CN110545963B - 多自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种多自由度并联机构，包括桥组件(2)、主支撑组件(3)和两个次支撑组件(4)；主支撑组件(3)包括至少一个平行四边形机构；桥组件(2)与主支撑块(30)转动连接，使得桥组件(2)能够相对于主支撑块(30)绕两个彼此不平行的轴线转动，桥组件(2)还分别与两个次支撑块(40)转动连接，使得桥组件(2)能够相对于次支撑块(40)绕两个彼此不平行的轴线转动；桥组件(2)具有至少两个平动自由度和两个转动自由度。该多自由度并联机构控制精度高、结构简单、空间利用率高。

Description

多自由度并联机构

相关申请的引用

本发明要求2018年4月10日在中国提交的，名称为“平移机构和具有该平移机构的多自由度导向机构”、申请号为201810316146.5的发明专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及并联机器人的多自由度并联机构。

背景技术

从机构学的角度可以将机器人分为串联机器人和并联机器人两大类，相比于串联机器人，并联机器人具有刚度大、承载能力强、精度高和末端件惯性小等优势。

现有的并联机器人多采用完全对称设计，导致机器人整体体积较大，不能较好地适应较小的操作空间、或是使多台机器人在有限空间内同时布置。

最常见的并联机器人多为六自由度，例如专利US3295224A公开了一种用于运动模拟的并联机器人。然而并联机器人具有完全六自由度的代价往往是每个自由度的运动空间被大致均分了，对于某些在特定方向具有更大运动空间的需求则不能很好满足。因此，人们根据特定需求限制了某些方向的自由度，换取其他方向更大的运动空间，这方面应用最广的是用于拾取操作的并联机器人，多数提供了三平动一转动的自由度，例如，专利CN105729450B公开了一种四自由度并联机构，该机构能实现动平台的三平动一转动的自由度，而不能实现动平台绕y轴或绕x轴的转动。又如，专利公开WO2009053506A1公开了一种四自由度的并联机器人，其支撑部使用了多个不共面的四连杆机构，这些不共面的四连杆机构的运动互相制约，使得终端的动平台不能实现两平动两转动的自由度。

然而，在例如手术机器人或者机床等应用中，需要控制刀具至少两平动两转动的自由度，上述提供三平动一转动的并联机构并不适用。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种能在有限空间内实现相对较大运动范围的至少具备两平动两转动自由度的多自由度并联机构。

根据本发明的第一方面，提供一种多自由度并联机构，其包括桥组件、主支撑组件和两个次支撑组件；

所述主支撑组件包括主支撑块、主活动件、主第一杆、主第二杆和主导向件，所述主活动件与所述主导向件能相对运动地连接，所述主第一杆的一端与所述主支撑块转动连接于第一点、另一端与所述主活动件转动连接于第二点，所述主第二杆的一端与所述主支撑块转动连接于第三点、另一端与所述主活动件转动连接于第四点，所述第一点、所述第二点、所述第三点和所述第四点的连线构成平行四边形，所述平行四边形所在的平面为主基础平面；

所述次支撑组件包括次支撑块、次第一杆、次第二杆和次导向件，所述次第一杆的另一端和所述次第二杆的另一端分别与所述次导向件转动连接，所述次支撑块在所述次第一杆和所述次第二杆所在的次基础平面内运动；

所述桥组件与所述主支撑块转动连接、使得所述桥组件能够相对于所述主支撑块绕两个彼此不平行的轴线转动，所述桥组件还分别与两个所述次支撑块转动连接、使得所述桥组件能够相对于所述次支撑块绕两个彼此不平行的轴线转动；

所述桥组件具有至少两个平动自由度和两个转动自由度。

在至少一个实施方式中，所述主导向件具有导引部，所述主活动件能受所述导引部导引地平动。

在至少一个实施方式中，所述主支撑组件还包括位于所述主基础平面的主第三杆和主第四杆，

所述主第三杆的一端与所述主活动件转动连接于第五点、另一端与所述主导向件转动连接于第六点，所述主第二杆的一端与所述主活动件转动连接于第七点、另一端与所述主导向件转动连接于第八点，所述第五点、所述第六点、所述第七点和所述第八点的连线构成平行四边形。

在至少一个实施方式中，所述次支撑组件还包括次第一活动件和次第二活动件，所述次第一活动件和所述次第二活动件受所述次导向件导引地活动，

所述次第一杆的一端和所述次第二杆的一端与所述次支撑块转动连接于同一点，所述次第一杆的另一端与所述次第一活动件转动连接，所述次第二杆的另一端与所述次第二活动件转动连接。

在至少一个实施方式中，所述次第一杆的一端和所述次第二杆的一端与所述次支撑块转动连接于同一点，所述次第一杆的另一端和所述次第二杆的另一端与所述次导向件转动连接于两个不同的点，

