CN109807857B

CN109807857B - 大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构

Info

Publication number: CN109807857B
Application number: CN201711153488.1A
Authority: CN
Inventors: 王皓; 潘浩; 陈根良; 赵勇; 余海东; 唐楚禹
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: CN109807857A

Abstract

一种大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，包括：单自由度推拉装置、低弯曲刚度弹性连杆、高弯曲刚度弹性连杆、定平台、中间平台和动平台，其中：低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆环布于定平台底部，通过设置于定平台顶部的对应单自由度推拉装置与定平台滑动连接，中间平台固定于高弯曲刚度弹性连杆的末端并与低弯曲刚度弹性连杆滑动连接，动平台固定于低弯曲刚度弹性连杆的末端；初始状态下，动平台、中间平台和定平台平行，平台间连杆长度一致且均与平台正交；当低弯曲刚度弹性连杆受驱动进行同步运动的同时高弯曲刚度弹性连杆受驱动进行差动运动时，动平台不仅可以实现空间内任意方向的平移运动，从而使该弹性机构具有空间的三个平动自由度，而且还能利用弹性杆径向刚度小的特性，使该弹性机构具备一定的顺应能力。

Description

大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构

技术领域

本发明涉及的是一种机械设计领域的装置，具体是一种由弹性杆系作为支撑、通过弹性大变形驱动的并联机构。

背景技术

并联机构是一个由多个并行链构成的闭环结构，具有结构刚度高、承载能力强、运动精度高等优点，因而自上世纪80年代起就引起了机构设计工作者的广泛重视。目前，各式并联机构已在高精度定位、快速操作和重载作业等场合中被广泛的应用，其中包括Gough-Stewart平台等多种典型并联机构。少自由度并联机构是现阶段并联机构研究领域中的典型类型，不仅具有驱动组件少、构件少、制造成本低等优点，还能通过各部分转动和移动的耦合实现复杂的运动，因而具有很高的研究价值。

发明内容

本发明针对现有装置几乎不具备被动柔顺能力，仅能通过主动柔顺控制实现顺应操作，而当主动柔顺控制不能适用或是精度不足时，并联机构的工作性能会大幅度下降，甚至不能正常工作的缺陷，提出一种大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，使得末端平台不仅能够实现空间平移运动，而且还能在特定方向上具备柔顺特性，增大了少自由度并联机构的应用范围，提高了操作顺应能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：单自由度推拉装置、低弯曲刚度弹性连杆、高弯曲刚度弹性连杆、定平台、中间平台和动平台，其中：低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆环布于定平台底部，通过设置于定平台顶部的对应单自由度推拉装置与定平台滑动连接，中间平台固定于高弯曲刚度弹性连杆的末端并与低弯曲刚度弹性连杆滑动连接，动平台固定于低弯曲刚度弹性连杆的末端。

所述的低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆均采用超弹性材料制成的圆形截面杆，能够在多种边界条件共同作用下完成复杂的空间大变形。

所述的定平台采用铝合金材料制成的圆盘，包括：若干圆周数组布置的柱形导向孔和螺纹孔，其中：柱形导向孔用于约束对应弹性连杆实现在与定平台正交方向的滑动连接，螺纹孔用于实现对应单自由度推拉装置与定平台的固定连接。

所述的柱形导向孔的分布圆直径与对应弹性连杆的分布圆直径一致，螺纹孔的分布圆直径与对应单自由度推拉装置的分布圆一致。

所述的单自由度推拉装置包括：推拉装置支架、弹性连杆支架和导轨丝杠机构，其中：弹性连杆支架通过导轨丝杠机构滑动设置于推拉装置支架上，通过移动驱动组件实现导轨全长范围内任意距离的移动。

所述的弹性连杆支架采用铝合金材料制成的T型结构，包括：沿T型截面竖向设置的若干通孔，其中：各通孔直径与对应弹性连杆直径一致，用于对弹性连杆进行径向固定。

所述的弹性连杆支架通过与销钉配合可以实现弹性连杆与对应单自由度推拉装置的轴向固定。

所述的中间平台包括：中间平台支架、大内径轴环、大内径轴环压盖和内球副，其中：大内径轴环通过其外圈在中间平台支架上进行径向固定，通过大内径轴环压盖进行轴向固定；内球副通过螺纹连接固定于中间平台支架上。

所述的内球副采用钢材制成的半圆截面圆环，包括：半圆圆周绕圆外轴线旋转形成的球面、与半圆直径平行的边线绕同一圆外轴线旋转形成的圆柱面和螺纹孔，其中：球面通过相切配合实现低弯曲刚度弹性连杆与中间平台的滑动连接，螺纹孔用于实现内球副与中间平台支架的固定连接。

