CN109176471B - 一种四自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四自由度并联机构，包括定平台、动平台、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；所述定平台、动平台通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台的输出运动。本发明采用三条支链连接动平台和定平台来构建并联机构，该结构简单，能实现空间三维平动和一维转动，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
本发明涉及一种四自由度并联机构，属于并联机器人技术领域。
背景技术
并联机床的问世打破了传统机床长期占据机床领域不可动摇的地位，其精度高，强度大，目前已经在许多工业领域得到了广泛的运用。自从上个世纪90年代以来对并联机构的研究一直没有停滞过，国内外的学者们通过坚持不懈的努力，提出了许多优秀的并联机构，这些机构在减少人力物力方面产生了巨大影响。目前机构综合主要有基于自由度计算公式的组合法，基于位移子群的群论综合法，基于轮旋理论的组合法等。然而以上方法综合出的机构需要进行瞬时性判定，在机构发展过程中，杨廷力教授开创性的提出了方位特征集理论，运用机构拓扑不变量综合出许多鲜为人知的机构。
不管是哪种方法综合出的机构，其综合出的机构大多数是一些三自由度的，并且大部分是耦合度比较高的机构。然而在工业领域来说，特别是搬运机器人，不需要太多的自由度，但是要实现空间位置和一定的姿态变化。因此三平移一转动的机构得到了广泛的关注。就目前来说，虽然有一些三平移一转动的并联机器人，然而其结构均较为复杂，并没有得到很好的开发和运用，其次，实现三维移动和一维转动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，因此进行新机构综合与发展仍然是现在的难点和热点。所以设计出简单且满足要求的三平移一转动并联机器人是该类机器人研究和发展的方向。
发明内容
本发明提供了一种四自由度并联机构，通过三条支链实现了并联机构动平台的三维移动和一维转动；同时，该机构结构简单。
本发明的技术方案是：一种四自由度并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；
所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三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对动平台M产生三维移动和两维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ对动平台M产生三维移动和两维转动的作用。
所述三条支链一端的运动副分别与定平台N连接，三条支链另一端分别与动平台M的三个角连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ连接定平台N的运动副的轴线垂直，三条支链不相交。
作为驱动副的与定平台N分别连接的三条支链一端的运动副为转动副或移动副；与动平台M的三个角连接三条支链另一端分别为：复杂支链Ⅰ为第二连接杆2，简单支链Ⅱ为转动副，简单支链Ⅲ为球副或虎克铰。
所述定平台N可采用任意形式配置；动平台M采用任意三角形形式配置，且与定平台N选用不同形式。
所述复杂支链Ⅰ转动副R11、转动副R12、转动副R13、4R-2P等腰梯形机构、第一连接杆1和第二连接杆2组成，作为驱动副的转动副R11能使用移动副代替；其中，第一连接杆1一端通过转动副R12、第二连接杆2一端通过转动副R13连接4R-2P等腰梯形机构的两条平行边的中点，第一连接杆1另一端通过转动副R11与定平台N相连，第二连接杆2的另一端直接与动平台M固连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线相互平行。
所述4R-2P等腰梯形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D、移动副P11、移动副P12组成，4R-2P等腰梯形机构能够产生空间二维移动和一维转动；转动副A、转动副B、转动副C、转动副D位于四个角，移动副P11、移动副P12安装在4R-2P等腰梯形机构的不平行两条对边任意位置上，转动副R12、转动副R13分别与转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线垂直，转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线相互平行。
所述简单支链Ⅱ的串联链为RSS结构，简单支链Ⅱ由转动副R21、球副S22、球副S23、第三连接杆3和第四连接杆4组成，作为驱动副的转动副R21能使用移动副代替，球副S23能替换为虎克铰；其中，第三连接杆3一端通过转动副R21与定平台N连接，第三连接杆3另一端通过球副S22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4另一端通过球副S23与动平台M连接。
