CN107932486A - 一种共连杆式多级耦合并联机构 - Google Patents

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刘扬
韩家旭
史树阳
张文进
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0045—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base

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Abstract

一种共连杆式多级耦合并联机构，其包括定平台、若干耦合平台、动平台以及连接这三个平台的三条结构相同的支链，每条支链包括主动杆、耦合连杆、球碗和从动杆，其中，主动杆的一端通过转动副和球副分别与定平台和耦合连杆的一端连接，该耦合连杆的中部与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端球副连接，该另一个耦合连杆的中部与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端与从动杆一端球副连接，该从动杆的另一端与动平台连接。本发明工作空间明显增大，并具有较大伸缩比，运动端不需要额外驱动，降低了运动端重量和驱动数量，易于控制且具有更好的动态性能。

Description

一种共连杆式多级耦合并联机构
技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种多级耦合并联机构。
背景技术
并联机构虽然具有刚度大、精度高、动态性能好等优点，但由于受运动副、支链干涉，空间奇异的影响，使得并联机构工作空间较小这一共性缺点制约了并联机构的应用水平。很多学者尝试采用多个并联机构之间通过共用平台进行串联,即混联的方法，意在既保留并联机构优点同时又能弥补工作空间不足。这种方式在理论上确实对并联机构的工作空间有明显改善的作用，但由于这种连接方式需要在每一级并联平台安装驱动单元，使得每一级机构需要承担以下各级的自重以外，还需承担这些机构驱动单元的重量，突显了类似于串联机构各关节体积和重量逐级增大的弊端，大大降低了机构动态性能，实用性有待进一步证实。因此这样的机构在工程应用中并不常见。此外，并联机构的运动空间还受到运动副自身的工作空间的限制，如球副的工作空间十分有限，使得实际应用中机构的工作空间距离理论工作空间又很大的差距。
专利号为CN20170155118.5的专利申请公开了一种基于RSR构型并联机构的模块化仿生蛇形机器人，其是一种将多个RSR并联机构进行串联的混联机构，末端执行器相对于定平台具有两转动一移动运动的叠加，运动方式多样，长度可调，身体粗细可变等特点。然而，多数的混联机构都存在后一级驱动单元的自重成为前一级驱动负载从而大大降低了机构动态特性，同时又由于增大了前一级驱动体积，经多级串联后，结构变得十分臃肿，失去了实用的意义。而且，随着混联机构中并联关节数的增加，运动学正反解难度越来越大，驱动也变的十分困难。
发明内容
为解决并联机构工作空间不足、由混联机构中后一级机构的驱动单元自重成为前一级机构驱动单元的负载造成的体积庞大的缺点以及多级混联机构受限于运动学正反解困难导致的实际控制较难的问题，本发明提供一种共连杆式多级耦合并联机构。
本发明包括定平台、若干耦合平台、动平台以及连接定平台、动平台和耦合平台的三条结构相同的支链，每条支链包括主动杆、耦合连杆、球碗和从动杆，其中，定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，主动杆的一端通过设在动平台开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆的两端均设有通过转动副连接的球碗，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端与设在从动杆一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
以此耦合方式，并联机构可以以任意级数耦合并联下去；此时机构具有两转动一移动自由度的多级叠加。
另一种连接方式是：连接定平台、若干耦合平台和动平台的三条支链中，有两条结构相同，其部件和连接方式与上述连接方式的支链相同，另一条支链中的主动杆的一端通过设在定平台开口槽上的转动副与定平台连接，其另一端通过转动副与耦合连杆的一端连接，该耦合连杆的中部通过通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端通过转动副与另一个耦合连杆的一端连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端通过转动副与从动杆一端的连接，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
以此耦合方式，并联机构可以以任意级数耦合并联下去；此时机构具有一转动一移动自由度的多级叠加。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、通过在相邻两级并联机构同相位支链增加耦合运动关系，使得前一级机构输出角定量传递给后一级机构作为输入角，依照此方法在多级并联机构间增加相同的耦合运动关系，使得运动逐级传动，工作空间逐级放大，通过一定级数并联机构的耦合，即可实现类似串联机械臂的效果。
2、通过对支链球副增加局部自由度，增大了单一或多级耦合并联机构的伸缩比；由于机构之间存在耦合关系，大大减少了驱动单元的数量，以及免去了很多布线方面的麻烦。
3、当各级并联机构尺寸相同时，运动学正反解变得极为简单，十分有利于工程实际中的控制工作。
附图说明
图1是本发明实施例1立体结构示意图；
图2是本发明实施例1偏转状态示意图；
图3是本发明实施例1收缩状态示意图；
图4是本发明实施例2立体结构示意图；
图5是本发明实施例2偏转状态示意图；
图6是本发明实施例2收缩状态示意图。
图中：1.定平台、2.耦合平台、3.动平台、4.主动杆、5.球碗、6.耦合连杆、7.从动杆。
具体实施方式
实施例1
在图1、图2和图3所示的共连杆式多级耦合并联机构示意图中，连接定平台1、4个耦合平台2和动平台3的为三条结构相同的支链，定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，每条支链中的主动杆4的一端通过设在动平台开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆6的两端均设有通过转动副连接的球碗5，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端与设在从动杆7一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
以此耦合方式，并联机构可以以任意级数耦合并联下去；此时机构具有两转动一移动自由度的多级叠加。
实施例2
如图4、图5、图6所示，连接定平台1、3个耦合平台2和动平台3的三条支链中，有两条结构相同，其部件和连接方式与实施例1的支链相同，另一条支链中的主动杆5的一端通过设在定平台开口槽上的转动副与定平台连接，其另一端通过转动副与耦合连杆6的一端连接，该耦合连杆的中部通过通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端通过转动副与另一个耦合连杆的一端连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端通过转动副与从动杆7一端的连接，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
以此耦合方式，并联机构可以以任意级数耦合并联下去；此时机构具有一转动一移动自由度的多级叠加。

Claims (2)

1.一种共连杆式多级耦合并联机构，其包括定平台、若干耦合平台、动平台以及连接定平台、动平台和耦合平台的三条结构相同的支链，其特征在于：所述定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，所述每条支链包括主动杆、耦合连杆、球碗和从动杆，其中，主动杆的一端通过设在动平台开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆的两端均设有通过转动副连接的球碗，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端与设在从动杆一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接；
以此耦合方式，并联机构以任意级数耦合并联下去；此时机构具有两转动一移动自由度的多级叠加。
2.一种共连杆式多级耦合并联机构，其包括定平台、若干耦合平台、动平台以及连接定平台、动平台和耦合平台的三条支链，其特征在于：所述定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，所述三条支链中有两条支链结构相同，每条支链包括主动杆、耦合连杆、球碗和从动杆，其中，主动杆的一端通过设在动平台开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆的两端均设有通过转动副连接的球碗，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端与设在从动杆一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接；三条支链中的另一条支链中的主动杆的一端通过设在定平台开口槽上的转动副与定平台连接，其另一端通过转动副与耦合连杆的一端连接，该耦合连杆的中部通过通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端通过转动副与另一个耦合连杆的一端连接，该另一个耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，通过耦合连杆依次与每一个耦合平台连接，最后一个与耦合平台连接的耦合连杆的另一端通过转动副与从动杆一端的连接，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接；
以此耦合方式，并联机构以任意级数耦合并联下去；此时机构具有一转动一移动自由度的多级叠加。
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