CN110238826B - 一种变胞并联机器人机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变胞并联机器人机构，包括固定平台和运动平台，固定平台和运动平台通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条变胞混联支链的结构相同，分别为第一变胞混联支链、第二变胞混联支链和第三变胞混联支链；变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链，变胞单环闭链连接在固定平台上，四自由度串联支链的顶端连接在运动平台上。本发明构思巧妙，三条变胞混联支链包括初始状态和三种工作模式，当三条变胞混联支链在A、B和C三种不同工作模式间切换时，该变胞并联机器人机构相应可具有3T3R、3T2R、2T3R、3T1R、2T2R、1T3R、3T、2T1R、1T2R和3R共十种不同的工作模式，满足实际工程的不同工作任务需求变换其拓扑结构和自由度。
Description
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器人机构。
背景技术
在机构学与机器人学发展的早期阶段，人们普遍关注的是具有固定自由度和单一工作模式的传统机器人机构。
然而，随着科学技术的发展，具有多个工作阶段、多功能和灵巧操作能力的集成化装备的需求与日俱增。特别是在工业生产和生活应用中的机器人领域，对具有能够实现多种不同工作模式转换，进而适应不同工作任务需求的一体化机器人系统有着更多的需求。
发明内容
本发明针对现有技术之不足，提出一种变胞并联机器人机构，其可根据实际工程的不同工作任务需求变换其拓扑结构和自由度。
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器人机构，包括固定平台和运动平台，所述固定平台和运动平台通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条所述变胞混联支链的结构相同，分别为第一变胞混联支链、第二变胞混联支链和第三变胞混联支链；所述变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链，所述变胞单环闭链连接在所述固定平台上，所述四自由度串联支链的顶端连接在所述运动平台上。
进一步的，所述变胞单环闭链包括一个虎克铰、一个移动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副，所述虎克铰包括第一转动副和第二转动副，所述第一转动副安装在所述固定平台上，所述第一转动副和第二转动副的轴线正交连接，所述第二转动副的上方连接有第一连杆；所述移动副安装在所述固定平台上，所述第五转动副通过第四连杆连接在所述移动副的移动杆上，所述第五转动副的通过第三连杆与所述第四转动副相连，所述第四转动副与所述第三转动副通过第二连杆相连，所述第三转动副与所述虎克铰之间通过所述第一连杆相连；所述第一转动副与第五转动副的轴线共线，移动副的轴线与所述第一转动副的轴线平行。
再进一步的，所述四自由度串联支链包括第六转动副、第七转动副、第八转动副和第九转动副，所述第六转动副通过转接杆连接在所述变胞单环闭链的第一连杆的中部，所述第六转动副和第七转动副之间通过第七连杆相连，所述第七转动副和所述第八转动副通过第五连杆相连，所述第八转动副和第九转动副通过第六连杆相连，所述第九转动副与所述运动平台相连；所述第七转动副、第八转动副和第九转动副的轴线与所述第二转动副和第三转动副的轴线平行，所述第六转动副的轴线与所述第七转动副、第八转动副和第九转动副的轴线垂直布置。
再进一步的，所述四自由度串联支链包括第六转动副、第七转动副、第八转动副和第九转动副，所述第六转动副通过转接杆连接在所述变胞单环闭链的第一连杆的中部，所述第六转动副和第七转动副垂直布置且正交相连，所述第七转动副和所述第八转动副通过第五连杆相连，所述第八转动副和第九转动副通过第六连杆相连，所述第九转动副与所述运动平台相连；所述第七转动副、第八转动副和第九转动副的轴线与所述第二转动副和第三转动副的轴线平行。
再进一步的，所述移动副具体包括与所述固定平台相连的两个导向环和插接在所述导向环内的移动杆，两个所述导向环的圆形截面轴线位于同一条直线上，且所述移动杆沿所述导向环的轴线直线移动。
