CN106945038A - 一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构 - Google Patents

Abstract

一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，包括驱动连杆、传动连杆、三角架、输出连杆、机架和销轴，所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述销轴包括第一销轴、第三销轴和第四销轴，第一销轴和第三销轴重叠限位时，驱动连杆全部运动，实现十连杆两自由度与十一连杆两自由度两种构态之间的变换；第一销轴和第四销轴重叠限位时，驱动连杆为前摇杆，实现十连杆两自由度与十连杆单自由度两种构态之间的变换。本机构具有一个单自由度和两个两自由度变换，三种构态变胞特点，具有大柔性，大运动空间，高稳定性等优点，实际工程应用时，所有驱动杆的驱动电机均能够安装在机架上，动态性能高，亦能够以广泛应用于生产制造、航空航天、医疗保健等工程各个领域。

Description

一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构

技术领域

本发明涉及机构学领域，特别是一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构。

背景技术

变胞机构是近年来学者提出的重要概念，是能够变自由度或能够变构件数目的新型机构，这类机构除了具有类似可展机构的高度收缩和高度可展外，还能够改变拓扑图并导致变自由度，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征，能够根据功能需求或环境等变化，适应不同任务，灵活应用于不同场合。变胞机构的设计研究目前虽取得了一些成果，但仍欠缺结构构型设计的突破。

中国专利201210098594.5公开了一种多功能变胞机构，该专利能够以实现平面拓扑到空间拓扑变换，但是构型单一，工程应用局限；中国专利201110184520.9公开了一种变胞机构式码垛机器人机构，该机构虽兼具稳定性和柔性化，但是其工作空间小；中国专利2012103373974公开了一种新型变胞机构，该机构是通过滑块克服弹簧弹力实现单自由度和两自由度变换，但其构态实际未变，工程应用价值小。

目前尚未见有一种能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，灵活实现三种不同构态的变胞机构，其兼具大空间特征，并且其驱动控制电机均安装在机架上，减少各构件负载，使其运动高动态稳定性，且能够广泛应用于工程各个领域的变胞机构的创新发明设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，它能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，灵活实现三种不同构态，其兼具大空间特征，并且其驱动控制电机均安装在机架上，减少各构件负载，使其运动高动态稳定性，且能够广泛应用于工程各个领域。

本发明的技术方案是：一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，包括驱动连杆、传动连杆、三角架、输出连杆、机架和销轴，具体结构和连接关系为：

所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第十三销轴与机架连接，另一端通过第十二销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与中连杆、三角架连接，所述后摇杆一端通过第五销轴与机架连接，另一端通过第二销轴与后连杆连接；所述传动连杆包括前连杆、支架杆、中连杆、后连杆和长杆，所述前连杆一端通过第十二销轴与前摇杆连接，另一端通过第十销轴与支架杆连接，所述支架杆一端通过第七销轴与机架连接，中部通过第十销轴与前连杆连接，另一端通过第九销轴与长杆连接，所述中连杆一端通过第四销轴与中摇杆、三角架连接，中部通过第三销轴与三角架连接，另一端通过第八销轴与输出连杆连接，所述后连杆一端通过第二销轴与后摇杆连接，另一端通过第一销轴与长杆连接，所述长杆一端通过第一销轴与后连杆连接，中部通过第九销轴与支架杆连接，另一端通过第十一销轴与输出连杆连接；所述三角架一端通过第四销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接；所述输出连杆一端通过第八销轴与中连杆连接，中部通过第十一销轴与长杆连接；所述销轴包括第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、第五销轴、第六销轴、第七销轴、第八销轴、第九销轴、第十销轴、第十一销轴、第十二销轴和第十三销轴。

所述驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第四销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接，实现十连杆两自由度运动；驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第四销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端第三销轴与第一销轴处于重叠位置时，实现十一连杆两自由度运动；驱动杆件为前摇杆时，第一销轴与第四销轴处于重叠位置时，实现十连杆单自由度运动。

