CN106335048A - 一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构 - Google Patents

一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构 Download PDF

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Abstract

一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，其特征在于：它是由并联机构部分和串联机构部分组成；该并联机构部分的静平台固定在地面上，该串联机构部分固定在动平台上，转动副六的轴线在动平台所确定的平面内或平面外且始终与动平台较长杆所在直线平行；本发明具有六个运动自由度，能够满足大转动工作空间的任务要求；它可使力反馈设备具有大输出力和高虚拟刚度的性能；结构简单，工艺性好，具有广阔的应用前景。

Description

一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构
所属技术领域
本发明提供一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，主要用于牙科手术仿真、虚拟装配等虚拟现实领域，属于触/力觉人机交互和机器人技术领域。
技术背景
经过数十年的发展，世界上出现了诸多力反馈设备，欧美国家对力反馈设备的研究较为深入，已有SensAble和Force Dimension等处于世界领先地位的力反馈设备制造商。这些制造商生产的力反馈设备大多分为串联型和并联型，其中并联型力反馈设备以Delta最为著名。近年来，国内对力反馈设备的研究也取得了较多的进展和成果。
传统的力反馈设备通常采用串联或者并联机构，其中串联机构具有工作空间大、操作灵活等优点，但操作末端输出力较小，能实现的最大虚拟刚度也较小；并联机构能够实现大输出力和高虚拟刚度，但操作末端工作空间较小。在设计力反馈设备时，采用何种机构方案能够同时实现高虚拟刚度、大输出力和大工作空间是需要解决的问题。
发明内容
1.本发明的目的是：为了解决技术背景中所提到的问题，本发明提供了一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，能够实现大输出力、高虚拟刚度和大转动工作空间。
2.本发明的具体技术方案为：
本发明一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，其特征在于：它是由并联机构部分(1)和串联机构部分(2)组成；它们两者之间的位置关系是：所述并联机构部分(1)的静平台(3)固定在地面上，所述串联机构部分(2)固定在动平台(10)上，转动副六(R6)的轴线在动平台(10)所确定的平面内或平面外且始终与动平台(10)较长杆所在直线平行；
所述并联机构部分(1)包括第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、静平台(3)和动平台(10)；它们之间的位置和连接关系是：动平台(10)通过第一支链(I)、第二支链(II)和第三支链(III)连接到静平台(3),第一支链(I)和第二支链(II)靠前对称布置，第三支链(III)靠后布置。转动副一(R1)的轴线平行于转动副二(R2)的轴线，转动副三(R3)的轴线同时垂直于转动副一(R1)和转动副二(R2)的轴线。左连杆一(4)和右连杆一(6)在同一平面内。所述并联机构部分(1)具有三个自由度；
所述第一支链(I)的组成包括：左连杆一(4)、左连杆二(5)、转动副一(R1)、球副一(S1)和球副二(S2)；各个部分之间的位置和连接关系是：左支链一(4)通过转动副一(R1)与静平台(3)连接，左支链一(4)和左支链二(5)通过球副一(S1)相互连接，左支链二(5)通过球副二(S2)与动平台(10)连接。
该左连杆一(4)的形状构造是：直杆，一端为转动副一(R1)，另一端为球副一(S1)；
该左连杆二(5)的形状构造是：直杆，一端为球副一(S1)，另一端为球副一(S2)；
该转动副一(R1)的形状构造是：驱动副，用于安装驱动电机；
该球副一(S1)的形状构造是：被动副，将左支链一(4)和左支链二(5)连接在一起；