所述简单支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34、转动副R35、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7和第八连接杆8组成，作为驱动副的转动副R31能使用移动副代替；其中，第五连接杆5一端通过转动副R31与定平台N固连，第五连接杆5另一端通过转动副R32与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6另一端通过转动副R33与第七连接杆7一端连接，第七连接杆7另一端通过转动副R34与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8另一端通过转动副R35与动平台M连接；转动副R31、转动副R32、转动副R33轴线相互平行，转动副R34、转动副R35轴线平行，转动副R33与转动副R34轴线垂直。
本发明的有益效果是：本发明采用三条支链连接动平台和定平台来构建并联机构，该结构简单，能实现空间三维平动和一维转动，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。
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，一种四自由度并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三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对动平台M产生三维移动和两维转动的作用；所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；所述简单支链Ⅲ对动平台M产生三维移动和两维转动的作用。
进一步地，可以设置所述三条支链一端的运动副分别与定平台N连接，三条支链另一端分别与动平台M的三个角连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ连接定平台N的运动副的轴线垂直（以图1来看，即R11、R31轴线垂直），三条支链不相交。
进一步地，可以设置作为驱动副的与定平台N分别连接的三条支链一端的运动副为转动副或移动副；与动平台M的三个角连接三条支链另一端分别为：复杂支链Ⅰ为第二连接杆2，简单支链Ⅱ为转动副，简单支链Ⅲ为球副或虎克铰。
进一步地，可以设置所述定平台N可采用任意形式配置；动平台M采用任意三角形形式配置，且与定平台N选用不同形式（即定平台N可以是任意的不规则或者规形状等等，当采用的为任意三角形配置时，则需要与动平台M采用不同的三角形）。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ转动副R11、转动副R12、转动副R13、4R-2P等腰梯形机构、第一连接杆1和第二连接杆2组成，作为驱动副的转动副R11能使用移动副代替；其中，第一连接杆1一端通过转动副R12、第二连接杆2一端通过转动副R13连接4R-2P等腰梯形机构的两条平行边的中点（第一连接杆1一端通过转动副R12与4R-2P等腰梯形机构的下底边中点连接，4R-2P等腰梯形机构的上底边中点通过转动副R13与第二连接杆2一端连接），第一连接杆1另一端通过转动副R11与定平台N相连，第二连接杆2的另一端直接与动平台M固连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线相互平行。
进一步地，可以设置所述4R-2P等腰梯形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D、移动副P11、移动副P12组成，4R-2P等腰梯形机构能够产生空间二维移动和一维转动；转动副A、转动副B、转动副C、转动副D位于四个角，移动副P11、移动副P12安装在4R-2P等腰梯形机构的不平行两条对边任意位置上，转动副R12、转动副R13分别与转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线垂直，转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线相互平行。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ的串联链为RSS结构，简单支链Ⅱ由转动副R21、球副S22、球副S23、第三连接杆3和第四连接杆4组成，作为驱动副的转动副R21能使用移动副代替，球副S23能替换为虎克铰；其中，第三连接杆3一端通过转动副R21与定平台N连接，第三连接杆3另一端通过球副S22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4另一端通过球副S23与动平台M连接。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34、转动副R35、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7和第八连接杆8组成，作为驱动副的转动副R31能使用移动副代替；其中，第五连接杆5一端通过转动副R31与定平台N固连，第五连接杆5另一端通过转动副R32与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6另一端通过转动副R33与第七连接杆7一端连接，第七连接杆7另一端通过转动副R34与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8另一端通过转动副R35与动平台M连接；转动副R31、转动副R32、转动副R33轴线相互平行，转动副R34、转动副R35轴线平行，转动副R33与转动副R34轴线垂直。
