CN109278023B - 一种三维移动一维转动的并联机构 - Google Patents

一种三维移动一维转动的并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维移动一维转动的并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链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。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，可用于曲面的加工，焊接等工作场景，是一种新型的并联机构，具有结构简单、制造容易的优点。

Description

一种三维移动一维转动的并联机构
技术领域
本发明涉及一种三维移动一维转动的并联机构，属于并联机器人技术领域。
背景技术
并联机构具有刚度大、适应性强和精度高等优点，所以并联机构引起了国内外学者的研究并应用于各行业的不同领域，是当今极具前景的一类科研项目。但是四自由度的并联机构的研究成果依然不多，目前机构类型也存在结构复杂等缺点，为了增加该类型的机构并达到优选机构的目的，需要创新、综合出更多的三维移动和一维转动的四维并联机构，以达到特定场景中的特定作用，并将其运用于其他工业领域。
发明内容
本发明提供了一种三维移动一维转动的并联机构，通过两条复杂支链和一条简单支链连接动、定平台构成，能够实现空间三维移动和一维转动，可用于空间复杂曲面的加工。
本发明的技术方案是：一种三维移动一维转动的并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链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和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅰ对动平台M产生三维移动和两维转动的作用；
所述复杂支链Ⅱ和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅱ对动平台M产生三维移动和一维转动的作用；
所述简单支链Ⅲ和其他两条支链结构互不相同，简单支链Ⅲ为无约束支链；
所述三条支链一端的运动副分别与定平台N连接，三条支链另一端的运动副分别与动平台M连接，三条支链互不相交。
所述复杂支链Ⅰ由一个具备二维平移与二维转动的子并联机构通过子动平台P串联一个圆柱副C110而成；圆柱副C110固定在动平台M和子动平台P上。
所述子并联机构由简单支链a、简单支链b组成；简单支链a、简单支链b一端与定平台N连接，简单支链a、简单支链b另一端与子动平台P连接；与定平台N连接的简单支链a一端的运动副的轴线、与定平台N连接的复杂支链Ⅱ一端的运动副的轴线相互平行。
所述简单支链a由转动副R11、移动副P12、转动副R12、转动副R14、第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中第一连接杆1的一端通过转动副R11与定平台N连接，第一连接杆1另一端通过移动副P12与第二连接杆2的一端连接，第二连接杆2另一端通过转动副R13与第三连接杆3的一端连接，第三连接杆3的另一端通过转动副R14与第四连接杆4一端连接，第四连接杆的末端与子动平台P连接；其中转动副R11与转动副R13轴线平行，转动副R11与圆柱副C110的轴线平行，转动副R11与移动副P12轴线垂直，转动副R13与转动副R14轴线垂直；
所述简单支链b由转动副R15、移动副P16、转动副R17、转动副R18、转动副R19、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7、第八连接杆8、第九连接杆9组成；其中第五连接杆5的一端通过转动副R15与定平台N连接，第五连接杆5另一端通过移动副P16与第六连接杆6的一端连接，第六连接杆6另一端通过转动副R17与第七连接杆7的一端连接，第七连接杆7的另一端通过转动副R18与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8的另一端通过转动副R19与第九连接杆9一端连接，第九连接杆9的末端与子动平台P连接；其中转动副R15与转动副R17轴线平行，转动副R18与转动副R19轴线平行，转动副R15与移动副P16轴线垂直，转动副R17与转动副R18轴线垂直；