该球副二(S2)的形状构造是：被动副，将左支链二(5)与动平台(10)连接；
所述第二支链(II)的组成包括：右连杆一(6)、右连杆二(7)、转动副二(R2)、球副三(S3)和球副四(S4)；各个部分之间的位置和连接关系是：右支链一(6)通过转动副二(R2)与静平台(3)连接，右支链一(6)和右支链二(7)通过球副三(S3)相互连接，右支链二(7)通过球副四(S4)与动平台(10)连接。所述右支链一(6)和右支链二(7)均是直杆，所述转动副二(R2)是驱动副，球副三(S3)和球副四(S4)为被动副；
该右连杆一(6)的形状构造是：直杆，一端为转动副二(R2)，另一端为球副三(S3)；
该右连杆二(7)的形状构造是：直杆，一端为球副三(S3)，另一端为球副四(S4)；
该转动副二(R2)的形状构造是：驱动副，用于安装驱动电机；
该球副三(S3)的形状构造是：被动副，将右支链一(6)和右支链二(7)连接在一起；
该球副四(S4)的形状构造是：被动副，将右支链二(7)与动平台(10)连接；
所述第三支链(III)组成包括：后连杆(8)、十字轴(9)、转动副三(R3)、转动副四(R4)和转动副五(R5)；各个部分之间的位置和连接关系是：后连杆(8)通过转动副三(R3)与静平台(3)连接，十字轴(9)与后连杆(8)通过转动副四(R4)相互连接，十字轴(9)与动平台(10)通过转动副五(R5)相互连接。转动副三(R3)轴线与转动副四(R4)轴线相互平行，转动副四(R4)轴线与转动副五(R5)轴线相互垂直，转动副四(R4)和转动副五(R5)等价于一个万向节。
该后连杆(8)的形状构造是：直杆，一端为转动副三(R3)，另一端为转动副四(R4)；
该十字轴(9)的形状构造是：十字形，转动副四(R4)和转动副五(R5)均在该十字轴(9)上；
该转动副三(R3)的形状构造是：驱动副，用于安装驱动电机；
该转动副四(R4)的形状构造是：被动副，将十字轴(9)和后连杆(8)连接在一起；
该转动副五(R5)的形状构造是：被动副，将十字轴(9)与动平台(10)连接；
所述动平台(10)基本形状为十字形，分为长杆和短杆两部分，短杆和长杆固连在一起；短杆的两端通过球副二(S2)和球副四(S4)分别与左连杆二(5)和右连杆二(7)连接；长杆的一端通过转动副五(R5)与十字轴(9)连接，另一端与串联机构部分(2)连接；
所述静平台(3)基本形状为等腰三角形；转动副三(R3)在由静平台(3)确定的平面上方或在平面内，转动副三(R3)在静平台(3)上的投影点到转动副一(R1)和转动副二(R2)的距离相同；
所述串联机构部分(2)包括：连杆一(11)、连杆二(12)、操作末端(13)、转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)；各个部分之间的位置和连接关系是：连杆一(1)通过转动副六(R6)与动平台(10)连接，连杆二(12)与连杆一(11)通过转动副七(R7)连接，操作末端(13)通过转动副八(R8)与连杆2(12)连接；转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)的轴线相交于一点P；所述串联机构部分(2)具有三个自由度；
该连杆一(11)的形状构造是：U字形，用于提高机械刚度；
该连杆二(12)的形状构造是：两端为转动副七(R7)，中间为转动副八(R8)；
该操作末端(13)的形状构造是：一端为转动副八(R8)，连接到连杆二(12)上；
该转动副六(R6)的形状构造是：被动副，连接连杆一(11)和动平台(10)；
该转动副七(R7)的形状构造是：被动副，连接连杆一(11)和连杆二(12)；
该转动副八(R8)的形状构造是：被动副，连接连杆二(12)和操作末端(13)。
3.本发明的优点是：
(1)具有六个运动自由度，能够满足大转动工作空间的任务要求；
(2)可使力反馈设备具有大输出力和高虚拟刚度的性能；
(3)结构简单，工艺性好，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述混联机构的示意图。
图2是本发明所述并联机构部分的示意图。
图3是本发明所述串联机构部分的示意图。
图中标号说明如下：