再进一步的，所述转接杆具体包括固定连接为一体的第一直杆、中间杆和第二直杆，所述第一直杆的一端垂直连接在所述第一连接杆的中部，所述第一直杆的另一端通过所述中间杆与所述第二直杆的一端连接，所述第二直杆的另一端与所述第六转动副连接；所述第一直杆和第二直杆相互垂直水平布置，且所述第一直杆和第二直杆均与所述中间杆垂直布置。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种变胞并联机器人机构，固定平台和运动平台通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条所述变胞混联支链的结构相同，变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链。工作时，选取移动副、第一转动副为变胞单环闭链的输入副，选取通过虎克铰与固定平台相连的第一连杆为变胞单环闭链的输出构件；当第二转动副和第三转动副的公法线正交于固定平台时，变胞单环闭链位于不同子构态进行切换的初始位形。初始位形时，第一连接的瞬时自由度数为2。通过锁死或驱动第一转动副、移动副，变胞单环闭链可以实现三种不同的子构态，即子构态A、子构态B和子构态C；将所述变胞单环闭链与一个四自由度串联支链相连，得到一种变胞混联支链，且该变胞混联支链因变胞单环闭链包括初始位置和不同的三种工作模式。
本发明的一种变胞并联机器人机构，当三条变胞混联支链在A、B和C三种不同工作模式间切换时，该变胞并联机器人机构相应可具有3T3R、3T2R、2T3R、3T1R、2T2R、1T3R、3T、2T1R、1T2R和3R共十种不同的工作模式(表示工作模式时，字母T代表移动，字母R代表转动，字母前的数字代表T或R所代表运动的数目)，满足实际工程的不同工作任务需求变换其拓扑结构和自由度。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明变胞并联机器人机构结构示意图；
图2为本发明变胞混联支链结构示意图；
图3为本发明变胞混联支链子构态A示意图；
图4为本发明变胞混联支链子构态B示意图；
图5为本发明变胞混联支链子构态C示意图；
图6为本发明变胞并联机器人机构另一实施例结构示意图；
图7为本发明变胞混联支链另一实施例结构示意图；
附图标记说明：1、固定平台；2、运动平台；3、第一变胞混联支链；4、第二变胞混联支链；5、第三变胞混联支链；
201、第一转动副；202、第二转动副；203、第三转动副；204、第四转动副；205、第五转动副；206、第六转动副；207、第七转动副；208、第八转动副；209、第九转动副；210、移动副；
211、第一连杆；212、第二连杆；213、第三连杆；214、第四连杆；215、转接杆；216、第五连杆；217、第六连杆；218、第七连杆。
具体实施方式
实施例1：
如图1-5所示，一种变胞并联机器人机构，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通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条所述变胞混联支链的结构相同，分别为第一变胞混联支链3、第二变胞混联支链4和第三变胞混联支链5；所述变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链，所述变胞单环闭链连接在所述固定平台1上，所述四自由度串联支链的顶端连接在所述运动平台2上。
具体的，如图2所示，所述变胞单环闭链包括一个虎克铰、一个移动副210、第三转动副203、第四转动副204和第五转动副205，所述虎克铰包括第一转动副201和第二转动副202，所述第一转动副201安装在所述固定平台1上，所述第一转动副201和第二转动副202的轴线正交连接，所述第二转动副202的上方连接有第一连杆211；所述移动副210安装在所述固定平台1上，所述第五转动副205通过第四连杆214连接在所述移动副210的移动杆上，所述第五转动副205的通过第三连杆213与所述第四转动副204相连，所述第四转动副204与所述第三转动副203通过第二连杆212相连，所述第三转动副203与所述虎克铰之间通过所述第一连杆211相连；所述第一转动副201与第五转动副205的轴线共线，移动副210的轴线与所述第一转动副201的轴线平行，第二转动副202、第三转动副203和第四转动副204的轴线平行。
所述四自由度串联支链包括第六转动副206、第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209，所述第六转动副206通过转接杆215连接在所述变胞单环闭链的第一连杆211的中部，所述第六转动副206和第七转动副207之间通过第七连杆218相连，所述第七转动副207和所述第八转动副208通过第五连杆216相连，所述第八转动副208和第九转动副209通过第六连杆217相连，所述第九转动副209与所述运动平台2相连；所述第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线与所述第二转动副202和第三转动副203的轴线平行，所述第六转动副206的轴线与所述第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线垂直布置。
