CN106985134B - 一种具有铰接动平台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铰接动平台的三自由度并联机构，包括固定机架、铰接动平台以及布置在所述固定机架与铰接动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；所述铰接动平台包括上动平台和下动平台两部分，所述上动平台与下动平台通过转动副连接；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；所述每条支链均包括滑块、连杆和连接杆；所述上动平台的两端分别与第一支链和第三支链连接，所述下动平台的两端分别与第二支链和第四支链连接。通过使用含有转动副的铰接动平台以及四条对称支链的冗余驱动布置方案，本发明提出的三自由度并联机构具有固定的转动中心，可以消除伴随运动。

Description

一种具有铰接动平台的三自由度并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种具有二维转动和一维移动的三自由度空间并联机构。
背景技术
两转一移三自由度并联机构是少自由度并联机构中一种很重要的机构，特别是具有两个水平方向转动以及一个沿竖直方向移动的三自由度并联机构，可应用于多个领域，如卫星天线定位、运动模拟、复杂曲面加工等。
3-PRS/RPS类并联机构是两转一移三自由度并联机构的典型代表。该类并联机构中最成功的应用案例是德国DS-Technologie公司推出的Sprint Z3主轴头。Sprint Z3主轴头采用3-PRS并联机构，三条PRS支链对称分布且结构相同，具有模块化程度高的优点，在实际应用中也取得了显著效益。如以Sprint Z3主轴头为基础的数控加工中心具有加工效率和加工精度高、表面质量好、加工后的飞机结构件无需手动打磨等优点，在许多飞机制造厂获得了应用。然而，Sprint Z3仍存在一些缺陷，这也是3-PRS/RPS类并联机构存在的共性问题，如存在伴随运动，运动学复杂，导致实时控制和标定困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有3-PRS/RPS类并联机构存在伴随运动的缺陷，利用动平台铰接的思想，设计一种无伴随运动且具有大转角转动特性的两转一移三自由度并联机构，为并联机床等相关领域提供一种有实用价值的并联机构构型。
本发明的提供技术方案是：
一种具有铰接动平台的三自由度并联机构，其特征在于：包括固定机架、铰接动平台以及布置在所述固定机架与铰接动平台之间的第一、第二、第三和第四支链；所述固定机架固设有四条竖直布置的导轨；所述铰接动平台包括上动平台和下动平台两部分，所述上动平台与下动平台通过转动副连接，所述上动平台上可安装末端执行器；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；所述每条支链均包括滑块、连杆和连接杆；所述连杆包含有两个转动轴线相互平行的转动副；所述连接杆包含有两个转动轴线相互垂直的转动副；所述滑块与所述固定机架上的导轨通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连杆通过转动副与所述滑块连接；所述连接杆通过转动副与所述连杆连接；在第一支链和第三支链中，所述连接杆通过转动副与所述上动平台连接；在第二支链和第四支链中，所述连接杆通过转动副与所述下动平台连接；所述第一支链与所述第三支链中连接滑块与连杆的转动副轴线相互平行且始终在一个竖直平面内；所述第二支链与所述第四支链中连接滑块与连杆的转动副轴线相互平行且始终在一个竖直平面内；所述第一支链与所述第三支链中连接滑块与连杆的转动副轴线相互垂直。
一种具有铰接动平台的三自由度并联机构，其特征在于：包括定平台、铰接动平台以及布置在所述定平台与铰接动平台之间的第一、第二、第三和第四支链；所述铰接动平台包括上动平台和下动平台两部分，所述上动平台与下动平台通过转动副连接，所述上动平台上可安装末端执行器；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；所述每条支链均包括下连杆、上连杆和连接杆；所述连接杆包含有两个转动轴线相互垂直的转动副；所述下连杆通过转动副与所述定平台连接；所述上连杆与所述下连杆通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连接杆通过转动副与所述上连杆连接；在第一支链和第三支链中，所述连接杆通过转动副与所述上动平台连接；在第二支链和第四支链中，所述连接件通过转动副与所述下动平台连接；所述第一支链中与所述第三支链中连接下连杆与定平台的转动副轴线相互重合；所述第二支链中与所述第四支链中连接下连杆与定平台的转动副轴线相互重合；所述第一支链中与所述第二支链中连接下连杆与定平台的转动副轴线相互垂直。
本发明具有的优点和积极效果是：(1)铰接动平台结构简单，仅包括了通过转动副连接的上、下动平台两个构件；(2)由于整个机构仅含有单自由度的运动副，以及采用铰接动平台的设计，可实现大转角转动，俯仰和偏转的角度在理论上均可接近正负90度；(3)铰接动平台和四条对称支链的使用，保证了机构具有固定的转动中心，从而消除了伴随运动，使得机构具有简洁的运动学关系；(4)通过四条对称支链实现了冗余驱动，使得机构具有高刚度和大承载能力的特点，可满足一些特定应用，如用作并联机床主轴头机构。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一支链的结构示意图；
