CN106826776A - 一种各向同性空间二自由度转动并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种各向同性空间二自由度转动并联机构，以解决现有技术中的并联机构运动耦合性强，解耦性差的问题。各向同性空间二自由度转动并联机构包括动平台、静平台以及连接两者的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，该主动转杆的一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相联接，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆轴线转动；第二支链包括通过第二支链第一转动副设置于静平台上的主动摆臂结构，所述主动摆臂结构通过伸展‑折叠机构驱动动平台绕所述第一支链第二转动副轴线摆动。

Description

一种各向同性空间二自由度转动并联机构
技术领域
本发明涉及一种各向同性空间二自由度转动并联机构。
背景技术
并联机构又被称为并联机器人，是近年来机构学和机器人学研究的热点之一。基于自由度数目的不同，并联机构又分为六自由度并联机构和少自由度并联机构。两者相比，少自由度并联机构的结构更为简单，制造和控制成本相对较低。在满足与其工作要求的情况下，少自由度并联机构有其独特优势。因而少自由度转动并联机构在以用于雷达、医疗器械、导弹发射等需精细姿态调整的领域具有广泛的应用前景。特别是二自由度转动并联机构在动平台的姿态调整方面有其独特优势，因此可用于肩关节和髋关节等部位作为一种康复医疗机器人。目前的少自由度空间转动并联机构的运动耦合性较强，使得机构在运动学控制方面较为困难，在一定程度上阻碍了并联机构的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各向同性空间二自由度转动并联机构，以解决现有技术中的并联机构运动耦合性强，解耦性差的问题。
为实现上述目的，本发明各向同性空间二自由度转动并联机构的技术方案是：一种各向同性空间二自由度转动并联机构，包括动平台、静平台以及连接两者的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，该主动转杆的一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆轴线转动；第二支链包括通过第二支链第一转动副设置于静平台上的主动摆臂结构，所述主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕所述第一支链第二转动副轴线摆动，所述伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副轴线平行的第三转动副相连。
所述主动摆臂结构为单根摆臂，伸展-折叠机构中的所述连杆包括与摆臂相连的摆臂连杆和与动平台相连的动平台连杆，摆臂连杆通过第一连接结构与摆臂转动连接，第一连接结构为下述其中一种方式：（1）第一连接结构为第一虎克铰；（2）第一连接结构包括第一连架杆，第一连架杆一端通过第一连架杆第一转动副与摆臂相连，另一端通过第一连架杆第二转动副与摆臂连杆相连，第一连架杆第一转动副的转动轴线与第二支链第一转动副的转动轴线平行；第一连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
动平台连杆通过第二连接结构与动平台转动连接，第二连接结构为下述其中一种方式：（1）第二连接结构为第二虎克铰；（2）第二连接结构包括第二连架杆，第二连架杆一端通过第二连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过第二连架杆第二转动副与动平台连杆相连，第二连架杆第一转动副的转动轴线与第一支链第二转动副的转动轴线平行；第二连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
第二虎克铰或第二连架杆第二转动副与第一支链第二转动副分设于动平台的两侧。
第二支链第一转动副轴线与第一支链第二转动副轴线共面，第二虎克铰或第二连架杆第二转动副与第一支链第二转动副之间的距离与所述摆臂的长度相等。
所述静平台包括平面部分和垂直设置于平面部分的竖杆，所述第一支链设于平面部分上，所述第二支链设于所述竖杆上，所述第一支链第二转动副的轴线平行于所述平面部分且垂直于主动转杆的轴线。
所述伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述连杆。
本发明的有益效果是：本发明所提供的并联机构中，主动转杆可通过第一支链第二转动副驱动动平台绕第一支链第一转动副的转动轴线进行转动，另外，主动摆臂结构可通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副进行转动，由于第一支链第一转动副的轴线平行于第三转动副轴线，当主动转杆带动动平台转动时，伸展-折叠机构中相邻连杆可绕第三转动副相对转动实现伸展或折叠以实现长度调整，进而可满足主动摆臂结构与动平台之间的距离变化，使主动摆臂结构不会对动平台绕第一支链第一转动副的转动轴线转动产生干涉。同样的，当主动摆臂结构带动动平台绕第一支链第二转动副轴线转动时，伸展-折叠机构也发生伸展或折叠，补偿第二支链第一转动副与动平台之间的距离变化，由于动平台与主动转杆之间设的第一支链第二转动副，使得主动转杆不会对动平台绕第一支链第二转动副轴线的转动产生影响。本发明的并联机构的雅可比矩阵为单元阵，机构动平台的输出运动与主动副的输入运动呈一一对应的线性映射关系。大大减小了各运动链之间的影响，解决了现有技术中的并联机构解耦型差导致的运动学求解复杂、轨迹和控制设计困难等问题。本发明的并联机构运动链仅由两条简单的运动链组成，结构形式简单、紧凑，加工和装配工艺性好。
