CN108942891A - 一种具备五维运动的并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备五维运动的并联机构，包括定平台、动平台、四条复杂支链，四条复杂支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ、复杂支链Ⅳ组成；所述定平台与动平台通过四条复杂支链连接，四条复杂支链的复合运动构成了动平台的输出运动。本发明所构建的五维运动的并联机构其运动性能好，且使用平行四边形机构和子并联机构使得该机构的强度和刚度均较好，其能实现空间三维平动和二维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。
Description
技术领域
本发明涉及一种具备五维运动的并联机构，属于并联机器人技术领域。
背景技术
由于德国工业4.0的提出，让世界上许多国家都意识到科学技术在人们生活中扮演者越来越重要的作用。现在我们已经进入到机器人2.0时代，美国和德国等发达国家正在通过机器人来率先实现第四次工业革命，中国则提出在《中国制造2025》也力求加入到各国的竞争中俩。并联机器人因为其输入误差不累积，刚度和强度较大，因此得到了业内的任何，也成为了机器人发展的难点和热点。对并联机构来说，虽然研究的成果比较多，然而对机器人结构的创新一直以来备受人们关注，我国在这方面也做出了巨大贡献。例如：燕山大学的黄真教授应用螺旋理论综合出许多并联机构，也得到了广泛的运用。而学者杨廷力提出了方位特征集的概念，基于此也发展了许多的并联机器人。杨廷力提出并联机构的创新主要来自两个方面，一个方面是进行不同运动副构成不同的支链，即提出新支链，另一方面是进行不同的支链组合。
因为五自由度的并联机构在国际上依然研究不多，为了增加该类型的机构，也为优选机构作参考，有必要构建三维移动和两维转动的五维并联机构，以通过其实现空间复杂曲面的加工，并将其运用于其他工业领域。
发明内容
本发明提供了一种具备五维运动的并联机构，通过四条复杂支链连接动、定平台构成，能够实现空间三维移动和二维转动，可用于空间复杂曲面的加工。
本发明的技术方案是：一种具备五维运动的并联机构，包括定平台N、动平台M、四条复杂支链，四条复杂支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ、复杂支链 Ⅲ、复杂支链Ⅳ组成；
所述定平台N与动平台M通过四条复杂支链连接，四条复杂支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；
所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ结构相同，两者均对动平台M产生三维移动和两维转动的作用；
所述复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ结构相同，两者均对动平台M产生三维移动和两维转动的作用。
所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ内含三维移动机构；
所述四条复杂支链一端的运动副分别与定平台N连接，四条复杂支链另一端的运动副分别与动平台M的四个角连接，四条复杂支链不相交，位于动平台M上的四个运动副为转动副且转动副的轴线相互平行，位于定平台N上的复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ的运动副为转动副或移动副且运动副的轴线相互平行且与位于动平台M上的四个运动副轴线垂直。
所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、由四个转动副构成的具备一维移动的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1、第二连接杆2组成，平行四边形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D构成；转动副R11能由移动副代替；
其中第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N相连，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边相连，平行四边形机构ABCD另一对边通过转动副R13与第二连接杆2一端相连，第二连接杆2另一端通过转动副R14与动平台M连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13轴线平行，转动副R14轴线与转动副R13轴线垂直。
所述复杂支链Ⅲ由具备空间三维移动的子并联机构Y串联两个相互垂直的转动副R310和转动副R311构成；所述子并联机构Y由三条支链和子动平台Q组成；
其中三条支链一端的运动副与定平台N连接，三条支链另一端的运动副与子动平台Q连接，子动平台Q与第十一连接杆11的一端连接，第十一连接杆11另一端通过转动副R310与第十二连接杆12的一端连接，第十二连接杆12的另一端通过R311与动平台M连接；转动副R310与转动副R311轴线垂直。
所述三条支链为分别为：
第一条支链经第五连接杆5一端连接转动副R31，第五连接杆5另一端通过转动副R32连接第六连接杆6一端，第六连接杆6另一端连接圆柱副C33形成；
第二条支链经第七连接杆7一端连接转动副R34，第七连接杆7另一端通过转动副R35连接第八连接杆8一端，第八连接杆8另一端连接圆柱副C36形成；
第三条支链经第九连接杆9一端连接转动副R37，第九连接杆9另一端通过转动副R38连接第十连接杆10一端，第十连接杆10另一端连接圆柱副C39形成；
三条支链的共同作用使得子动平台Q具备空间三维移动；三个圆柱副不能全部位于子动平台Q三角形的三条边上，与定平台N连接的三个转动副的轴线不相互平行。
所述子并联机构Y能用Delta机构替代，Delta机构一端的运动副与定平台N连接，Delta机构另一端通过第十一连接杆11与转动副R310连接，与定平台N连接的运动副轴线相互平行。
