CN105945917B - 多转动中心型两转一移并联机构 - Google Patents

Abstract

一种多转动中心型两转一移并联机构，其包括定平台、动平台和连接定平台与动平台的三至六条活动分支，每条活动分支包括定平台转动副、动平台转动副和三自由度平面子链；所述三自由度平面子链的一端与所述定平台转动副相连，所述三自由度平面子链的另一端与所述动平台转动副相连；同一活动分支中的定平台转动副、动平台转动副分别于定平台、动平台倾斜布置，且倾斜角相等；所述定平台转动副的轴线与所述动平台转动副的轴线相交于空间一点。本发明具有两个转动自由度和一个移动自由度，可以实现绕空间一定范围内任意点的连续转动，给机构的运动控制带来很大方便。

Description

多转动中心型两转一移并联机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种并联机构。

背景技术

具有两个转动自由度和一个移动自由度的并联机构在机械工业领域有着广泛的应用。

在传统的两转一移并联机构中，机构的动平台没有水平方向的移动自由度，但动平台的中心点却可以发生水平方向的移动。学者们将机构中的这种在非自由度方向上的移动称为“伴随运动”。伴随运动的存在会对机构的标定和轨迹规划带来不便，并且增加控制的复杂度。因此，通过合理的设计来减少或消除机构的伴随运动是在进行机构设计时需要解决的一个问题。

很多学者曾针对两转一移并联机构中的伴随运动问题进行过专门的研究，目前已经设计出的一些无伴随运动两转一移并联机构只能绕某个固定点或某些轴线发生连续转动，其转动中心不能任意选取。如公开号为CN101518898A的中国专利公开了一类具有两转一移三自由度的并联机构，其动平台只能实现绕某个点的转动，给机构的运动控制带来很大不便。而公开号为CN102962837A的中国专利公开了一类易于控制的对称两转一移并联机构，这类机构要求上下平台为全等的三角形，给机构的加工和装配带来很大难度，且只能绕上下平台的中间对称平面内的轴线转动，机构的运动还不是很灵活。

发明内容

本发明提供一种多转动中心型两转一移并联机构，用于解决现有的对称两转一移并联机构只能绕上下平台的中间对称平面内的轴线转动，机构的运动不够灵活，以及加工和装配难度大的问题。

本发明包括：定平台、动平台和连接定平台与动平台的三至六条活动分支；每条活动分支均包括：定平台转动副、动平台转动副和三自由度平面子链；所述三自由度平面子链的一端通过定平台转动副与定平台连接，其另一端通过动平台转动副与动平台连接；在同一条活动分支中，定平台转动副、动平台转动副分别与定平台、动平台倾斜布置，且倾斜角度相等，但每条分支之间的倾斜角度可以不同。

所述三自由度平面子链是由三个运动副相互之间只发生平面运动的运动链，其可以由三个相互平行的转动副构成，也可以由转动副和移动副共同构成；转动副和移动副共同构成三自由度平面子链的情况下，转动副相互平行，移动副与转动副相互垂直；本发明中所述的三自由度平面子链可以有以下7种构成形式：RRR、RRP、RPR、PRR、RPP、PRP、PPR，其中R表示一个转动副、P表示一个移动副。

每个分支中的定平台转动副的轴线与动平台转动副的轴线相交于空间一点。上述相邻的轴线相互垂直的两个转动副可以替换为一个万向铰链。

本发明所述机构，其所有分支的约束力都位于同一个平面内，约束了机构沿该平面内两个方向的移动和绕该平面法线方向的转动。机构动平台可以实现绕该平面内任意轴线的转动和沿该平面法线方向的移动。该平面称为机构动平台的运动平面。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的动平台可以在绕空间一定范围内任意一条轴线或一点进行连续转动，能够有效地避免伴随运动的发生，给机构的运动控制带来很大方便。

2、本发明上下平台不需要全等，可以降低加工和装配的难度，且各分支不要求相同，可以对分支进行更加灵活地选取。

附图说明：

图1是本发明实施例1的立体示意简图。

图2是本发明实施例1的运动状态图。

图3是本发明实施例2的立体示意简图。

图4是本发明实施例3的立体示意简图。

图5是本发明实施例4的立体示意简图。

图6是本发明实施例5的立体示意简图。

图7是本发明实施例6的立体示意简图。

图8是本发明实施例7的立体示意简图。

具体实施方式：

实施例1

在图1所示的多转动中心型两转一移并联机构示意简图中，三条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，每条活动分支中的三自由度平面子链的一端通过定平台转动副R1与定平台连接，其另一端通过动平台转动副R5与动平台连接，所述三自由度平面子链包括转动副R2、移动副P3、转动副R4以及连接它们的连杆，转动副R4的轴线与转动副R2的轴线相互平行，移动副P3与转动副R2的轴线相互垂直；其中，转动副R2通过连杆2与定平台转动副R1连接，且转动副R2的轴线与定平台转动副R1的轴线相互垂直，转动副R2通过连杆3与移动副P3连接，该移动副P3通过连杆4与转动副R4连接，该转动副R4通过连杆5与动平台转动副R5连接，且动平台转动副R5的轴线与转动副R4的轴线相互垂直；定平台转动副R1、动平台转动副R5分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角度相等；动平台转动副R5的轴线与定平台转动副R1的轴线相交于空间一点。上述三自由度平面子链为RPR的结构。

