CN107932482B - 一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构 - Google Patents

一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，包括运动平台和固定平台；其技术特点在于：在所述运动平台和固定平台之间铰装有对称布置的四条四周运动支链和两条中间运动支链，所述四条四周运动支链和两条中间运动支链均为可伸缩机构。本发明可实现笛卡尔坐标系下的三维转动和两维移动运动输出，并且机构结构简单紧凑、刚度大、运动精度高，且为冗余驱动。

Description

一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构
技术领域
本发明属于机器人机构和先进制造技术领域，涉及应用于并联式机床装备的五自由度并联机构，尤其是一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构。
背景技术
并联机构是一组由两个或两个以上的分支机构并联而成的机构。它的特点是所有分支机构可同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，在机构学上属于多路闭环机械系统。以并联机构作为传动进给机构的数控机床、机器人操作机以及由此组成的制造单元统称为并联构型装备，是近年来发展起来的一种有着广阔应用前景的新型制造装备。根据自由度的数目和类型进行分类，五自由度并联机构可分为三维移动两维转动型五自由度并联机构和两维移动三维转动型五自由度并联机构。具有五自由度的并联机构可应用到定位装置、机床附件等领域具有广阔的应用前景，国内外众多学者对该类机构进行了研究。
通过检索，发现一篇与本专利申请相关的公开专利文献：
一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构(CN105810135)，包括五条驱动分支机构(1)、静平台(2)和动平台(3)，其特征在于：所述驱动分支机构(1)的一端与静平台(2)相连接，驱动分支机构(1)的另一端与动平台(3)相连接。通过技术特征的对比，上述公开专利文献是实现三移动两转动的无自由度并联机构，与本专利申请有较大的不同。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、安装简易、便于控制且实用性高的可实现三维转动和两维移动运动的冗余驱动五自由度并联机构。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，包括运动平台和固定平台；在所述运动平台和固定平台之间铰装有对称布置的四条四周运动支链和两条中间运动支链，所述四条四周运动支链和两条中间运动支链均为可伸缩机构。
而且，所述四条四周运动支链结构相同，四条四周运动支链上端分别铰装在方形运动平台的四个顶点上，四条四周运动支链下端分别铰装在方形固定平台的四个顶点上；所述两条中间运动支链结构相同，两条中间运动支链的上端共同铰装在方形运动平台上，两个中间运动支链的下端分别铰装在方形固定平台上。
而且，所述四周运动支链由两个球副和一个移动副构成，所述两个球副分别固装在方形运动平台和固定平台的顶点上，移动副的两端分别与两个球副饺装在一起。
而且，所述两条中间运动支链由一个复合球副、两个转动副和两个移动副构成；所述一个复合球副固装在方形运动平台的中心位置，两个转动副分别固装在固定平台上的单侧两个球副连线的中心位置，两个移动副的两端分别铰装在复合球副和两个转动副之间。
而且，所述四条四周运动支链和两条中间运动支链的移动副均为机构的驱动副。
而且，所述固装在固定平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
而且，所述固装在运动平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
而且，所述固装在固定平台上的两个转动副的转动轴线相互平行；且该两个转动副的转动轴线分别与同侧两个球副的中心连线相平行。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明可实现笛卡尔坐标系下的三维转动和两维移动运动输出，并且机构结构简单紧凑、刚度大、运动精度高。
2、本发明采用六条运动支链，可以实现机构的三维转动和两维移动的解耦运动输出，具有较大的平移运动空间和转动运动空间，且具有很好的各向同向性，实现了机构的冗余驱动。
3、本发明机构结构简单，制造、安装容易，传动精度高，成本低；且工作空间较大，传动特性好；同时机构的运动学正、反解简单，简化了轨迹规划、控制、校正等一系列技术问题，有利于机构在并联机床装备领域的应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2(a)是本发明的实施状态示意图；
图2(b)是本发明的实施状态示意图；
图中，1-运动平台，2-固定平台，S11-固装在固定平面上的第一条运动支链的球副，P11-第一条运动支链的移动副，S12-固装在运动平面上的第一条运动支链的球副，S21-固装在固定平面上的第二条运动支链的球副，P21-第二条运动支链的移动副，S22-固装在运动平面上的第二条运动支链的球副，S31-装在固定平面上的第三条运动支链的球副，P31-第三条运动支链的移动副，S32-装在运动平面上的第三条运动支链的球副，S41-固装在固定平面上的第四条运动支链的球副，P41-第四条运动支链的移动副，S42-固装在运动平面上的第四条运动支链的球副，R51-固装在固定平面上的第五条运动支链的转动副，P51-第五条运动支链的移动副，S52-第五条运动支链和第六条运动支链的复合球副，R61-固装在固定平面上的第六条运动支链的转动副转动副，P61-移动副。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，如图1、图2(a)和图2(b)所示，包括运动平台1和固定平台2；在所述运动平台和固定平台之间铰装有对称布置的四条四周运动支链和两条中间运动支链，所述四条四周运动支链和两条中间运动支链均为可伸缩机构。
