CN106090166A - 一种基于空间连杆机构的运动转换装置 - Google Patents

Abstract

一种基于空间连杆机构的运动转换装置，属于运动转换装置技术领域。包括空间杆机构与传动比调节机构，空间杆机构：连架杆L1一端与转动副R1连接，转动副R1与机架相连，连架杆L4与转动副R3连接，连架杆L1的回转中心为转动副R1的轴线，连架杆L4的回转中心为转动副R3的轴线，转动副R1的轴线与转动副R3的轴线平行；连架杆L1另一端通过可伸缩且能够转动的杆件连接装置与连架杆L4连接；传动比调节机构为一可锁紧的移动副，移动副与转动副R3连接匹配，通过调整移动副的位置，调整转动副R3沿轴线方向与转动副R1的距离，实现对输出轴的传动比进行调节。

Description

一种基于空间连杆机构的运动转换装置

技术领域

本发明涉及一种基于空间连杆机构的运动转换装置，包含一种空间并联连杆机构，尤其涉及用于将一种旋转运动转换为工作杆件的一种相同轴线定轴转动的和一种自转的运动，或反之，将工作杆件的一种定轴转动和自转的运动转换为一种旋转运动的装置，属于运动转换装置技术领域。

技术背景

现有的运动转换装置通常只能实现一种运动的形式或方向转换，而在机器人、流体机械等领域有时会需要一些特殊的传动装置，将单一运动输入转换成多种运动模式相互耦合的输出。例如在工业机器人进行工件传递的工作时，尤其是在始末位置有两个方向的角度改变的工况下，单一的将工件翻已转明显满足不了实际的工作要求。传统的工业机器人一般通过两个旋转自由度的驱动来完成这一工作，这样就需要两套驱动机构来实现执行元件的最终旋转运动，从而增加了能耗，并且使得结构变得复杂。因此发展了一些不同的装置用于运动转换。

例如WO2003/086855中公开了一种装置，用于将一种旋转运动转换为一根工作杆件的一种确定的一个圆锥体或一个圆柱体的旋转和自转的耦合运动，或反之将一根工作杆件的一种确定的一个圆锥体或一个圆柱体的旋转和自转的耦合运动转换为一种旋转运动，其中，工作杆件的圆柱体或圆锥体的旋转中心为确定点，通过行星齿轮系将定轴转动转换为定轴转动与自转的耦合运动，通过调节行星齿轮系调整杆件与定轴转动方向的夹角。可以实现整周旋转，但整体行星齿轮系尺寸较大，不适用于安装在小尺寸的空间内。本发明主要适用于飞行器的推进装置，但并不能满足工业机器人所需的运动规律。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种运动转换装置，该装置可以实现将定轴转动运动转化为同轴线的定轴转动与输出轴自转相耦合的运动。

可以通过简单调节，达到更改始末位置间的自转角度，以达到可以应用于多种不同工况的目的。

在有明确的始末姿态，对运动过程中姿态无要求时，可通过该运动转换装置使用单一驱动代替双驱动达到目标运动。

在有明确的始末姿态，对运动过程中姿态有实时要求时，可通过该运动装置使用两驱动达到目标运动，两驱动方式可根据实时运动要求进行调节得到。

为实现以上功能，本发明提供一种运动转换装置，该装置包括空间杆机构与传动比调节机构(杆长调节机构)，其中：

空间杆机构部分，至少包括两个运动副、两个连架杆和一个可伸缩杆且能够转动的杆件连接装置：连架杆L1一端与转动副R1连接，转动副R1与机架相连，连架杆L4与转动副R3连接，转动副R3与机架 相连，连架杆L1的回转中心为转动副R1的轴线，连架杆L4的回转中心为转动副R3的轴线，转动副R1的轴线与转动副R3的轴线共平面平行；连架杆L1另一端通过可伸缩且能够转动的杆件连接装置与连架杆L4连接，伸缩且能够转动的杆件连接装置中含有与R2轴线共轴线且能围绕R2轴线转动且自身也能旋转的连杆输出轴；

传动比调节机构(杆长调节机构)为一可锁紧的移动副，移动副与转动副R3连接匹配，能够通过调整移动副的位置，调整转动副R3沿轴线方向与转动副R1的距离(即水平距离)，从而调整转动副R1、转动副R3的垂直距离与水平距离的比值，从而影响输出轴自转的传动比。因此，通过调节移动副的位置可以对输出轴的传动比进行调节。

