CN107139164B - 一种球面并联机构 - Google Patents

Abstract

一种球面并联机构，包括机座和动平台，机座和动平台之间设有至少两组运动支链，一组运动支链包括两个主动连杆和两个从动连杆；同一组运动支链中，两个主动连杆分别通过机座转动副与机座转动连接，一个主动连杆对应通过一个连杆转动副与一个从动连杆转动连接，两个从动连杆通过输出转动副转动连接，该两个从动连杆的连接点为输出参考点，该输出参考点通过动平台转动副与动平台转动连接；机座转动副、连杆转动副、输出转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点。本发明负载能力强，定位精度高，工作空间大，整个机构没有驱动电机安置于运动部件上，结构简单轻便。

Description

一种球面并联机构

技术领域

本发明涉及一种球面并联机构。

背景技术

球面五杆机构是一种两自由度机构，它由五根杆件通过五个转动副首尾相连，并且所有转动副的轴线汇交于一点（即转动中心），机构的输出参考点有沿球面的两个平动自由度。与单自由度的四杆机构相比，它能完成更加复杂的运动轨迹，并具有结构简单、运动灵活、易于控制等优点。

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比，并联机器人具有以下优点：累积误差小、精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大。因此，并联机器人在对设备刚度、运动速度、定位精度或载重要求较高的场合应用较为广泛。其中，球面并联机构是重要的并联机构之一，目前在卫星跟踪随动装置、数控回转台，电子灵巧眼等实际工程领域中已经得到一定的应用。

但由于受到奇异位形的限制，并联机构动平台的转动能力往往都比较小，即使是相对简单的平面并联机构，在理论上能达到的转动范围也不超过180°，实际上会更小；奇异位形还影响了动平台运动的灵活性，因为靠近奇异位形时动平台的载荷传递效率急速下降；此外，机构的运动支链较少时承载能力也较差，从而影响动平台的工作性能。

冗余驱动并联机构是输入构件数目多于输出构件自由度数的并联机构，有些并联机构会通过增加冗余驱动支链来辅助平台跨越奇异位形，从而得到更大的转动能力，但冗余驱动会导致过约束从而产生内力，使机构面临复杂的控制问题；还有一部分并联机构则选择在某些支链中增加冗余驱动，但这导致了混合结构的出现，从而改变原有并联机构的载荷传递特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种球面并联机构，负载能力强，定位精度高，工作空间大，动平台上不用安装驱动机构，结构简单轻便。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种球面并联机构，包括机座和动平台，所述机座和动平台之间设有至少两组运动支链，一组运动支链包括两个主动连杆和两个从动连杆；

同一组运动支链中，两个主动连杆分别通过机座转动副与机座转动连接，一个主动连杆对应通过一个连杆转动副与一个从动连杆转动连接，两个从动连杆通过输出转动副转动连接，该两个从动连杆的连接点为输出参考点，该输出参考点通过动平台转动副与动平台转动连接；

运动支链的数量等于N，N≥2；

机座转动副、连杆转动副、输出转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点。

所述动平台至少包含两根连接杆。

作为一种方案，所述动平台由2根连接杆构成，该2根连接杆之间通过连接杆转动副转动连接，两组运动支链形成两个输出参考点，该两个输出参考点分别通过动平台转动副与连接杆转动连接，该动平台转动副与连接杆转动副不重合。

作为另一种方案，所述动平台由四根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，两组运动支链通过两个动平台转动副与动平台转动连接，其中该两个动平台转动副对应与该动平台上对称的两个连接杆转动副重合。

作为另外一种方案，所述动平台由六根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，三组运动支链通过三个动平台转动副与动平台转动连接，其中该三个动平台转动副对应与该动平台上的三个连接杆转动副重合。

本发明通过增加运动支链，辅助动平台跨越奇异位形从而得到更大的转动能力，并增大实际可用的工作空间，同时提高机构的刚度，从而提高其负载能力和运动精度，改善其工作性能。

两组运动支链的运动是相对解耦的，从而使得其运动学特性更加简单。易于控制、标定；也使得其动平台部分能够同时搭载多种不同类型的机构，同时完成多项不同的工作，从而扩大了它的应用范围。

另外，可以通过在动平台上增加一个能够将动平台重构能力转化为沿球面法向移动的末端执行器，避免在动平台上安装额外的电机。或者利用重构能力将动平台直接用作末端执行器，实现诸如抓取等操作。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的立体结构示意图；

附图3为本发明的运动示意图；

附图4为本发明的平台重构示意图；

附图5为本发明的运动并发生平台重构的示意图；

附图6为本发明驱动末端执行器沿球面法向移动的结构示意图；

附图7为本发明驱动末端执行器沿球面法向移动的局部过程示意图；

附图8为本发明直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图9为本发明直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图10为本发明直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图11为本发明直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图12为本发明直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图13为本发明只搭载一个动平台的示意图；