所述次第一杆和所述次第二杆能够分别受控制地伸长或缩短。

在至少一个实施方式中，所述主第一活动件包括滑动构件和转动构件，所述滑动构件受所述主导向件导引地平动，所述转动构件相对于所述滑动构件能转动地连接到所述滑动构件，所述主第一杆和所述主第二杆与所述主第一活动件的转动连接点位于所述转动构件。

在至少一个实施方式中，所述桥组件包括第一伸展件和第二伸展件，所述第一伸展件与所述第二伸展件能互相平动或转动地连接，

所述主支撑块与所述第一伸展件能绕两个互相垂直的轴线转动地连接，所述次支撑块与所述第二伸展件能绕两个互相垂直的轴线转动地连接，在所述主支撑块和/或所述次支撑块运动的过程中，所述第一伸展件和所述第二伸展件彼此靠近或远离。

在至少一个实施方式中，

所述主导向件和所述次导向件能同步地或彼此独立地平动，或

所述主导向件和所述次导向件能同步地或彼此独立地转动。

在至少一个实施方式中，所述主基础平面与所述次基础平面始终平行。

在至少一个实施方式中，所述次第一杆包括能彼此转动的次第一杆第一部和次第一杆第二部，所述次第二杆包括能彼此转动的次第二杆第一部和次第二杆第二部，所述次第一杆第一部通过能提供两个互相垂直的转动轴的转接件与所述次第一活动件转动连接，所述次第一杆第二部与所述次支撑组件转动连接，所述次第二杆第一部通过能提供两个互相垂直的转动轴的转接件与所述次第二活动件转动连接，

随着所述第一活动件和/或所述第二活动件的运动，所述次基础平面的位置发生变化。

在至少一个实施方式中，所述次第一杆和所述次第二杆均通过能提供三个自由度的转接件，优选为球形铰链，与所述次导向件转动连接，

随着所述次第一杆和/或所述次第二杆的伸缩，所述次基础平面的位置发生变化。

本发明以不必须对称的结构构建了一种多自由度并联机构，其终端能实现至少两平动两转动的自由度。该多自由度并联机构控制精度高、结构简单、空间利用率高。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的多自由度并联机构的示意图。

图2是图1中的支撑组件的示意图。

图3是根据本发明的第一实施方式的多自由度并联机构的桥组件的一个变型方式的示意图。

图4是根据本发明的第一实施方式的多自由度并联机构的支撑组件的一个变型方式的示意图。

图5是根据本发明的第一实施方式的多自由度并联机构的支撑组件的一个变型方式的示意图。

图6是根据本发明的第二实施方式的多自由度并联机构的示意图。

图7是图6的主支撑组件的部分结构的示意图。

图8是根据本发明的第二实施方式的多自由度并联机构的侧视图。

图9是根据本发明的第二实施方式的多自由度并联机构的桥组件的一个变型方式的示意图。

图10是根据本发明的第三实施方式的多自由度并联机构的示意图。

图11是根据本发明的第三实施方式的多自由度并联机构的主支撑组件的一个变型方式的示意图。

图12是根据本发明的第三实施方式的多自由度并联机构的次支撑组件的一个变型方式的示意图。

图13是根据本发明的多自由度并联机构的次支撑组件的一个变型方式的示意图。

图14至16是根据本发明的第四实施方式的多自由度并联机构的三个实现方式的示意图。

图17和18是根据本发明的第五实施方式的多自由度并联机构的两个实现方式的示意图。

图19至21是根据本发明的第六实施方式的多自由度并联机构的三个实现方式的示意图。

附图标记说明：

1支撑组件；10支撑块；11第一杆；12第二杆；13第三杆；14第四杆；15第一活动件；16第二活动件；17导向件；171第一导向件；172第二导向件；1721第一区段；1722第二区段；18第三活动件；

2桥组件；21第一转接件；22第二转接件；23第一伸展件；231导引部；232伸展导向部；24第二伸展件；25终端件；

3主支撑组件；30主支撑块；31主第一杆；32主第二杆；33主第三杆；34主第一活动件；341转动构件；342滑动构件；35主第二活动件；36主导向件；361主第一导向件；362主第二导向件；37主第四杆；

4次支撑组件；40次支撑块；41次第一杆；42次第二杆；次第一杆第一部411；次第一杆第二部412；次第二杆第一部421；次第二杆第二部422；43次第一活动件；44次第二活动件；45次导向件；451次第一导向件；452次第二导向件；

5牵引带；6导向连接件；7配重。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

若非特殊说明，本发明以图1所示的三维坐标系来说明各部件的位置关系。应当理解，本发明中根据x、y和z轴定义的位置关系是相对的，根据装置的实际应用场合，坐标轴可在空间内旋转。

(第一实施方式)