可伸缩且能够转动的杆件连接装置可选用RPC杆机构(图1)、PRC杆机构(图2)或其他可以完成该运动规律的装置。

伸缩杆结构与l1、l4相连，该结构需满足：可被动调整自身轴向尺寸，同时不会令其两端具有轴向旋转的自由度。

其中可伸缩且能够转动的杆件连接装置为：RPC杆机构，至少包含两个连杆、一个移动副P、一个转动副R2、一个圆柱副C，两个连杆L2、L3通过移动副P相连，且两个连杆L2、L3处于同一平面内，连杆L2通过转动副R2与连架杆L1连接,连杆L3通过圆柱副C与连架杆L4连接，连杆L2的回转中心即转动副R2的轴线，连杆L3的回转中心即圆柱副C的轴线，转动副R2与圆柱副C的轴线平行共面，使得空间杆机构构成RRPCR空间五杆机构。

或可伸缩且能够转动的杆件连接装置为：PRC杆机构，至少包含两个连杆、一个移动副P、一个转动副R2、一个圆柱副C，两个连杆L2、L3通过转动副R2相连，连杆L2通过移动副P与连架杆L1连接,连杆L3通过圆柱副C与连架杆L4连接，移动副P与转动副R2的轴线共面，连杆L3的回转中心即圆柱副C的轴线，转动副R2与圆柱副C的轴线平行共面，使得空间杆机构构成RPRCR空间五杆机构。

可伸缩杆且能够转动的杆件连接装置优选RPC杆机构。

所述空间杆机构部分优选通过两连架杆L1、L4运动过程中时刻保持平行，根据两连架杆L1、L4回转半径不同，使连架杆L2、L3产生自转的原理综合出的空间连杆机构以达到产生既有定轴转动又有自转的运动输出的效果。

以所有连架杆共面时为初始状态，当连架杆L1旋转一定时(顺时针)，输出轴以R1为圆心旋转相同角度，同时输出轴逆时针自转一定角度，此角度通过调节R1、R3的垂直距离与水平距离的比值来实现。且当连架杆L1反向旋转时，运动性质相同，方向相反。

五杆机构在运动转换时其自转传动比为非定值，在其空间机构构型越接近初始状态(所有杆件共面)，其整体传动比越大。

优选地，本发明选择四个低副(一级副)和一个高副(二级副)组成空间五杆机构，整体受力性能较 含有较多高副的杆机构性能好。

优选地，输入轴通过转动副R1与连架杆L1相连，轴心与R1同轴。输出轴与连架杆L2紧固连接，与R2轴线共线。输出轴旋转运动与杆1的旋转运动规律相同，其自转规律与连架杆2绕R2旋转的运动规律相同。

优选地，R1与R3轴线平行，R2与C轴线平行，连架杆L1与连架杆L4在运动过程中轴线平行。连架杆L2与连架杆L3共线并垂直于连架杆L1、连架杆L4，其便于对运动角度进行调节。

优选地，在只对始末位置具有要求时，调节杆长调节机构改变五杆机构自身的几何尺寸比例，从而影响到其自转输出传动比。

优选地，通过杆长调节机构的尺寸进行选择，对应不同的自转传动比调节范围，此范围只与杆长调节机构的可调范围有关(在杆长调节机构只影响R1、R3的水平距离时)。

优选地，杆长调节机构使用具有反行程自锁能力的丝杠螺母结构和锁紧结构组成，可以比较好的承受工作时所产生的反力。

本发明共有两种工作模式：

(1)单输入工作模式：在工作前先将传动比调节机构固定位置并锁定，使R1与R3的相对位置固定，动力从输入轴输入，输出轴输出，此模式下可以完成确定始末位姿的运动输出，但对于运动的中间过程无法改变。此时内部机构可视为单自由度空间并联五杆机构。

(2)双输入工作模式：在工作时不将杆长调节机构锁定，而是将其与另一动力源连接，动力从输入轴输入，输出轴输出，此模式下可以通过控制两动力源的输入，来对输出杆件的运动进行实时调控。此时其内部机构可视为两自由度空间并联六杆机构。