所述的动平台包括：动平台支架、小内径轴环、轴环衬套和小内径轴环压盖，其中：小内径轴环通过其外圈在动平台支架上进行径向固定，通过小内径轴环压盖进行轴向固定。

所述的低弯曲刚度弹性连杆的分布圆直径为定平台直径的40％，高弯曲刚度弹性连杆的分布圆直径为定平台直径的60％。

所述的低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆的圆周数组分布夹角均为120°。

初始状态下，动平台、中间平台和定平台平行，平台间连杆长度一致且均与平台正交；当低弯曲刚度弹性连杆受驱动进行同步运动时，平台间连杆长度的变化一致，中间平台保持静止而动平台实现沿竖直方向的平移运动，并且弹性机构的侧向刚度随动平台与中间平台的相对距离变化而改变，从而具备变化的顺应能力；当高弯曲刚度弹性连杆受驱动进行差动运动时，中间平台与定平台间连杆长度的变化不同，相应的运动协调过程不仅会引起高弯曲刚度弹性连杆的弯曲大变形和中间平台的空间运动，而且会通过中间平台使低弯曲刚度弹性连杆产生弯曲大变形，由于低弯曲刚度弹性连杆的长度约束动平台可以实现水平面内任意方向的平移运动；当低弯曲刚度弹性连杆受驱动进行同步运动的同时高弯曲刚度弹性连杆受驱动进行差动运动时，动平台同时进行空间下三个平移自由度运动且使弹性机构具有顺应能力。

附图说明

图1为本发明的正等轴侧视图；

图2为本发明大变形弹性连杆的局部放大视图；

图3为本发明定平台的俯视图；

图4为本发明单自由度推拉装置的正等轴侧视图；

图5为本发明中间平台的正等轴侧视图；

图6为本发明中间平台的侧视半剖面图；

图7为本发明内球副的侧视剖面图；

图8为本发明大内径轴环的俯视图；

图9为本发明动平台的正等轴侧视图；

图10为本发明动平台的侧视剖面图；

图11为本发明小内径轴环的俯视图；

图12为本发明轴环衬套的俯视图；

图中：机架1、定平台2、单自由度推拉装置3、推拉装置支架4、弹性杆支架5、导轨丝杠机构6、高弯曲刚度弹性连杆7、中间平台8、低弯曲刚度弹性连杆9、动平台10、螺纹孔11、12、13、通孔14、15、中间平台支架16、大内径轴环17、大内径轴环压盖18、内球副19、柱形安装孔20、螺纹孔23、球面24、动平台支架28、小内径轴环29、轴环衬套30、小内径轴环压盖31、柱形安装孔32、螺纹孔33。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例包括：机架1、定平台2、六个单自由度推拉装置3、三个高弯曲刚度弹性连杆7、中间平台8、三个低弯曲刚度弹性连杆9和动平台10，其中：低弯曲刚度弹性连杆9和高弯曲刚度弹性连杆7分别以同一圆心圆周数组布置于定平台2上，通过对应的单自由度推拉装置3与定平台2滑动连接，中间平台8固定于高弯曲刚度弹性连杆7的末端，并与低弯曲刚度弹性连杆9滑动连接，动平台10固定于低弯曲刚度弹性连杆9的末端。

所述的机架1采用铝合金型材搭接而成的桁架实现，定平台2通过螺纹连接固定于机架1的顶部。

优选地，所述的低弯曲刚度弹性连杆9和高弯曲刚度弹性连杆7采用玻璃纤维材料制成的圆形截面杆，能够在多种边界条件共同作用下完成复杂的空间大变形。

如图1和图3所示，所述的定平台2采用铝合金材料制成的圆盘，该圆盘上设有圆周数组布置的柱形导向孔35和螺纹孔36，其中：柱形导向孔35用于约束对应弹性连杆实现在与定平台正交方向的滑动连接，螺纹孔36用于实现对应单自由度推拉装置与定平台的固定连接。

所述的柱形导向孔35的分布圆直径与对应弹性连杆的分布圆直径一致，螺纹孔36的分布圆直径与对应单自由度推拉装置3的分布圆一致。

如图1和图4所示，所述的单自由度推拉装置3包括：推拉装置支架4、弹性连杆支架5和导轨丝杠机构6，其中：弹性连杆支架5通过导轨丝杠机构6滑动设置于推拉装置支架4上，通过移动驱动组件实现导轨全长范围内任意距离的移动。

