CN108942893B - 一种两转动两平移并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两转动两平移并联机构，包括定平台、动平台、四条支链，四条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ组成；所述定平台、动平台通过四条支链连接，四条支链的复合运动构成了动平台的输出运动。本发明采用带平行四边形的复杂支链的三个简单支链连接定平台和动平台来构建并联机构，该结构简单，能实现空间两维平动和两维转动，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
本发明涉及一种两转动两平移并联机构，属于并联机器人领域。
背景技术
并联机器人因为其累积误差小，输出精度高，刚度大，因而在工业生产中得到了广泛的应用。特别是大家熟知的能实现空间三维平动的Delta机器人已经在高速抓放、定位装配、搬运、分拣、上下料等发挥了很好的作用。而两转动两平移并联机构不仅仅能够实现空间的平移运动还能实现不同场合下姿态的调整，因而也是并联机构领域关注的热点。目前，杨廷力通过机构的方位特征集综合出了一些两平移两转动的并联机构，例如2002年其申请专利为02137858.4，公布了用于虚拟轴机床和机器人等的一类两平移两转动并联机构，这些机构能部分满足工业生产的需求。2013年，常州大学的沈惠平教授申请专利为201310394796.9，公布了一种双输入两平移两转动输出的并联机构。
以上的一些研究成果相对于Delta机器人来说，其结构均较为复杂，并没有得到很好的开发和运用，其次，实现两转动两平移的新型机构综合和实用均需要发展，也是机构学长期发展的目标。
发明内容
本发明提供了一种两转动两平移并联机构，通过一条复杂支链、三条简单支链实现了并联机构的两转动两平移；同时，该机构结构简单。
本发明的技术方案是：一种两转动两平移并联机构，包括定平台、动平台、四条支链，四条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ组成；
所述定平台、动平台通过四条支链连接，四条支链的复合运动构成了动平台的输出运动；
所述复杂支链Ⅰ内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅰ能对动平台产生三个平移和两个转动的作用；
所述简单支链Ⅱ能对动平台产生两平移三转动的作用；
所述简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ结构相同，都为能实现空间6自由度的运动的串联链，不对动平台运动产生约束。
所述四条支链一端的运动副分别与定平台N的四条边连接，四条支链另一端的运动副分别与动平台M的四个角连接，位于定平台N对边的运动副轴线保持平行；复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ与定平台N连接的边为邻边，四条支链不相交。
作为驱动副的与定平台N四条边分别连接的四条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅱ的运动副为移动副；与动平台M的四个角连接的四条支链一端的运动副为：简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为球副，复杂支链Ⅰ的运动副为转动副。
所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ以及平行四边形机构组成；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、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14的轴线垂直，作为驱动副的转动副R11能由移动副代替；其中平行四边形机构的一条边通过转动副R12与连接杆Ⅰ一端连接，平行四边形机构的另一对边通过转动副R13与连接杆Ⅱ一端连接，连接杆Ⅰ另一端通过转动副R11与定平台连接，连接杆Ⅱ另一端通过转动副R14与动平台连接。
所述简单支链Ⅱ由移动副P21、转动副R22、球副S23、连接杆Ⅲ和连接杆Ⅳ组成；其中连接杆Ⅲ一端通过移动副P21与定平台连接，连接杆Ⅲ另一端通过转动副R22与连接杆Ⅳ一端连接，连接杆Ⅳ另一端通过球副S23与动平台连接；移动副P21与转动副R22的轴线垂直。
所述简单支链Ⅲ由转动副R31、球副S32、球副S33、连接杆Ⅴ和连接杆Ⅵ组成；其中连接杆Ⅴ一端通过转动副R31与定平台连接，连接杆Ⅴ另一端通过球副S32与连接杆Ⅵ一端连接，连接杆Ⅵ另一端通过球副S33与动平台连接；作为驱动副的转动副R31能由移动副代替；
所述简单支链Ⅳ由转动副R41、球副S42、球副S43、连接杆7和连接杆8组成；其中连接杆7一端通过转动副R41与定平台连接，连接杆7另一端通过球副S42与连接杆8一端连接，连接杆8另一端通过球副S43与动平台连接；作为驱动副的转动副R41能由移动副代替。
