CN108838996B - 一种五自由度串并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度串并联机构，它包括成上下间隔设置的动平台和静平台，动平台上设有能绕自身轴线转动的回转运动平台，回转运动平台通过回转驱动副与动平台相连；动平台和静平台之间连接有四条运动支链，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；第一组运动链中两条运动支链各包括一个移动副和两个万向节；第二组运动链中两条运动支链各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，四个移动副均为原动件。故本发明只具有五个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，整体结构简单对称。

Description

一种五自由度串并联机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种五自由度串并联机构。

背景技术

目前在机器人领域，六自由度工业机器人应用最为广泛，其灵活度高，工作范围大，关节上相对运动部件容易密封防尘，其中六自由度运动平台，可以模拟出各种空间运动姿态，故广泛地应用到各种模拟训练器，如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台等等。

其中，在研究和分析太空环境下太阳光照对星载设备的影响作用时，需要在地面真空环境下测试星载设备受到不同方位和角度的光照时的变化和响应情况，需要借助模拟运动姿态的平台来实现，即位姿调整平台通过连续调节动平台运动，来实现星载设备姿态的变化，现有的位姿调整平台往往采用的是六自由度平台，但是它具有一定的局限性。它的不足之处在于：需要占据较大的空间尺寸，而且具有冗余的自由度，结构复杂、各零部件不紧凑，与外部结构尺寸干涉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种五自由度串并联机构，以解决现有技术中的空间尺寸大且具有冗余的自由度的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种五自由度串并联机构，包括成上下间隔设置的动平台和静平台，所述动平台上设有能绕自身轴线转动的回转运动平台，所述回转运动平台通过回转驱动副与所述动平台相连；

所述动平台和所述静平台之间通过四条运动支链连接，其中，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；

所述第一组运动链中两条运动支链为两个UPU分支，各包括一个移动副和两个万向节，所述移动副的一端通过一个所述万向节与所述动平台连接，另一端通过一个所述万向节与所述静平台连接；

所述第二组运动链中两条运动支链为两个RPU分支，各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，所述移动副的一端通过万向节与所述动平台连接，另一端与通过转动副与所述静平台连接；

各个所述移动副均为原动件且能沿相应的运动支链设置方向做伸缩运动。

本发明通过四条运动支链连接在动平台和静平台之间，四条运动支链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形使四条运动支链具有联动性。再通过利用四条运动支链中的四个移动副作为原动件，利用四个移动副的协同运动，实现动平台的移动，动平台的移动即可以带动其上的回转运动平台移动，同时回转运动平台可绕自身旋转轴线转动。本发明将回转回转运动平台作为调姿平台，将星载设备放在回转运动平台上，可以模拟星载设备姿态的变化，将姿态的变化作为实验过程中的自变量输入，从而有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。

其中，移动副为低副，具有一个相对自由度。再将四条运动支链分为两组，分别为UPU分支和RPU分支，其中，第一组运动链均通过万向节与动平台和静平台连接，而第二组运动链与第一组运动链相比，其与静平台的连接是通过转动副是连接，而不是万向节。因为，转动副是低副，只具有一个相对自由度，万向节为高副，具有两个相对自由度，所以，通过设置两个转动轴线位于同一直线上的转动副，使得第二组运动链只可以绕着该转动轴线旋转，限制了其沿着该转动轴线方向的位移。通时回转运动平台可绕自身轴线旋转，具有一个自由度。故本发明只具有五个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，运动平台工作空间大，整体结构简单对称，容易安装与制造、承载力大、刚度高、灵活性好、适用范围大，动平台具有各向平动同性的优势，同理回转运动平台也具有各向平动同性的优势，有着很强的实用价值。

另外，回转驱动副即回转驱动装置，可以采用蜗轮蜗杆传动或者齿轮传动，是一种集回转、减速和驱动功能于一体而同时又结构简单，制造和维护方便的通用型减速传动机构。

作为优选，各个所述转动副的转动轴线均位于同一直线上，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

两个转动副的转动轴线均位于同一直线上，且与第一组运动链所形成的平面成平行设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以转动副的转动轴线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动的四个自由度，而回转运动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动、绕Z方向的转动的五个自由度。

作为优选，所述第二运动支链中各个所述转动副的转动轴线相互成平行设置，且各个所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

两个转动副的转动轴线成平行设置，形成的平面成相交设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以第二组运动链中两个转动副的连线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Y方向移动、沿Z方向的移动的四个自由度，而回转运动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动、绕Z方向的转动的五个自由度。