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二转动（3T2R）运动，当简单支链Ⅲ作用在动平台M上，对动平台产生三平移二转动（3T2R）的作用；简单支链Ⅱ为自由度为6的串联链，其不对动平台产生约束，其存在是为了增加机构本身的强度和刚度，同时安装在定平台上的转动副可选为驱动副。复杂支链Ⅰ简单支链Ⅲ求交集，共同约束了动平台M的两个转动，此时该并联机构已经具备三维移动一维转动的功能；而加入的简单支链Ⅱ为自由运动链，不对动平台运动产生约束，三条支链求交集，仍为三维移动一维转动机构。
位于定平台上的三个转动副R11、R21、R31应同时为驱动副。且当依次固定一个、两个驱动副时，该装置就成为二自由度、单自由度三平移一转动(3T1R)并联机构，其独立输出运动数目为二、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 (4)
1.一种四自由度并联机构，其特征在于：包括定平台（N）、动平台（M）、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；
所述定平台（N）、动平台（M）通过三条支链连接，三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对动平台（M）产生三维移动和两维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ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由转动副R11、转动副R12、转动副R13、4R-2P等腰梯形机构、第一连接杆（1）和第二连接杆（2）组成；其中，第一连接杆（1）一端通过转动副R12、第二连接杆（2）一端通过转动副R13连接4R-2P等腰梯形机构的两条平行边的中点，第一连接杆（1）另一端通过转动副R11与定平台（N）相连，第二连接杆（2）的另一端直接与动平台（M）固连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线相互平行；
所述4R-2P等腰梯形机构由转动副A、转动副B、转动副C、转动副D、移动副P11、移动副P12组成，4R-2P等腰梯形机构能够产生空间二维移动和一维转动；转动副A、转动副B、转动副C、转动副D位于四个角，移动副P11、移动副P12安装在4R-2P等腰梯形机构的不平行两条对边任意位置上，转动副R12、转动副R13分别与转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线垂直，转动副A、转动副B、转动副C、转动副D轴线相互平行；
所述简单支链Ⅱ的串联链为RSS结构，简单支链Ⅱ由转动副R21、球副S22、球副S23、第三连接杆（3）和第四连接杆（4）组成；其中，第三连接杆（3）一端通过转动副R21与定平台（N）连接，第三连接杆（3）另一端通过球副S22与第四连接杆（4）一端连接，第四连接杆（4）另一端通过球副S23与动平台（M）连接；
所述简单支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34、转动副R35、第五连接杆（5）、第六连接杆（6）、第七连接杆（7）和第八连接杆（8）组成；其中，第五连接杆（5）一端通过转动副R31与定平台（N）固连，第五连接杆（5）另一端通过转动副R32与第六连接杆（6）一端连接，第六连接杆（6）另一端通过转动副R33与第七连接杆（7）一端连接，第七连接杆（7）另一端通过转动副R34与第八连接杆（8）一端连接，第八连接杆（8）另一端通过转动副R35与动平台（M）连接；转动副R31、转动副R32、转动副R33轴线相互平行，转动副R34、转动副R35轴线平行，转动副R33与转动副R34轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述三条支链一端的运动副分别与定平台（N）连接，三条支链另一端分别与动平台（M）的三个角连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅲ连接定平台（N）的运动副的轴线垂直，三条支链不相交。
3.根据权利要求2所述的四自由度并联机构，其特征在于：作为驱动副的与定平台（N）分别连接的三条支链一端的运动副为转动副或移动副；与动平台（M）的三个角连接三条支链另一端分别为：复杂支链Ⅰ为第二连接杆（2），简单支链Ⅱ为转动副，简单支链Ⅲ为球副或虎克铰。
4.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述动平台（M）采用三角形形式配置，且与定平台（N）选用不同形式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Jiupeng Inventor after: Wu Xing Inventor after: San Hongjun Inventor after: Zhang Daoyi Inventor after: Chen Mingfang Inventor after: Wang Xuejun Inventor after: Wu Haibo Inventor after: He Wei Inventor before: Wu Xing Inventor before: Chen Jiupeng Inventor before: San Hongjun Inventor before: Zhang Daoyi Inventor before: Chen Mingfang Inventor before: Wang Xuejun Inventor before: Wu Haibo Inventor before: He Wei |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |