CN109807864A

CN109807864A - 一种变胞并联机构

Info

Publication number: CN109807864A
Application number: CN201910207798.XA
Authority: CN
Inventors: 王冰
Original assignee: North China Institute of Aerospace Engineering
Current assignee: North China Institute of Aerospace Engineering
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明公开了一种变胞并联机构，包括固定平台和运动平台，固定平台和运动平台通过一条第一支链和三条第二支链相连，第一支链为中央支链，三条第二支链关于第一支链为轴对称布置；第一支链包括依次相连的球面五杆机构、第一移动副机构和空间平行四边形机构，球面五杆机构与固定平台连接，空间平行四边形机构与运动平台连接；第二支链包括依次相连的第一球副、第二移动副机构和第二球副，第一球副与固定平台连接，第二球副与运动平台连接。本发明通过锁死或驱动第一转动副与第二转动副，能够实现本变胞并联机构具有3T2R运动、3T1R_X运动、3T1R_Y运动和3T运动的切换，适应不同性质表面作业，具备根据操作任务变化而变换其拓扑结构和自由度的能力。

Description

一种变胞并联机构

技术领域

本发明涉及机构学与机器人学领域，尤其涉及一种变胞并联机构。

背景技术

并联机构因以桁架杆系替代了传统机器人与机床等机械装备的开链式结构，因而其具有刚度高、承载能力大、动态性能好等优点，使其在工业机器人、步行机器人、运载机械的动态模拟器、机械式伺服压力机、并联运动机床、3D打印等领域得到了广泛应用。

在机器人喷涂、搅拌摩擦焊、3D打印、机械加工制造等领域，在不同性质表面作业时，机器人末端执行器所需要的自由度是不同的。例如作业面为平面时，末端执行器具有3T(表示运动时，字母T代表移动)运动能力即可；作业面为直纹面时，末端执行器需具有3T1R(表示运动时，字母R代表转动)运动能力；作业面为自由曲面时，末端执行器需具备3T2R运动能力。传统的并联构型装备一般为固定自由度装备，不具备根据操作任务变化而变换其拓扑结构和自由度的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种变胞并联机构，解决传统的并联构型装备一般为固定自由度装备，不能适应不同性质表面作业的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种变胞并联机构，包括固定平台和运动平台，所述固定平台和运动平台通过一条第一支链和三条第二支链相连，所述第一支链为中央支链，三条所述第二支链关于第一支链为轴对称布置；

所述第一支链包括依次相连的球面五杆机构、第一移动副机构和空间平行四边形机构，所述球面五杆机构与所述固定平台连接，所述空间平行四边形机构与所述运动平台连接；

所述第二支链包括依次相连的第一球副、第二移动副机构和第二球副，所述第一球副与所述固定平台连接，所述第二球副与所述运动平台连接。

进一步的，所述球面五杆机构包括垂直固定在所述固定平台上的第一直杆和第二直杆；所述第一直杆的端头通过第一转动副连接有第一弯杆的一端，所述第二直杆的端头通过第二转动副连接有第二弯杆的一端；所述第一弯杆的另一端通过第三转动副连接有第三弯杆的一端，所述第二弯杆的另一端通过第四转动副连接有第四弯杆的一端，所述第四弯杆的另一端与所述第三弯杆的另一端通过第五转动副连接；

所述第一弯杆、第二弯杆、第三弯杆和第四弯杆的弯角角度为90°；所述第一移动副机构的下端固定在第四弯杆的弯角处，且第一移动副机构向上垂直于第四弯杆所在的平面；

当所述第一移动副机构垂直于所述固定平台时，所述第一转动副、第二转动副、第四转动副和第五转动副的轴线位于同一水平面上，且其中相邻两个转动副的轴线相互垂直，所述第三转动副的轴线与第一移动副机构的轴线重合。

再进一步的，所述第一移动副机构包括第一固定套和第一移动杆，所述第一移动杆可伸缩地插设在所述第一固定套内，第一固定套位于第一移动杆下侧，且第一固定套的下端与所述球面五杆机构连接，第一移动杆的上端与所述空间平行四边形机构连接。