附图说明
图1为本发明各向同性空间二自由度转动并联机构实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的各向同性空间二自由度转动并联机构的具体实施例，如图1所示，其中10为静平台，静平台10包括平面部分11和竖杆12，20为动平台，本实施例中，动平台20为平面状结构。如图1所示，并联机构包括连接静平台10和动平台20的两条独立的分支运动链，分别为第一支链L1和第二支链L2。
第一支链L1包括主动转杆1-1，主动转杆1-1的下端通过第一支链第一转动副R11与平面部分11相连，上端通过第一支链第二转动副R12与动平台20的下表面相连，第一支链第一转动副R11的轴线垂直于平面部分11，第一支链第二转动副R12的轴线平行于平面部分11。主动转杆1-1的轴线与第一支链第一转动副R11的轴线同轴设置，第一支链L1中，主动副为第一支链第一转动副R11。
第二支链L2包括摆臂2-1、第一连杆2-2、第二连杆2-3，其中，摆臂2-1的一端通过第二支链第一转动副R21与竖杆12相连，摆臂2-1的另一端通过第一虎克铰U21与第一连杆2-2相连，第一连杆2-2的另一端通过第三转动副R22与第二连杆2-3相连，第二连杆2-3通过第二虎克铰U22与动平台20的下表面相连，其中第二虎克铰U22和第一支链第二转动副R12分设于动平台20的两侧。第一虎克铰U21和第二虎克铰U22均包括两个轴线互相垂直转动副。第一虎克铰U21中与摆臂2-1相连的转动副轴线平行于第二支链第一转动副R21的轴线，第一虎克铰U21中与第一连杆2-2相连的转轴副轴线平行于第三转动副R22的轴线。第二虎克铰U22中与第二连杆2-3相连的转动副的轴线平行于第三转动副R22的轴线，第二虎克铰U22中与动平台20相连的转动副的轴线平行于第一支链第二转动副R12的轴线。第一支链第一转动副R11的转动轴线平行于第三转动副R22的转动轴线。第二支链中，主动副为第二支链第一转动副R21。
本实施例中，第二虎克铰U22中与动平台20相连的转动副的轴线与第一支链第二转动副R12的轴线平行，且两轴线所在的平面平行于动平台20的平面。第一支链第一转动副R11的轴线垂直于第二支链第一转动副R21的轴线。
本实施例中，第二支链第一转动副R21的轴线和第一支链第二转动副R12的轴线共面但不平行，同时第二虎克铰U22中与动平台20相连的转动副的轴线与第一支链第二转动副R12的轴线之间的距离与摆臂2-1的长度相等。使用时，当摆臂2-1摆动一定的角度后，动平台20也绕第一支链第二转动副R12轴线摆动相同的角度，实现了同角度的摆动。
本发明的并联机构的工作过程：当第一支链第一转动副R11主动转动时，第一支链第一转动副R11带动动平台20在水平面上转动，动平台20带动第二虎克铰U22中与第二连杆相连的转动副、第三转动副R23和第一虎克铰U21中与第一连杆相连的转动副发生随动，满足摆臂2-1与动平台之间的距离变化，保证动平台20在水平面上转动，使摆臂2-1不会对动平台绕第一支链第一转动副R11的轴线转动产生干涉。当第二支链第一转动副R21主动转动时，第二支链第一转动副R21带动第一虎克铰U21中与摆臂相连的转动副、第二虎克铰U22中与动平台20相连的转动副发生转动，此时由于动平台20的一端与第一支链第二转动副R12相连，保证了动平台20的一端的高度不变，第二支链第一转动副R21带动动平台20绕第一支链第二转动副R12的轴线发生转动，第一支链第二转动副R12发生随动，同时当第二支链第一转动副R21与动平台20的距离发生变化时，第三转动副R22发生随动，补偿距离的变化。
本发明的并联机构，动平台的输出运动与主动副的输入运动呈一一对应的线性映射关系，大大减小了各运动链之间的影响，与一般的并联机构动平台的输出运动需要多个主动副配合输入相比，运动学求解简单、轨迹和控制设计简单。本发明的并联机构的运动链仅由两条交单的运动链组成，结构形式简单、紧凑，加工和装配工艺性好，良好的结构稳定性使得本发明在医疗康复机器人结构或需要进行姿态精密调整的领域具有良好应用前景。
本实施例中，第一连杆即为摆臂连杆，第二连杆即为动平台连杆，第一连杆、第二连杆和第三转动副构成了伸展-折叠机构，在其他实施例中，伸展-折叠机构中连杆的数量可以根据实际情况进行增加，对应的，第三转动副的数量根据连杆的数量也进行增加。
本实施例中，摆臂构成了主动摆臂结构，本实施例中，摆臂连杆通过第一虎克铰与摆臂相连，第一虎克铰即为第一连接结构，在其他实施例中，第一连接结构可以包括摆臂和第一连杆之间设置的第一连架杆，第一连架杆的一端通过转动轴线与第二支链第一转动副轴线平行的第一连架杆第一转动副与摆臂相连，另一端通过转动轴线与第三转动副轴线平行的第一连架杆第二转动副与摆臂连杆相连。本实施例中，第二虎克铰即为第二连接结构，在其他实施例中，第二连接结构可以包括第二连杆和动平台之间设置的第二连架杆，第二连架杆的一端通过轴线与第一支链第二转动副轴线平行的第二连架杆第一转动副与动平台相连，第二连架杆的另一端通过轴线与第三转动副轴线平行的第二连架杆第二转动副与动平台连杆相连。第二连架杆第二转动副的转动轴线与第一支链第二转动副的转动轴线之间的距离等于摆臂的长度。
在其他实施例中，主动摆臂结构可以包括两个并行的通过第二支链第一转动副转动设置于静平台上的悬臂，悬臂和摆臂连杆之间通过悬臂连杆相连，悬臂连杆的两端通过转动副与悬臂相连，悬臂连杆的中间通过转动轴线与第三转动副转动轴线平行的转动副与摆臂连杆相连。
在其他实施例中，动平台、静平台的形状可以根据实际情况进行重新设计，第一支链第一转动副、第二支链第一转动副与静平台相连的位置可以根据实际情况进行选择，同样的，第一支链第二转动副、第二连接结构在动平台上的装配位置也可以根据实际情况进行选择。

