CN106903671B - 一种具有弧形移动副的三自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有弧形移动副的三自由度并联机构，其包括基座、动平台、约束杆以及三条相同的运动支链，约束杆连接动平台和基座，动平台相对约束杆具有三个转动方向的自由度；三条运动支链以约束杆为中心对称设置，每一运动支链包括丝杠组件和弧形移动副，丝杠组件设置于基座上，弧形移动副铰接至动平台，弧形移动副包括嵌套连接的下弧形连杆和上弧形连杆，下弧形连杆在丝杠组件的带动下沿丝杠组件的轴线方向做直线运动以及绕丝杠组件的轴线转动，进而使上弧形连杆沿下弧形连杆的弧形轨道移动，上弧形连杆的一端铰接至动平台。

Description

一种具有弧形移动副的三自由度并联机构
技术领域
本发明涉及机器人设计制造技术领域，具体涉及一种具有弧形移动副的三自由度并联机构。
背景技术
并联机构通常由动平台和固定平台通过多条支链联结而成，自1938年首次提出并联机器人以来，因其具较大刚度、较强的承载能力、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等特点，广泛应用于社会的各个领域。目前，常见的有2自由度、3自由度、4自由度、6自由度并联机器人。其中3自由度对称支链对称分布的并联机构研究最多，并且其应用机加工回转平台、康复设备、卫星定位设备、安装设备等领域。
如燕山大学高峰教授等人提出的一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构(CN101306534)，其具有典型的3-RRR型机构特征。实现绕固定中心做三个方向转动。
燕山大学黄真教授提出一种具有对称结构且无伴随运动的并联机构(CN102962840)。其能够定、动平台中间对称平面内的任意一条轴或者任意一点连续转动，能有效的避免伴随运动的发生。
上海大学沈龙提出的一种球面三自由度并联机构天线结构系统(CN101924266)。其较一般的三自由度球型机构相比，具有较大的工作空间。
上海交通大学林荣富等人提出的具有弧形移动副的三自由度球面并联机构(CN104827463)。采用弧形移动副的形式来实现动平台绕弧形的中点做三个方向的转动。
上述机构普遍存在结构复杂、操作过程存在伴随动作等难以掌控控制精度等缺陷。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种运动支链结构简单可靠、便于控制的具有弧形移动副的三自由度并联机构。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有弧形移动副的三自由度并联机构，其包括基座、动平台、约束杆以及三条相同的运动支链，约束杆连接动平台和基座，约束杆与基座固定设置，动平台相对约束杆具有三个转动方向的自由度；三条运动支链以约束杆为中心对称设置，每一运动支链包括丝杠组件和弧形移动副，丝杠组件设置于基座上，弧形移动副铰接至动平台，弧形移动副包括嵌套连接的下弧形连杆和上弧形连杆，下弧形连杆在丝杠组件的带动下沿丝杠组件的轴线方向做直线运动以及绕丝杠组件的轴线转动，进而使上弧形连杆沿下弧形连杆的弧形轨道移动以及与下弧形连杆一起绕丝杠组件的轴线转动，上弧形连杆的一端铰接至动平台。
其中，丝杠组件包括电机、丝杠和套管，电机设置于基座上，丝杠连接至电机的输出轴，套管的内螺纹与丝杠的外螺纹配合，下弧形连杆的下端连接至套管。
其中，上弧形连杆与动平台采用十字万向铰链连接。
其中，下弧形连杆包括相互连接的弧形部分和直线部分，直线部分的下端连接至套管，弧形部分具有空管状特征，上弧形连杆嵌套至下弧形连杆中。
其中，下弧形连杆的下端与套管采用销轴连接。
其中，约束杆的底端固定至固定平台，顶端采用球铰副与动平台连接。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有弧形移动副的三自由度并联机构其具有三个运动支链和一个中间约束杆，运动支链包括丝杠组件和弧形运动副，弧形运动副的下弧形连杆在丝杠组件的带动下沿丝杠组件的轴线方向移动并绕着丝杠组件的轴线转动，上弧形连杆沿着下弧形连杆的弧形轨道移动，使得动平台实现三个自由度的转动。因此，本发明并联机构具有较高的灵活性，并且支链的运动形式相对简单，容易保证该机构在操作过程中的精度和质量。
附图说明
图1是本发明具有弧形移动副的三自由度并联结构的立体结构图；
图2是图1所示三自由度并联机构的局部结构示意图；
图3是图1所示三自由度并联机构的运动支链的结构示意图；
图4是图3所示运动支链的下弧形连杆的结构示意图；
图5是图3所示运动支链的上弧形连杆的结构示意图；
图6是图3所示运动支链的套管的结构示意图；
图7是图3所示运动支链的丝杠的结构示意图。
具体实施方式
请参照图1和图2，本发明具有弧形移动副的三自由度并联机构包括基座6、动平台1、约束杆9以及三条相同的运动支链(未标示)。
约束杆9连接动平台1和基座6，约束杆9与基座6固定设置，动平台1相对约束杆9具有三个转动方向的自由度。具体地，约束杆9呈长条状，其底端固定设置于基座6上且其延伸方向与基座6的基准面垂直，顶端采用球铰副11与动平台1连接。