再进一步的，所述空间平行四边形机构包括中间平台、第三直杆、第四直杆和第五直杆；所述第三直杆、第四直杆和第五直杆的下端分别通过第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰与所述中间平台的上端面连接；所述第三直杆、第四直杆和第五直杆的上端分别通过第四虎克铰、第五虎克铰和第六虎克铰与所述运动平台的下端面连接；所述第三直杆、第四直杆和第五直杆相互平行；所述第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰与中间平台的三个连接点在一个圆形轨迹上，所述第四虎克铰、第五虎克铰和第六虎克铰与运动平台的三个连接点也在一个圆形轨迹上，且两个圆形轨迹直径相同；

所述第一移动副机构的上端与所述中间平台的下端面固定连接，且第一移动副机构与中间平台的连接点位于第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰与中间平台的三个连接点所在圆形轨迹的圆心处。

再进一步的，所述第二移动副机构包括第二固定套和第二移动杆，所述第二移动杆可伸缩地插设在所述第二固定套内，第二固定套位于第二移动杆下侧，且第二固定套的下端与所述第一球副连接，第一移动杆的上端与所述第二球副连接。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

本发明通过锁死或驱动第一转动副与第二转动副，能够实现本变胞并联机构具有3T2R运动、3T1R_X运动、3T1R_Y运动和3T运动的切换，适应不同性质表面作业，具备根据操作任务变化而变换其拓扑结构和自由度的能力。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明的球面五杆机构的结构图；

图2为本发明的空间平行四边形机构的结构图；

图3为本发明的第一支链的结构图；

图4为本发明的第一支链中同时驱动球面五杆机构的第一转动副和第二转动副所切换成的子构态A的示意图；

图5为本发明的第一支链中驱动球面五杆机构的第一转动副，而锁死第二转动副所切换成的子构态B的示意图；

图6为本发明的第一支链中锁死球面五杆机构的第一转动副，而驱动第二转动副所切换成的子构态C的示意图；

图7为本发明变胞并联机构的结构图；

附图标记说明：1、固定平台；2、运动平台；3、第一支链；301、球面五杆机构；30101、第一直杆；30102、第二直杆；30103、第一转动副；30104、第一弯杆；30105、第二转动副；30106、第二弯杆；30107、第三转动副；30108、第三弯杆；30109、第四转动副；30110、第四弯杆；30111、第五转动副；302、第一移动副机构；3021、第一固定套；3022、第一移动杆；303、空间平行四边形机构；30301、中间平台；30302、第三直杆；30303、第四直杆；30304、第五直杆；30305、第一虎克铰；30306、第二虎克铰；30307、第三虎克铰；30308、第四虎克铰；30309、第五虎克铰；30310、第六虎克铰；4、第二支链；401、第一球副；402、第二移动副机构；4021、第二固定套；4022、第二移动杆；403、第二球副。

具体实施方式

如图7所示，一种变胞并联机构的具体实施例，包括固定平台1和运动平台2，所述固定平台1和运动平台2通过一条第一支链3和三条第二支链4相连，所述第一支链3为中央支链，三条所述第二支链4关于第一支链3为轴对称布置。所述第一支链3包括依次相连的球面五杆机构301、第一移动副机构302和空间平行四边形机构303，所述球面五杆机构301与所述固定平台1连接，所述空间平行四边形机构303与所述运动平台2连接。所述第二支链4包括依次相连的第一球副401、第二移动副机构402和第二球副403，所述第一球副401与所述固定平台1连接，所述第二球副403与所述运动平台2连接。

如图1、2、3所示，更为具体地，第一支链中的球面五杆机构301包括垂直固定在所述固定平台1上的第一直杆30101和第二直杆30102。所述第一直杆30101的端头通过第一转动副30103连接有第一弯杆30104的一端，所述第二直杆30102的端头通过第二转动副30105连接有第二弯杆30106的一端。所述第一弯杆30104的另一端通过第三转动副30107连接有第三弯杆30108的一端，所述第二弯杆30106的另一端通过第四转动副30109连接有第四弯杆30110的一端，所述第四弯杆30110的另一端与所述第三弯杆30108的另一端通过第五转动副30111连接。第一转动副和第二转动副为输入副。其中，所述第一弯杆30104、第二弯杆30106、第三弯杆30108和第四弯杆30110的弯角角度为90°。所述第一移动副机构302包括第一固定套3021和第一移动杆3022，所述第一移动杆3022可伸缩地插设在所述第一固定套3021内，第一固定套3021位于第一移动杆3022下侧，且第一固定套3021的下端固定在第四弯杆30110的弯角处，且第一固定套3021和第一移动杆3022向上垂直于第四弯杆30110所在的平面。当所述第一移动副机构302垂直于所述固定平台1时，所述第一转动副30103、第二转动副30105、第四转动副30109和第五转动副30111的轴线位于同一水平面上，且其中相邻两个转动副的轴线相互垂直，所述第三转动副30107的轴线与第一移动副机构302的轴线重合。