本发明有两种动力输入模式：

(1)半程动力输入模式：以所有杆件共面时为初始状态，单程某一角度位置为末状态，此时输出轴的最终角度可根据杆长调节机构确定，其自转传动比在运动过程中有大到小变化。起输入转角可达90°(在调整结构尺寸后可适当增大)。

(2)全程动力输入模式：以所有杆件非共面时为初始状态，单程某一角度位置为末状态，此时输出轴的最终角度可有杆长调节机构确定，其自转传动比根据其距中分面(所有杆件共面构型下所形成的平面)的角度成负相关。其输入转角可达180°(在调整结构尺寸后可适当增大)。

通过以上描述可知，本发明提供的运动转换装置利用一套空间并联杆机构实现了输出轴在输出定轴转动的同时输出自转运动，并可以最终带动执行元件进行空间运动。相对于传统结构，此发明在不要求中间运动过程时可以以单自由度驱动代替传动的两自由度驱动方式，从而减少了能耗，并优化了动力配置。而对于中间运动有要求的场合，本发明也可通过两自由度输入的方式进行动力传递。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明采用RPC结构的杆机构结构简图

图2是本发明采用PRC结构的杆机构结构简图

图3是本发明所采用RPC结构的杆机构结构在中分面位置的结构简图；

图4是本发明所采用RPC结构的杆机构结构在运动过程中的结构简图；

图5是本发明正面轴测方向结构示意图；

图6是本发明背面轴测方向结构示意图；

图7是本发明在-90°时内部结构位置示意图；

图8是本发明在0°时内部结构位置示意图；

图9是本发明在90°时内部结构位置示意图；

图10是本发明在输出自转角度最大时内部结构示意图；

图11是本发明在输出自转角度最小是内部结构示意图；

附图标记说明：

1:输入轴；2：滑动轴承；3:转动连杆；4:滚动轴承；4’:第二滚动轴承2；5：平动滑轨；6:连接块；7：输出轴；8：紧固螺钉；9：滑块；10：滑块连接杆；11：角度调节滑块连接轴；12：角度调节滑块；13：丝杠螺母调节滑台；14：外壳(机架)；15：带自锁的旋转手柄/位置调整轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图5、6的具体实物结构，一种基于空间杆机构的运动转换装置，包括空间杆机构部分和传动比调节机构部分。

空间杆机构主要由输入轴1、转动连杆3、平动滑轨5、滑块9、滑块连接杆10构成：输入轴1通过滑动轴承2固定在外壳14上，使输入轴1与外壳14之间形成转动副。输入轴1与转动连杆3之间通过紧固螺钉8紧固连接，输入轴1与转动连杆3垂直。转动连杆3与平动滑轨5之间通过滚动轴承4与紧固螺钉8连接，使转动连杆3与平动滑轨5之间形成转动副(平动滑轨5为一长型的导轨，一与端转动连杆3之间形成转动副)。平动滑轨5与滑块连接杆10之间通过滑9连接(滑块连接杆10外嵌套滑块9，通过滑块9位于平动滑轨5的滑轨内)，平动滑轨5与滑块9之间形成移动副，滑块9与滑块连接杆10之间形成圆柱副。滑块连接杆10与角度调节滑块连接轴11通过紧固螺钉8紧固连接，滑块连接杆10与角度调节滑 块连接轴11垂直；角度调节滑块连接轴11通过第二滚动轴承4’与角度调节滑块12连接，使角度调节滑块连接轴11与角度调节滑块12形成转动副，角度调节滑块连接轴11与输入轴1平行。从而构成RRPCR空间五杆机构。

杆长调节机构部分由角度调节滑块12、丝杠螺母调节滑台13、带自锁的旋转手柄/位置调整轴15构成：角度调节滑块12固定于丝杠螺母调节滑台13的滑台上与丝杠匹配，丝杠与角度调节滑块连接轴11平行，通过角度调节滑块12相对丝杠螺母移动来确定角度调节滑块12的位置。带自锁的旋转手柄/位置调整轴15与丝杠螺母调节滑台13的丝杠轴紧固连接，同过带自锁的旋转手柄/位置调整轴15驱动丝杠螺母调节滑台13。

输出轴7通过紧固螺钉8与连接块紧固6连接。连接块6通过紧固螺钉8与平动滑轨5形成转动副的一端紧固连接。此时输出轴7的轴线与转动连杆3的轴线重合。五杆机构部分与赶场调节机构部分安装在外壳14上。外壳14上配有外部安装孔，可以安装在平面结构上。

