CN108214467A - 一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其包括下平台、上平台、连接这两个平台的三个结构相同的折叠分支和六个驱动缸，每个折叠分支均由下构件、上构件构成，下构件一端通过第一万向铰与下平台连接，下构件的另一端通过第一球铰与上构件一端连接，上构件另一端通过第一转动副与上平台连接；每个折叠分支具有两个驱动缸驱动，局部构成一个带两个驱动的并联机构，以实现上平台的六维运动。本发明在垂直方向可折叠，折叠后竖直方向的高度较低，占用空间小；同时能够实现较大的升沉运动，满足六自由度的工作要求，机械结构紧凑、刚度好、易于驱动，可应用于舰载稳定平台、运动模拟台等领域。

Description

一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机构，特别是一种六自由度并联机构。

背景技术

运动模拟台及舰载稳定平台等领域的主要机构对象为并联机构，并且一般要求具有六个自由度。对于运动模拟台，现有技术一般机构高度较高且升沉工作空间小，在达到大升沉的指标下，相应会提高平台的高度，造成小尺寸要求与大工作空间要求之间的矛盾。对于舰载并联稳定平台，由于舰船安装空间的限制对稳定平台的体积、重量都有较为苛刻的要求，而舰船在海浪中六自由度的运动会导致稳定平台在垂直方向上会产生较大的升沉，传统的六自由度稳定平台难以对其进行补偿，所以要设计一种能够对垂直方向较大位移补偿的并联机构。专利号为CN201620085926.X的中国专利提出了一种含有塔形收缩分支的六自由度并联调姿隔振平台，该专利中的三个收缩分支为剪叉型机构，中间带有一个助力弹簧，通过驱动剪叉机构最下面两个点来实现剪叉机构的升沉，该发明具有有六自由度但是结较复杂。专利号为CN201610644836.4的中国专利提出了一种具有双驱动交叉折叠分支的并联稳定接货平台，其通过折叠特性能够实现较大的升沉，但是其水平移动的工作空间较小。专利号为CN201310166550.6的中国专利提出的一种折叠式六自由度并联调姿平台由六个分支，每个分支上由一个驱动缸驱动，虽然该机构能够实现折叠特性，但是分支较多，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械结构紧凑、刚度好、易于驱动、占用空间小、能够实现较大的升沉运动并满足六自由度的工作要求的具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构。

本发明包括下平台、上平台、连接这两个平台的三个结构相同的折叠分支和六个驱动缸，下平台为平板或框架式结构，每个折叠分支均包括下构件和上构件，下构件和上构件均为梯形或三角形，其中下构件宽的一端通过第一万向铰与下平台连接，第一万向铰的第一个转轴垂直于下平台台面，第二个转轴平行于上平台台面并设在下构件的底边，下构件窄的一端通过第一球铰与上构件窄的一端连接，第一球铰为关节球轴承或者三个正交的转动副；上构件宽的一端通过第一转动副与上平台连接，第一转动副的轴线与上构件的边平行，并且轴线与上平台边线平行；三个折叠分支绕下平台中心线均布。为实现较优的工作特性，要求三个折叠分支的第一球铰均靠近下平台中心线，即折叠分支的肘向内拐；三个折叠分支均由两个驱动缸驱动，两个驱动缸对称设置在折叠分支两侧，驱动缸的缸筒的一端通过第二万向铰与下平台连接，驱动缸输出杆端通过第二球铰与该折叠分支的上构件的中部或中部两侧连接，构成空间双驱动折叠分支；三个折叠分支的第一万向铰绕下平台均匀布置，第一转动副绕上平台均匀布置。

为辅助整个机构由完全折叠状态展开，在三个折叠分支的上构件与上平台之间设有弹簧助力装置，弹簧助力装置包括弹簧助力缸筒、弹簧和弹簧助力伸出杆，在上构件平面上设有条形通孔，弹簧助力缸筒穿过条形通孔，其中部通过中部耳轴与上构件铰接，弹簧助力缸筒内设有弹簧，弹簧的一端抵在弹簧助力缸筒上，弹簧的另一端抵在弹簧助力缸伸出杆上，弹簧助力伸出杆的伸出端通过弹簧助力上转动副与上平台铰接。当上平台处于最低位时，弹簧助力缸中的弹簧处于压紧状态，上平台升起的时候能够提供上构件与上平台之间的起升辅助力，以改善关节及驱动受力。