所述空间平行四边形机构303包括中间平台30301、第三直杆30302、第四直杆30303和第五直杆30304。所述第三直杆30302、第四直杆30303和第五直杆30304的下端分别通过第一虎克铰30305、第二虎克铰30306和第三虎克铰30307与所述中间平台30301的上端面连接。所述第三直杆30302、第四直杆30303和第五直杆30304的上端分别通过第四虎克铰30308、第五虎克铰30309和第六虎克铰30310与所述运动平台2的下端面连接。所述第三直杆30302、第四直杆30303和第五直杆30304相互平行。所述第一虎克铰30305、第二虎克铰30306和第三虎克铰30307与中间平台30301的三个连接点在一个圆形轨迹上，所述第四虎克铰30308、第五虎克铰30309和第六虎克铰30310与运动平台2的三个连接点也在一个圆形轨迹上，且两个圆形轨迹直径相同。第一移动副机构302的第一移动杆3022的上端与所述中间平台30301的下端面固定连接，且第一移动副机构302与中间平台30301的连接点位于第一虎克铰30305、第二虎克铰30306和第三虎克铰30307与中间平台30301的三个连接点所在圆形轨迹的圆心处。

如图7所示，更为具体地，第二支链中的所述第二移动副机构402包括第二固定套4021和第二移动杆4022，所述第二移动杆4022可伸缩地插设在所述第二固定套4021内，第二固定套4021位于第二移动杆4022下侧，且第二固定套4021的下端与所述第一球副401的一端连接，所述第一球副401的另一端与所述固定平台1连接，第一移动杆4022的上端与所述第二球副403的一端连接，所述第二球副403的另一端与所述运动平台2连接。三条第二支链无几何约束作用于运动平台，运动平台的几何约束和自由度完全取决于第一支链。

建立固定坐标系o-xyz于球面五杆机构的几何中心o点，x轴与第一转动副轴线同向，y轴与第二转动副轴线同向，z轴由x轴与y轴叉乘确定。球面五杆机构为第一支链的驱动副，通过选择驱动或锁死球面五杆机构与固定平台相连的第一转动副和第二转动副，第一支链具有4种不同的子构态，第一支链具有变胞特性。

当同时驱动第一转动副和第二转动副时，球面五杆机构输出为2自由度转动，相应第一支链具有3T2R运动(表示运动时，字母T代表移动，字母R代表转动，下同)，第一支链存在1个约束力耦，该约束力耦沿运动平台的法向，运动平台沿其法向的转动被约束，第一支链具有3T2R运动，此时称第一支链切换为子构态A(参考图4)。则本发明的变胞并联机构切换为操作模式A。

当驱动第一转动副，锁死第二转动副，球面五杆机构等效为绕x轴转动的单自由度转动副，相应第一支链具有3T1R_X(下标X代表绕x轴转动)运动，第一支链存在2个约束力耦，此时称第一支链切换为子构态B(参考图5)。运动平台沿坐标轴y向和沿坐标轴z向的转动被约束，运动平台具有3T1R_X运动，则本发明的变胞并联机构切换为操作模式B。

当驱动第二转动副，锁死第一转动副，球面五杆机构等效为绕y轴转动的单自由度转动副，相应第一支链具有3T1R_Y(下标Y代表绕y轴转动)运动，第一支链存在2个约束力耦，此时称第一支链切换为子构态C(参考图6)。运动平台沿坐标轴x向和沿坐标轴z向的转动被约束，运动平台具有3T1R_Y运动，则本发明的变胞并联机构切换为操作模式C。

当同时锁死第一转动副和第二转动副，球面五杆机构被锁死，其无输出，相应第一支链具有3T运动，第一支链存在3个约束力耦，第一支链在空间的3个独立转动全部被约束，此时称第一支链切换为子构态D(参考图3)。运动平台在空间的3个独立转动全部被约束，运动平台具有3T运动，则本发明的变胞并联机构切换为操作模式D。