如图2所示，多转动中心型两转一移并联机构运动时，动平台可以从图1的姿态绕其运动平面内的任意一条轴线L发生定轴转动，到达图2的姿态，可见该运动平面并不是机构动、定平台的中间对称平面。

实施例2

如图3所示，四条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，每条活动分支中的三自由度平面子链的一端通过定平台转动副R1与定平台连接，其另一端通过动平台转动副R5与动平台连接，所述三自由度平面子链包括移动副P2、转动副R3和转动副R4构成以及连接他们的连杆，转动副R4的轴线与转动副R3的轴线相互平行，转动副R3的轴线与移动副P2相互垂直；其中所述移动副通过连杆2与上述定平台转动副R1连接，该定平台转动副R1通过连杆2与上述移动副P2连接，该移动副P2通过连杆3与上述转动副R3连接，该转动副R3与上述定平台转动副R1的轴线相互垂直，上述转动副R3通过连杆4与上述转动副R4连接，该转动副R4通过连杆5与上述动平台转动副R5连接，该动平台转动副R5的轴线与上述转动副R4的轴线相互垂直，定平台转动副R1、动平台转动副R5分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等。动平台转动副R5的轴线与上述定平台转动副R1的轴线相交于空间一点。所述三自由度平面子链为PRR的结构。

实施例3

如图4所示，五条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，每条活动分支中的三自由度平面子链的一端通过定平台转动副R1与定平台连接，其另一端通过动平台转动副R5与动平台连接，所述三自由度平面子链包括三个轴线相互平行的转动副R2、转动副R3、转动副R4以及连接它们的连杆；其中，转动副R2通过连杆2与定平台转动副R1连接，该转动副R2的轴线与定平台转动副R1的轴线相互垂直，该转动副R2通过连杆3与转动副R3连接，该转动副R3通过连杆4与转动副R4连接，该转动副R4通过连杆5与动平台转动副R5连接，动平台转动副R5的轴线与上述转动副R4的轴线相互垂直，定平台转动副R1、动平台转动副R5分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角度相等；动平台转动副R5的轴线与定平台转动副R1的轴线相交于空间一点。所述三自由度平面子链为RRR的结构。

实施例4

如图5所示，六条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，每条活动分支均由万向铰链U1、万向铰链U2、转动副R3和将它们连在一起的连杆组成，上述万向铰链U1与定平台连接，该万向铰链U1包含两个轴线相互垂直相交的转动副，万向铰链U1通过其第一个转动副与定平台连接，其第二个转动副通过连杆3与上述转动副R3连接，该转动副R3的轴线与上述万向铰链U1中的第二个转动副的轴线相互平行，该转动副R3通过连杆4与上述万向铰链U2连接，该万向铰链U2包含两个轴线相互垂直相交的转动副，万向铰链U2通过其第一个转动副与连杆4连接，且其第一个转动副的轴线与上述转动副R3的轴线相互平行，上述万向铰链U2通过其第二个转动副与动平台连接，上述万向铰链U1的第二个转动副、转动副R3及万向铰链U2的第一个转动副共同构成该分支的三自由度平面子链，万向铰链U1的第一个转动副、万向铰链U2的第二个转动副分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等。该万向铰链U1的第一个转动副的轴线与万向铰链U2的第二个转动副轴线相交于空间一点。

实施例5

如图6所示，三条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，三条活动分支均由万向铰链U1、万向铰链U2、一个移动副P3和将它们连在一起的连杆组成，上述万向铰链U1与定平台连接，该万向铰链U1包含两个轴线相互垂直相交的转动副，万向铰链U1通过其第一个转动副与定平台连接，其第二个转动副通过连杆3与上述移动副P3连接，该移动副P3的轴线与上述万向铰链U1中的第二个转动副的轴线相互垂直，该移动副P3通过连杆4与上述万向铰链U2连接，该万向铰链U2包含两个轴线相互垂直相交的转动副，万向铰链U2通过其第一个转动副与连杆4连接，且其第一个转动副的轴线与万向铰链U1的第二个转动副的轴线相互平行，上述万向铰链U2通过其第二个转动副与动平台连接，上述万向铰链U1的第二个转动副、移动副P3及万向铰链U2的第一个转动副共同构成该分支的三自由度平面子链，万向铰链U1的第一个转动副、万向铰链U2的第二个转动副分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等。该万向铰链U1的第一个转动副的轴线与万向铰链U2的第二个转动副轴线相交于空间一点。