本发明的机构学原理为：

整个机构为一个特殊的带复合驱动分支的并联机构，其三个折叠分支各自局部地构成一个具有两个输入驱动的并联机构。此局部并联机构的输出构件为上构件，且由三组局部分支构成，分别为中间US分支以及两侧驱动构成的UPS分支。此双驱动折叠分支自身具有5个自由度，并且当两个驱动缸锁死后，驱动折叠分支剩余三个自由度。由于上构件与上平台通过转动副连接，并且三组折叠分支对称布置，能够保证六个驱动缸锁死后，上平台保持不动，从而满足驱动合理性布置原理。

本发明的工作过程如下：

驱动缸输出杆通过球铰与折叠分支中的上构件的两侧连接，上构件与下构件通过第一球铰连接，折叠分支通过第一转动副与上平台连接，折叠分支通过第一万向铰与下平台连接。当一个折叠分支上的输出杆动作时折叠分支中的下构件会产生绕竖直方向的转动和绕水平的俯仰运动，通过第一球铰将运动传递给折叠分支中的上构件，通过第一转动副将折叠分支的运动传递给上平台，从而上平台可以实现一个复杂的六维运动。由于折叠机构具有行程放大作用，所以当该并联机构处于折叠状态时其垂直高度高度较低，而当展开后又能使上平台产生一个较大的升沉运动。

本发明的驱动方式：

本发明含有三个折叠分支，通过折叠分支将上下平台相连，每个折叠分支左右两侧都有一个驱动缸，通过给驱动缸输入实现上平台相对下平台做一个特定的运动。驱动缸采用液压或伺服电机带丝杠的电动缸实现。通过控制三个折叠分支上的六个驱动缸，可以让上平台产生六自由度运动。该并联机构折叠后处于最低位，给驱动缸输入使并联机构上平台升起，此时如果并联机构受力不好，在该并联机构折叠分支的上构件与上平台之间布置一个弹簧助力缸，当上平台处于最低位时，弹簧助力缸中的弹簧处于压紧状态，能够辅助上平台升起，降低关节及驱动受力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、在垂直方向可折叠，折叠后竖直方向的高度很低，占用空间小。

2、能够实现较大的升沉运动，同时满足六自由度的工作要求。

3、机械结构紧凑、刚度好、易于驱动。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体示意简图。

图2为图1折叠分支立体示意简图。

图3为本发明实施例2的立体示意简图。

图4为图3折叠分支立体示意简图。

图5为本发明实施例3的立体示意简图。

图6为本发明实施例4的立体示意简图。

图7为图6的弹簧助力装置简图。

图8为本发明实施例5的立体示意简图。

图9为图8的折叠分支驱动布置图。

图中：1、下平台；2、第一万向铰A；3、下构件；4、第一球铰A；5上构件；6、第一转动副；7上平台；8、第二万向铰A；9第二万向铰B；10、驱动缸A；11驱动缸B；12、第二球铰A；13、第二球铰B，14、第一球铰B、15、弹簧助力下转动副；16、弹簧助力装置；16-1、弹簧助力缸伸出杆、16-2弹簧助力缸筒、16-3弹簧、17、弹簧助力上转动副；18、第一万向铰B；19、第二转动副。

具体实施方式

实施例1

在图1、图2所示的具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构的示意图中，下平台1为框架式结构，三个结构相同的折叠分支中的

下构件3和上构件5均为梯形，其中下构件宽的一端通过第一万向铰A 2与下平台1连接，第一万向铰A的第一个转轴垂直于下平台1台面，下构件窄的一端通过第一球铰A 4与上构件窄的一端连接，下构件与第一球铰A的关节轴承的外圈固连，上构件与关节轴承的球体通过销轴固连，上构件宽的一端通过第一转动副6与上平台7连接，第一转动副的轴线与上构件的边平行，并且轴线与上平台7边线平行，上构件宽的一端的端部两侧设有两个铰座，与上平台边缘的两个铰座共同构成第一转动副；三个折叠分支绕下平台中心线均布，三个折叠分支的第一球铰均靠近下平台中心线，即折叠分支的肘向内拐；三个折叠分支均由驱动缸A10和驱动缸B11共同驱动，两个驱动缸对称设置在折叠分支两侧，驱动缸A10的缸筒的一端通过第二万向铰A 8与下平台连接，驱动缸A11的缸筒的一端通过第二万向铰B 9与下平台连接，两个驱动缸的输出杆端分别通过第二球铰A 12和第二球铰B 13与该折叠分支的上构件的中部连接，构成空间双驱动折叠分支；三个折叠分支的第一万向铰A绕下平台均匀布置，第一转动副绕上平台均匀布置。