所述"转动副R13的轴线和转动副R14的轴线所组成的平面"与"转动副R17的轴线和转动副R18的轴线所组成的平面"重合；移动副P12和移动副P16能由轴线分别平行于转动副R11和转动副R15的转动副替代。
所述复杂支链Ⅱ由一个具备二维平移的复杂机构通过第十四连接杆14串联一个固定在动平台M上的圆柱副C26而成。
所述具备二维平移的复杂机构包括两条完全相同的简单支链、转动副R23，两条完全相同的简单支链一端与定平台N连接，两条完全相同的简单支链另一端通过转动副R23与第十四连接杆14的一端连接。
所述两条完全相同的简单支链具体结构为：第十连接杆10的一端通过转动副R21与定平台N连接，第十连接杆10另一端通过移动副P22与第十一连接杆11的一端连接，第十一连接杆11末端与转动副R23连接；第十二连接杆12的一端通过转动副R24与定平台N连接，第十二连接杆12另一端通过移动副P25与第十三连接杆13的一端连接，第十三连接杆13末端与转动副R23连接；
所述具备二维平移的复杂机构的转动副R21、转动副R23、转动副R24和圆柱副C26的轴线相互平行，移动副P22与转动副R21的轴线垂直，移动副P25与转动副R24的轴线垂直；
所述具备二维平移的复杂机构为三角形状，转动副R21、转动副R23和转动副R24分别位于三角形的三个顶点上。
所述简单支链Ⅲ为无约束支链；采用SPS结构，具体为：第十五连接杆15的一端通过球副S31与定平台N连接，第十五连接杆15另一端通过移动副P32与第十六连接杆16的一端连接，第十六连接杆16的末端与固连在动平台M上的球副S33连接；或者采用RSS结构。
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，可用于曲面的加工，焊接等工作场景，是一种新型的并联机构，具有结构简单、制造容易的优点。
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-动平台、P-子动平台、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、Rij-转动副、Pij-移动副、Sij-球副、ij表示下标。
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，一种三维移动一维转动的并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、复杂支链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和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅰ对动平台M产生三维移动和两维转动的作用；所述复杂支链Ⅱ和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅱ对动平台M产生三维移动和一维转动的作用；所述简单支链Ⅲ和其他两条支链结构互不相同，简单支链Ⅲ为无约束支链；所述三条支链一端的运动副分别与定平台N连接，三条支链另一端的运动副分别与动平台M连接，三条支链互不相交（三条支链的位置在支链不相交的条件下可以经过平移任意交换，定平台、动平台在支链不相交的情况下可以采用任意结构）。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ由一个具备二维平移与二维转动的子并联机构通过子动平台P串联一个圆柱副C110而成；圆柱副C110固定在动平台M和子动平台P上。
进一步地，可以设置所述子并联机构由简单支链a、简单支链b组成；简单支链a、简单支链b一端与定平台N连接，简单支链a、简单支链b另一端与子动平台P连接；与定平台N连接的简单支链a一端的运动副的轴线、与定平台N连接的复杂支链Ⅱ一端的运动副的轴线相互平行（即R11、R21、R24平行）。
进一步地，可以设置所述简单支链a由转动副R11、移动副P12、转动副R12、转动副R14、第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中第一连接杆1的一端通过转动副R11与定平台N连接，第一连接杆1另一端通过移动副P12与第二连接杆2的一端连接，第二连接杆2另一端通过转动副R13与第三连接杆3的一端连接，第三连接杆3的另一端通过转动副R14与第四连接杆4一端连接，第四连接杆的末端与子动平台P连接；其中转动副R11与转动副R13轴线平行，转动副R11与圆柱副C110的轴线平行，转动副R11与移动副P12轴线垂直，转动副R13与转动副R14轴线垂直；