五杆机构部分的机构简图如图3、4所示，其当前构型为在中分面的杆件构型，此时定义l2转动角度为0°。当l1开始转动时，由于l2、l3之间为移动副，故l1与l4之间没有相对转动，始终保持平行，但由于l1与l4的回转半径不同，l2、l3相对l1、l4发生转动，同时通过P副的移动补偿所缺少的距离。

当l1转动90°时由于l1与l4时刻保持平行，故此时l1与l4均垂直于纸面，l2与l3的投影即为途中虚线所示，其自传角度即为α。当其反向旋转时运动效果与此时相反。由图可知α＝arctan((D1-D4)/D5)，故自转输出角度只与只与R1、R3的垂直距离与水平距离的比值有关，当R1、R3的竖直距离为定值时，通过改变其水平距离即可改变其输出角度的大小。

该实施例设定工作范围为以中分面为0°正负90°输入。输出角度调节为5°～30°(半周)。以-90°，0°，90°三个特殊位置对此实施例的运动转换效果进行描述：

如图7、8、9所示，分别为输入轴1在-90°，0°，90°时其内部结构位置。从图中可得，输出轴7自转摆角与平动滑轨5与输入轴1、输出轴7所处平面的夹角一致。如图10、11所示，杆长调节机构分别在两个极限位置所对应的输出轴的自转转角。

(1)单驱动输入工作模式：此时杆长调节机构在工作前调节，并锁定。由图可知，当输入轴位于0°位置时，此时平动滑轨5与输入轴1、输出轴7所处平面的夹角为0°，此时定义输出轴自转角度为0°。当输入轴顺时针旋转90°时，平动滑轨5与输入轴1、输出轴7所处平面逆时针转过一角度。此角度与输入轴逆时针旋转90°时平动滑轨5与输入轴1、输出轴7所处平面的夹角大小相等，方向相反。此时该转换装置可视为一单自由度空间五杆并联机构。

(1-1)当以半程动力输入模式工作。以0°为初始点，顺时针转动90°时，输出轴7以输入轴1为轴线定轴转动90°的同时，自转一角度α。此过程中自转角速度由大变小。若以-90°为初始点，顺时针转动90°时，输出轴7以输入轴1为轴线定轴转动90°的同时，自转一角度α。此过程中自转角速度由小变大。 在实际应用的过程中，并不局限于使用0°到90°或-90°到0°这种四分之一圆周的始末位置，可以通过解析求解的方法计算得到非四分之一圆周的始末位置自转角度，该解析方法在此不再赘述

(1-2)当以全程动力输入模式工作。以-90°为初始点，旋转180°时。输出轴7以输入轴1为轴线定轴转动180°的同时，自转一角度2α。此过程中自转角速度由小变大再变小。在实际应用的过程中，并不局限于使用-90°到90°这种二分之一圆周的始末位置，可以通过解析求解的方法计算得到非二分之一圆周的始末位置自转角度，该解析方法在此不再赘述。

(2)双驱动输入工作模式：此时驱动连接7输入轴与带自锁的旋转手柄/位置调整轴15，通过对两输入驱动进行控制，可以得到任意所需的位置以及角度。此时输出的运动为两驱动运动的耦合运动，控制方法此处不再赘述。此时该转换装置可视为一两自由度空间六杆并联机构。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种运动转换装置，其特征在于，该装置包括空间杆机构与传动比调节机构，其中：

空间杆机构部分，至少包括两个运动副、两个连架杆和一个可伸缩杆且能够转动的杆件连接装置：连架杆L1一端与转动副R1连接，转动副R1与机架相连，连架杆L4与转动副R3连接，转动副R3与机架相连，连架杆L1的回转中心为转动副R1的轴线，连架杆L4的回转中心为转动副R3的轴线，转动副R1的轴线与转动副R3的轴线共平面平行；连架杆L1另一端通过可伸缩且能够转动的杆件连接装置与连架杆L4连接，可伸缩且能够转动的杆件连接装置中含有与R2轴线共轴线且能围绕R2轴线转动且自身也能旋转的连杆输出轴；

