.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的五角双椎体对称耦合机构，其特征在于：
选择正五边形构件(M1)为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副(R61)连接到动平台(M1)，第二分支通过动平台的第二转动副(R62)连接到动平台(M1)，第三分支通过动平台的第三转动副(R63)连接到动平台(M1)，第四分支通过动平台的第四转动副(R64)连接到动平台(M1)，第五分支通过动平台的第五转动副(R65)连接到动平台(M1)，所述五个分支并联到动平台(M1)上；另外，第一分支节点构件一(N1)和第二分支节点构件二(N2)之间通过第一耦合杆组(G1)耦合连接，第二分支节点构件二(N2)和第三分支节点构件三(N3)之间通过第二耦合杆组(G2)耦合连接，第三分支节点构件三(N3)和第四分支节点构件四(N4)之间通过第三耦合杆组(G3)耦合连接，第四分支节点构件四(N4)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第四耦合杆组(G4)耦合连接，第一分支节点构件一(N1)和第五分支节点构件五(N5)之间通过第五耦合杆组(G5)耦合连接；其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链(-R13-R6-R22-)，第二耦合杆组表示为简单运动运动链(-R23-R7-R32-)，第三耦合杆组表示为简单运动运动链(-R33-R8-R42-)，第四耦合杆组表示为简单运动运动链(-R43-R9-R52-)，第五耦合杆组表示为简单运动运动链(-R53-R10-R12-)。
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