1.并联机构部分，2.串联机构部分，3.静平台，4.左连杆一，5.左连杆二，6.右连杆一，7.右连杆二，8.后连杆，9.十字轴，10.动平台,11.连杆一，12.连杆二，13.操作末端，R1.转动副一，R2.转动副二，R3.转动副三，R4.转动副四，R5.转动副五，R6.转动副六，R7.转动副七，R8.转动副八，S1.球副一，S2.球副二，S3.球副三，S4.球副四，I.第一支链，II.第二支链，III.第三支链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
本发明一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，如图1所示，它是由并联机构部分(1)和串联机构部分(2)组成；它们两者之间的位置关系是：所述并联机构部分(1)的静平台(3)固定在地面上，所述串联机构部分(2)固定在动平台(10)上，转动副六(R6)的轴线在动平台(10)所确定的平面内或平面外且始终与动平台(10)较长杆所在直线平行。
图2为本发明所述并联机构部分(1)的示意图，所述并联机构部分(1)包括第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、静平台(3)和动平台(10)。它们之间的位置和连接关系是：动平台(10)通过第一支链(I)、第二支链(II)和第三支链(III)连接到静平台(3),第一支链(I)和第二支链(II)靠前对称布置，第三支链(III)靠后布置。转动副一(R1)的轴线平行于转动副二(R2)的轴线，转动副三(R3)的轴线同时垂直于转动副一(R1)和转动副二(R2)的轴线。左连杆一(4)和右连杆一(6)在同一平面内。所述并联机构部分(1)具有三个自由度。
所述第一支链(I)组成包括：左连杆一(4)、左连杆二(5)、转动副一(R1)、球副一(S1)和球副二(S2)。各个部分之间的位置和连接关系是：左支链一(4)通过转动副一(R1)与静平台(3)连接，左支链一(4)和左支链二(5)通过球副一(S1)相互连接，左支链二(5)通过球副二(S2)与动平台(10)连接。所述左支链一(4)和左支链二(5)均是直杆，所述转动副一(R1)是驱动副，球副一(S1)和球副二(S2)为被动副。
所述第二支链(II)组成包括：右连杆一(6)、右连杆二(7)、转动副二(R2)、球副三(S3)和球副四(S4)。各个部分之间的位置和连接关系是：右支链一(6)通过转动副二(R2)与静平台(3)连接，右支链一(6)和右支链二(7)通过球副三(S3)相互连接，右支链二(7)通过球副四(S4)与动平台(10)连接。所述右支链一(6)和右支链二(7)均是直杆，所述转动副二(R2)是驱动副，球副三(S3)和球副四(S4)为被动副。
所述第三支链(III)组成包括：后连杆(8)、十字轴(9)、转动副三(R3)、转动副四(R4)、转动副五(R5)。各个部分之间的位置和连接关系是：后连杆(8)通过转动副三(R3)与静平台(3)连接，十字轴(9)与后连杆(8)通过转动副四(R4)相互连接，十字轴(9)与动平台(10)通过转动副五(R5)相互连接。转动副三(R3)轴线与转动副四(R4)轴线相互平行，转动副四(R4)轴线与转动副五(R5)轴线相互垂直，转动副四(R4)和转动副五(R5)等价于一个万向节。所述后连杆(8)为直杆，所述转动副三(R3)是驱动副，转动副四(R4)和转动副五(R5)是被动副。
所述动平台(10)基本形状为十字形，分为长杆和短杆两部分，短杆和长杆固连在一起。短杆的两端通过球副二(S2)和球副四(S4)分别与左连杆二(5)和右连杆二(7)连接。长杆的一端通过转动副五(R5)与十字轴(9)连接，另一端与串联机构部分(2)连接。
所述静平台(3)基本形状为等腰三角形。转动副三(R3)在由静平台(3)确定的平面上方或在平面内，转动副三(R3)在静平台(3)上的投影点到转动副一(R1)和转动副二(R2)的距离相同。
图3为本发明所述串联机构部分(2)的示意图，所述串联部分(2)包括：连杆一(11)、连杆二(12)、操作末端(13)、转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)。各个部分之间的位置和连接关系是：连杆一(1)通过转动副六(R6)与动平台(10)连接，连杆二(12)与连杆一(11)通过转动副七(R7)连接，操作末端(13)通过转动副八(R8)与连杆2(12)连接。转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)的轴线相交于一点P。所述串联机构部分(2)具有三个自由度。