所述的推拉装置支架4采用铝合金槽式结构实现，该铝合金槽式结构的末端和安装面均设有对称布置的螺纹孔11和12，分别用于与定平台2和导轨丝杠机构6进行固定连接。

所述的弹性连杆支架5采用铝合金材料制成的T形结构实现，该铝合金T形结构的安装面设有对称布置的螺纹孔13，用于与导轨丝杠机构6的滑动端进行固定连接，铝合金T形结构的T形截面竖向依次设有与低弯曲刚度弹性连杆9和高弯曲刚度弹性连杆7直径匹配的通孔14和15，通过与销钉配合可以将弹性连杆固定在弹性连杆支架5上。

所述的通孔14和15的直径与对应弹性连杆直径一致。

如图1、图5和图6所示，所述的中间平台8包括：中间平台支架16、六个大内径轴环17、六个大内径轴环压盖18和三个内球副19，其中：大内径轴环17通过其外圈在中间平台支架16上进行径向固定，通过大内径轴环压盖18进行轴向固定；内球副19通过螺纹连接固定于中间平台支架16上。

所述的中间平台支架16采用铝合金盘形结构实现，其中：三对柱形安装孔20以高弯曲刚度弹性连杆7的分度圆半径圆周数组布置于中间平台支架16上，每对柱形安装孔20关于中间平台支架16的中间截面对称，用于对大内径轴环17进行径向固定，柱形安装孔20的端面上设有三个均布螺纹孔21，用于对大内径轴环压盖18进行固定；三个柱形凹槽22以低弯曲刚度弹性连杆9的分度圆半径圆周数组布置于中间平台支架16上，每个柱形凹槽22的内侧设有三个均布螺纹孔23，用于与内球副19形成固定连接。

如图5、图6和图7所示，所述的内球副19采用具有半圆截面的钢制圆环实现，该钢制圆环的内侧为半圆的圆周绕圆外轴线旋转形成的球面24，用于与低弯曲刚度弹性连杆9通过相切配合形成滑动连接，外侧为与半圆直径平行的边线绕圆外轴线旋转形成的圆柱面25；圆柱部分的端面上设有三个均布螺纹孔26，用于与中间平台支架16的柱形凹槽22形成固定连接。

如图6和图8所示，所述的大内径轴环17采用钢制圆环实现，该钢制圆环的内圈与高弯曲刚度弹性连杆7形成柱面配合，通过螺纹锁紧来进行固定；外圈与中间平台支架16的柱形安装孔20配合，进行径向固定。

所述的大内径轴环压盖18采用铝合金制成的多段柱状结构实现，该多段柱状结构的一侧圆柱通过精确加工的端面对大内径轴环17进行轴向固定；另一侧圆柱的端面设有三个均布螺纹孔27，用于与中间平台支架16的柱形安装孔20的端面进行固定连接。

如图1、图9和图10所示，所述的动平台10包括：动平台支架28、六个小内径轴环29、三个轴环衬套30和六个小内径轴环压盖31，其中：小内径轴环29通过其外圈在动平台支架28上进行径向固定，通过小内径轴环压盖31进行轴向固定。

所述的动平台支架28采用铝合金分支结构实现，其中：三个柱形安装孔32以低弯曲刚度弹性连杆9的分度圆半径圆周数组布置于各分支的末端，用于对小内径轴环29进行径向固定；柱形安装孔32的端面设有三个均布螺纹孔33，用于对小内径轴环压盖31进行固定。

如图10和图11所示，所述的小内径轴环29采用钢制圆环，该钢制圆环的内圈与低弯曲刚度弹性连杆9形成柱面配合，通过螺纹锁紧来进行固定；外圈与动平台支架28的柱形安装孔32配合，进行径向固定。

所述的小内径轴环压盖31采用铝合金制成的多段柱状结构实现，该多段柱状结构的一侧圆柱通过精确加工的端面对小内径轴环29进行轴向固定；另一侧圆柱的端面设有三个均布螺纹孔34，用于与动平台支架28的柱形安装孔32的端面进行固定连接。

如图10和图12所示，所述的轴环衬套30采用铝合金制成的柱状结构实现，用于对固定低弯曲刚度弹性连杆9的一对小内径轴环29的相对位置进行固定。

优选地，各低弯曲刚度弹性连杆9形成的圆周数组直径为定平台2圆直径的40％，各高弯曲刚度弹性连杆7形成的圆周数组直径为定平台2圆直径的60％，中心线间的夹角均为120°。