本发明的有益效果是：本发明采用带平行四边形的复杂支链和三个简单支链连接定平台和动平台来构建并联机构，该结构简单，能实现空间两维平动和两维转动，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一；
图2为本发明的立体结构示意图二；
图中各标号为：N-定平台、M-定平台、1-连接杆Ⅰ、2-连接杆Ⅱ、3-连接杆Ⅲ、4-连接杆Ⅳ、5-连接杆Ⅴ、6-连接杆Ⅵ、7-连接杆Ⅶ、8-连接杆Ⅷ。
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-图2所示，一种两转动两平移并联机构，包括定平台N、动平台M、四条支链，四条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ组成；所述定平台N、动平台M通过四条支链连接，四条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内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅰ能对动平台M产生三个平移和两个转动（3T2R）的作用；所述简单支链Ⅱ能对动平台M产生两平移三转动（3T2R）的作用；所述简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ结构相同，都为能实现空间6自由度的运动的串联链，不对动平台M运动产生约束。
进一步地，可以设置所述四条支链一端的运动副分别与定平台N的四条边连接，四条支链另一端的运动副分别与动平台M的四个角连接，位于定平台N对边的运动副轴线保持平行；复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ与定平台N连接的边为邻边（如图1、2所示，可以看出复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ与定平台N连接的边为邻边，即转动副R11、移动副P21所处的定平台N的边为邻边），四条支链不相交。
进一步地，可以设置作为驱动副的与定平台N四条边分别连接的四条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为转动副或移动副（即复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副可以同时选择转动副，同时选择移动副，或者部分转动副、部分移动副），简单支链Ⅱ的运动副为移动副；与动平台M的四个角连接的四条支链一端的运动副为：简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为球副，复杂支链Ⅰ的运动副为转动副。
进一步地，可以设置所述动平台M采用四边形形式（如不规则四边形、各种梯形、平行四边形）；定平台N采用平行四边形形式（如一般平行四边形、矩形、菱形），且与动平台M选用不同形式（如动平台采用正方形，定平台N采用与动平台不同的长方形，这样可以避免机构的奇异位形的产生）。
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、连接杆Ⅰ1、连接杆Ⅱ2以及平行四边形机构组成；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、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14的轴线垂直，作为驱动副的转动副R11能由移动副代替；其中平行四边形机构的一条边通过转动副R12与连接杆Ⅰ1一端连接，平行四边形机构的另一对边通过转动副R13与连接杆Ⅱ2一端连接（即R12所在的边与R13所在的边，两条边为对边），连接杆Ⅰ1另一端通过转动副R11与定平台N连接，连接杆Ⅱ2另一端通过转动副R14与动平台M连接。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ由移动副P21、转动副R22、球副S23、连接杆Ⅲ3和连接杆Ⅳ4组成；其中连接杆Ⅲ3一端通过移动副P21与定平台N连接，连接杆Ⅲ3另一端通过转动副R22与连接杆Ⅳ4一端连接，连接杆Ⅳ4另一端通过球副S23与动平台M连接；移动副P21与转动副R22的轴线垂直。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅲ由转动副R31、球副S32、球副S33、连接杆Ⅴ5和连接杆Ⅵ6组成；其中连接杆Ⅴ5一端通过转动副R31与定平台N连接，连接杆Ⅴ5另一端通过球副S32与连接杆Ⅵ6一端连接，连接杆Ⅵ6另一端通过球副S33与动平台M连接；作为驱动副的转动副R31能由移动副代替；该支链存在使得整个并联机构的强度和刚度得到增强。
所述简单支链Ⅳ由转动副R41、球副S42、球副S43、连接杆Ⅶ7和连接杆Ⅷ8组成；其中连接杆Ⅶ7一端通过转动副R41与定平台N连接，连接杆Ⅶ7另一端通过球副S42与连接杆Ⅷ8一端连接，连接杆Ⅷ8另一端通过球副S43与动平台M连接；作为驱动副的转动副R41能由移动副代替；该支链存在使得整个并联机构的强度和刚度得到增强。