实施例6

如图7所示，三条结构不同的分支连接定平台1和动平台6，分支一由定平台转动副R11、动平台转动副R15、一个三自由度平面子链和将它们连在一起的连杆组成，该三自由度平面子链是由移动副P12、移动副P13和转动副R14构成，移动副P12的轴线与转动副R14的轴线相互垂直，移动副P13的轴线与转动副R14的轴线相互垂直；定平台转动副R11与定平台连接，定平台转动副R11通过连杆2与上述移动副P12连接，该移动副P12通过连杆3与移动副P13连接，该移动副P13通过连杆4与转动副R14连接，该转动副R14的轴线与定平台转动副R11的轴线相互垂直，上述转动副R14通过连杆5与动平台转动副R15连接，该动平台转动副R15的轴线与转动副R14的轴线相互垂直，该动平台转动副R15与动平台连接，定平台转动副R11、动平台转动副R15分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等；动平台转动副R15的轴线与上述定平台转动副R11的轴线相交于空间一点O1。分支二由定平台转动副R21、动平台转动副R25、一个三自由度平面子链和将它们连在一起的连杆组成，该三自由度平面子链是由移动副P22、转动副R23和移动副P24构成，移动副P22的轴线与转动副R23的轴线相互垂直，移动副P24的轴线与转动副R23的轴线相互垂直；定平台转动副R21与定平台连接，定平台转动副R21通过连杆7与移动副P22连接，该移动副P22通过连杆8与转动副R23连接，该转动副R23的轴线与定平台转动副R21的轴线相互垂直，转动副R23的轴线与动平台转动副R25的轴线相互垂直，该转动副R23通过连杆9与移动副P24连接，上述移动副P24通过连杆10与动平台转动副R25连接，动平台转动副R25与动平台连接，定平台转动副R21、动平台转动副R25分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等；动平台转动副R25的轴线与定平台转动副R21的轴线相交于空间一点O2。分支三由定平台转动副R31、动平台转动副R35、一个三自由度平面子链和将它们连在一起的连杆组成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R32、转动副R33和转动副R34构成；定平台转动副R31与定平台连接，定平台转动副R31通过连杆11与转动副R32连接，该转动副R32的轴线与定平台转动副R31的轴线相互垂直，该转动副R32通过连杆12与上述转动副R33连接，该转动副R33通过连杆13与转动副R34连接，该转动副R34通过连杆14与动平台转动副R35连接，该动平台转动副R35与动平台连接，动平台转动副R35的轴线与转动副R34的轴线相互垂直，定平台转动副R31、动平台转动副R35分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角相等。动平台转动副R35的轴线与定平台转动副R31的轴线相交于空间一点O3。

实施例7

如图8所示，三条结构完全相同的活动分支连接定平台1和动平台6，每条活动分支中的三自由度平面子链的一端通过定平台转动副R1与定平台连接，其另一端通过动平台转动副R5与动平台连接，所述三自由度平面子链包括转动副R2、移动副P3、转动副R4以及连接它们的连杆，转动副R4的轴线与转动副R2的轴线相互平行，移动副P3与转动副R2的轴线相互垂直；其中，转动副R2通过连杆2与定平台转动副R1连接，且转动副R2的轴线与定平台转动副R1的轴线为空间异面直线，转动副R2通过连杆3与移动副P3连接，该移动副P3通过连杆4与转动副R4连接，该转动副R4通过连杆5与动平台转动副R5连接，且动平台转动副R5的轴线与转动副R4的轴线为空间异面直线；定平台转动副R1、动平台转动副R5分别与定、动平台倾斜布置，且倾斜角度相等；动平台转动副R5的轴线与定平台转动副R1的轴线相交于空间一点。

Claims (4)

1.一种多转动中心型两转一移并联机构，它包括：定平台、动平台和连接定平台与动平台的三至六条活动分支，其特征在于：各活动分支采用同样的分支结构，每条所述活动分支均包括定平台转动副、动平台转动副和三自由度平面子链；其中，三自由度平面子链的一端与定平台转动副相连，其另一端与动平台转动副相连，所述动平台与所述定平台不全等，所述三自由度平面子链包括转动副；在同一条活动分支中，定平台转动副、动平台转动副分别与定平台、动平台倾斜布置，且倾斜角度相等，所述定平台转动副的轴线与动平台转动副的轴线相交于空间一点，进而所述动平台能够在绕空间一定范围内任意一条轴线或一点进行连续转动；所述转动副的轴线与所述定平台转动副以及所述动平台转动副为空间异面直线。

2.根据权利要求1所述的多转动中心型两转一移并联机构，其特征在于：所述三自由度平面子链包括三个轴线相互平行的转动副。

3.根据权利要求1所述的多转动中心型两转一移并联机构，其特征在于：所述三自由度平面子链包括一个转动副和两个移动副，两个移动副的轴线均与转动副的轴线相互垂直。

4.根据权利要求1所述的多转动中心型两转一移并联机构，其特征在于：所述三自由度平面子链包括两个转动副和一个移动副，两个转动副的轴线相互平行，移动副的轴线与转动副的轴线相互垂直。

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