作为优选，所述回转运动平台的轴线与所述动平台成垂直设置，各个所述转动副的转动轴线与所述静平台成平行设置。

回转运动平台的轴线与动平台成垂直设置，则回转运动平台的旋转轴线与动平台成垂直设置，可以方便简化本发明中运动学和动力学求解。各个转动副的转动轴线与静平台的顶面成平行设置，即在第二组运动链绕着该转动轴线旋转时，可以避免第二组运动链中两条运动支链形成交叉干扰，从而保证动平台的运动平稳性，也可以扩大其运动范围。

作为优选，所述动平台上设有通孔，所述动平台的下方且位于所述通孔的下方固定有安装支板，所述回转驱动副位于所述通孔内并固定在所述安装支板上。

动平台上设有通孔，动平台的下方且位于通孔的下方固定有安装支板，回转驱动副位于通孔内并固定在安装支板上，则相对于回转驱动副直接安装在动平台的顶面上结构更为紧凑，各零部件分布紧凑，占用空间更小，减小了与外部结构尺寸干涉，使得回转运动平台具有更好的机动性。其中安装支板与通孔形成了一个动平台上类似凹槽的结构，且通孔和安装支板是分立的，不仅便于加工，也便于回转驱动副的安装。

作为优选，所述回转驱动副包括驱动电机、电机齿轮、回转平台齿轮，所述回转平台齿轮与所述回转运动平台固定连接，所述电机齿轮与所述驱动电机的转轴连接，所述回转平台齿轮和所述电机齿轮啮合。

实际使用中，由驱动电机带动电机齿轮旋转，电机齿轮带动回转平台齿轮旋转，回转平台齿轮带动回转运动平台旋转，从而使得回转运动平台可以绕自身轴线旋转，使得本发明在不增加过多的空间尺寸的基础上，增加了一个自由度，结构简单，且便于实现，易于控制。

其中，电机齿轮小于回转平台齿轮，以电机齿轮带动回转平台齿轮是减速运动，省力，并使得回转运动平台的转速较为适中，可以更好地模拟星载设备姿态的变化，有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。回转运动平台与回转平台齿轮通过螺纹连接固定。在回转运动平台上设有夹具，以加紧星载设备。

作为优选，所述回转驱动副还包括减速机，所述电机齿轮与所述驱动电机之间通过所述减速机传动连接。

其中，减速机通过螺纹连接固定在安装支板上。减速机的设置，可以为电机齿轮与驱动电机传递转矩并且可以用于匹配转速，以降低回转运动平台的转速，可以更好地模拟星载设备姿态的变化，有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。使得回转运动平台模拟的其中可以采用蜗轮蜗杆减速机，以获得反向自锁功能。

作为优选，所述回转驱动副还包括制动装置，所述制动装置包括制动气缸，所述制动气缸固定所述所述安装支板上，所述制动气缸包括朝向所述回转平台齿轮的伸缩杆，所述伸缩杆的前端固接有橡胶块，所述橡胶块在所述制动气缸推出所述伸缩杆后能插入所述回转平台齿轮的齿内。

制动装置的设置，可以在关闭驱动电机使得回转运动平台停下时，立刻限制回转平台齿轮的转动，从而立刻限制回转运动平台的转动，立刻使其保持不动，提高了回转运动平台的指令响应速度，从而使得本发明模拟星载设备姿态的变化更为精确。实际应用中，在关闭驱动电机后，令制动气缸内的伸缩杆立刻伸出，使得橡胶块插入回转平台齿轮的齿内，使其保持不动；在将要启动驱动电机时，先令制动气缸内的伸缩杆缩回，使得橡胶块脱离回转平台齿轮，不限制回转平台齿轮的旋转。其中，回转平台齿轮的伸缩杆位于回转平台齿轮的法线上，橡胶块的形状与回转平台齿轮的齿形相适应。

作为优选，各个所述移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置。

由于静平台是固定不动的，则各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置，即四条运动支链中的四个移动副位于同一高度，则当需要调整动平台的位姿时，可以很容易的换算出各个移动副所需要实现的伸缩量，减少本发明的机械误差、控制算法误差以提升本发明的精度。

作为优选，所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形，所述动平台和所述静平台均为长方体，所述动平台的面积小于静平台的面积，且动平台的重量小于静平台的重量。