当第一转动副和第二转动副的输入转角为零时，为第一支链不同子构态进行切换的初始位形，初始位形时的第一支链也如图3所示。

可将本发明的变胞并联机构应用于多模式3D打印机器人和可重构并联机床的设计。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种变胞并联机构，其特征在于：包括固定平台(1)和运动平台(2)，所述固定平台(1)和运动平台(2)通过一条第一支链(3)和三条第二支链(4)相连，所述第一支链(3)为中央支链，三条所述第二支链(4)关于第一支链(3)为轴对称布置；

所述第一支链(3)包括依次相连的球面五杆机构(301)、第一移动副机构(302)和空间平行四边形机构(303)，所述球面五杆机构(301)与所述固定平台(1)连接，所述空间平行四边形机构(303)与所述运动平台(2)连接；

所述第二支链(4)包括依次相连的第一球副(401)、第二移动副机构(402)和第二球副(403)，所述第一球副(401)与所述固定平台(1)连接，所述第二球副(403)与所述运动平台(2)连接。

2.根据权利要求1所述的变胞并联机构，其特征在于：所述球面五杆机构(301)包括垂直固定在所述固定平台(1)上的第一直杆(30101)和第二直杆(30102)；所述第一直杆(30101)的端头通过第一转动副(30103)连接有第一弯杆(30104)的一端，所述第二直杆(30102)的端头通过第二转动副(30105)连接有第二弯杆(30106)的一端；所述第一弯杆(30104)的另一端通过第三转动副(30107)连接有第三弯杆(30108)的一端，所述第二弯杆(30106)的另一端通过第四转动副(30109)连接有第四弯杆(30110)的一端，所述第四弯杆(30110)的另一端与所述第三弯杆(30108)的另一端通过第五转动副(30111)连接；

所述第一弯杆(30104)、第二弯杆(30106)、第三弯杆(30108)和第四弯杆(30110)的弯角角度为90°；所述第一移动副机构(302)的下端固定在第四弯杆(30110)的弯角处，且第一移动副机构(302)向上垂直于第四弯杆(30110)所在的平面；

当所述第一移动副机构(302)垂直于所述固定平台(1)时，所述第一转动副(30103)、第二转动副(30105)、第四转动副(30109)和第五转动副(30111)的轴线位于同一水平面上，且其中相邻两个转动副的轴线相互垂直，所述第三转动副(30107)的轴线与第一移动副机构(302)的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的变胞并联机构，其特征在于：所述第一移动副机构(302)包括第一固定套(3021)和第一移动杆(3022)，所述第一移动杆(3022)可伸缩地插设在所述第一固定套(3021)内，第一固定套(3021)位于第一移动杆(3022)下侧，且第一固定套(3021)的下端与所述球面五杆机构(301)连接，第一移动杆(3022)的上端与所述空间平行四边形机构(303)连接。

4.根据权利要求1所述的变胞并联机构，其特征在于：所述空间平行四边形机构(303)包括中间平台(30301)、第三直杆(30302)、第四直杆(30303)和第五直杆(30304)；所述第三直杆(30302)、第四直杆(30303)和第五直杆(30304)的下端分别通过第一虎克铰(30305)、第二虎克铰(30306)和第三虎克铰(30307)与所述中间平台(30301)的上端面连接；所述第三直杆(30302)、第四直杆(30303)和第五直杆(30304)的上端分别通过第四虎克铰(30308)、第五虎克铰(30309)和第六虎克铰(30310)与所述运动平台(2)的下端面连接；所述第三直杆(30302)、第四直杆(30303)和第五直杆(30304)相互平行；所述第一虎克铰(30305)、第二虎克铰(30306)和第三虎克铰(30307)与中间平台(30301)的三个连接点在一个圆形轨迹上，所述第四虎克铰(30308)、第五虎克铰(30309)和第六虎克铰(30310)与运动平台(2)的三个连接点也在一个圆形轨迹上，且两个圆形轨迹直径相同；

所述第一移动副机构(302)的上端与所述中间平台(30301)的下端面固定连接，且第一移动副机构(302)与中间平台(30301)的连接点位于第一虎克铰(30305)、第二虎克铰(30306)和第三虎克铰(30307)与中间平台(30301)的三个连接点所在圆形轨迹的圆心处。

5.根据权利要求1所述的变胞并联机构，其特征在于：所述第二移动副机构(402)包括第二固定套(4021)和第二移动杆(4022)，所述第二移动杆(4022)可伸缩地插设在所述第二固定套(4021)内，第二固定套(4021)位于第二移动杆(4022)下侧，且第二固定套(4021)的下端与所述第一球副(401)连接，第一移动杆(4022)的上端与所述第二球副(403)连接。