CN108608418A - 一种球面运动并联机构 - Google Patents

Abstract

一种球面运动并联机构，它的第一连杆、齿轮连杆一、齿轮连杆二、第二连杆、齿轮连杆三和齿轮连杆四之间通过运动副依次连接，第三连杆的一端通过运动副与构件一连接，第三连杆的另一端通过运动副与第四连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过运动副与构件二连接；其中齿轮连杆一和齿轮连杆二构成支链一，齿轮连杆三和齿轮连杆四构成支链二，中间部分第三连杆、第四连杆和三个运动副构成三自由度平面子链一。本发明驱动方式简单，能够实现关于中间平面完全对称的运动，将每一个单元进行串联，可得到运动范围更大的结构。

Description

一种球面运动并联机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种球面并联机构。

背景技术

机构中各运动构件上所有点都在同心球面上的运动机构称为球面机构。球面两自由度机构可以实现沿球面曲线的运动，可用于食品、药品的包装，工艺产品的加工，球形物体的检测等方面。

已有的球面两自由度并联机构中，其输出运动是机构上一点在球面上的移动，而很多情况需要末端连杆在球面上具有灵活的运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在运动过程中固定连杆和末端连始终关于中间平面保持对称、并且末端连杆具有以球面连杆的球心为转动中心的两个转动自由度的球面运动并联机构。

本发明包括八个连杆、两个构件以及连接它们的运动副，所述八个连杆中有两个或四个为齿轮连杆，该齿轮连杆的一端为齿轮，所述构件为两侧设有转动轴线交于一点的转动副，且中间设有转动轴线垂直于中间平面的转动副的连接件，或为两侧设有转动轴线交于一点的转动副，且中间设有移动中心线在中间平面上的移动副的连接件，或为两端设有转动轴线交于一点的转动副的连接件，或为一端设有转动副，另一端设有转动轴线垂直于中间平面的转动副的连接件，其中，第一连杆为固定连杆，其一端通过转动副一与齿轮连杆一的一端连接，齿轮连杆一的齿轮端与齿轮连杆二的齿轮端啮合，形成齿轮副一，且传动比为1；构件一的上下分别通过转动副三和转动副二与齿轮连杆二和齿轮连杆一的齿轮端连接；齿轮连杆二的另一端通过转动副四与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副五与齿轮连杆三的一端连接，齿轮连杆三的齿轮端与齿轮连杆四的齿轮端啮合，形成齿轮副二，且传动比为1；构件二的上下分别通过转动副六和转动副七与齿轮连杆三和齿轮连杆四的齿轮端连接，齿轮连杆四的另一端通过转动副八与第一连杆的另一端连接；第三连杆的一端通过转动副九与构件一的中部连接，第三连杆的另一端通过转动副十与第四连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副十一与构件二的中部连接；转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心，构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件二的上下两个转动副轴线分别与齿轮副二的上下两个齿轮中心轴线重合，构件一通过三自由度平面子链与构件二连接。

所述三自由度平面子链由两个连杆和三个运动副连接而成，三个运动副中，一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，且三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直。三自由度平面子链有以下7种组成形式：RRR、RPR、RRP、PRR、RPP、PRP、PPR，R代表转动副，P代表移动副。

机构关于中间平面对称，该中间平面为第一连杆与第二连杆的对称面，三自由度平面子链中的转动副轴线垂直于中间平面；第一连杆和第二连杆、各齿轮连杆均为球面连杆，其球心在空间重合于一点，即为该机构的转动中心。所述球面连杆为所有点都在以空间一点为球心的同心球面上的连杆。第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

本发明是将与第一连杆相连接的齿轮连杆一和齿轮连杆四作为机构输入；第二连杆作为末端连杆。

将其中两个齿轮连杆替换为两个连杆时，连接它们的两个转动副替换为一个转动副。

将中间部分的三自由度平面子链替换成一个弧形移动副，其移动中心线为位于中间平面上且以转动中心为圆心的弧线。

可以将多个上述机构进行连接，连接后可将机构的运动放大。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、机构的固定连杆和末端连杆在运动过程中始终关于中间平面对称，可以实现完全对称的运动；

2、末端连杆可以以位于中间平面上且过转动中心的任意直线为轴线进行连续转动，给机构的应用和控制带来了很大的方便；

3、将多个单元进行连接后，最后一个单元末端连杆的运动和第一个单元末端连杆的运动形式相同，可以得到运动范围更大的结构，此种结构驱动方式简单并且能够实现中心控制的远程运动，在食品、药品的包装，工艺产品的加工，球形物体的检测等方面有很高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的实施例1的示意简图；