所述简单支链b由转动副R15、移动副P16、转动副R17、转动副R18、转动副R19、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7、第八连接杆8、第九连接杆9组成；其中第五连接杆5的一端通过转动副R15与定平台N连接，第五连接杆5另一端通过移动副P16与第六连接杆6的一端连接，第六连接杆6另一端通过转动副R17与第七连接杆7的一端连接，第七连接杆7的另一端通过转动副R18与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8的另一端通过转动副R19与第九连接杆9一端连接，第九连接杆9的末端与子动平台P连接；其中转动副R15与转动副R17轴线平行，转动副R18与转动副R19轴线平行，转动副R15与移动副P16轴线垂直，转动副R17与转动副R18轴线垂直；所述"转动副R13的轴线和转动副R14的轴线所组成的平面"与"转动副R17的轴线和转动副R18的轴线所组成的平面"重合。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅱ由一个具备二维平移的复杂机构通过第十四连接杆14串联一个固定在动平台M上的圆柱副C26而成。
进一步地，可以设置所述具备二维平移的复杂机构包括两条完全相同的简单支链、转动副R23，两条完全相同的简单支链一端与定平台N连接，两条完全相同的简单支链另一端通过转动副R23与第十四连接杆14的一端连接。
进一步地，可以设置所述两条完全相同的简单支链具体结构为：第十连接杆10的一端通过转动副R21与定平台N连接，第十连接杆10另一端通过移动副P22与第十一连接杆11的一端连接，第十一连接杆11末端与转动副R23连接；第十二连接杆12的一端通过转动副R24与定平台N连接，第十二连接杆12另一端通过移动副P25与第十三连接杆13的一端连接，第十三连接杆13末端与转动副R23连接；所述具备二维平移的复杂机构的转动副R21、转动副R23、转动副R24和圆柱副C26的轴线相互平行，移动副P22与转动副R21的轴线垂直，移动副P25与转动副R24的轴线垂直；所述具备二维平移的复杂机构为三角形状，转动副R21、转动副R23和转动副R24分别位于三角形的三个顶点上。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅲ为无约束支链；采用SPS结构，具体为：第十五连接杆15的一端通过球副S31与定平台N连接，第十五连接杆15另一端通过移动副P32与第十六连接杆16的一端连接，第十六连接杆16的末端与固连在动平台M上的球副S33连接。
实施例2：与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述简单支链Ⅲ采用RSS结构，即S31换成R31，P32换成S32，其它连接关系不变。移动副P12和移动副P16由轴线分别平行于转动副R11和转动副R15的转动副替代（即P12变为R12，P16变成R16，满足R12与R11轴线平行，R16与R15轴线平行；P表示移动副、R表示转动副、S表示球副）。
本发明的工作原理是：
该机构中，复杂支链Ⅰ单独作用时限制动平台M的一个转动，此时动平台具有三平移两转动（3T2R）运动；当复杂支链Ⅱ单独作用在动平台M上时，对动平台产生两个转动约束，使动平台具有三平移一转动（3T1R）运动。当综合复杂支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ对动平台M的综合作用效果时，由于两条支链都产生三维移动，故最终也将产生三维移动，而复杂支链Ⅰ产生的二维转动在R17和R18的轴线构成的平面内，复杂支链Ⅱ产生的一维转动平行于C26的轴线方向，又因为C26的轴线方向平行于R17和R18的轴线构成的平面，两者综合的结果为产生了平行于C26的轴线方向的一维转动；故两条复杂支链使动平台产生三平移一转动（3T1R）运动。简单支链Ⅲ为无约束支链，不会对约束结果产生影响。
在复杂支链Ⅰ中以P12、P16作为驱动副；在复杂支链Ⅱ中，以P22和P25作为驱动副；简单支链Ⅲ以P32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 (4)

1.一种三维移动一维转动的并联机构，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、复杂支链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和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅰ对动平台（M）产生三维移动和两维转动的作用；