本发明的有益效果是：本发明所构建的五维运动的并联机构其运动性能好，且使用平行四边形机构和子并联机构使得该机构的强度和刚度均较好，其能实现空间三维平动和二维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图中各标号为：N-定平台、M-定平台、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆、7-第七连接杆、8-第八连接杆、9-第九连接杆、10-第十连接杆、11-第十一连接杆、12-第十二连接杆、13-第十三连接杆、14-第十四连接杆、15-第十五连接杆、16-第十六连接杆、17-第十七连接杆、18-第十八连接杆、19-第十九连接杆、20-第二十连接杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1所示，一种具备五维运动的并联机构，包括定平台N、动平台M、四条复杂支链，四条复杂支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ、复杂支链 Ⅲ、复杂支链Ⅳ组成；
所述定平台N与动平台M通过四条复杂支链连接，四条复杂支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ结构相同，两者均对动平台M产生三维移动和两维转动的作用（二维转动是平行于 R13 与 R14 轴线构成的平面内）；所述复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ结构相同，两者均对动平台M产生三维移动和两维转动的作用（二维转动是平行于 R310 与 R311 轴线构成的平面内）。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ内含三维移动机构；所述四条复杂支链一端的运动副分别与定平台N连接，四条复杂支链另一端的运动副分别与动平台M的四个角连接（动平台M采用任意四边形形式），四条复杂支链不相交，位于动平台M上的四个运动副为转动副且转动副的轴线相互平行（如图1中，即R14、R24、R311、R411轴线平行），位于定平台N上的复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ的运动副为转动副或移动副且运动副的轴线相互平行且与位于动平台M上的四个运动副轴线垂直（即R11、R12平行，R11、R12与R14、R24、R311、R411轴线垂直）。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、由四个转动副构成的具备一维移动的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1、第二连接杆2组成，平行四边形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D构成；转动副R11能由移动副代替；其中第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N相连，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边相连，平行四边形机构ABCD另一对边通过转动副R13与第二连接杆2一端相连，第二连接杆2另一端通过转动副R14与动平台M连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13轴线平行，转动副R14轴线与转动副R13轴线垂直。所述复杂支链Ⅱ由转动副R21、转动副 R22、转动副 R23、转动副 R24、由四个转动副构成的具备一维移动的平行四边形机构EFGH、第三连接杆3、第四连接杆4组成，平行四边形机构由转动副E、转动副F、转动副G、转动副H构成；其中第三连接杆3一端通过转动副R21与定平台N相连，第三连接杆3另一端通过转动副R22与平行四边形机构EFGH一条边相连，平行四边形机构EFGH另一对边通过转动副R23与第四连接杆4一端相连（即R22所在的边与R23所在的边，两条边为对边），第四连接杆4另一边通过转动副R24与动平台M连接；转动副R21、转动副R22、转动副R23轴线平行，转动副R24轴线与转动副转动副R23轴线垂直。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅲ由具备空间三维移动的子并联机构Y串联两个相互垂直的转动副R310和转动副R311构成；所述子并联机构Y由三条支链和子动平台Q组成；其中三条支链一端的运动副与定平台N连接，三条支链另一端的运动副与子动平台Q连接，子动平台Q与第十一连接杆11的一端连接，第十一连接杆11另一端通过转动副R310与第十二连接杆12的一端连接，第十二连接杆12的另一端通过R311与动平台M连接；转动副R310与转动副R311轴线垂直。所述复杂支链Ⅳ由具备空间三维移动的子并联机构X串联两个相互垂直的转动副R410和转动副R411构成；所述子并联机构X由三条支链和子动平台Q组成；其中三条支链一端的运动副与定平台N连接，三条支链另一端的运动副与子动平台P连接，子动平台P与第十九连接杆19的一端连接，第十九连接杆19另一端通过转动副410与第二十连接杆20的一端连接，第二十连接杆20的另一端通过R411与动平台M连接；转动副R410与转动副R411轴线垂直。
进一步地，可以设置所述三条支链为分别为：第一条支链经第五连接杆5一端连接转动副R31，第五连接杆5另一端通过转动副R32连接第六连接杆6一端，第六连接杆6另一端连接圆柱副C33形成；第二条支链经第七连接杆7一端连接转动副R34，第七连接杆7另一端通过转动副R35连接第八连接杆8一端，第八连接杆8另一端连接圆柱副C36形成；第三条支链经第九连接杆9一端连接转动副R37，第九连接杆9另一端通过转动副R38连接第十连接杆10一端，第十连接杆10另一端连接圆柱副C39形成；三条支链的共同作用使得子动平台Q具备空间三维移动；子并联机构输入驱动为三个圆柱副，三个圆柱副不能全部位于子动平台Q三角形的三条边上，与定平台N连接的三个转动副的轴线不相互平行。所述子并联机构Y的三条支链(R31-R32-C33)，(R34-R35-C36)，(R37-R38-C39)的共同作用使得子动平台Q具备空间三维移动。所述子并联机构X的三条支链分别为(R41-R42-C43)，(R44-R45-C46)，(R47-R48-C49) 的共同作用使得子动平台P具备空间三维移动。
进一步地，可以设置所述子并联机构Y能用Delta机构替代，Delta机构一端的运动副与定平台N连接，Delta机构另一端通过第十一连接杆11与转动副R310连接，与定平台N连接的运动副轴线相互平行。