本发明的工作方式如下：初始状态下，动平台10、中间平台8和定平台2平行，平台间连杆长度一致且均与平台正交；当低弯曲刚度弹性连杆9受驱动进行同步运动时，平台间连杆长度的变化一致，中间平台8保持静止而动平台10实现沿竖直方向的平移运动，并且弹性机构的侧向刚度随动平台10与中间平台8的相对距离变化而改变，从而具备变化的顺应能力；当高弯曲刚度弹性连杆7受驱动进行差动运动时，中间平台8与定平台2间连杆长度的变化不同，相应的运动协调过程不仅会引起高弯曲刚度弹性连杆7的弯曲大变形和中间平台8的空间运动，而且会通过中间平台8使低弯曲刚度弹性连杆9产生弯曲大变形，由于低弯曲刚度弹性连杆9的长度约束动平台10可以实现水平面内任意方向的平移运动；当低弯曲刚度弹性连杆9受驱动进行同步运动的同时高弯曲刚度弹性连杆7受驱动进行差动运动时，动平台10同时进行空间下三个平移自由度运动且使弹性机构具有顺应能力。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征在于，包括：单自由度推拉装置、低弯曲刚度弹性连杆、高弯曲刚度弹性连杆、定平台、中间平台和动平台，其中：低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆环布于定平台底部，通过设置于定平台顶部的对应单自由度推拉装置与定平台滑动连接，中间平台固定于高弯曲刚度弹性连杆的末端并与低弯曲刚度弹性连杆滑动连接，动平台固定于低弯曲刚度弹性连杆的末端；初始状态下，动平台、中间平台和定平台平行，平台间连杆长度一致且均与平台正交；当低弯曲刚度弹性连杆受驱动进行同步运动时，平台间连杆长度的变化一致，中间平台保持静止而动平台实现沿竖直方向的平移运动，并且弹性机构的侧向刚度随动平台与中间平台的相对距离变化而改变，从而具备变化的顺应能力；当高弯曲刚度弹性连杆受驱动进行差动运动时，中间平台与定平台间连杆长度的变化不同，相应的运动协调过程不仅会引起高弯曲刚度弹性连杆的弯曲大变形和中间平台的空间运动，而且会通过中间平台使低弯曲刚度弹性连杆产生弯曲大变形，由于低弯曲刚度弹性连杆的长度约束动平台可以实现水平面内任意方向的平移运动；当低弯曲刚度弹性连杆受驱动进行同步运动的同时高弯曲刚度弹性连杆受驱动进行差动运动时，动平台同时进行空间下三个平移自由度运动且使弹性机构具有顺应能力。

2.根据权利要求1所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，所述的低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆均采用超弹性材料制成的圆形截面杆，能够在多种边界条件共同作用下完成复杂的空间大变形。

3.根据权利要求1所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的单自由度推拉装置包括：推拉装置支架、弹性连杆支架和导轨丝杠机构，其中：弹性连杆支架通过导轨丝杠机构滑动设置于推拉装置支架上，通过移动驱动组件实现导轨全长范围内任意距离的移动。

4.根据权利要求3所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的弹性连杆支架为T形结构，该T形结构的T形截面竖向依次设有与两种弹性杆直径匹配的通孔，通过与销钉配合以固定两种弹性杆。

5.根据权利要求1所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的中间平台包括：中间平台支架、大内径轴环、大内径轴环压盖和内球副，其中：大内径轴环通过其外圈在中间平台支架上进行径向固定，通过大内径轴环压盖进行轴向固定；内球副通过螺纹连接固定于中间平台支架上。

6.根据权利要求5所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的中间平台支架为盘形结构，其中：柱形安装孔对以高弯曲刚度弹性连杆的分度圆半径圆周数组布置于中间平台支架上，每对柱形安装孔关于中间平台支架的中间截面对称，用于对大内径轴环进行径向固定；柱形凹槽以低弯曲刚度弹性连杆的分度圆半径圆周数组布置于中间平台支架上，用于对内球副进行安装定位；

所述的内球副为具有半圆截面的圆环结构，其内侧为半圆的圆周绕圆外轴线旋转形成的球面，用于与低弯曲刚度弹性连杆通过相切配合形成滑动连接，外侧为与半圆直径平行的边线绕同一圆外轴线旋转形成的圆柱面。

7.根据权利要求1所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的动平台包括：动平台支架、小内径轴环、轴环衬套和小内径轴环压盖，其中：小内径轴环通过其外圈在动平台支架上进行径向固定，通过小内径轴环压盖进行轴向固定。

8.根据权利要求7所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的动平台支架为分支结构，其中：用于对小内径轴环进行径向固定的柱形安装孔以低弯曲刚度弹性连杆的分度圆半径圆周数组布置于各分支的末端。

9.根据权利要求1所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的低弯曲刚度弹性连杆的分布圆直径为定平台直径的40％，高弯曲刚度弹性连杆的分布圆直径为定平台直径的60％。

10.根据权利要求1或9所述的大变形驱动的三平动弹性连杆并联机构，其特征是，所述的低弯曲刚度弹性连杆和高弯曲刚度弹性连杆的圆周数组分布夹角均为120°。