本发明的优点在于：

1.工作过程中，能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，灵活实现三种不同构态，机构在两种两自由度构态时，机构均具有柔性化的特点，更有效地增大了工作空间，并均能够实现工作端高精确定位，机构单自由度时，机构稳定性较高，便于控制。

2.实际工程应用时，驱动驱动连杆的驱动电机均能够安装在机架上，减少了因电机装在杆件上而造成的构件负载，运动稳定，便于控制。

3.能够灵活变胞，灵活改变工作空间，能实现更大运动空间作业，能够广泛应用于生产制造业、航空航天、和医疗保健等各类工程领域。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构的结构示意图。

图2为本发明所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构的十连杆单自由度时结构状态图。

图3为本发明所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构的十连杆两自由度时结构状态图。

图4为本发明所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构的十一连杆两自由度时结构状态图。

图中标记为：1、中连杆；2、第一销轴；3、后连杆；4、第二销轴；5、第三销轴；6、三角架；7、第四销轴；8、后摇杆；9、中摇杆；10、第五销轴；11、第六销轴；12、支架杆；13、第七销轴；14、第八销轴；15、第九销轴；16、输出连杆；17、长杆；18、第十销轴；19、第十一销轴；20、前连杆；21、第十二销轴；22、前摇杆；23、第十三销轴；24、机架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，包括驱动连杆、传动连杆、三角架6、输出连杆16、机架24和销轴，具体结构和连接关系为：

所述驱动连杆包括前摇杆22、中摇杆9和后摇杆8，所述前摇杆22一端通过第十三销轴23与机架24连接，另一端通过第十二销轴21与前连杆20连接，所述中摇杆9一端通过第六销轴11与机架25连接，另一端通过第四销轴7与中连杆1、三角架6连接，所述后摇杆8一端通过第五销轴10与机架24连接，另一端通过第二销轴4与后连杆3连接；所述传动连杆包括前连杆20、支架杆12、中连杆1、后连杆3和长杆17，所述前连杆20一端通过第十二销轴21与前摇杆22连接，另一端通过第十销轴18与支架杆12连接，所述支架杆12一端通过第七销轴13与机架24连接，中部通过第十销轴18与前连杆20连接，另一端通过第九销轴15与长杆17连接，所述中连杆1一端通过第四销7与中摇杆9、三角架6连接，中部通过第三销轴5与三角架6连接，另一端通过第八销轴14与输出连杆16连接，所述后连杆3一端通过第二销轴4与后摇杆8连接，另一端通过第一销轴2与长杆17连接，所述长杆17一端通过第一销轴2与后连杆3连接，中部通过第九销轴15与支架杆12连接，另一端通过第十一销轴19与输出连杆16连接；所述三角架6一端通过第四销轴7与中摇杆9、中连杆1连接，另一端通过第三销轴5与中连杆1连接；所述输出连杆16一端通过第八销轴14与中连杆1连接，中部通过第十一销轴19与长杆17连接；所述销轴包括第一销轴2、第二销轴4、第三销轴5、第四销轴7、第五销轴10、第六销轴11、第七销轴13、第八销轴14、第九销轴15、第十销轴18、第十一销轴19、第十二销轴21和第十三销轴23。

工作原理及过程：

如图2所示，机构为十连杆单自由度时，第一销轴2和第四销轴7处于重叠位置，后摇杆8、后连杆3、中摇杆9和机架24能够看成平面四连杆机构，由于长杆17和中连杆1通过第一销轴2连接，中连杆1和输出连杆16通过第八销轴14连接，输出连杆16和长杆17通过第十一销轴19连接，因此长杆17、中连杆1和输出连杆16能够看成一根杆，前摇杆22绕着第十三销轴23转动，由于前连杆20和前摇杆22通过第十二销轴21连接，进而带动前连杆20转动，支架杆12和前连杆20通过第十销轴18连接，进而带动支架杆12绕着第七销轴13转动，长杆17和支架杆12通过第九销轴15连接，进而使输出连杆作单自由度运动。