附图14为本发明搭载多个动平台的示意图；

附图15为本发明搭载多种不同动平台的示意图；

附图16为本发明中五自由度球面并联机构的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种球面并联机构，包括机座1和动平台2，所述机座1和动平台2之间设有至少两组运动支链，一组运动支链包括两个主动连杆51和两个从动连杆52；同一组运动支链中，两个主动连杆51分别通过机座转动副6与机座1转动连接，一个主动连杆51对应通过一个连杆转动副53与一个从动连杆52转动连接，两个从动连杆通过输出转动副4转动连接，该两个从动连杆的连接点为输出参考点，即该输出参考点就位于输出转动副4上，该输出参考点通过动平台转动副与动平台转动连接。主动连杆受到外界的驱动力而动作，通过连杆转动副带动从动连杆转动，将力传递至输出参考点，再通过输出参考点将力传递到动平台上，从而使动平台运动。主动连杆和从动连杆呈弧形。

运动支链的数量等于N，NN≥2。

机座转动副、连杆转动副、输出转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点，从而保证了动平台的运动是在球面上完成。

另外，动平台可根据实际需要由至少两根的连接杆组合形成。

如附图13所示，所动平台由2根连接杆构成，该2根连接杆之间通过连接杆转动副转动连接，两组运动支链形成两个输出参考点，该两个输出参考点分别通过动平台转动副与连接杆转动连接。

如附图1～12所示，此时动平台由四根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，两组运动支链通过两个动平台转动副与动平台转动连接，其中该两个动平台转动副对应与该动平台上对称的两个连接杆转动副重合。

如附图4所示，动平台可利用原系统冗余的自由度对自身进行重构，各个连接杆进行一定的转动，其重构效果图可见附图4。附图5为动平台正常运动时，同时发生位置、转角和动平台变动的示意图，两组运动支链的动作，将力传递给动平台，使得动平台的位置、相邻两根连接杆的转角都发生变化。

此外，动平台上可以安装一个末端执行器，如附图6和7所示，该末端执行器可通过螺纹连接方式安装在动平台转动副上。末端执行器A与动平台的连接杆B通过螺纹配合形成螺旋副，与动平台的连接杆C 形成移动副；动平台发生重构时，由运动支链带动动平台动作，连接杆B相对连接杆C发生相对转动，并通过螺纹啮合将运动传递到末端执行器A，而末端执行器A与连接杆C之间的移动副又限制了该末端执行器A的转动，因此末端执行器A只能沿着末端执行器A、连接杆B和连接杆C三者共同的轴线，即球面法线方向作平动。通过这个过程，将动平台的重构运动转换成末端执行器A沿球面法向的平动，由此可以避免在动平台上安装电机，从而减小机构运动部件的惯量。利用该重构能力还可以将动平台直接用作末端执行器，实现诸如抓取等操作。

如附图8～12所示，直接将动平台作为末端执行器，利用该动平台夹持工件，通过两组运动支链带动动平台实现夹持工件动作的目的。

在附图1～12所揭示的由四根连接杆构成的动平台的结构上，运动支链为两组，该两组运动支链的运动是相对解耦的，从而使得动平台可以同时搭载多种不同类型的机构，即可同时完成不同的工作，从而扩大了它的应用范围。如附图1和2所示，只搭载一个动平台。如附图14和15所示，动平台由多根连接杆构成。

如附图16所示，所述动平台由六根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，此时具有三组运动支链，三组运动支链通过三个动平台转动副与动平台转动连接，其中该三个动平台转动副对应与该动平台上的三个连接杆转动副重合。

本发明中，各运动支链和动平台搭载的机构的连接杆参数，以及驱动主动连杆运动的电机布置的纬度、是否均布等并无特别限定，可以根据需要的运动空间和负载要求来进行调整，以达到不同的运动效果。

需要说明的是，以上所述主要以运动支链数量为两个的球面并联机构为例做展示，以上所述并非是对本发明的限定，与上述为同一类机构，而任何同类型的球面并联机构，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种球面并联机构，包括机座和动平台，其特征在于，所述机座和动平台之间设有至少两组运动支链，一组运动支链包括两个主动连杆和两个从动连杆；

同一组运动支链中，两个主动连杆分别通过机座转动副与机座转动连接，一个主动连杆对应通过一个连杆转动副与一个从动连杆转动连接，两个从动连杆通过输出转动副转动连接，该两个从动连杆的连接点为输出参考点，该输出参考点通过动平台转动副与动平台转动连接；

运动支链的数量等于N，N≥2；

机座转动副、连杆转动副、输出转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点。

2.根据权利要求1所述的球面并联机构，其特征在于，所述动平台至少包含两根连接杆。

3.根据权利要求2所述的球面并联机构，其特征在于，所述动平台由2根连接杆构成，该2根连接杆之间通过连接杆转动副转动连接，两组运动支链形成两个输出参考点，该两个输出参考点分别通过动平台转动副与连接杆转动连接，该动平台转动副与连接杆转动副不重合。

4.根据权利要求2所述的球面并联机构，其特征在于，所述动平台由四根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，两组运动支链通过两个动平台转动副与动平台转动连接，其中该两个动平台转动副对应与该动平台上对称的两个连接杆转动副重合。

5.根据权利要求2所述的球面并联机构，其特征在于，所述动平台由六根连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成，三组运动支链通过三个动平台转动副与动平台转动连接，其中该三个动平台转动副对应与该动平台上的三个连接杆转动副重合。

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