CN107139167B - 一种运动分岔并联机构 - Google Patents

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Abstract

一种运动分岔并联机构，其为对称结构，其由运动平台、固定平台和三条相同的可重构混联支链组成；可重构混联支链由可重构空间五杆机构和固定自由度PS串联支链组合而成；可重构空间五杆机构具有两种不同的工作模式，基于可重构空间五杆机构的可重构混联支链也相应具有两种不同工作模式，可重构混联支链的两种不同工作模式分别为：无约束工作模式和约束力矢工作模式；三条可重构混联支链在两种不同工作模式间切换时，运动分岔并联机构可相应重构为3T3R、2T3R、1T3R、1T2R四种不同运动模式的并联机构。

Description

一种运动分岔并联机构
技术领域：
本发明属于机构学及机器人领域，特别涉及一种运动分岔并联机构。
背景技术：
传统的固定自由度并联机构因具有高刚度、高承载能力、高精度、高速度等优点，使其在重载操作、工业机器人、运动模拟器、、医疗机器人、多维力传感器、微纳操作、3D打印等领域等到了重要和广泛的应用。
但随着科学技术的发展，在极端作业、先进制造、医疗康复、太空探索等领域越来越希望机器具有更高的柔性，能根据作业任务变化而可重构其拓扑结构、变化其自由度、重构其工作模式。在这种背景下，学者们对可重构并联机构产生了极大的研究兴趣，使其成为机构学和机器人学领域的研究热点，可重构并联机构主要包括运动分岔并联机构和变胞并联机构两类。学者们利用变胞运动副、可锁死关机、约束奇异单环闭链、变胞单环闭链、可重构运动平台等设计了一些特色鲜明的可重构并联机构，但现有的可重构并联机构仍然比较少。
发明内容：
本发明针对现有可重构并联机构较少的不足，提出一种新型运动分岔并联机构，其具有四种不同的工作模式。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种运动分岔并联机构，其由固定平台、运动平台、三条相同的可重构混联支链组成，机构整体为对称结构。其中可重构混联支链由可重构空间五杆机构和固定自由度PS支链组合而成，在描述运动副时，这里用P代表移动副，用S代表球副。
所述可重构空间五杆机构由五根杆组成，杆AB与第五连杆通过球面五杆机构相连，杆DE与第五连杆通过虎克铰相连，其中第五连杆为可重构空间五杆机构的机架。其余各杆间通过转动副相连且转动副轴线平行。可重构空间五杆机构具有两种不同工作模式，工作模式A为平面2自由度运动，工作模式B为单轴转动。
所述球面五杆机构有五根杆组成，各杆间通过转动副相连，相邻转动副轴线为正交，所有转动副轴线汇交于球面五杆机构的转动中心。球面五杆机构为2自由度机构，其可实现2自由度并联输入。
因可重构空间五杆机构具有两种不同工作模式，基于可重构空间五杆机构的可重构混联支链也相应具有两种不同工作模式。其一为无约束工作模式，另一为约束力矢工作模式。当连接运动平台和固定平台的三条可重构混联支链分别在不同工作模式间切换时，运动分岔并联机构可切换为3T3R、2T3R、1T3R、1T2R四种不同工作模式。在描述运动方式时，这里T代表移动，R代表转动。
附图说明：
图1为可重构空间五杆机构的初始位形。
图2为球面五杆机构。
图3为可重构空间五杆机构工作模式A。
图4为可重构空间五杆机构工作模式B。
图5为可重构混联支链初始位形。
图6为可重构混联支链无约束工作模式。
图7为可重构混联支链约束力矢工作模式。
图8为运动分岔并联机构初始位形。
图9为运动分岔并联机构3T3R工作模式。
图10为运动分岔并联机构2T3R工作模式。
图11为运动分岔并联机构1T3R工作模式。
图12为运动分岔并联机构1T2R工作模式。
附图标记说明：1、第一连杆；2、第二连杆；3、第三连杆；4、第四连杆；5、第五连杆；6、第六连杆；7、第七连架杆；I、运动平台；II、固定平台。
具体实施方式：
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述：
如图1所示为可重构空间五杆机构的初始位形，杆AB与第五连杆(5)通过球面五杆机构相连，杆DE与第五连杆(5)通过虎克铰相连，其余各杆通过转动副相连且其余各杆的转动副轴线平行，第五连杆(5)为可重构空间五杆机构的机架。
如图2所示为球面五杆机构，其由第一连杆(1)、第二连杆(2)、第三连杆(3)、第四连杆(4)和第五连杆(5)组成，第四连杆(4)即为图1中杆AB。球面五杆机构各杆间通过转动副相连接，相邻转动副轴线为正交，球面五杆机构所有转动副轴线汇交于其转动中心A点。
如图1所示，在初始位形时杆AB和杆DE垂直于第五连杆(5)，B点转动副轴线、C点转动副轴线、D点转动副轴线、A1点转动副轴线、虎克铰轴线E1E2相平行。A1点转动副轴线和虎克铰轴线E3E4方向相同。此时，可重构空间五杆机构的瞬时自由度为3，为保证机构瞬时运动的可控，需有3个输入同时作用。选取A1点处转动副、A2点处转动副和E1点处转动副为可重构空间五杆机构的3个输入关节。
如图3所示，当锁死A2点处转动副，A1点处转动副和E1点处转动副为可重构空间五杆机构的输入关节，可重构空间五杆机构切换为工作模式A。此时可重构空间五杆机构重构为平面五杆机构，其作平面内的连续2自由度运动。
如图4所示，当锁死A1点处转动副和E1点处转动副，A2点处转动副为输入关节，可重构空间五杆机构切换为工作模式B。此时可重构空间五杆机构重构为单轴转动机构，其运动方式为单轴连续转动。
初始位形为可重构空间五杆机构两种不同工作模式的切换位形。在初始位形可重构空间五杆机构的瞬时自由度为3，在工作模式A可重构空间五杆机构的连续自由度为2，在工作模式B可重构空间五杆机构的连续自由度为1。工作模式A和工作模式B是两种互斥的工作模式。
如图5所示为由可重构空间五杆机构和固定自由度PS串联支链组合而成的可重构混联支链，在代表运动副时，P代表移动副，S代表球副。在构建混联支链时用图5中第六连杆(6)替代了图1中的杆BC，第六连杆(6)为折杆，第六连杆(6)和第七连杆(7)间为移动副连接。当可重构空间五杆机构工作在工作模式A时，可重构混联支链工作在如图6所示的无约束工作模式，可重构混联支链的自由度为6。当可重构空间五杆机构工作在工作模式B时，可重构混联支链将工作在如图7所示的约束力矢工作模式，可重构混联支链的自由度为5，其存在一个约束力矢。
如图8所示为由运动平台(I)、固定平台(II)、三条可重构混联支链组成的运动分岔并联机构，其为对称结构。三条可重构混联支链都工作在无约束工作模式时，三条混联支链无约束作用于运动平台(I)，运动分岔并联机构工作在图9所示的3T3R工作模式，在描述运动方式时，这里T代表移动，R代表转动。当其中一条可重构混联支链工作在约束力矢工作模式，另外两条工作在无约束工作模式，将有一个约束力矢作用于运动平台(I)，运动分岔并联机构将失去一个移动运动，其工作在图10所示的2T3R工作模式。当有两条可重构混联支链工作在约束力矢工作模式，一条可重构混联支链工作在无约束工作模式，将有两个约束力矢作用于运动平台(I)，将约束掉运动平台的二个移动运动，运动分岔并联机构工作在图11所示的1T3R工作模式。当三条可重构混联支链都工作在约束力矢工作模式，将有三个约束力矢作用于运动平台(I)，所述三个约束力矢共面，但不相交也不平行，因此三个共面的约束力矢将约束掉运动平台(I)的两个移动运动和一个转动运动，运动分岔并联机构工作在1T2R工作模式。