图3为本发明铰接动平台的结构示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图中各标记如下：1固定机架，2滑块，3连杆，4连接杆，5铰接动平台，5-1下动平台，5-2上动平台，6定平台，7下连杆，8上连杆，Ⅰ第一支链，Ⅱ第二支链，Ⅲ第三支链，Ⅳ第四支链。
具体实施方式
为能进一步阐述本发明的发明内容、特点及功效，兹列举一下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例一：
本实施例的一种具有铰接动平台的三自由度并联机构如图1、图2和图3所示，包括固定机架1、铰接动平台5，以及布置在所述固定机架1与铰接动平台5之间的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ。
所述固定机架1固设有四条竖直布置的导轨。
如图3所示，所述铰接动平台5包括下动平台5-1和上动平台5-2；所述下动平台5-1和上动平台5-2通过转动副连接，该转动副的转动轴线为图3中所示的Z轴；因此，所述下动平台5-1和上动平台5-2可以进行绕Z轴的相对转动。
所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ结构相同；所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ均包括滑块2、连杆3和连接杆4；所述连杆3包含有两个转动轴线相互平行的转动副；所述连接杆4包含有两个转动轴线相互垂直的转动副，并且两个转动副的转动轴线位于同一平面；所述滑块2与所述固定机架1上的导轨通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连杆3与所述滑块2通过转动副连接，且该转动副轴线垂直于所述固定机架1导轨的工作平面；所述连接杆4通过转动副与所述连杆3连接；在所述第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ中，所述连接杆4通过转动副与所述上动平台5-2连接，该转动副的转动轴线为图3中所示的X轴；在所述第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ中，所述连接杆4通过转动副与所述下动平台5-1连接，该转动副的转动轴线为图3中所示的Y轴。
所述第一支链Ⅰ与所述第三支链Ⅲ中连接所述滑块2与连杆3的转动副的转动轴线相互平行且始终在一个竖直平面内；所述第二支链Ⅱ与所述第四支链Ⅳ中连接所述滑块2与连杆3的转动副的转动轴线相互平行且始终在一个竖直平面内；所述第一支链Ⅰ与所述第二支链Ⅱ中连接滑块2与连杆3的转动副的转动轴线相互垂直。
如图3所示，连接所述下动平台5-1与连接杆4的转动副的转动轴线(图3中所示的Y轴)垂直于连接所述下动平台5-1和上动平台5-2的转动副的转动轴线(图3中所示的Z轴),并且相交于图3中所示的点O；连接所述上动平台5-2与连接杆4的转动副的转动轴线(图3中所示的X轴)垂直于连接所述下动平台5-1和上动平台5-2的转动副的转动轴线(图3中所示的Z轴),并且相交于图3中所示的点O；图3中所示的点O为机构的转动中心。
实施例二：
本实施例的一种具有铰接动平台的三自由度并联机构如图4所示，包括定平台6、与实施例一相同的铰接动平台5，以及布置在所述定平台6与铰接动平台5之间的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ。
所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ结构相同；所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ支链均包括下连杆7、上连杆8和连接杆4；所述下连杆7通过转动副与所述定平台6连接；所述上连杆8与所述下连杆7通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连接杆4通过转动副与所述上连杆8连接；在所述第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ中，所述连接杆4通过转动副与所述上动平台5-2连接；在所述第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ中，所述连接杆4通过转动副与所述下动平台5-1连接。
连接所述第一支链Ⅰ与定平台6的转动副的转动轴线重合于连接所述第三支链Ⅲ与定平台6的转动副的转动轴线；连接所述第二支链Ⅱ与定平台6的转动副的转动轴线重合于连接所述第四支链Ⅳ与定平台6的转动副的转动轴线；连接所述第一支链Ⅰ与定平台6的转动副的转动轴线垂直于连接所述第二支链Ⅱ与所述定平台6的转动副的转动轴线。
所述连接杆4与所述铰接动平台5的连接方式与实施例一相同。