其中，动平台和静平台可为各种形状，当动平台和静平台为长方体，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，即四条运动支链能作为同一四棱台的侧棱边。则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。动平台截面为长边形，四个移动副位于动平台和静平台的四个角上，可以使得移动副对动平台产生的推力方向位于动平台的四个角上，使得动平台的位姿调整时的运动学和动力学求解更简单，便于换算，而且具有更好的准确度，提升其位姿精度。静平台的截面为长边形，四个移动副位于静平台的四个角上，可以使静平台的截面与动平台的截面构成相似图形，从而使得本发明结构更为简洁，便于制造，也方便调整动平台的位姿。其中，动平台的重量小于静平台的重量则可以使得本发面的重心下移，提升本发明的稳定性。所述的动平台的面积小于静平台的面积，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。

作为优选，各个所述移动副上均设有沿各自轴线方向延伸的支杆，各个所述支杆的长度成相同设置。

支杆的设置可以增加四条运动支链的长度，从而增加动平台与静平台之间的距离，提升本发明的适用范围。各个支杆的长度成相同设置，互换性好，容易安装与制造，同时使得本发明结构对称。

其中，移动副可以是伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动，再或者移动副包括电动缸。

气缸作为引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，利用空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能，它结构简单、工作可靠；液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动的液压执行元件，它结构简单、工作可靠，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，承载力大。故本发明中的四个移动副既可以采用气缸驱动也可以采用液压缸驱动，性能先进,使用可靠,寿命长久耐用。而电动缸作为将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，可以将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制。本发明中的四个移动副采用电动缸，则精度高。

作为优选，所述移动副包括电动缸，所述五自由度串并联机构还包括有控制所述移动副和所述驱动电机运作的工控机；所述工控机上电连接有运动控制卡，所述移动副和所述驱动电机上均电连有伺服驱动器，各个所述伺服驱动器均电连接在所述运动控制卡上，各个所述移动副上分别设有光栅尺，所述回转运动平台上设有光电传感器，各个所述光栅尺和所述光电传感器分别通过编码器连接在所述运动控制卡上。

实际应用中，工控机接收到有关模拟平台运动参数的指令后，经过空间运动模型变换，反解解出各移动副的伸长量以及回转运动平台的旋转角度，再经过运动控制卡将指令变换成模拟量经运动控制卡传送给移动副即电动缸以及驱动回转运动平台旋转的驱动电机，四个运动支链以及回转运动平台协调动作即可使平台做出所要求的运动。

同时，利用光栅尺作为位移传感器，检测移动副绝对位置，用以进行行程判读，作为修正量反馈给移动副即电动缸所包含的伺服电机，实现闭环负反馈控制；利用光电传感器检测回转运动平台的实际旋转角度，作为修正量反馈给驱动回转运动平台旋转的驱动电机，实现闭环负反馈控制。提高了回转运动平台控制精度，检测范围大，检测精度高，响应速度快。

作为优选，所述万向节为虎克铰。

万向节可以采用虎克铰，由于虎克铰的结构的刚度好，旋转精度高，可以使得本发明的定位精度因虎克铰的精度提高而得到大大提高。

基于此，本发明较之原有技术，具有在较小的尺寸下可获得较大的行程，同时省去冗余的自由度，有着很强的实用价值且结构简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本发明实施例一的机构运动简图；