Claims (7)

1.一种各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：包括动平台、静平台以及连接两者的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，该主动转杆的一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆轴线转动；第二支链包括通过第二支链第一转动副设置于静平台上的主动摆臂结构，所述主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕所述第一支链第二转动副轴线摆动，所述伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副轴线平行的第三转动副相连。
2.根据权利要求1所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：所述主动摆臂结构为单根摆臂，伸展-折叠机构中的所述连杆包括与摆臂相连的摆臂连杆和与动平台相连的动平台连杆，摆臂连杆通过第一连接结构与摆臂转动连接，第一连接结构为下述其中一种方式：（1）第一连接结构为第一虎克铰；（2）第一连接结构包括第一连架杆，第一连架杆一端通过第一连架杆第一转动副与摆臂相连，另一端通过第一连架杆第二转动副与摆臂连杆相连，第一连架杆第一转动副的转动轴线与第二支链第一转动副的转动轴线平行；第一连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
3.根据权利要求2所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：动平台连杆通过第二连接结构与动平台转动连接，第二连接结构为下述其中一种方式：（1）第二连接结构为第二虎克铰；（2）第二连接结构包括第二连架杆，第二连架杆一端通过第二连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过第二连架杆第二转动副与动平台连杆相连，第二连架杆第一转动副的转动轴线与第一支链第二转动副的转动轴线平行；第二连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
4.根据权利要求3所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：第二虎克铰或第二连架杆第二转动副与第一支链第二转动副分设于动平台的两侧。
5.根据权利要求3所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：第二支链第一转动副轴线与第一支链第二转动副轴线共面，第二虎克铰或第二连架杆第二转动副与第一支链第二转动副之间的距离与所述摆臂的长度相等。
6.根据权利要求5所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：所述静平台包括平面部分和垂直设置于平面部分的竖杆，所述第一支链设于平面部分上，所述第二支链设于所述竖杆上，所述第一支链第二转动副的轴线平行于所述平面部分且垂直于主动转杆的轴线。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的各向同性空间二自由度转动并联机构，其特征在于：所述伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述连杆。
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Title
马晓丽;马履中;汪建平;: "新型三平移一转动并联机构及运动学分析", 中国机械工程, no. 02, 30 January 2006 (2006-01-30), pages 191 - 195 *

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CN109531550A (zh) * 2019-01-23 2019-03-29 河南科技大学 一种无耦合两转动并联机构
CN109531550B (zh) * 2019-01-23 2024-02-13 河南科技大学 一种无耦合两转动并联机构

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