所述复杂支链Ⅱ和其他两条支链结构互不相同，复杂支链Ⅱ对动平台（M）产生三维移动和一维转动的作用；
所述简单支链Ⅲ和其他两条支链结构互不相同，简单支链Ⅲ为无约束支链；
所述三条支链一端的运动副分别与定平台（N）连接，三条支链另一端的运动副分别与动平台（M）连接，三条支链互不相交；
所述复杂支链Ⅰ由一个具备二维平移与二维转动的子并联机构通过子动平台（P）串联一个圆柱副C110而成；圆柱副C110固定在动平台（M）和子动平台（P）上；
所述复杂支链Ⅱ由一个具备二维平移的复杂机构通过第十四连接杆（14）串联一个固定在动平台（M）上的圆柱副C26而成；
所述具备二维平移的复杂机构包括两条完全相同的简单支链、转动副R23，两条完全相同的简单支链一端与定平台（N）连接，两条完全相同的简单支链另一端通过转动副R23与第十四连接杆（14）的一端连接；
所述两条完全相同的简单支链具体结构为：第十连接杆（10）的一端通过转动副R21与定平台（N）连接，第十连接杆（10）另一端通过移动副P22与第十一连接杆（11）的一端连接，第十一连接杆（11）末端与转动副R23连接；第十二连接杆（12）的一端通过转动副R24与定平台（N）连接，第十二连接杆（12）另一端通过移动副P25与第十三连接杆（13）的一端连接，第十三连接杆（13）末端与转动副R23连接；
所述具备二维平移的复杂机构的转动副R21、转动副R23、转动副R24和圆柱副C26的轴线相互平行，移动副P22与转动副R21的轴线垂直，移动副P25与转动副R24的轴线垂直；
所述具备二维平移的复杂机构为三角形状，转动副R21、转动副R23和转动副R24分别位于三角形的三个顶点上。
2.根据权利要求1所述的三维移动一维转动的并联机构，其特征在于：所述子并联机构由简单支链a、简单支链b组成；简单支链a、简单支链b一端与定平台（N）连接，简单支链a、简单支链b另一端与子动平台（P）连接；与定平台（N）连接的简单支链a一端的运动副的轴线、与定平台（N）连接的复杂支链Ⅱ一端的运动副的轴线相互平行。
3.根据权利要求2所述的三维移动一维转动的并联机构，其特征在于：所述简单支链a由转动副R11、移动副P12、转动副R12、转动副R14、第一连接杆（1）、第二连接杆（2）、第三连接杆（3）、第四连接杆（4）组成；其中第一连接杆（1）的一端通过转动副R11与定平台（N）连接，第一连接杆（1）另一端通过移动副P12与第二连接杆（2）的一端连接，第二连接杆（2）另一端通过转动副R13与第三连接杆（3）的一端连接，第三连接杆（3）的另一端通过转动副R14与第四连接杆（4）一端连接，第四连接杆的末端与子动平台（P）连接；其中转动副R11与转动副R13轴线平行，转动副R11与圆柱副C110的轴线平行，转动副R11与移动副P12轴线垂直，转动副R13与转动副R14轴线垂直；
所述简单支链b由转动副R15、移动副P16、转动副R17、转动副R18、转动副R19、第五连接杆（5）、第六连接杆（6）、第七连接杆（7）、第八连接杆（8）、第九连接杆（9）组成；其中第五连接杆（5）的一端通过转动副R15与定平台（N）连接，第五连接杆（5）另一端通过移动副P16与第六连接杆（6）的一端连接，第六连接杆（6）另一端通过转动副R17与第七连接杆（7）的一端连接，第七连接杆（7）的另一端通过转动副R18与第八连接杆（8）一端连接，第八连接杆（8）的另一端通过转动副R19与第九连接杆（9）一端连接，第九连接杆（9）的末端与子动平台（P）连接；其中转动副R15与转动副R17轴线平行，转动副R18与转动副R19轴线平行，转动副R15与移动副P16轴线垂直，转动副R17与转动副R18轴线垂直；
"转动副R13的轴线和转动副R14的轴线所组成的平面"与"转动副R17的轴线和转动副R18的轴线所组成的平面"重合；移动副P12和移动副P16能由轴线分别平行于转动副R11和转动副R15的转动副替代。
4.根据权利要求1所述的三维移动一维转动的并联机构，其特征在于：所述简单支链Ⅲ为无约束支链；采用SPS结构，具体为：第十五连接杆（15）的一端通过球副S31与定平台（N）连接，第十五连接杆（15）另一端通过移动副P32与第十六连接杆（16）的一端连接，第十六连接杆（16）的末端与固连在动平台（M）上的球副S33连接；或者采用RSS结构。
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