CN107009346B - 一种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。空间二自由度转动并联机构包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆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，并由第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上，主动摆臂结构通过伸展‑折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副轴线摆动。

Description

一种空间二自由度转动并联机构
技术领域
本发明涉及一种空间二自由度转动并联机构。
背景技术
并联机构可定义为：定平台和动平台之间由两个或两个以上的独立运动支链联接，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构具有两个或两个以上的自由度，又被称为并联机器人。并联机构分为六自由度并联机构和少自由度并联机构。少自由度并联机构具有承载能力强、运动精度高、自重负荷比小、运动学求解简单等特点。因而并联机构特别是少自由度转动并联机构在雷达、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。而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。
少自由度并联机构，特别是具有完全各向同性的并联机构已成为近年来并联机构的研究热点。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，本发明空间二自由度转动并联机构的技术方案是：一种空间二自由度转动并联机构，包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆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，并由第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上，两悬臂、悬臂连杆及静平台形成平行四边形连杆结构，主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副轴线摆动，伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两个连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副转动轴线平行的第三转动副相连，伸展-折叠机构的所述连杆中包括摆臂连杆，摆臂连杆通过第四转动副与所述悬臂连杆相连，第四转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
所述悬臂连杆的两端通过第五转动副与所述悬臂相连，所述第五转动副的转动轴线平行于第二支链第一转动副转动轴线。
伸展-折叠机构的所述连杆中还包括动平台连杆，动平台连杆通过连接结构与动平台转动连接，连接结构为下述其中一种方式：（1）连接结构为虎克铰；（2）连接结构为球副；（3）连接结构包括连架杆，连架杆一端通过连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过连架杆第二转动副与动平台连杆相连，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；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。
虎克铰或球副或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。
所述悬臂的端部通过第五转动副与所述悬臂连杆相连，第一支链第二转动副的转动轴线位于两个第二支链第一转动副转动轴线连线的中垂面上，虎克铰或球副或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悬臂的长度相等。
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转动轴线。
伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述的连杆。
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置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。同时，用平行四边形连杆结构驱动动平台摆动，使悬臂连杆的运动为平动，悬臂驱动动平台摆动的动作更加准确和平稳。本发明的并联机构，其雅克比矩阵恒为2×2的单位阵，在整个运动空间内不存在奇异位形。且其主动输入与动平台输出一一对应，解决了一般并联机构解耦性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，运动副数目少，机构紧凑，加工和装配工艺性好，适用于需要进行姿态精密调整的领域。
附图说明
图1为本发明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。
本发明的空间二自由度转动并联机构的具体实施例，如图1所示，并联机构包括静平台10和动平台20，静平台10包括平面部分11和与平面部分11垂直的竖杆12，动平台20为平面状结构。
并联机构包括连接平面部分11与动平台20的第一支链L1、连接竖杆12与动平台20的第二支链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，其中，第一支链第一转动副R11的轴线垂直于平面部分11且垂直于第一支链第二转动副R12的轴线，第一支链第二转动副R12的轴线平行于动平台20。本实施例中，第一支链L1的主动副为第一支链第一转动副R11。主动转杆1-1的转动轴线与第一支链第一转动副R11的转动轴线同轴。
第二支链L2由竖杆12至动平台20依次为悬臂2-1、悬臂连杆2-2、摆臂连杆2-3、动平台连杆2-4，竖杆12的侧面上固定有固定边13，悬臂2-1的数量为两个且运动过程中并行，分别通过第二支链第一转动副R21与固定边13相连，悬臂连杆2-2的两端通过第五转动副R22与悬臂2-1相连，第五转动副R22的转动轴线平行于第二支链第一转动副R21的转动轴线。摆臂连杆2-3的一端通过第四转动副R23与悬臂连杆2-2的中间部分相连，摆臂连杆2-3的另一端通过第三转动副R24与动平台连杆2-4相连，其中，第四转动副R23的转动轴线平行于第三转轴副R24的转动轴线。动平台连杆2-4的另一端通过球副S21与动平台20的下表面相连。其中，第二支链第一转动副R21的轴线平行于第五转动副R22的轴线，同时悬臂2-1的数量为两个，因此，固定边13、悬臂2-1、悬臂连杆2-2构成了平行四边形连杆结构，构成平行四边形连杆结构能够使悬臂连杆2-2在运动过程中保持与竖杆12的平动，使第二支链的运动更加平稳。第四转动副R23的轴线垂直于第五转动副R22的轴线且与悬臂连杆2-2的轴线重合。球副S21的球心与第一支链第二转动副R12的轴线位于同一平面内且该平面平行于动平台20。
固定边13的中点与第一支链第二转动副R12的轴线处于同一平面内，即第一支链第二转动副R12的轴线位于两个第二支链第一转动副R21的转动轴线的连线的中垂面上，该中垂面平行于平面部分11。球副S21的球心与第一支链第二转动副R12的距离与悬臂2-1的长度相同。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和第四转动副R22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R24的转动轴线。
本发明的使用过程为：当第一支链第一转动副R11为主动副而其他的运动副均为从动副时，第一支链第一转动副R11转动，带动动平台20在水平面内转动，动平台20带动第三转动副R24和第四转动副R23发生随动。当第二支链第一转动副R21为主动副而其他的运动副均为从动副时，悬臂连杆2-2发生平动，带动动平台20绕第一支链第二转动副R12的轴线转动，为了补偿第二支链第一转动副R21与球副S21的距离，第三转动副R24和第四转动副R23也发生随动，同时第一支链第二转动副R12随动平台20发生转动。
本发明的并联机构，其雅克比矩阵恒为2×2的单位阵，在整个运动空间内不存在奇异位形。且其主动输入与动平台输出一一对应，解决了一般并联机构解耦性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，运动副数目少，机构紧凑，加工和装配工艺性好，适用于需要进行姿态精密调整的领域。
本实施例中，摆臂连杆、动平台连杆及第三转动副构成了伸展-折叠机构，两个并行的悬臂构成了主动摆臂结构。在其他实施例中，伸展-折叠机构的连杆数量可以根据实际情况进行增加，对应的，第三转动副的数量也进行增加。本实施例中，悬臂连杆与悬臂通过第五转动副相连，在其他实施例中，可以通过球副或虎克铰与悬臂相连。
本实施例中，动平台连杆与动平台之间通过球副S21相连，即球副S21构成了连接结构，在其他实施例中，连接结构可以为虎克铰，或者可以包括位于动平台连杆和动平台之间的连架杆，连架杆的一端通过连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过连架杆第二转动副与动平台连杆相连，其中连架杆第一转动副轴线平行于第一支链第二转动副轴线，连架杆第二转动副轴线平行于第三转动副轴线。虎克铰与第一支链第二转动副的距离、连架杆第二转动副与第一支链第二转动副的距离与悬臂的长度相等。
在其他实施例中，主动摆臂结构、主动转杆设于静平台上的位置可以根据实际情况进行改变。在其他实施例中，静平台和动平台的形状可以根据实际情况进行改变。
本实施例中，平面部分11、竖杆12和固定边13构成了静平台。