Claims (3)

1.一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，其特征在于：它是由并联机构部分(1)和串联机构部分(2)组成；该并联机构部分(1)的静平台(3)固定在地面上，该串联机构部分(2)固定在动平台(10)上，转动副六(R6)的轴线在动平台(10)所确定的平面内及平面外且始终与动平台(10)较长杆所在直线平行；
所述并联机构部分(1)包括第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、静平台(3)和动平台(10)；该动平台(10)通过第一支链(I)、第二支链(II)和第三支链(III)连接到静平台(3),第一支链(I)和第二支链(II)靠前对称布置，第三支链(III)靠后布置；该转动副一(R1)的轴线平行于转动副二(R2)的轴线，该转动副三(R3)的轴线同时垂直于转动副一(R1)和转动副二(R2)的轴线；该左连杆一(4)和右连杆一(6)在同一平面内；
该第一支链(I)的组成包括：左连杆一(4)、左连杆二(5)、转动副一(R1)、球副一(S1)和球副二(S2)；该左支链一(4)通过转动副一(R1)与静平台(3)连接，该左支链一(4)和左支链二(5)通过球副一(S1)相互连接，该左支链二(5)通过球副二(S2)与动平台(10)连接；
该左连杆一(4)是直杆，一端为转动副一(R1)，另一端为球副一(S1)；
该左连杆二(5)是直杆，一端为球副一(S1)，另一端为球副一(S2)；
该转动副一(R1)是驱动副，用于安装驱动电机；
该球副一(S1)是被动副，将左支链一(4)和左支链二(5)连接在一起；
该球副二(S2)是被动副，将左支链二(5)与动平台(10)连接；
该第二支链(II)的组成包括：右连杆一(6)、右连杆二(7)、转动副二(R2)、球副三(S3)和球副四(S4)；该右支链一(6)通过转动副二(R2)与静平台(3)连接，该右支链一(6)和右支链二(7)通过球副三(S3)相互连接，该右支链二(7)通过球副四(S4)与动平台(10)连接；该右支链一(6)和右支链二(7)均是直杆，该转动副二(R2)是驱动副，该球副三(S3)和球副四(S4)为被动副；
该右连杆一(6)是直杆，一端为转动副二(R2)，另一端为球副三(S3)；
该右连杆二(7)是直杆，一端为球副三(S3)，另一端为球副四(S4)；
该转动副二(R2)是驱动副，用于安装驱动电机；
该球副三(S3)是被动副，将右支链一(6)和右支链二(7)连接在一起；
该球副四(S4)是被动副，将右支链二(7)与动平台(10)连接；
该第三支链(III)的组成包括：后连杆(8)、十字轴(9)、转动副三(R3)、转动副四(R4)和转动副五(R5)；该后连杆(8)通过转动副三(R3)与静平台(3)连接，该十字轴(9)与后连杆(8)通过转动副四(R4)相互连接，该十字轴(9)与动平台(10)通过转动副五(R5)相互连接；该转动副三(R3)轴线与转动副四(R4)轴线相互平行，该转动副四(R4)轴线与转动副五(R5)轴线相互垂直，该转动副四(R4)和转动副五(R5)等价于一个万向节；
该后连杆(8)是直杆，一端为转动副三(R3)，另一端为转动副四(R4)；
该十字轴(9)是十字形，转动副四(R4)和转动副五(R5)均在该十字轴(9)上；
该转动副三(R3)是驱动副，用于安装驱动电机；
该转动副四(R4)是被动副，将十字轴(9)和后连杆(8)连接在一起；
该转动副五(R5)是被动副，将十字轴(9)与动平台(10)连接；
该动平台(10)基本形状为十字形，分为长杆和短杆两部分，短杆和长杆固连在一起；短杆的两端通过球副二(S2)和球副四(S4)分别与左连杆二(5)和右连杆二(7)连接；长杆的一端通过转动副五(R5)与十字轴(9)连接，另一端与串联机构部分(2)连接；
该静平台(3)基本形状为等腰三角形；转动副三(R3)在由静平台(3)确定的平面上方或在平面内，转动副三(R3)在静平台(3)上的投影点到转动副一(R1)和转动副二(R2)的距离相同；
所述串联机构部分(2)包括：连杆一(11)、连杆二(12)、操作末端(13)、转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)；该连杆一(1)通过转动副六(R6)与动平台(10)连接，该连杆二(12)与连杆一(11)通过转动副七(R7)连接，该操作末端(13)通过转动副八(R8)与连杆2(12)连接；该转动副六(R6)、转动副七(R7)和转动副八(R8)的轴线相交于一点P；
该连杆一(11)是U字形，用于提高机械刚度；
该连杆二(12)的两端为转动副七(R7)，中间为转动副八(R8)；
该操作末端(13)的一端为转动副八(R8)，连接到连杆二(12)上；
该转动副六(R6)是被动副，连接连杆一(11)和动平台(10)；
该转动副七(R7)是被动副，连接连杆一(11)和连杆二(12)；
该转动副八(R8)是被动副，连接连杆二(12)和操作末端(13)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，其特征在于：所述并联机构部分(1)具有三个自由度。
3.根据权利要求1所述的一种应用于力反馈设备的新型六自由度混联机构，其特征在于：所述串联机构部分(2)具有三个自由度。
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