Claims (1)

1.一种运动分岔并联机构，其由固定平台、运动平台、三条相同的可重构混联支链组成，运动分岔并联机构整体为对称结构；
所述可重构混联支链由可重构空间五杆机构和固定自由度PS串联支链组合而成；在描述运动副时，这里P代表移动副，S代表球副；可重构空间五杆机构的第六连杆(6)和固定自由度PS串联支链的第七连杆(7)间为移动副连接，第六连杆(6)为折杆；三条可重构混联支链中的可重构空间五杆机构处于初始位形时在可重构空间五杆机构形成的平面两两相交呈三条线；
所述可重构空间五杆机构由五根杆组成，杆AB与机架通过球面五杆机构相连接，杆DE与机架通过虎克铰相连接，其余各杆通过转动副相连接且所述转动副轴线相平行；
所述可重构空间五杆机构具有两种互斥的不同工作模式，初始位形为两种不同工作模式的切换位形；当杆AB和杆DE垂直于第五连杆(5)时，为可重构空间五杆机构的初始位形，初始位形时，可重构空间五杆机构的瞬时自由度为3；为保证可重构空间五杆机构初始位形时瞬时运动的可控，A1点处转动副、A2点处转动副和E1点处转动副需同时作用；
由初始位形开始，锁死A2点处的转动副，输入A1点处转动副和E1点处转动副，可重构空间五杆机构由初始位形切换为工作模式A；工作模式A时，可重构空间五杆机构重构为平面五杆机构，其作平面内的连续2自由度运动；
由初始位形开始，锁死A1点处转动副和E1点处转动副，输入A2点处的转动副，可重构空间五杆机构由初始位形切换为工作模式B；工作模式B时，可重构空间五杆机构重构为单轴转动机构，其作单轴连续转动；
基于可重构空间五杆机构的可重构混联支链相应也具有两种不同工作模式，当可重构空间五杆机构工作在工作模式A时，可重构混联支链的自由度为6，可重构混联支链无约束作用于运动分岔并联机构的运动平台，可重构混联支链工作在无约束工作模式；当可重构空间五杆机构工作在工作模式B时，可重构混联支链自由度为5，可重构混联支链将产生一个约束力矢作用于运动分岔并联机构的运动平台，可重构混联支链工作在约束力矢工作模式；
当三条可重构混联支链都工作在无约束工作模式时，运动分岔并联机构工作在3T3R工作模式；当其中一条可重构混联支链工作在约束力矢工作模式，其余两条工作在无约束工作模式，运动分岔并联机构工作在2T3R工作模式；当两条可重构混联支链工作在约束力矢工作模式，另外一条工作在无约束工作模式，运动分岔并联机构工作在1T3R工作模式；当三条可重构混联支链都工作在约束力矢工作模式，运动分岔并联机构工作在1T2R工作模式；描述机构运动模式时，这里T代表移动，R代表转动。
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