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，当简单支链Ⅱ作用在动平台M上，对动平台产生两平移三转动（2T3R）的作用。复杂支链Ⅰ和简单支链Ⅱ求交集，共同约束了动平台M的一个转动和一个移动自由度，此时该并联机构已经具备两平移两转动的功能。而加入的简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ为自由运动链，不对动平台运动产生约束，四条支链求交集，仍为两移动两转动机构；同时，简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ还能增加并联机构的强度和刚度。
位于定平台上的三个转动副R11、R31、R41以及移动副P21应同时为驱动副。且当依次固定一个、两个、三个驱动副时，该装置就成为三自由度、二自由度、单自由度两转动两平移(2T2R)并联机构，其独立输出运动数目为三、二、一。其他运动为派生运动，也可以理解为衍生运动。
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 (3)
1.一种两转动两平移并联机构，其特征在于：包括定平台（N）、动平台（M）、四条支链，四条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ组成；
所述定平台（N）、动平台（M）通过四条支链连接，四条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内含一个由四个转动副构成的平行四边形机构，复杂支链Ⅰ能对动平台（M）产生三个平移和两个转动的作用；
所述简单支链Ⅱ能对动平台（M）产生两平移三转动的作用；
所述简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ结构相同，都为能实现空间6自由度的运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；
所述四条支链一端的运动副分别与定平台（N）的四条边连接，四条支链另一端的运动副分别与动平台（M）的四个角连接，位于定平台（N）对边的运动副轴线保持平行；复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ与定平台（N）连接的边为邻边，四条支链不相交；
所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、连接杆Ⅰ（1）、连接杆Ⅱ（2）以及平行四边形机构组成；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、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14的轴线垂直；
其中平行四边形机构的一条边通过转动副R12与连接杆Ⅰ（1）一端连接，平行四边形机构的另一对边通过转动副R13与连接杆Ⅱ（2）一端连接，连接杆Ⅰ（1）另一端通过转动副R11与定平台（N）连接，连接杆Ⅱ（2）另一端通过转动副R14与动平台（M）连接；
所述简单支链Ⅱ由移动副P21、转动副R22、球副S23、连接杆Ⅲ（3）和连接杆Ⅳ（4）组成；
其中连接杆Ⅲ（3）一端通过移动副P21与定平台（N）连接，连接杆Ⅲ（3）另一端通过转动副R22与连接杆Ⅳ（4）一端连接，连接杆Ⅳ（4）另一端通过球副S23与动平台（M）连接；移动副P21与转动副R22的轴线垂直；
所述简单支链Ⅲ由转动副R31、球副S32、球副S33、连接杆Ⅴ（5）和连接杆Ⅵ（6）组成；其中连接杆Ⅴ（5）一端通过转动副R31与定平台（N）连接，连接杆Ⅴ（5）另一端通过球副S32与连接杆Ⅵ（6）一端连接，连接杆Ⅵ（6）另一端通过球副S33与动平台（M）连接；
所述简单支链Ⅳ由转动副R41、球副S42、球副S43、连接杆Ⅶ（7）和连接杆Ⅷ（8）组成；其中连接杆Ⅶ（7）一端通过转动副R41与定平台（N）连接，连接杆Ⅶ（7）另一端通过球副S42与连接杆Ⅷ（8）一端连接，连接杆Ⅷ（8）另一端通过球副S43与动平台（M）连接。
2.根据权利要求1所述的两转动两平移并联机构，其特征在于：作为驱动副的与定平台（N）四条边分别连接的四条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅱ的运动副为移动副；与动平台（M）的四个角连接的四条支链一端的运动副为：简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ的运动副为球副，复杂支链Ⅰ的运动副为转动副。
3.根据权利要求1所述的两转动两平移并联机构，其特征在于：所述动平台（M）采用四边形形式；定平台（N）采用平行四边形形式，且与动平台（M）选用不同形式。
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