Claims (6)

1.一种空间二自由度转动并联机构，其特征在于：包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆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，并由第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上，两悬臂、悬臂连杆及静平台形成平行四边形连杆结构，主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副轴线摆动，伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两个连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副转动轴线平行的第三转动副相连，伸展-折叠机构的所述连杆中包括摆臂连杆，摆臂连杆通过第四转动副与所述悬臂连杆相连，第四转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行，所述悬臂连杆的两端通过第五转动副与所述悬臂相连，所述第五转动副的转动轴线平行于第二支链第一转动副转动轴线。
2.根据权利要求1所述的空间二自由度转动并联机构，其特征在于：伸展-折叠机构的所述连杆中还包括动平台连杆，动平台连杆通过连接结构与动平台转动连接，连接结构为下述其中一种方式：（1）连接结构为虎克铰；（2）连接结构为球副；（3）连接结构包括连架杆，连架杆一端通过连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过连架杆第二转动副与动平台连杆相连，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；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所述的空间二自由度转动并联机构，其特征在于：虎克铰或球副或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。
4.根据权利要求2所述的空间二自由度转动并联机构，其特征在于：第一支链第二转动副的转动轴线位于两个第二支链第一转动副转动轴线连线的中垂面上，虎克铰或球副或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悬臂的长度相等。
5.根据权利要求4所述的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转动轴线。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的空间二自由度转动并联机构，其特征在于：伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述的连杆。
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