所述移动副210具体包括与所述固定平台1相连的两个导向环和插接在所述导向环内的移动杆，两个所述导向环的圆形截面轴线位于同一条直线上，且所述移动杆沿所述导向环的轴线直线移动。
所述转接杆215具体包括固定连接为一体的第一直杆、中间杆和第二直杆，所述第一直杆的一端垂直连接在所述第一连接杆211的中部，所述第一直杆的另一端通过所述中间杆与所述第二直杆的一端连接，所述第二直杆的另一端与所述第六转动副206连接；所述第一直杆和第二直杆相互垂直水平布置，且所述第一直杆和第二直杆均与所述中间杆垂直布置。
实施例2：
如图6-7所示，一种变胞并联机器人机构，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通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条所述变胞混联支链的结构相同，分别为第一变胞混联支链3、第二变胞混联支链4和第三变胞混联支链5；所述变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链，所述变胞单环闭链连接在所述固定平台1上，所述四自由度串联支链的顶端连接在所述运动平台2上。
如图7所示，该实施例中的变胞单环闭链结构与实施例1中的完全相同。所述四自由度串联支链包括第六转动副206、第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209，所述第六转动副206通过转接杆215连接在所述变胞单环闭链的第一连杆211的中部，所述第六转动副206和第七转动副207垂直布置且正交相连，所述第七转动副207和所述第八转动副208通过第五连杆216相连，所述第八转动副208和第九转动副209通过第六连杆217相连，所述第九转动副209与所述运动平台2相连；所述第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线与所述第二转动副202和第三转动副203的轴线平行。本实施例中第六转动副206、第七转动副207直接正交连接为另一个虎克铰，因缺少一根竖向的连接杆，其最终变胞并联机器人机构的运动平台2的高度低于实施例1中的运动平台高度，其实现的动作和自由度均一致。
本发明的动作过程如下：
首先，选取第一转动副201和移动副210为变胞单环闭链的输入副，第一连杆211为变胞单环闭链的输出构件。
如图2、7所示，当第二转动副202和第三转动副203轴线的公法线与固定平台1正交时，为变胞单环闭链的初始位形。初始位形时，第一连杆211的瞬时自由度数为2。
如图3所示，当锁死第一转动副201，驱动移动副210，变胞单环闭链由初始位形切换为子构态A。子构态A时，第一连杆211的自由度数为1。子构态A时，第一连杆211作单自由度连续转动，转轴为第二转动副202的轴线。
如图4所示，当锁死移动副210，驱动第一转动副201，变胞单环闭链由初始位形切换为子构态B。子构态B时，第一连杆211的自由度数为1。子构态B时，第一连杆211作单自由度连续转动，转轴为第一转动副201的轴线。
如图5所示，当同时驱动第一转动副201和移动副210，变胞单环闭链由初始位形切换为子构态C。子构态C时，第一连杆211的自由度数为2。子构态C时，第一连杆211作两自由度连续转动，转轴为第一转动副201的轴线和第二转动副202的轴线。子构态C时，变胞单环闭链的两自由度连续转动为完全解耦运动，绕第一转动副201轴线的连续转动只与第一转动副201的输入角位移有关，而与移动副210的输入线位移无关；绕第二转动副202轴线的连续转动只与移动副210的输入线位移有关，而与第一转动副201的输入角位移无关。
因将变胞单环闭链与一个四自由度串联支链相连得到本发明的变胞混联支链，所述四自由度串联支链包括第六转动副206、第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209，所述第六转动副206通过转接杆215连接在所述变胞单环闭链的第一连杆211的中部，所述第九转动副209与所述运动平台2相连；其中，所述第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线与所述第二转动副202和第三转动副203的轴线平行，第六转动副206与所述第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线不同，所以随着变胞单环闭链形态改变，变胞混联支链做适应性变动。
如图2所示，当变胞单环闭链位于初始位形时，变胞混联支链也位于初始位形。初始位形时，第一转动副201的轴线与第六转动副206的轴线相交于一点O。初始位形时，第二转动副202的轴线与第六转动副206的轴线平行。初始位形时，变胞混联支链的瞬时自由度数目为6，其无几何约束存在。
