CN108972505A - 一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构 - Google Patents

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Abstract

涉及一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，包括：用于实现并联机构几何关系特征约束、保证三自由度特征的等效球铰，用于输出动力、实现并联机构运动功能的工作平台，用于实现并联机构几何关系特征约束、并将动力传递至工作平台的摇臂，用于实现动力的传动、将动力传递至摇臂的传动装置。传动装置位于整个并联结构的下层，工作平台位于传动机构的上方，工作平台与传动装置之间通过摇臂连接，摇臂的两端分别与工作平台和传动装置球铰链连接；等效球铰位于传动装置、工作平台和摇臂三者的内侧中部且两端分别与传动装置和工作平台连接。该并联机构在保证较好的运动精度同时降低了对加工精度的要求。属于并联机构领域。

Description

一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构
技术领域
本发明涉及并联机构领域，尤其涉及一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构。
背景技术
现今主流机械臂大多数采用六自由度串联模式，而作为原本目的为替代人手臂工作的机械臂，六自由度串联模式显然与七自由度的人手臂仍有较大差距，即如今的机械臂还未能真正达到最大可能替代人工作的程度,而有效引入近似于人体肩部工作状态的并联机构作为肩关节机械臂，较为可能实现具有七自由度的仿生机械臂，更拟合人手臂的工作特点。
现有的并联机构由于其机构本身特性决定，具有并联结构具有运动惯量小，高刚度，高精度，高负载等优点，而且并联机构构型运动特性更符合人体肩关节运动情况，但同时并联机构也有其难以避免的缺陷。存在着工作空间较小，加工精度要求高，安装难度较大等缺点。
工艺制造方面的不足也是制约并联机构发展的一大问题，由于并联机构自身的运动特性所限，其采用的无论是滑动副，转动副，均需要较高的加工精度来保证三个自由度配合的精准，而点相对高于串联机构的加工精度要求使得并联机构的推广在成本与产品控制方面存在劣势。
为解决工作空间较小等问题而研制成的3PC(RR)N并联机构虽相较与一般并联机构有较为可观的工作空间与灵巧工作空间，但其Pc滑动副的驱动方式无法避免随并联摇臂转动导致的动载荷较大的缺陷。
3PcSS中：Pc表示环形移动副，S表示球副，3PcSS表示3个环形移动副-球副-球副；1RTR中：R表示转动副，T表示胡克铰，RTR表示转动副-胡克铰-转动副(即为等效球铰)。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，该并联机构通过等效球铰代替常规球铰链后，在保证较好的运动精度同时降低了对加工精度的要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，包括：-等效球铰：用于实现并联机构几何关系特征约束，保证三自由度特征；-工作平台：用于输出动力，实现并联机构运动功能；-摇臂：数量为三根，用于实现并联机构几何关系特征约束，并将动力传递至工作平台；-传动装置：用于实现动力的传动，将动力传递至摇臂；传动装置位于整个并联结构的下层，工作平台位于传动机构的上方，工作平台与传动装置之间通过摇臂连接，摇臂的两端分别与工作平台和传动装置球铰链连接；等效球铰位于传动装置、工作平台和摇臂三者的内侧中部且两端分别与传动装置和工作平台连接。
优选地，对应三根摇臂，在传动装置内对应设有三台驱动电机和三套传动机构，每一驱动电机对应一传动机构对应驱动一摇臂，进而每一摇臂能够独立运动。
优选地，传动机构为一组内齿轮和三组外齿轮构成的一套内啮合传动机构：其中一组外齿轮为连轴式，将轴的动力传输到内齿轮上；另外两组外齿轮为从动式，构成虚约束使整个传动过程更加稳定。
优选地，三根摇臂对应在工作平台和传动装置上分别设有三个球铰链，等效球铰位于六个球铰链所在的球面的球心处，用于约束并联机构为三自由度并联机构。
优选地，等效球铰包括胡克铰、两个第一转动副、连杆和套筒；胡克铰包括位于同一平面且相互垂直的两个第二转动副，两个第一转动副的轴线过两个第二转动副的交点与胡克铰相连，两个第一转动副相互垂直设置；连杆的一端穿过套筒与胡克铰的转接板相连。