附图2为本发明实施例一的第一运动链的机构运动简图；

附图3为本发明实施例一的的第二运动链的机构运动简图；

附图4为本发明实施例一的支杆的位置分布示意图；

附图5为本发明实施例一的结构示意图；

附图6为本发明实施例一的回转驱动副的一种爆炸图；

附图7为本发明实施例一的的电路示意图；

附图8为本发明实施例二的结构示意图。

附图标记：

1-动平台； 2-静平台； 3-第一运动支链；

4-第二运动支链； 5-第三运动支链； 6-第四运动支链；

31-第一移动副； 32-第一上万向节； 33-第一下万向节；

41-第二移动副； 42-第二上万向节； 43-第二下万向节；

51-第三移动副； 52-第三上万向节； 53-第三转动副；

61-第四移动副； 62-第四上万向节； 63-第四转动副；

34-第一上支杆； 35-第一下支杆； 44-第二上支杆；

45-第二下支杆； 54-第三上支杆； 55-第三下支杆；

64-第四上支杆； 65-第四下支杆； 11-通孔；

12-安装支板； 7-回转驱动副； 71-驱动电机；

72-电机齿轮； 73-回转平台齿轮； 74-减速机；

75-制动装置； 751-制动气缸； 752-伸缩杆；

753-橡胶块； 8-回转运动平台； 9-工控机；

91-伺服驱动器； 92-运动控制卡； 93-光栅尺；

94-光电传感器； 95-编码器； 96-输入键盘；

97-显示屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“液平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种五自由度串并联机构，包括成上下间隔设置的动平台1和静平台2，动平台1上设有能绕自身轴线转动的回转运动平台81，回转运动平台81通过回转驱动副7与动平台1相连；动平台1和静平台2之间通过四条运动支链连接，四条运动支链包括第一运动支链3，第二运动支链4、第三运动支链5和第四运动支链6，第一运动支链3和第二运动支链4相邻构成第一组运动链，第三运动支链5和第四运动支链6相邻构成第二组运动链。且第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形。

第一组运动链中两条运动支链为两个UPU分支，各包括一个移动副和两个万向节，移动副的一端通过一个万向节与动平台1连接，另一端通过一个万向节与静平台2连接；

第二组运动链中两条运动支链为两个RPU分支，各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副53，移动副的一端通过万向节与动平台1连接，另一端与通过转动副53与静平台2连接；

各个移动副均为原动件且均可向动平台1成伸缩设置。

见图4，各个移动副上均设有沿各自轴线方向延伸的支杆。各个支杆的长度成相同设置。

移动副包括设于第一运动支链3上的第一移动副31和设于第二运动支链4上的第二移动副41；移动副包括设于第三运动支链5上的第三移动副51和设于第四运动支链6上的第四移动副61；转动副53包括设于第三运动支链5上的第三转动副53和设于第四运动支链6上的第四转动副63；万向节包括第一上万向节32、第一下万向节33、第二上万向节42、第二下万向节43；万向节包括第三上万向节52、第四上万向节62。

第一移动副31的两端分别设有与其成同轴设置的第一上支杆34和第一下支杆35，第一上支杆34通过第一上万向节32与动平台1铰链连接，第一下支杆35通过第一下万向节33与静平台2铰链连接；

第二移动副41的两端分别设有与其成同轴设置的第二上支杆44和第二下支杆45，第二上支杆44通过第二上万向节42与动平台1铰链连接，第二下支杆45通过第二下万向节43与静平台2铰链连接；

第三移动副51的两端分别设有与其成同轴设置的第三上支杆54和第三下支杆55，第三上支杆54通过第三上万向节52与动平台1铰链连接，第三下支杆55通过第三转动副53与静平台2铰链连接；

第四移动副61的两端分别设有与其成同轴设置的第四上支杆64和第四下支杆65，第四上支杆64通过第四上万向节62与动平台1铰链连接，第四下支杆65通过第四转动副63与静平台2铰链连接。

本发明通过四条运动支链连接在动平台和静平台之间，四条运动支链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形使四条运动支链具有联动性。再通过利用四条运动支链中的四个移动副作为原动件，利用四个移动副的协同运动，实现动平台的移动，动平台的移动即可以带动其上的回转运动平台移动，同时回转运动平台可绕自身旋转轴线转动。本发明将回转回转运动平台作为调姿平台，将星载设备放在回转运动平台上，可以模拟星载设备姿态的变化，将姿态的变化作为实验过程中的自变量输入，从而有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。

其中，移动副为低副，具有一个相对自由度。再将四条运动支链分为两组，分别为UPU分支和RPU分支，其中，第一组运动链均通过万向节与动平台和静平台连接，而第二组运动链与第一组运动链相比，其与静平台的连接是通过转动副是连接，而不是万向节。因为，转动副是低副，只具有一个相对自由度，万向节为高副，具有两个相对自由度，所以，通过设置两个转动轴线位于同一直线上的转动副，使得第二组运动链只可以绕着该转动轴线旋转，限制了其沿着该转动轴线方向的位移。通时回转运动平台可绕自身轴线旋转，具有一个自由度。故本发明将静平台固定在一个平面上，静平台通过两个万向节以及两个转动副与四个移动副相连，四个驱动分支通过四个万向节与动平台相连；采用移动副作原动件，从而驱动动平台的运动；通过万向节、转动副等约束，动平台能够实现两转动、两平动的四自由度运动。而在动平台上设有可绕自身旋转轴线转动的回转运动平台，故回转运动平台具有五个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，运动平台工作空间大，整体结构简单对称，容易安装与制造、承载力大、刚度高、灵活性好、适用范围大，动平台具有各向平动同性的优势，同理回转运动平台也具有各向平动同性的优势，有着很强的实用价值。本发明普遍适用于需求自由度少于六的位姿调节，避免了冗余自由度导致的结构复杂，针对性强，提高了并联平台的可靠性和稳定性。