如图1和图3所示，机构为十连杆两自由度运动时，前摇杆22绕着第十三销轴23转动，由于前连杆20和前摇杆22通过第十二销轴21连接，进而带动前连杆20转动，支架杆12和前连杆20通过第十销轴18连接，进而带动支架杆12绕着第七销轴13转动，中摇杆9绕着第六销轴11转动，由于中连杆1和中摇杆9通过第四销轴7连接，三角架6两端均与中连杆1连接，此时能够将三角架6和中连杆1看成一根杆，进而带动中连杆1转动，后摇杆8绕着第五销轴10转动，由于后连杆3和后摇杆8通过第二销轴4连接，进而带动后连杆3转动，长杆17和后连杆3通过第一销轴2连接，长杆17中部和支架杆12通过第九销轴15连接，进而使长杆17实现平面运动，输出连杆16和中连杆1通过第八销轴14连接，输出连杆16中部和长杆17通过第十一销轴19连接，进而使输出连杆17作两自由度运动。

如图4所示，机构为十一连杆两自由度运动时，前摇杆22绕着第十三销轴23转动，由于前连杆20和前摇杆22通过第十二销轴21连接，进而带动前连杆20转动，支架杆12和前连杆20通过第十销轴18连接，进而带动支架杆12绕着第七销轴13转动，中摇杆9绕着第六销轴11转动，由于中连杆1和中摇杆9通过第四销轴7连接，进而带动中连杆1转动，由于三角架6和中摇杆9通过第四销轴7连接，进而带动三角架6转动，后摇杆8绕着第五销轴10转动，由于后连杆3和后摇杆8通过第二销轴4连接，进而带动后连杆3转动，第三销轴5和第一销轴2处于重叠位置，此时后摇杆8、后连杆3、三角架6和中摇杆9构成平面五连杆机构，长杆17和后连杆3通过第一销轴2连接，长杆17中部和支架杆12通过第九销轴15连接，进而使长杆17实现平面运动，输出连杆16和中连杆1通过第八销轴14连接，输出连杆16中部和长杆17通过第十一销轴19连接，进而使输出连杆17作两自由度运动。

Claims (2)

1.一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，包括驱动连杆、传动连杆、三角架、输出连杆、机架和销轴，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第十三销轴与机架连接，另一端通过第十二销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与中连杆、三角架连接，所述后摇杆一端通过第五销轴与机架连接，另一端通过第二销轴与后连杆连接；所述传动连杆包括前连杆、支架杆、中连杆、后连杆和长杆，所述前连杆一端通过第十二销轴与前摇杆连接，另一端通过第十销轴与支架杆连接，所述支架杆一端通过第七销轴与机架连接，中部通过第十销轴与前连杆连接，另一端通过第九销轴与长杆连接，所述中连杆一端通过第四销轴与中摇杆、三角架连接，中部通过第三销轴与三角架连接，另一端通过第八销轴与输出连杆连接，所述后连杆一端通过第二销轴与后摇杆连接，另一端通过第一销轴与长杆连接，所述长杆一端通过第一销轴与后连杆连接，中部通过第九销轴与支架杆连接，另一端通过第十一销轴与输出连杆连接；所述三角架一端通过第四销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接；所述输出连杆一端通过第八销轴与中连杆连接，中部通过第十一销轴与长杆连接；所述销轴包括第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、第五销轴、第六销轴、第七销轴、第八销轴、第九销轴、第十销轴、第十一销轴、第十二销轴和第十三销轴。

2.根据权利要求1所述的一种具有单自由度和双两自由度变换的三构态变胞机构，其特征在于，驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第四销轴与中摇杆和中连杆连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接，实现十连杆两自由度运动；驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第四销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端第三销轴与第一销轴处于重叠位置时，实现十一连杆两自由度运动；驱动杆件为前摇杆时，第一销轴与第四销轴处于重叠位置时，实现十连杆单自由度运动。