三条运动支链以约束杆9为中心对称设置。中心对称的含义为：每一运动支链连接至基座6的固定点距离约束杆9的距离相等，两相邻运动支链的固定点到约束杆的垂直连线的夹角为120°；且每一运动支链连接至动平台1的铰接点距离约束杆9的距离相等，两相邻运动支链的铰接点到约束杆的垂直连线的夹角亦为120度。
请进一步参照图3至图7，每一运动支链包括丝杠组件(未标示)和弧形运动副(未标示)。丝杠组件设置于基座6上，弧形运动副铰接至动平台1。弧形运动副包括嵌套连接的下弧形连杆3和上弧形连杆2，上弧形连杆2和下弧形连杆3共圆心。下弧形连杆3在丝杠组件的带动下沿丝杠组件的轴线方向做直线运动以及绕丝杠组件的轴线转动，进而使上弧形连杆2沿下弧形连杆3的弧形轨道移动以及与下弧形连杆3一起绕丝杠组件的轴线转动，上弧形连杆2的一端铰接至动平台1。
具体地，丝杠组件包括电机7、丝杠5和套管4。电机7设置于基座6上，丝杠5连接至电机7的输出轴，套管4的内螺纹15与丝杠5的外螺纹17配合，下弧形连杆3的下端12连接至套管4。电机7于基座6上的固定位置即前述固定点。
本实施例中，套管4上端(与设置内螺纹相对的一端)的孔16与下弧形连杆3的下端12采用销轴连接，使得下弧形连杆3可以绕着丝杠组件的套管4的轴线方向转动。
本实施例中，弧形移动副的下弧形连杆包括相互连接的弧形部分和直线部分，直线部分的下端12连接至套管4，弧形部分具有空管状特征13，上弧形连杆2嵌套至下弧形连杆3的弧形部分中。实际应用中，亦可以在上弧形连杆2上设置空管状特征，将下弧形连杆3的弧形部分嵌套至上弧形连杆2中。或者，上弧形连杆2和下弧形连杆3二者之一上设置弧形滑槽，另一上设置弧形滑轨等等。无论是全包覆式的空管状特征还是部分覆盖式的弧形滑槽与滑轨设置均包含在本发明上弧形连杆2相对下弧形连杆3的弧形轨道移动的嵌套连接的范围内。
本实施例中，上弧形连杆2与动平台1采用十字万向铰链连接。具体地，上弧形连杆2的顶端设置孔14，十字万向铰链10的一端固定至孔14中，另一端固定至动平台1上，十字万向铰链10在动平台1上的设置位置即前述铰接点。
本实施例运动支链中，通过电机7驱动丝杠5转动，丝杠5转动转化为套管4沿丝杠5轴线方向上的直线运动，进而带动下弧形连杆3沿着丝杠组件的轴线方向移动，在下弧形连杆3沿着丝杠组件的轴线方向直线运动的过程中，下弧形连杆3亦可绕着丝杠组件的轴线转动，并导致上弧形连杆2能够沿着下弧形连杆3的弧形轨道移动，上弧形连杆2的上端通过十字万向铰链10与动平台1连接，使得动平台1具有三个转动方向的自由度。
区别于现有技术，本发明具有弧形移动副的三自由度并联机构其具有三个运动支链和一个中间约束杆9，运动支链包括丝杠组件和弧形运动副，弧形运动副的下弧形连杆3在丝杠组件的带动下沿丝杠组件的轴线方向移动并绕着丝杠组件的轴线转动，上弧形连杆2沿着下弧形连杆3的弧形轨道移动，使得动平台1实现三个自由度的转动。因此，本发明并联机构具有较高的灵活性，并且支链的运动形式相对简单，容易保证该机构在操作过程中的精度和质量。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有弧形移动副的三自由度并联机构，其特征在于，所述三自由度并联机构包括基座、动平台、约束杆以及三条相同的运动支链，
所述约束杆连接所述动平台和所述基座，所述约束杆与所述基座固定设置，所述动平台相对所述约束杆具有三个转动方向的自由度；
三条所述运动支链以所述约束杆为中心对称设置，每一所述运动支链包括丝杠组件和弧形移动副，所述丝杠组件设置于所述基座上，所述弧形移动副铰接至所述动平台，所述弧形移动副包括嵌套连接的下弧形连杆和上弧形连杆，所述丝杠组件包括电机、丝杠和套管，所述电机设置于所述基座上，所述丝杠连接至所述电机的输出轴，所述套管的内螺纹与所述丝杠的外螺纹配合，所述下弧形连杆的下端通过销轴转动连接至所述套管；所述下弧形连杆在所述丝杠组件的带动下沿所述丝杠组件的轴线方向做直线运动，在下弧形连杆沿着丝杠组件的轴线方向直线运动的过程中，下弧形连杆亦可绕所述丝杠组件的轴线转动，进而使所述上弧形连杆沿所述下弧形连杆的弧形轨道移动以及与所述下弧形连杆一起绕所述丝杠组件的轴线转动，所述上弧形连杆的一端铰接至所述动平台。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述上弧形连杆与所述动平台采用十字万向铰链连接。
3.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述下弧形连杆包括相互连接的弧形部分和直线部分，所述直线部分的下端连接至所述套管，所述弧形部分具有空管状特征，所述上弧形连杆嵌套至所述下弧形连杆中。
4.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述下弧形连杆的下端与所述套管上端的孔采用所述销轴连接。
5.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述约束杆的底端固定至所述基座，顶端采用球铰副与所述动平台连接。
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