其中，万向节可以采用虎克铰，由于虎克铰的结构的刚度好，旋转精度高，可以使得本发明的定位精度因虎克铰的精度提高而得到大大提高。支杆的设置可以增加四条运动支链的长度，从而增加动平台与静平台之间的距离，提升本发明的适用范围。各个支杆的长度成相同设置，互换性好，容易安装与制造，同时使得本发明结构对称。

另外，回转驱动副即回转驱动装置，可以采用蜗轮蜗杆传动或者齿轮传动，是一种集回转、减速和驱动功能于一体而同时又结构简单，制造和维护方便的通用型减速传动机构。万向节可以采用虎克铰，由于虎克铰的结构的刚度好，旋转精度高，可以使得本发明的定位精度因虎克铰的精度提高而得到大大提高。支杆的设置可以增加四条运动支链的长度，从而增加动平台与静平台之间的距离，提升本发明的适用范围。各个支杆的长度成相同设置，互换性好，容易安装与制造，同时使得本发明结构对称。

见图1、图2，两个转动副的转动轴线均位于同一直线上，且转动副的转动轴线与第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且与第一组运动链所形成的平面成平行设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以转动副的转动轴线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动的四个自由度，而回转运动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动、绕Z方向的转动的五个自由度。

见图1、图2、图3、图5、图6，第二运动支链中两个转动副的转动轴线相互成平行设置，且各个转动副的转动轴线与第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

两个转动副的转动轴线成平行设置，形成的平面成相交设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以第二组运动链中两个转动副的连线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Y方向移动、沿Z方向的移动的四个自由度，而回转运动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动、绕Z方向的转动的五个自由度。

见图1、图2、图3、图5、图6，回转运动平台8的轴线与动平台1成垂直设置，各个转动副的转动轴线与静平台成平行设置。

回转运动平台的轴线与动平台成垂直设置，则回转运动平台的旋转轴线与动平台成垂直设置，可以方便简化本发明中运动学和动力学求解。各个转动副的转动轴线与静平台的顶面成平行设置，即在第二组运动链绕着该转动轴线旋转时，可以避免第二组运动链中两条运动支链形成交叉干扰，从而保证动平台的运动平稳性，也可以扩大其运动范围。

见图5、图6，动平台1上设有通孔11，动平台1的下方且位于通孔11的下方固定有安装支板12，回转驱动副7位于通孔11内并固定在安装支板12上。

动平台上设有通孔，动平台的下方且位于通孔的下方固定有安装支板，回转驱动副位于通孔内并固定在安装支板上，则相对于回转驱动副直接安装在动平台的顶面上结构更为紧凑，各零部件分布紧凑，占用空间更小，减小了与外部结构尺寸干涉，使得回转运动平台具有更好的机动性。其中安装支板与通孔形成了一个动平台上类似凹槽的结构，且通孔和安装支板是分立的，不仅便于加工，也便于回转驱动副的安装。

见图6，回转驱动副7包括驱动电机71、电机齿轮72、回转平台齿轮73，回转平台齿轮73与回转运动平台8固定连接，电机齿轮72与驱动电机71的转轴连接，回转平台齿轮73和电机齿轮72啮合。

实际使用中，由驱动电机带动电机齿轮旋转，电机齿轮带动回转平台齿轮旋转，回转平台齿轮带动回转运动平台旋转，从而使得回转运动平台可以绕自身轴线旋转，使得本发明在不增加过多的空间尺寸的基础上，增加了一个自由度，结构简单，且便于实现，易于控制。

其中，电机齿轮小于回转平台齿轮，以电机齿轮带动回转平台齿轮是减速运动，省力，并使得回转运动平台的转速较为适中，可以更好地模拟星载设备姿态的变化，有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。回转运动平台与回转平台齿轮通过螺纹连接固定。在回转运动平台上设有夹具，以加紧星载设备。