所述四条四周运动支链结构相同，四条四周运动支链上端分别铰装在方形运动平台的四个顶点上，四条四周运动支链下端分别铰装在方形固定平台的四个顶点上；所述两条中间运动支链结构相同，两条中间运动支链的上端共同铰装在方形运动平台上，两个中间运动支链的下端分别铰装在方形固定平台上。
所述四周运动支链由两个球副和一个移动副构成，所述两个球副分别固装在方形运动平台和固定平台的顶点上，移动副的两端分别与两个球副饺装在一起。
所述两条中间运动支链由一个复合球副、两个转动副和两个移动副构成；所述一个复合球副固装在方形运动平台的中心位置，两个转动副分别固装在固定平台上的单侧两个球副连线的中心位置，两个移动副的两端分别铰装在复合球副和两个转动副之间。
在本实施例中，所述四条四周运动支链由第一条运动支链、第二条运动支链、第三条运动支链和第四条运动支链构成；所述第一条运动支链由分别固装在运动平台顶点上的球副S12、固装在固定平台顶点上的球副S11和铰装在两个球副之间的移动副P11构成。所述第二条运动支链由分别固装在运动平台顶点上的球副S22、固装在固定平台顶点上的球副S21和铰装在两个球副之间的移动副P21构成。所述第三条运动支链由分别固装在运动平台顶点上的球副S132、固装在固定平台顶点上的球副S31和铰装在两个球副之间的移动副P31构成。所述第四条运动支链由分别固装在运动平台顶点上的球副S42、固装在固定平台顶点上的球副S41和铰装在两个球副之间的移动副P41构成。
在本实施例中，所述两条中间运动支链由第五条运动支链和第六条运动支链构成；所述第五条运动支链由固装在运动平台中心位置的复合球副S52、固装在固定平台上的转动副R51和铰装在复合球副S52和转动副R51之间的移动副P51构成。所述第五条运动支链的转动副固装在第一条运动支链的球副S11和第二条运动支链的球副S21的连线的中心位置。所述第六条运动支链由固装在运动平台中心位置的复合球副S52(与第五条运动支链共用同一个复合球副)、固装在固定平台上的转动副R61和铰装在复合球副S52和转动副R61之间的移动副P61构成。所述第六条运动支链的转动副固装在第三条运动支链的球副S31和第四条运动支链的球副S41的连线的中心位置。
所述四条四周运动支链和两条中间运动支链的移动副均为机构的驱动副。
所述固装在固定平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
在本实施例中，固装在固定平台上的第一条运动支链的球副S11、第二条运动支链的球副S21、第三条运动支链的球副S31和第四条运动支链的球副S41，四个球副的中心连线在固定平台2上形成一个正方形。
所述固装在运动平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
在本实施例中，固装在运动平台上的第一条运动支链的球副S12、第二条运动支链的球副S22、第三条运动支链的球副S32和第四条运动支链的球副S42，四个球副的中心连线在运动平台上形成一个正方形。
所述固装在固定平台上的两个转动副的转动轴线相互平行；且该两个转动副的转动轴线分别与同侧两个球副的中心连线相平行。
在本实施例中，所述第五条运动支链和第六条运动支链对称设置于固定平台的两侧，且第五条运动支链的转动副R51的转动轴线Z51与第六条运动支链的转动副R61的转动轴线Z61相互平行，转动副R51的转动轴线Z51与固装在固定平台上的第一条运动支链的球副S11和第二条运动支链的球副S21的中心连线平行，转动副R61的转动轴线Z61与第三条运动支链的球副S31和第四条运动支链的球副S41的中心连线平行。
本发明的工作原理为：
通过改变六条运动支链中各移动副的移动位移，从而实现运动平台的三转动两移动的解耦运动输出。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，包括运动平台和固定平台；其特征在于：在所述运动平台和固定平台之间铰装有对称布置的四条四周运动支链和两条中间运动支链，所述四条四周运动支链和两条中间运动支链均为可伸缩机构；
所述四周运动支链由两个球副和一个移动副构成，所述两个球副分别固装在方形运动平台和固定平台的顶点上，移动副的两端分别与两个球副铰装在一起；
所述两条中间运动支链由一个复合球副、两个转动副和两个移动副构成；所述一个复合球副固装在方形运动平台的中心位置，两个转动副分别固装在固定平台上的单侧两个球副连线的中心位置，两个移动副的两端分别铰装在复合球副和两个转动副之间。
2.根据权利要求1所述的一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，其特征在于：所述四条四周运动支链结构相同，四条四周运动支链上端分别铰装在方形运动平台的四个顶点上，四条四周运动支链下端分别铰装在方形固定平台的四个顶点上；所述两条中间运动支链结构相同，两条中间运动支链的上端共同铰装在方形运动平台上，两个中间运动支链的下端分别铰装在方形固定平台上。
3.根据权利要求1所述的一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，其特征在于：所述四条四周运动支链和两条中间运动支链的移动副均为机构的驱动副。
4.根据权利要求1所述的一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，其特征在于：所述固装在固定平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
5.根据权利要求1所述的一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，其特征在于：所述固装在运动平台上的四条四周运动支链的四个球副的中心连线呈正方形。
6.根据权利要求1所述的一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构，其特征在于：所述固装在固定平台上的两个转动副的转动轴线相互平行；且该两个转动副的转动轴线分别与同侧两个球副的中心连线相平行。
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