实施例2

如图3和图4所示，折叠分支中的下构件3宽的一端通过第一万向铰B 18与下平台连接，第一万向铰B的第一转轴通过转盘轴承实现，转盘轴承下法兰与下平台固连，转盘轴承上法兰设有铰座并与下构件底部的铰座构成第一万向铰B的第二转轴；下构件窄的一端通过第一球铰B14与上构件5窄的一端连接，第一球铰B通过三个正交的转动副构成。其它部件和连接关系与实施例1相同。

实施例3

如图5所示，折叠分支中的下构件3窄的一端通过第二转动副19与上构件5宽的一端连接，第二转动副的轴线始终平行于下平台1的台面，并始终与第一万向铰2的第一转轴轴线平行；上构件窄的一端通过第一球铰14与上平台7铰接，其它部件和连接关系与实施例1或2相同。

实施例4

如图6和图7所示，在三个结构相同的折叠分支中的上构件5和上平台7之间安装弹簧助力装置16，在上构件平面上设有条形通孔，将上构件平面上开孔，弹簧助力缸筒16-2通过中部耳轴与上构件5铰接并穿过其上所开孔，弹簧16-1安装于弹簧助力缸筒16-2内部。弹簧助力缸伸出杆16-3可在弹簧助力筒16-2内滑动，并顶住弹簧16-1。弹簧助力伸出杆16-3通过弹簧助力上转动副17与上平台7铰接，通过弹簧助力下转动副15与上构件5铰接。其他部件和连接关系与实施例1相同。弹簧助力装置中的弹簧助力缸筒16-2穿过条形通孔，其中部通过中部耳轴与上构件铰接，弹簧助力缸筒内设有弹簧16-3，弹簧的一端抵在弹簧助力缸筒上，弹簧的另一端抵在弹簧助力缸伸出杆16-1上，弹簧助力伸出杆的伸出端通过弹簧助力上转动副与上平台铰接。

实施例5

如图8和图9所示，驱动缸A10的伸出杆通过第二球铰A12与下构件3中部的左侧连接，驱动缸B11的伸出杆通过第二球铰B13与下构件3中部的右侧连接，其它部件和连接关系与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其特征在于：其包括下平台、上平台、连接这两个平台的三个结构相同的折叠分支和六个驱动缸，下平台为平板或框架式结构，每个折叠分支均包括下构件和上构件，下构件和上构件均为梯形或三角形，其中下构件宽的一端通过第一万向铰与下平台连接，第一万向铰的第一个转轴垂直于下平台台面，第二个转轴平行于上平台台面并设在下构件的底边，下构件窄的一端通过第一球铰与上构件窄的一端连接，上构件宽的一端通过第一转动副与上平台连接，第一转动副的轴线与上构件的边平行，轴线与上平台边线平行；三个折叠分支绕下平台中心线均布，每个折叠分支的第一球铰均靠近下平台中心线；三个折叠分支均由两个驱动缸驱动，两个驱动缸对称设置在折叠分支两侧，驱动缸的缸筒的一端通过第二万向铰与下平台连接，驱动缸输出杆端通过第二球铰与该折叠分支的上构件的中部或中部两侧连接，构成空间双驱动折叠分支；三个折叠分支的第一万向铰绕下平台均匀布置，第一转动副绕上平台均匀布置。

2.根据权利要求1所述的具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其特征在于：所述第一球铰为关节球轴承或者三个正交的转动副。

3.根据权利要求1所述的一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其特征在于：所述折叠分支下构件为梯形，下构件宽的一端通过第一万向铰与下平台连接，下构件窄的一端通过第一转动副与上构件宽的一端连接，上构件窄的一端通过第一球铰与上平台铰接，第一球铰绕上平台均匀布置。

4.根据权利要求1所述的一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其特征在于：所述折叠分支的两个驱动缸的输出杆端通过第二球铰与折叠分支的下构件中部的两侧连接。

5.根据权利要求1所述的具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，其特征在于：所述三个折叠分支的上构件与上平台之间设有弹簧助力装置，弹簧助力装置包括弹簧助力缸筒、弹簧和弹簧助力伸出杆，在上构件平面上设有条形通孔，弹簧助力缸筒穿过条形通孔，其中部通过中部耳轴与上构件铰接，弹簧助力缸筒内设有弹簧，弹簧的一端抵在弹簧助力缸筒上，弹簧的另一端抵在弹簧助力缸伸出杆上，弹簧助力伸出杆的伸出端通过弹簧助力上转动副与上平台铰接。