见图6，回转驱动副7还包括减速机74，电机齿轮72与驱动电机71之间通过减速机74传动连接。

其中，减速机通过螺纹连接固定在安装支板上。减速机的设置，可以为电机齿轮与驱动电机传递转矩并且可以用于匹配转速，以降低回转运动平台的转速，可以更好地模拟星载设备姿态的变化，有效反映姿态变化对星载设备工作情况的影响作用。使得回转运动平台模拟的其中可以采用蜗轮蜗杆减速机，以获得反向自锁功能。

见图6，回转驱动副7还包括制动装置75，制动装置75包括制动气缸751，制动气缸751固定安装支板12上，制动气缸751包括朝向回转平台齿轮73的伸缩杆752，伸缩杆752的前端固接有橡胶块753，橡胶块753在制动气缸751推出伸缩杆752后能插入回转平台齿轮73的齿内。

制动装置的设置，可以在关闭驱动电机使得回转运动平台停下时，立刻限制回转平台齿轮的转动，从而立刻限制回转运动平台的转动，立刻使其保持不动，提高了回转运动平台的指令响应速度，从而使得本发明模拟星载设备姿态的变化更为精确。实际应用中，在关闭驱动电机后，令制动气缸内的伸缩杆立刻伸出，使得橡胶块插入回转平台齿轮的齿内，使其保持不动；在将要启动驱动电机时，先令制动气缸内的伸缩杆缩回，使得橡胶块脱离回转平台齿轮，不限制回转平台齿轮的旋转。其中，回转平台齿轮的伸缩杆位于回转平台齿轮的法线上，橡胶块的形状与回转平台齿轮的齿形相适应。

见图1、图4、图5、图6，各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置。

由于静平台是固定不动的，则各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置，即四条运动支链中的四个移动副位于同一高度，则当需要调整动平台的位姿时，可以很容易的换算出各个移动副所需要实现的伸缩量，减少本发明的机械误差、控制算法误差以提升本发明的精度。

见图5、图6，第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形，动平台1和静平台均为长方体，动平台1的面积小于静平台的面积，且动平台1的重量小于静平台的重量。

其中，动平台和静平台可为各种形状，当动平台和静平台为长方体，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，即四条运动支链能作为同一四棱台的侧棱边。则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。动平台截面为长边形，四个移动副位于动平台和静平台的四个角上，可以使得移动副对动平台产生的推力方向位于动平台的四个角上，使得动平台的位姿调整时的运动学和动力学求解更简单，便于换算，而且具有更好的准确度，提升其位姿精度。静平台的截面为长边形，四个移动副位于静平台的四个角上，可以使静平台的截面与动平台的截面构成相似图形，从而使得本发明结构更为简洁，便于制造，也方便调整动平台的位姿。其中，动平台的重量小于静平台的重量则可以使得本发面的重心下移，提升本发明的稳定性。动平台的面积小于静平台的面积，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。

其中，移动副可以是伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动，再或者移动副包括电动缸。

移动副是伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动，第一上支杆、第二上支杆、第三上支杆和第四上支杆分别固定在各个伸缩杆上，第一下支杆、第二下支杆、第三下支杆和第四下支杆分别固定在各个气缸或液压缸的底部。气缸作为引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，利用空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能，它结构简单、工作可靠；液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动的液压执行元件，它结构简单、工作可靠，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，承载力大。故本发明中的四个移动副既可以采用气缸驱动也可以采用液压缸驱动，性能先进,使用可靠,寿命长久耐用。

移动副包括电动缸，而电动缸作为将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，可以将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制。本发明中的四个移动副采用电动缸，则精度高。其中，第一上支杆、第二上支杆、第三上支杆和第四上支杆分别固定在各个丝杠上，第一下支杆、第二下支杆、第三下支杆和第四下支杆可以分别固定在各个电动缸的底部上也可以不设置，由各个电动缸直接通过转动副或者万向节与静平台连接。

见图5、图6、图7，各个移动副均包括电动缸，五自由度串并联机构还包括有控制移动副和驱动电机71运作的工控机9；工控机9上电连接有运动控制卡92，移动副和驱动电机71上均电连有伺服驱动器91，各个伺服驱动器91均电连接在运动控制卡92上，各个移动副上分别设有光栅尺93，回转运动平台8上设有光电传感器94，各个光栅尺93和光电传感器94分别通过编码器连接在运动控制卡92上。