如图3所示，当变胞单环闭链由初始位形切换为子构态A时，变胞混联支链相应由初始位形切换为工作模式A。工作模式A时，变胞混联支链的自由度数目为5，变胞混联支链存在一个约束力耦。第二转动副202和第六转动副206轴线组成一组平行线矢量，第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线组成另一组平行线矢量，两组线矢量的公法线方向即为约束力耦方向。
如图4所示，当变胞单环闭链由初始位形切换为子构态B时，变胞混联支链相应由初始位形切换为工作模式B。工作模式B时，第一转动副201轴线与第六转动副206轴线相交于一点O。工作模式B时，变胞混联支链的的自由度数目为5，变胞混联支链存在一个约束力矢。该约束力矢过第一转动副201轴线与第六转动副206轴线的交点O，且约束力矢与第七转动副207、第八转动副208和第九转动副209的轴线同向。
如图5所示，当变胞单环闭链由初始位形切换为子构态C时，变胞混联支链相应由初始位形切换为工作模式C。工作模式C时，变胞混联支链自由度数目为6，变胞混联支链无几何约束。
如图1所示，利用三条呈圆周均布的所述变胞混联支链，连接并联机构的运动平台2和固定平台1，可得到一种变胞并联机器人机构。当三条变胞混联支链在A、B和C三种不同工作模式间切换时，变胞并联机器人机构相应可具有3T3R、3T2R、2T3R、3T1R、2T2R、1T3R、3T、2T1R、1T2R和3R共十种不同的工作模式(表示工作模式时，字母T代表移动，字母R代表转动，字母前的数字代表T或R所代表运动的数目)。
如图1所示为变胞并联机器人机构的初始位形，此时三条呈圆周均布的变胞混联支链都位于初始位形。初始位形时，第一、第二、第三变胞混联支链的轴线汇交于一点P，P点，即为该变胞并联机器人机构的转动中心。
初始位形时，三条变胞混联支链都无几何约束作用于运动平台2，运动平台2的瞬时自由度为6。初始位形为变胞并联机器人机构不同工作模式进行切换的位形。
当三条变胞混联支链都切换为工作模式C，此时三条变胞混联支链都无几何约束作用于运动平台2，运动平台2可具有3T3R运动，此时变胞并联机器人机构由初始位形切换为3T3R工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式C，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式A，此时将存在一个约束力耦作用于运动平台2，运动平台2的一个转动被约束，运动平台2具有3T2R运动，此时变胞并联机器人机构切换为3T2R工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式C，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式B，此时将存在一个约束力矢作用于运动平台2，运动平台2的一个移动被约束，运动平台2具有2T3R运动，此时变胞并联机器人机构切换为2T3R工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式A，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式C，此时将存在两个约束力耦作用于运动平台2，运动平台2的两个转动被约束，运动平台2具有3T1R运动，此时变胞并联机器人机构切换为3T1R工作模式。
当一条变胞混联支链切换为工作模式A，一条变胞混联支链切换为工作模式B，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式C，此时将存在一个约束力耦和一个约束力矢作用于运动平台2，运动平台2的一个转动和一个移动被约束，运动平台2具有2T2R运动，此时变胞并联机器人机构切换为2T2R工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式B，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式C，此时存在两个约束力矢作用于运动平台2，运动平台2的两个移动被约束，运动平台2具有1T3R运动，此时变胞并联机器人机构切换为1T3R工作模式。
当三条变胞混联支链都切换为工作模式A，此时存在三个约束力耦作用于运动平台2，运动平台2的三个转动全部被约束，运动平台2具有3T运动，此时变胞并联机器人机构切换为3T工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式A，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式B，此时存在两个约束力耦和一个约束力矢作用于运动平台2，运动平台2的两个转动和一个移动被约束，运动平台2具有2T1R运动，此时变胞并联机器人机构切换为2T1R工作模式。