优选地，第一转动副包括一对径向轴承和一对推力轴承，能够同时承担径向力和轴向力；一对推力轴承设在套筒内壁的两端，一对径向轴承分别紧靠两推力轴承设在套筒内部。
优选地，连杆的另一端连接在工作平台的中心处。
优选地，工作平台的空间角范围为60°倾角的一个球冠。
本发明的原理是：本发明主要通过传动装置保证驱动电机固定动载荷较小的同时，将动力传递到摇臂处，利用摇臂两端球铰链与等效球铰形成的几何关系约束实现并联机构传动特性，将动力较为精确稳定地传递到工作平台处，并借此输出并联机构整体姿态变换。传动装置构成的环型滑动副，与摇臂连接的六个球铰链和并联球面中央处起到球铰链作用的等效球铰，共同构成了3PcSS+RTR并联机构并决定了其几何特征、运动特性与受力分析方式，并由此，三台驱动电机转动的搭配唯一性地控制并联机构上工作平台输出相应姿态。
等效球铰代替常规球铰链在整个并联机构中起到约束自由度作用，其具有普通球铰链的受力特征，且具有较常规球铰链更大的灵活工作空间，能够满足本并联机构中央球铰链能转动较大角度满足机构运动需求的要求。冗余自由度体现在等效球铰在具有常规胡克铰xyz三个方向转动的同时，z方向多出一个转动。经实验冗余自由度的引入才能完全地体现普通球铰链(如鱼眼轴承、其他类型的能够提供球面约束的零部件)的运动情况。
摇臂两端连接处均采用球铰链连接，使得摇臂在力学层面受力简单化，工程上可以简化为简单二力杆，使得与其相连的传动装置和工作平台均具有确定于摇臂两端连线上的支反力方向，约束作用的等效球铰也可以由整个机构的力与力矩平衡解得具体受力情况。同时机构自由度仍保持为三自由度，具有与原本并联机构同样的优良运动特性，较为成功地简化了常规并联机构静力学与动力学分析工作。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.摇臂在力学层面可以被简化为简单的二力杆模型，一定程度上解决了常规并联机构在静力学、动力学上受力分析困难的问题。球铰链的有效引入，较大地降低了并联机构的加工、装配难度，较易推广。
2.利用等效球铰代替常规球铰链使得整个并联机构工作空间更加灵活。
3.通过固定下置驱动电机，较为有效的解决了并联机构动载荷较大的问题，同时也能够在一定程度上避免因负载增大而导致驱动电机增大，驱动电机随之运动又导致负载增大的恶性循环。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构简化示意图。
图3为等效球铰与传动装置的连接示意图。
图4为套筒、连杆、推力轴承和径向轴承的结构示意图。
图5为工作平台的空间范围为球冠的正视图(绕竖直轴旋转即可得到球冠立体图)。
图6为3-R(SS)-RTR机构示意图。
图7为等效球铰的结构示意图。
图中的标号和对应的零部件名称为：1为等效球铰，2为工作平台，3为摇臂，4为传动装置，5为球铰链，6为转接板，7为连杆，8为推力轴承，9为径向轴承，10为套筒，图5中的阴影部分表示工作平台的空间范围。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，包括：传动装置、三根摇臂、工作平台和等效球铰。工作平台用于输出动力，实现并联机构运动功能。
传动装置包括：三台驱动电机和三套传动机构；用于实现动力的传动，将动力传递至摇臂。其中每一驱动电机对应一传动机构对应驱动一摇臂，进而每一摇臂能够独立运动。传动机构为一组内齿轮和三组外齿轮构成的一套内啮合传动机构：其中一组外齿轮为连轴式，将轴的动力传输到内齿轮上；另外两组外齿轮为从动式，构成虚约束使整个传动过程更加稳定。
等效球铰：等效球铰包括胡克铰、两个第一转动副、连杆和套筒；用于实现并联机构几何关系特征约束，保证并联机构三自由度特征。如图4和图7所示，胡克铰包括位于同一平面且相互垂直的两个第二转动副，两个第一转动副的轴线过两个第二转动副的交点与胡克铰相连，两个第一转动副相互垂直设置；连杆的一端穿过套筒与胡克铰的转接板相连。第一转动副包括一对径向轴承和一对推力轴承，能够同时承担径向力和轴向力；一对推力轴承设在套筒内壁的两端，一对径向轴承分别紧靠两推力轴承设在套筒内部。等效球铰位于六个球铰链所在的球面的球心处，用于约束并联机构为三自由度并联机构。