实际应用中，工控机接收到有关模拟平台运动参数的指令后，经过空间运动模型变换，反解解出各移动副的伸长量以及回转运动平台的旋转角度，再经过运动控制卡将指令变换成模拟量经运动控制卡传送给移动副即电动缸以及驱动回转运动平台旋转的驱动电机，四个运动支链以及回转运动平台协调动作即可使平台做出所要求的运动。

同时，利用光栅尺作为位移传感器，检测移动副绝对位置，用以进行行程判读，作为修正量反馈给移动副即电动缸所包含的伺服电机，实现闭环负反馈控制；利用光电传感器检测回转运动平台的实际旋转角度，作为修正量反馈给驱动回转运动平台旋转的驱动电机，实现闭环负反馈控制。提高了回转运动平台控制精度，检测范围大，检测精度高，响应速度快。

其中，工控机9上还设有输入键盘96和显示屏97，本发明可通过显示屏对工作状态显示，通过输入键盘输入控制信息令工控机控制各个电动缸的运动。显示屏和输入键盘的设置方便人机交互，可使人机关系更为和谐。

实施例二：

见图8，回转运动平台设于静平台下方，其余部分与实施例一相同。

回转运动平台设于静平台下方，静平台可以通过螺纹连接固定在回转运动平台上，则由回转运动平台带动动平台乃至四个运动支链以及静平台绕着回转运动平台的轴线旋转，使得在以转动副的转动轴线方向作为Y方向建立坐标系时，动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动、绕Z方向的转动的五个自由度，可以省去冗余的自由度，相对于现有的六自由度等机构具有空间尺寸小的优点，有着很强的实用价值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种五自由度串并联机构，包括成上下间隔设置的动平台和静平台，其特征在于：所述动平台上设有能绕自身轴线转动的回转运动平台，所述回转运动平台通过回转驱动副与所述动平台相连；

所述动平台和所述静平台之间通过四条运动支链连接，其中，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；

所述第一组运动链中两条运动支链为两个UPU分支，各包括一个移动副和两个万向节，所述移动副的一端通过一个所述万向节与所述动平台连接，另一端通过一个所述万向节与所述静平台连接；

所述第二组运动链中两条运动支链为两个RPU分支，各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，所述移动副的一端通过万向节与所述动平台连接，另一端通过转动副与所述静平台连接；

各个所述移动副均为原动件且能沿相应的运动支链设置方向做伸缩运动；其中，两个UPU分支为成相邻设置，两个RPU分支为相邻设置；

所述动平台上设有通孔，所述动平台的下方且位于所述通孔的下方固定有安装支板，所述回转驱动副位于所述通孔内并固定在所述安装支板上；

所述回转驱动副包括驱动电机、电机齿轮、回转平台齿轮，所述回转平台齿轮与所述回转运动平台固定连接，所述电机齿轮与所述驱动电机的转轴连接，所述回转平台齿轮和所述电机齿轮啮合；

所述回转运动平台的轴线与所述动平台成垂直设置，各个所述转动副的转动轴线均与所述静平台成平行设置；

所述回转驱动副还包括减速机，所述电机齿轮与所述驱动电机之间通过所述减速机传动连接；

所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形，所述动平台和所述静平台均为长方体，所述动平台的面积小于静平台的面积，且动平台的重量小于静平台的重量；

所述回转驱动副还包括制动装置，所述制动装置包括制动气缸，所述制动气缸固定所述安装支板上，所述制动气缸包括朝向所述回转平台齿轮的伸缩杆，所述伸缩杆的前端固接有橡胶块，所述橡胶块在所述制动气缸推出所述伸缩杆后能插入所述回转平台齿轮的齿内；

各个所述移动副均包括电动缸，所述五自由度串并联机构还包括有控制所述移动副和所述驱动电机运作的工控机；所述工控机上电连接有运动控制卡，所述移动副和所述驱动电机上均电连有伺服驱动器，各个所述伺服驱动器均电连接在所述运动控制卡上，各个所述移动副上分别设有光栅尺，所述回转运动平台上设有光电传感器，各个所述光栅尺和所述光电传感器分别通过编码器连接在所述运动控制卡上。

2.根据权利要求1所述的五自由度串并联机构，其特征在于：各个所述转动副的转动轴线均位于同一直线上，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

3.根据权利要求1所述的五自由度串并联机构，其特征在于：所述第二运动支链中各个所述转动副的转动轴线相互成平行设置，且各个所述转动副的转动轴线均与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

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