本发明的工作原理：所述铰接动平台5包含了三条转动轴线，即图3中所示的X、Y、Z轴；根据设计要求，三条转动轴线相交于一点，即图3中所示的O点；所述铰接动平台5中的下动平台5-1、上动平台5-2均具有绕X、Y轴的两转动自由度；其中，绕Y轴的转动由所述第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ的运动所决定，绕X轴的转动由所述第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ的运动所决定；铰接动平台的位置(沿Z轴的位移)由所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ的运动共同决定；通过控制所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ中滑块2(对于实施例二为上连杆8)的运动，实现所述四条支链的协同运动，进而控制所述铰接动平台5沿Z轴的一维平移以及绕点O的二维转动。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有铰接动平台的三自由度并联机构，其特征在于：包括固定机架(1)、铰接动平台(5)，以及布置在所述固定机架(1)与铰接动平台(5)之间的第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)；
所述固定机架(1)固设有四条竖直布置的导轨；所述铰接动平台(5)包括下动平台(5-1)和上动平台(5-2)；所述下动平台(5-1)和上动平台(5-2)通过转动副连接；
所述第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)结构相同；所述第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)均包括滑块(2)、连杆(3)和连接杆(4)；所述连杆(3)包含有两个转动轴线相互平行的转动副；所述连接杆(4)包含有两个转动轴线相互垂直的转动副；所述滑块(2)与所述固定机架(1)上的导轨通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连杆(3)与所述滑块(2)通过转动副连接，且该转动副轴线垂直于所述固定机架(1)导轨的工作平面；所述连接杆(4)通过转动副与所述连杆(3)连接；在所述第一支链(Ⅰ)和第三支链(Ⅲ)中，所述连接杆(4)通过转动副与所述上动平台(5-2)连接；在所述第二支链(Ⅱ)和第四支链(Ⅳ)中，所述连接杆(4)通过转动副与所述下动平台(5-1)连接；
连接所述下动平台(5-1)与连接杆(4)的转动副的转动轴线垂直于连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线；连接所述上动平台(5-2)与连接杆(4)的转动副的转动轴线垂直于连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线；连接所述下动平台(5-1)与连接杆(4)的转动副的转动轴线、连接所述上动平台(5-2)与连接杆(4)的转动副的转动轴线和连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线相交于一点。
2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述第一支链(Ⅰ)与所述第三支链(Ⅲ)中连接所述滑块(2)与连杆(3)的转动副的转动轴线相互行且始终在一个竖直平面内；所述第二支链(Ⅱ)与所述第四支链(Ⅳ)中连接所述滑块(2)与连杆(3)的转动副的转动轴线相互平行且始终在一个竖直平面内；所述第一支链(Ⅰ)与所述第二支链(Ⅱ)中连接滑块(2)与连杆(3)的转动副的转动轴线相互垂直。
3.一种具有铰接动平台的三自由度并联机构，其特征在于：包括定平台(6)、铰接动平台(5)，以及布置在所述定平台(6)与铰接动平台(5)之间的第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)；
所述铰接动平台(5)包括下动平台(5-1)和上动平台(5-2)；所述下动平台(5-1)和上动平台(5-2)通过转动副连接；
所述第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)结构相同；所述第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)均包括下连杆(7)、上连杆(8)和连接杆(4)；所述下连杆(7)通过转动副与所述定平台(6)连接；所述上连杆(8)与所述下连杆(7)通过移动副连接，且该移动副为主动驱动副；所述连接杆(4)通过转动副与所述上连杆(8)连接；在所述第一支链(Ⅰ)和第三支链(Ⅲ)中，所述连接杆(4)通过转动副与所述上动平台(5-2)连接；在所述第二支链(Ⅱ)和第四支链(Ⅳ)中，所述连接杆(4)通过转动副与所述下动平台(5-1)连接；
连接所述下动平台(5-1)与连接杆(4)的转动副的转动轴线垂直于连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线；连接所述上动平台(5-2)与连接杆(4)的转动副的转动轴线垂直于连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线；连接所述下动平台(5-1)与连接杆(4)的转动副的转动轴线、连接所述上动平台(5-2)与连接杆(4)的转动副的转动轴线和连接所述下动平台(5-1)与上动平台(5-2)的转动副的转动轴线相交于一点。
4.根据权利要求3所述的机构，其特征在于：连接所述第一支链(Ⅰ)与定平台(6)的转动副的转动轴线重合于连接所述第三支链(Ⅲ)与定平台(6)的转动副的转动轴线；连接所述第二支链(Ⅱ)与定平台(6)的转动副的转动轴线重合于连接所述第四支链(Ⅳ)与定平台(6)的转动副的转动轴线；连接所述第一支链(Ⅰ)与定平台(6)的转动副的转动轴线垂直于连接所述第二支链(Ⅱ)与定平台(6)的转动副的转动轴线。
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