图2是本发明的实施例2的示意简图；

图3是本发明的实施例3的示意简图；

图4是本发明的实施例4的示意简图；

图5是本发明的实施例5的示意简图；

图6是本发明的实施例6的示意简图；

图7是本发明的实施例7的示意简图。

图中：1-第一连杆、2-第二连杆、3-第三连杆、4-第四连杆、5-第五连杆、6-第六连杆、7-第八连杆、8-第八连杆、9-第九连杆、10-第十连杆、11-第十一连杆、12-单元连接件、C1-齿轮连杆一、C2-齿轮连杆二、C3-齿轮连杆三、C4-齿轮连杆四、C5-齿轮连杆五、C6-齿轮连杆七、C8-齿轮连杆八、J1-构件一、J2-构件二、J3-构件三、J4-构件四、J5-构件五、J6-构件六、M1-弧形移动副一、M2弧形移动副二。

具体实施方式：

实施例1

在图1所示的球面运动并联机构示意图中，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一R1与齿轮连杆一C1的一端连接，齿轮连杆一的齿轮端与齿轮连杆二C2的齿轮端啮合，形成齿轮副一G1，且传动比为1；构件一和构件二均为两侧设有转动轴线交于一点的转动副，且中间设有转动轴线垂直于中间平面的转动副的连接件，构件一J1的上下分别通过转动副三R3和转动副二R2与齿轮连杆二和齿轮连杆一的齿轮端连接；齿轮连杆二的另一端通过转动副四R4与第二连杆2的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副五R5与齿轮连杆三C3的一端连接，齿轮连杆三的齿轮端与齿轮连杆四C4的齿轮端啮合，形成齿轮副二G2，且传动比为1；构件二J2的上下分别通过转动副六R6和转动副七R7与齿轮连杆三和齿轮连杆四的齿轮端连接，齿轮连杆四的另一端通过转动副八R8与第一连杆的另一端连接；第三连杆3的一端通过转动副九R9与构件一的中部连接，第三连杆的另一端通过转动副十R10与第四连杆4的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副十一R11与构件二的中部连接；转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心O，中间部分第三连杆、第四连杆和转动副九、十、十一构成三自由度平面子链，三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行且垂直于中间平面；构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件二的上下两个转动副轴线分别与齿轮副二的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

实施例2

如图2所示，第四连杆4的一端通过转动副十R10与第三连杆的另一端连接，第四连杆的另一端通过移动副一P1与构件三J3的中部连接，构件三为两侧设有转动轴线交于一点的转动副，且中间设有移动中心线在中间平面上的移动副的连接件，其他部件与连接关系与实施例1相同。

转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心O，中间部分第三连杆、第四连杆和转动副九、十、移动副一构成三自由度平面子链，三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行且垂直于中间平面，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直；构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件二的上下两个转动副轴线分别与齿轮副二的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

实施例3

如图3所示，第二连杆的另一端通过转动副五R5与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副六R6与构件二J2的上部连接，构件二的下部通过转动副R7与第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副八R8与第一连杆的另一端连接，其它部件与连接关系与实施例1相同。

转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心O，中间部分第三连杆、第四连杆和转动副九、十、十一构成三自由度平面子链，三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行且垂直于中间平面；构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件二的上下两个转动副轴线分别与转动副六、转动副七的转动轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、第五连杆和第六连杆两端转动副轴线之间夹角分别对应相等。

实施例4

如图4所示，第二连杆的另一端通过转动副五R5与第七连杆7的一端连接，第七连杆的另一端通过转动副十二R12与第八连杆8和构件四J4的一端连接，第八连杆的另一端通过转动副八R8与第一连杆的另一端连接，构件四为一端设有转动副，另一端设有转动轴线垂直于中间平面的转动副的连接件，其它部件与连接关系与实施例1相同。

转动副一、二、三、四、五、八和十二的轴线汇交于球面连杆的球心O，中间部分第三连杆、第四连杆和转动副九、十、十一构成三自由度平面子链，三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行且垂直于中间平面；构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、第七连杆和第八连杆两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

实施例5

如图5所示，第九连杆9的一端固定在构件五J5的中部，第九连杆的另一端通过弧形移动副一M1与第十连杆10的一端连接，第九连杆的另一端固定在构件六J6的中部，构件五、六均为两端设有转动轴线交于一点的转动副的连接件，其它部件与连接关系与实施例1相同。

转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心O，弧形移动副一的移动中心线为一条位于中间平面上且以转动中心为圆心的弧线，构件五的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件六的上下两个转动副轴线分别与齿轮副二的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

实施例6

如图6所示，第九连杆9的一端固定在构件五5的中部，第九连杆的另一端通过弧形移动副二M2与第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十二R12与第七连杆7和第八连杆8的一端连接，构件五为两端设有转动轴线交于一点的转动副的连接件，其它部件与连接关系与实施例4相同。