传动比调节机构为一可锁紧的移动副，移动副与转动副R3连接匹配，能够通过调整移动副的位置，调整转动副R3沿轴线方向与转动副R1的距离，从而调整转动副R1、转动副R3的垂直距离与水平距离的比值。

2.按照权利要求1所述的一种运动转换装置，其特征在于，可伸缩杆且能够转动的杆件连接装置选用RPC杆机构、PRC杆机构或其他可以完成运动规律的装置；

其中可伸缩且能够转动的杆件连接装置为：RPC杆机构时，至少包含两个连架杆、一个移动副P、一个转动副R2、一个圆柱副C，两个连架杆L2、L3通过移动副P相连，且两个连架杆L2、L3处于同一平面内，连架杆L2通过转动副R2与连架杆L1连接,连架杆L3通过圆柱副C与连架杆L4连接，连架杆L2的回转中心即转动副R2的轴线，连架杆L3的回转中心即圆柱副C的轴线，转动副R2与圆柱副C的轴线平行共面；

或可伸缩且能够转动的杆件连接装置为：RPC杆机构时，至少包含两个连架杆、一个移动副P、一个转动副R2、一个圆柱副C，两个连架杆L2、L3通过转动副R2相连，连架杆L2通过移动副P与连架杆L1连接,连架杆L3通过圆柱副C与连架杆L4连接，移动副P与转动副R2的轴线共面，连杆L3的回转中心即圆柱副C的轴线，转动副R2与圆柱副C的轴线平行共面。

3.按照权利要求2所述的一种运动转换装置，其特征在于，通过两连架杆L1、L4运动过程中时刻保持平行，根据两连架杆L1、L4回转半径不同，使连架杆L2、L3产生自转的原理综合出的空间连杆机构以达到产生既有定轴转动又有自转的运动输出的效果。

4.按照权利要求2所述的一种运动转换装置，其特征在于，输入轴通过转动副R1与连架杆L1相连，轴心与R1同轴。输出轴与连架杆L2紧固连接，与R2轴线共线。输出轴旋转运动与杆1的旋转运动规律相同，其自转规律与连架杆2绕R2旋转的运动规律相同。

5.按照权利要求2所述的一种运动转换装置，其特征在于，R1与R3轴线平行，R2与C轴线平行，连架杆L1与连架杆L4在运动过程中轴线平行。连架杆L2与连架杆L3共线并垂直于连架杆L1、连架杆L4，其便于对运动角度进行调节。

6.一种运动转换装置，其特征在于，包括空间杆机构部分和传动比调节机构部分；

空间杆机构主要由输入轴、转动连杆、平动滑轨、滑块、滑块连接杆构成：输入轴通过滑动轴承固定在外壳上，使输入轴与外壳之间形成转动副；输入轴与转动连杆之间通过紧固螺钉紧固连接，输入轴与转动连杆垂直。转动连杆与平动滑轨之间通过滚动轴承与紧固螺钉连接，使转动连杆与平动滑轨之间形成转动副，其中平动滑轨为一长型的导轨，一与端转动连杆之间形成转动副；平动滑轨与滑块连接杆之间通过滑连接，其中滑块连接杆外嵌套滑块，通过滑块位于平动滑轨的滑轨内，平动滑轨与滑块之间形成移动副，滑块与滑块连接杆之间形成圆柱副。滑块连接杆与角度调节滑块连接轴通过紧固螺钉紧固连接，滑块连接杆与角度调节滑块连接轴垂直；角度调节滑块连接轴通过第二滚动轴承与角度调节滑块连接，使角度调节滑块连接轴与角度调节滑块形成转动副，角度调节滑块连接轴与输入轴平行；

杆长调节机构部分由角度调节滑块、丝杠螺母调节滑台、带自锁的旋转手柄/位置调整轴构成：角度调节滑块固定于丝杠螺母调节滑台的滑台上与丝杠匹配，丝杠与角度调节滑块连接轴平行，通过角度调节滑块相对丝杠螺母移动来确定角度调节滑块的位置；带自锁的旋转手柄/位置调整轴与丝杠螺母调节滑台的丝杠轴紧固连接，同过带自锁的旋转手柄/位置调整轴驱动丝杠螺母调节滑台；

输出轴通过紧固螺钉与连接块紧固连接。连接块通过紧固螺钉与平动滑轨形成转动副的一端紧固连接；此时输出轴的轴线与转动连杆的轴线重合。