摇臂：用于实现并联机构几何关系特征约束，并将动力传递至工作平台。三根摇臂等间距地分布在传动机构的外齿轮的外壁上，摇臂的两端分别与外齿轮和工作平台通过球铰链连接。球铰链的有效引入，较大地降低了并联机构的加工、装配难度，较易推广；且使得摇臂在力学层面可以被简化为简单的二力杆模型，一定程度上解决了常规并联机构在静力学、动力学上受力分析困难的问题。
传动装置位于整个并联结构的下层，工作平台位于传动机构的上方。传动装置构成的环型滑动副，与摇臂连接的六个球铰链和并联球面中央处起到球铰链作用的等效球铰，共同构成了3PcSS+RTR并联机构。
工作时，传动装置将动力传递到摇臂，利用摇臂两端的球铰链与六个球铰链所在的球面的球心处的等效球铰形成的几何关系约束实现并联机构传动特性，将动力较为精确稳定地传递到工作平台处，并借此输出并联机构整体姿态变换，整个机构的运动相当于一个完全受控的球铰链，运动空间即为上平台的姿态变化，工作平台相对于球铰中心的距离保持恒定，可认为无位置变化(即以球铰中心那个点相对于工作平台的位置作为描述工作平台位置的点)。当α＝90°，β＝30°时，机构的工作空间为一球冠，球冠的正视图为一120°圆弧，即机构上平台相对于初试姿态最大可以向任意方向倾斜60°。其中，α为图6中的Pi-O-Gi(i为1，2，3)构成的角度；β为图6中的Pi-O-z(i为1，2，3)构成的角度；z为竖直轴。
实施例2
本实施例中的传动装置采用公开号为CN107035820A的发明专利。本实施例中未提及部分同实施例1，此处不再赘述。
除了上述实施例提及的方式外，第一转动副还可以为一个径向轴承和一对推力轴承，径向轴承设在套筒内部与两推力轴承任一轴承紧邻安装。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于，包括：
-等效球铰：用于实现并联机构几何关系特征约束，保证三自由度特征；
-工作平台：用于输出动力，实现并联机构运动功能；
-摇臂：数量为三根，用于实现并联机构几何关系特征约束，并将动力传递至工作平台；
-传动装置：用于实现动力的传动，将动力传递至摇臂；
传动装置位于整个并联结构的下层，工作平台位于传动机构的上方，工作平台与传动装置之间通过摇臂连接，摇臂的两端分别与工作平台和传动装置球铰链连接；等效球铰位于传动装置、工作平台和摇臂三者的内侧中部且两端分别与传动装置和工作平台连接。
2.按照权利要求1所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：对应三根摇臂，在传动装置内对应设有三台驱动电机和三套传动机构，每一驱动电机对应一传动机构对应驱动一摇臂，进而每一摇臂能够独立运动。
3.按照权利要求2所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于，传动机构为一组内齿轮和三组外齿轮构成的一套内啮合传动机构：其中一组外齿轮为连轴式，将轴的动力传输到内齿轮上；另外两组外齿轮为从动式，构成虚约束使整个传动过程更加稳定。
4.按照权利要求1所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：三根摇臂对应在工作平台和传动装置上分别设有三个球铰链，等效球铰位于六个球铰链所在的球面的球心处，用于约束并联机构为三自由度并联机构。
5.按照权利要求1所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：等效球铰包括胡克铰、两个第一转动副、连杆和套筒；胡克铰包括位于同一平面且相互垂直的两个第二转动副，两个第一转动副的轴线过两个第二转动副的交点与胡克铰相连，两个第一转动副相互垂直设置；连杆的一端穿过套筒与胡克铰的转接板相连。
6.按照权利要求5所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：第一转动副包括一对径向轴承和一对推力轴承，能够同时承担径向力和轴向力；一对推力轴承设在套筒内壁的两端，一对径向轴承分别紧靠两推力轴承设在套筒内部。
7.按照权利要求5所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：连杆的另一端连接在工作平台的中心处。
8.按照权利要求1所述的3PcSS+RTR球铰链代换型并联机构，其特征在于：工作平台的空间角范围为60°倾角的一个球冠。
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