转动副一、二、三、四、五、八和十二的轴线汇交于球面连杆的球心O，弧形移动副二的移动中心线为一条位于中间平面上且以转动中心为圆心的弧线，构件五的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、第七连杆和第八连杆两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

实施例7

如图7所示，第一连杆1为固定连杆，上述二自由度球面机构可以看作一个单元，将第一单元Ⅰ的第二连杆与第二单元Ⅱ第一连杆合并成单元连接件12，其中齿轮连杆五C5和齿轮连杆六C6的两端均为齿轮端，齿轮连杆五的一个齿轮端与齿轮连杆六的一个齿轮端啮合，且传动比为1，齿轮连杆五和齿轮连杆六的齿轮端分别通过转动副十三R13和转动副十四R14与单元连接件左端的上下两端连接，齿轮连杆七C7的一个齿轮端与齿轮连杆八C8的一个齿轮端啮合，且传动比为1，齿轮连杆七和齿轮连杆八的齿轮端分别通过转动副十五R15和转动副十六R16与单元连接件右端的上下两端连接，且各转动副的转动轴线均汇交于各球面连杆的球心O，该机构第二单元和第三单元Ⅲ的连接方式与第一单元和第二单元的连接方式相同，接下来每一个单元的连接方式都与第一单元和第二单元的连接方式相同。

Claims (6)

1.一种球面运动并联机构，它包括八个连杆、两个构件以及连接它们的运动副，其特征在于：所述八个连杆中有两个或四个为齿轮连杆，该齿轮连杆的一端为齿轮，所述构件为两侧设有转动轴线交于一点的转动副，且中间设有转动轴线垂直于中间平面的转动副的连接件，第一连杆为固定连杆，其一端通过转动副一与齿轮连杆一的一端连接，齿轮连杆一的齿轮端与齿轮连杆二的齿轮端啮合，形成齿轮副一，且传动比为1；构件一的上下两端分别通过转动副三和转动副二与齿轮连杆二和齿轮连杆一的齿轮端连接；齿轮连杆二的另一端通过转动副四与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副五与齿轮连杆三的一端连接，齿轮连杆三的齿轮端与齿轮连杆四的齿轮端啮合，形成齿轮副二，且传动比为1；构件二的上下分别通过转动副六和转动副七与齿轮连杆三和齿轮连杆四的齿轮端连接，齿轮连杆四的一另端通过转动副八与第一连杆的另一端连接；第三连杆的一端通过转动副九与构件一的中部连接，第三连杆的另一端通过转动副十与第四连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副十一与构件二的中部连接；构件一通过三自由度平面子链与构件二连接，所述三自由度平面子链由两个连杆和三个运动副连接而成，三个运动副中，一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，转动副的轴线相互平行且垂直于中间平面，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直；转动副一、二、三、四、五、六、七和八的轴线汇交于球面连杆的球心，即机构的转动中心；构件一的上下两个转动副轴线分别与齿轮副一的上下两个齿轮中心轴线重合，构件二的上下两个转动副轴线分别与齿轮副二的上下两个齿轮中心轴线重合，第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

2.根据权利要求1所述的球面连杆运动装置，其特征在于：所述三自由度平面子链由两个连杆和三个运动副连接而成，三个运动副中，一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，且三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直；三自由度平面子链有以下7种组成形式：RRR、RPR、RRP、PRR、RPP、PRP、PPR，R代表转动副，P代表移动副。

3.根据权利要求1所述的球面运动并联机构，其特征在于：第一连杆与第二连杆的对称面为中间平面，机构关于中间平面对称，三自由度平面子链中的转动副轴线垂直于中间平面；第一连杆和第二连杆、各齿轮连杆均为球面连杆，其球心在空间重合于一点，即为该机构的转动中心。所述球面连杆为所有点都在以空间一点为球心的同心球面上的连杆。第一连杆和第二连杆、齿轮连杆一和齿轮连杆二、齿轮连杆三和齿轮连杆四两端转动副轴线之间的夹角分别对应相等。

4.根据权利要求1所述的球面运动并联机构，其特征在于：去掉两个齿轮副中的一个，转动副六和转动副七轴线间夹角为零或与原齿轮副两个齿轮中心轴线间的夹角相等。

5.根据权利要求1所述的球面运动并联机构，其特征在于：中间部分的三自由度平面子链替换成一个弧形移动副，该弧形移动副的移动中心线为位于中间平面上且以转动中心为圆心的弧线。

6.根据权利要求1所述的球面运动并联机构，其特征在于：将多个上述机构进行连接，连接后能够将机构的运动放大，连接时可将前一机构的末端连杆与下一机构的固定连杆合并为一新的单元连接件，并且相邻机构间通过齿轮啮合进行运动的传递。