当两条变胞混联支链切换为工作模式B，剩余一条变胞混联支链切换为工作模式A，此时存在两个约束力矢和一个约束力耦作用于运动平台2，运动平台2的两个移动和一个转动被约束，运动平台2具有1T2R运动，此时变胞并联机器人机构切换为1T2R工作模式。
当三条变胞混联支链全部切换工作模式B，此时存在三个约束力矢作用于运动平台2，运动平台2的三个移动全部被约束，运动平台2具有3R运动，此时变胞并联机器人机构切换为3R工作模式。
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 (4)
1.一种变胞并联机器人机构，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)通过三条呈圆周均布的变胞混联支链相连，三条所述变胞混联支链的结构相同，分别为第一变胞混联支链(3)、第二变胞混联支链(4)和第三变胞混联支链(5)；
所述变胞混联支链包括一个变胞单环闭链和一个四自由度串联支链，所述变胞单环闭链连接在所述固定平台(1)上，所述四自由度串联支链的顶端连接在所述运动平台(2)上；
所述变胞单环闭链包括一个虎克铰、一个移动副(210)、第三转动副(203)、第四转动副(204)和第五转动副(205)，所述虎克铰包括第一转动副(201)和第二转动副(202)，所述第一转动副(201)安装在所述固定平台(1)上，所述第一转动副(201)和第二转动副(202)的轴线正交连接，所述第二转动副(202)的上方连接有第一连杆(211)；所述移动副(210)安装在所述固定平台(1)上，所述第五转动副(205)通过第四连杆(214)连接在所述移动副(210)的移动杆上，所述第五转动副(205)通过第三连杆(213)与所述第四转动副(204)相连，所述第四转动副(204)与所述第三转动副(203)通过第二连杆(212)相连，所述第三转动副(203)与所述虎克铰之间通过所述第一连杆(211)相连；所述第一转动副(201)与第五转动副(205)的轴线共线，移动副(210)的轴线与所述第一转动副(201)的轴线平行；
所述移动副(210)具体包括与所述固定平台(1)相连的两个导向环和插接在所述导向环内的移动杆，两个所述导向环的圆形截面轴线位于同一条直线上，且所述移动杆沿所述导向环的轴线直线移动。
2.根据权利要求1所述的变胞并联机器人机构，其特征在于：所述四自由度串联支链包括第六转动副(206)、第七转动副(207)、第八转动副(208)和第九转动副(209)，所述第六转动副(206)通过转接杆(215)连接在所述变胞单环闭链的第一连杆(211)的中部，所述第六转动副(206)和第七转动副(207)之间通过第七连杆(218)相连，所述第七转动副(207)和所述第八转动副(208)通过第五连杆(216)相连，所述第八转动副(208)和第九转动副(209)通过第六连杆(217)相连，所述第九转动副(209)与所述运动平台(2)相连；
所述第七转动副(207)、第八转动副(208)和第九转动副(209)的轴线与所述第二转动副(202)和第三转动副(203)的轴线平行，所述第六转动副(206)的轴线与所述第七转动副(207)、第八转动副(208)和第九转动副(209)的轴线垂直布置。
3.根据权利要求1所述的变胞并联机器人机构，其特征在于：所述四自由度串联支链包括第六转动副(206)、第七转动副(207)、第八转动副(208)和第九转动副(209)，所述第六转动副(206)通过转接杆(215)连接在所述变胞单环闭链的第一连杆(211)的中部，所述第六转动副(206)和第七转动副(207)垂直布置且正交相连，所述第七转动副(207)和所述第八转动副(208)通过第五连杆(216)相连，所述第八转动副(208)和第九转动副(209)通过第六连杆(217)相连，所述第九转动副(209)与所述运动平台(2)相连；
所述第七转动副(207)、第八转动副(208)和第九转动副(209)的轴线与所述第二转动副(202)和第三转动副(203)的轴线平行。
4.根据权利要求2或3所述的变胞并联机器人机构，其特征在于：所述转接杆(215)具体包括固定连接为一体的第一直杆、中间杆和第二直杆，所述第一直杆的一端垂直连接在所述第一连杆(211)的中部，所述第一直杆的另一端通过所述中间杆与所述第二直杆的一端连接，所述第二直杆的另一端与所述第六转动副(206)连接；所述第一直杆和第二直杆相互垂直水平布置，且所述第一直杆和第二直杆均与所述中间杆垂直布置。
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