CN107322574A - 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自由度串联支链混联而成。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串联支链自由度为4，其由4个转动副和3根杆组成。各杆通过转动副相连。在初始位形，与球面五杆机构相邻的转动副轴线与球面五杆机构一个输入副轴线正交，与球面五杆机构相邻的转动副轴线与球面五杆机构另一个输入副轴线平行。串联支链其余3个转动副轴线相互平行，但其轴线方向与和球面五杆机构相邻的转动副轴线方向不同。

当锁死和球面五杆机构相邻转动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。当锁死和球面五杆机构相邻转动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，变胞并联机构可重构为3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T共10种不同的工作模式，在描述运动方式时，字母T代表移动，字母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自由度串联支链组合而成，串联支链由3根杆和4个转动副组成，各杆间通过转动副相连。R₃为串联支链中与球面五杆机构相邻的转动副，初始位形时R₃与R₁轴线正交，R₃与R₂轴线平行。串联支链中其它3个转动副R₄、R₅和R₆轴线相互平行，但不与R₃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R₃与R₁轴线正交，R₃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R₃与R₁的交点，方向与R₄、R₅和R₆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R₃与R₁轴线不再正交，R₃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，R₃与R₂的轴线组成一组平行线，R₄、R₅和R₆轴线组成另一组平行线，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，在描述运动方式时，字母T代表移动，字母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自由度串联支链混联而成；

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4个转动副和3根杆组成，各杆通过转动副相连，与球面五杆机构相邻的转动副为R₃，在初始位形R₃与R₁轴线正交且R₃与R₂轴线平行；串联支链其余3个转动副R₄、R₅和R₆轴线相平行，但与R₃轴线方向不同；

当锁死R₂，驱动R₁，变胞支链工作在工作模式A，此时R₃与R₁轴线正交，但R₃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R₃与R₁轴线的交点，且方向与R₄、R₅和R₆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R₃与R₁轴线不再正交，但R₃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R₃与R₂为轴线相平行的一组线矢，R₄、R₅和R₆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。