CN107283427A - 变胞并联机构 - Google Patents

Abstract

一种变胞并联机构，其通过3条对称布置的相同变胞支链连接固定平台和运动平台；变胞支链由具有解耦特性的2自由度球面五杆机构和4自由度CRR串联支链组合而成；变胞支链具有3种不同工作模式，3条变胞支链在3种不同工作模式间切换时，变胞并联机构可具有10种不同的工作模式；所述变胞并联机构具有动态性能好，工作模式多，重构过程无奇异等优点。

Description

变胞并联机构

技术领域：

本发明属于机构学及机器人学领域，特别涉及一种变胞并联机构。

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、微纳操作、增材制造等领域等到了重要及广泛应用。

但随着现代科技的发展，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构具有更高的柔性，能根据作业任务变化而可重构其拓扑结构、变化其自由度数和自由度性质、重构其工作模式。在这种背景下，可重构并联机构引起了学者们的广泛关注，成为机构学和机器人学领域新的研究热点。学者们利用变胞运动副、可锁死关节、约束奇异单环闭链、变胞单环闭链、可重构运动平台等发明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构型仍然比较少，且存在工作模式较少、伺服电机安装在远离机架位置、重构过程中存在支链奇异或约束奇异等不足。

发明内容：

本发明针对现有技术之不足，提出一种新型变胞并联机构，其具有10种不同工作模式，全部伺服电机可安装在机架，变胞过程中无支链奇异和约束奇异。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种变胞并联机构，其为对称结构，通过3条相同的变胞支链连接并联机构的固定平台和运动平台。变胞支链由具有解耦特性的球面五杆机构和4自由度CRR串联支链混联而成，在描述运动副时，C代表圆柱副，R代表转动副。具有解耦特性的球面五杆机构由5根杆组成，各杆间通过转动副连接，相邻转动副轴线正交，所有转动的轴线都通过球面五杆机构的几何中心点，球面五杆机构自由度为2，选取球面五杆机构与机架相连的两个转动副为输入副。两个输入副输入为零时，为变胞支链的初始位形。

与球面五杆机构相连的CRR串联支链自由度为4，与球面五机构相邻的为C副，2个R副轴线平行。在初始位形，C副轴线与球面五杆机构一个输入副轴线正交，C副轴线与球面五杆机构另一个输入副轴线平行。

当锁死和C副轴线平行的输入副，驱动另一个输入副，变胞支链将存在一个约束力矢，变胞支链自由度为5，变胞支链工作在模式A。当锁死和C副轴线正交的输入副，驱动另一个输入副，变胞支链将存在一个约束力耦，变胞支链自由度为5，变胞支链工作在模式B。当同时驱动两个输入副，变胞支链无约束，变胞支链自由度为6，变胞支链工作在模式C。两个输入副输入为零的位形，是变胞支链3种不同工作模式进行切换的初始位形。

当变胞并联机构的3条变胞支链分别在3种不同工作模式间切换时，变胞并联机构可变胞为3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T共10种不同的工作模式，在描述工作或运动方式时，T代表移动，R代表转动。

附图说明：

图1为球面五杆机构。

图2为变胞支链初始位形。

图3为变胞支链工作模式A。

图4为变胞支链工作模式B。

图5为变胞支链工作模式C。

图6为变胞并联机构。

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：

图1所示为具有解耦性质的球面五杆机构，其由5根杆和5个转动副组成。各杆间通过转动副相连，所有转动副的轴线都通过球面五杆机构的几何中心，相邻转动副轴线正交。选取与机架相连的转动副R₁和R₂为输入副。

图2所示为初始位形时的变胞支链，其由球面五杆机构和一个4自由度CRR串联支链组合而成，串联支链由C副、转动副R₃和R₄、及两根杆组成，R₃和R₄轴线相互平行。串联支链中与球面五杆机构相邻的为C副，初始位形时C副轴线与R₁轴线正交，且初始位形时C副轴线与R₂轴线平行。

图3所示为重构为工作模式A的变胞支链，此时R₁为输入副，R₂被锁死。此时C副轴线与R₁轴线正交，C副轴线与R₂轴线不再平行。此时变胞支链自由度为5，其存在1个约束力矢，约束力矢过C副轴线与R₁轴线的交点，方向与R₃和R₄轴线方向相同。

图4所示为重构为工作模式B的变胞支链，此时R₂为输入副，R₁被锁死。此时C副轴线与R₁轴线不再正交，C副轴线与R₂轴线平行。此时变胞支链自由度为5，其存在1个约束力耦，C副轴线与R₂的轴线组成一组平行直线，R₃和R₄轴线组成另一组平行直线，约束力耦方向为两组平行线的公法线。

图5所示为重构为工作模式C的变胞支链，此时R₁和R₂同为输入，变胞支链自由度为6，其无约束。

如图6所示由3条变胞支链组成的变胞并联机构，构件1为运动平台，构件2为固定平台，连接固定平台2和运动平台1的3条变胞支链为对称布置。当3条变胞支链分别在3种不同工作模式间切换时，变胞并联机构具有10种不同工作模式，分别为3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T工作模式，在描述工作或运动方式时，T代表移动，R代表转动。

因变胞并联机构的全部输入副都与固定平台相连，其全部伺服电机都安装在固定平台，因此所述变胞并联机构具有动态特性好的优点。因每条变胞支链具有3种不同工作模式，3条结构相同且对称布置的变胞支链在不同工作模式间切换时，变胞并联机构可具有10种不同工作模式，因此所述变胞并联机构具有工作模式多的优点。因球面五杆机构具有解耦特性，变胞并联机构在重构过程中无支链奇异和约束奇异，其具有有效避免上述奇异的优点。

Claims (1)

1.一种变胞并联机构，其为对称结构，其由3条相同的变胞支链连接固定平台和运动平台；变胞支链由具有解耦特性的2自由度球面五杆机构和4自由度CRR串联支链混联而成，在描述运动副时，C代表圆柱副，R代表转动副；

球面五杆机构由5根杆和5个转动副组成，各杆通过转动副相连，所有转动副轴线都通过球面五杆机构的几何中心，相邻转动副轴线正交，选取与球面五杆机构机架相连的转动副R₁和R₂作为球面五杆机构的输入副，R₁和R₂输入为零时，为变胞支链不同工作模式进行切换的初始位形；

串联支链由C副和转动副R₃和R₄组成，R₃和R₄轴线平行，与球面五杆机构相邻的为C副，在初始位形C副轴线与R₁轴线正交且与R₂轴线平行；

当锁死R₂，驱动R₁，变胞支链工作在工作模式A，此时C副轴线与R₁轴线正交，但C副轴线与R₂轴线不再平行，此时变胞支链自由度为5，变胞支链存在一个约束力矢，该约束力矢过C副轴线与R₁轴线的交点，且方向与R₃和R₄轴线方向相同；

当锁死R₁，驱动R₂，变胞支链工作在工作模式B，此时C副轴线与R₁轴线不再正交，但C副轴线与R₂轴线平行，此时变胞支链自由度为5，变胞支链存在一个约束力耦，此时C副轴线与R₂为轴线相平行的一组线矢，R₃和R₄为轴线相平行的另一组线矢，两组线矢的公法线方向即为约束力耦方向；

当同时驱动R₁和R₂，变胞支链工作在工作模式C，此时球面五杆机构自由度为2，串联支链自由度为4，由它们组合而成的变胞支链自由度为6，此时变胞支链无约束；

当3条变胞支链在3种不同工作模式间切换时，变胞并联机构将具有3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T共10种不同的工作模式，在描述运动方式时，T代表移动，R代表转动。