本发明的工作原理是：
该机构因为复杂支链Ⅰ的作用是使得动平台M一个转动副受到约束，此时动平台具有三平移两转动（3T2R）运动，当复杂支链Ⅱ作用在动平台M上，对动平台同样产生三平移两转动（3T2R）运动。复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ对动平台M的作用效果一样，而加入的复杂支链Ⅲ同样约束了该并联机构的一个转动，因为转动副 R13的轴线与转动副R310的轴线平行，转动副R14与转动副R311轴线，因此复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅲ作用效果相同，复杂支链Ⅳ与复杂支链Ⅲ结构相同，其次复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ的子并联结构能极大的增加并联机构的强度和刚度。四条支链求交集，仍为三维移动两维转动机构；若如图中的布局下还能使得使得该机构呈现空间对称性。R11、R21、六个圆柱副共同作为驱动副。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种具备五维运动的并联机构，其特征在于：包括定平台（N）、动平台（M）、四条复杂支链，四条复杂支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ、复杂支链 Ⅲ、复杂支链Ⅳ组成；
所述定平台（N）与动平台（M）通过四条复杂支链连接，四条复杂支链的复合运动构成了动平台（M）的输出运动；
所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ结构相同，两者均对动平台（M）产生三维移动和两维转动的作用；
所述复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ结构相同，两者均对动平台（M）产生三维移动和两维转动的作用。
2.根据权利要求1所述的具备五维运动的并联机构，其特征在于：所述复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅲ和复杂支链Ⅳ内含三维移动机构；
所述四条复杂支链一端的运动副分别与定平台（N）连接，四条复杂支链另一端的运动副分别与动平台（M）的四个角连接，四条复杂支链不相交，位于动平台（M）上的四个运动副为转动副且转动副的轴线相互平行，位于定平台（N）上的复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ的运动副为转动副或移动副且运动副的轴线相互平行且与位于动平台（M）上的四个运动副轴线垂直。
3.根据权利要求1所述的具备五维运动的并联机构，其特征在于：所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、由四个转动副构成的具备一维移动的平行四边形机构ABCD、第一连接杆（1）、第二连接杆（2）组成，平行四边形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D构成；转动副R11能由移动副代替；
其中第一连接杆（1）一端通过转动副R11与定平台（N）相连，第一连接杆（1）另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边相连，平行四边形机构ABCD另一对边通过转动副R13与第二连接杆（2）一端相连，第二连接杆（2）另一端通过转动副R14与动平台（M）连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13轴线平行，转动副R14轴线与转动副R13轴线垂直。
4.根据权利要求1所述的具备五维运动的并联机构，其特征在于：所述复杂支链Ⅲ由具备空间三维移动的子并联机构Y串联两个相互垂直的转动副R310和转动副R311构成；所述子并联机构Y由三条支链和子动平台Q组成；
其中三条支链一端的运动副与定平台（N）连接，三条支链另一端的运动副与子动平台Q连接，子动平台Q与第十一连接杆（11）的一端连接，第十一连接杆（11）另一端通过转动副R310与第十二连接杆（12）的一端连接，第十二连接杆（12）的另一端通过R311与动平台（M）连接；转动副R310与转动副R311轴线垂直。
5.根据权利要求4所述的具备五维运动的并联机构，其特征在于：所述三条支链为分别为：
第一条支链经第五连接杆（5）一端连接转动副R31，第五连接杆（5）另一端通过转动副R32连接第六连接杆（6）一端，第六连接杆（6）另一端连接圆柱副C33形成；
第二条支链经第七连接杆（7）一端连接转动副R34，第七连接杆（7）另一端通过转动副R35连接第八连接杆（8）一端，第八连接杆（8）另一端连接圆柱副C36形成；
第三条支链经第九连接杆（9）一端连接转动副R37，第九连接杆（9）另一端通过转动副R38连接第十连接杆（10）一端，第十连接杆（10）另一端连接圆柱副C39形成；
三条支链的共同作用使得子动平台Q具备空间三维移动；三个圆柱副不能全部位于子动平台Q三角形的三条边上，与定平台（N）连接的三个转动副的轴线不相互平行。
6.根据权利要求4所述的具备五维运动的并联机构，其特征在于：所述子并联机构Y能用Delta机构替代，Delta机构一端的运动副与定平台（N）连接，Delta机构另一端通过第十一连接杆（11）与转动副R310连接，与定平台（N）连接的运动副轴线相互平行。
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| CN115476340A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-16 | 燕山大学 | 一类三独立螺旋运动自由度并联机构 |
| CN115476340B (zh) * | 2022-09-19 | 2024-04-12 | 燕山大学 | 一类三独立螺旋运动自由度并联机构 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108942891B (zh) | 2023-09-15 |
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