参照图1至5首先介绍本发明的多自由度并联机构的第一实施方式及其相关的变型方式。

参照图1，根据本发明的第一实施方式的并联机构包括两组支撑组件1(两组支撑组件1中的一者也被称作主支撑组件、另一者被称作次支撑组件)和连接两组支撑组件1的桥组件2。

每一组支撑组件1由两个活动件(第一活动件15和第二活动件16)作为主动件在xoy平面(以下也称为基础平面)内活动而传递运动，使得支撑组件1末端的支撑块10能在基础平面内具有两个方向的平动自由度。桥组件2受到两个活动件的导引，使得桥组件2具有两平动两转动的自由度。终端件25相对于桥组件2具有第三个方向的平动自由度，从而终端件25能够具有三平动两转动的自由度。

接下来，参照图2介绍支撑组件1的具体结构和活动方式。

支撑组件1包括导向件17、第一活动件15、第二活动件16、四个连杆(第一杆11、第二杆12、第三杆13和第四杆14)和支撑块10。

导向件17位于基础平面xoy平面内。导向件17可以是滑轨、滑槽或滑杆等能为第一活动件15和第二活动件16的运动提供导引路径的装置，本发明对导向件17的具体形式不作限制。

在本实施方式中，导向件17包括第一导向件171和第二导向件172，第一导向件171和第二导向件172均为直线滑槽，且第一导向件171和第二导向件172不平行。第一活动件15沿第一导向件171往复运动，第二活动件16沿第二导向件172往复运动。

第一杆11的一端和第二杆12的一端分别与第一活动件15转动连接(可相对转动地连接)，第一杆11的另一端和第二杆12的另一端分别与支撑块10转动连接；第三杆13的一端和第四杆14的一端分别与第二活动件16转动连接，第三杆13的另一端和第四杆14的另一端分别与支撑块10转动连接。第一杆11、第二杆12、第一活动件15和支撑块10构成一个平面四杆机构，且该平面四杆机构的四个转动连接点形成平行四边形的四个顶点，将上述平面四杆机构简称为“平行四边形机构”，或简称上述平面四杆机构呈平行四边形。第三杆13、第四杆14、第二活动件16和支撑块10构成一个平面四杆机构，且该平面四杆机构的四个转动连接点形成平行四边形的四个端点，上述平面四杆机构为平行四边形机构/呈平行四边形。

上述平面四杆机构呈平行四边形的作用是：在平面四杆机构运动的过程中，支撑块10相对于第一活动件15/第二活动件16的姿态是确定的，即支撑块10不会相对于第一活动件15/第二活动件16发生转动、尤其不发生绕z方向的转动，只要第一活动件15/第二活动件16只进行平动，支撑块10便也只进行平动。

在本实施方式中，第一活动件15和第二活动件16分别独立地沿第一导向件171和第二导向件172往复运动，使得支撑块10具有在xoy平面内的两个平动(沿x方向平动和沿y方向平动)自由度。

事实上，只要保证支撑组件1中具有一个平行四边形机构，便能保证支撑块10在平动过程中具有确定的姿态。因此，本实施方式中可以省略第一杆11、第二杆12、第三杆13和第四杆14中的任一个。

需要说明的是，第一导向件171和第二导向件172不平行的设置方式提高了空间利用率。如图2所示，当导向件17设置于基台时，对于同样尺寸的基台，第一导向件171和第二导向件172形成一定角度使得支撑块10的活动范围更大，并且可以在导向件17所处的基础平面内以阵列形式(例如中心对称的阵列形式)设置多组导向件17而构建多组支撑组件1，从而提高了空间利用率。

应当理解，第一导向件171和第二导向件172可以互不相通、也可以互相贯通，当第一导向件171和第二导向件172互相贯通时，优选地第一导向件171和第二导向件172可以是一体成型的曲线(例如圆弧曲线)轨道。

此外，在对空间利用率没有特殊要求的场合，第一导向件171和第二导向件172也可以互相平行、甚至贯通成一直线轨道。第一导向件171和第二导向件172互相平行的方案例如可以参照图6所示的第二实施方式中的主导向件36。

接下来继续参照图1介绍桥组件2的具体结构、以及在桥组件2两端的两个支撑块10如何对桥组件2实现定位使桥组件2发生平动和转动。

桥组件2包括第一转接件21、第二转接件22、第一伸展件23、第二伸展件24和终端件25。

第一伸展件23和第二伸展件24互相套接使得两者构成的伸展组件整体能在这两者的套接方向上伸缩。例如，第一伸展件23具有沿自身长度方向延伸的收容腔，第二伸展件24具有能伸入或伸出第一伸展件23的收容腔的导杆。本发明对第一伸展件23和第二伸展件24互相套接实现伸展或收起的具体实现方式不作限制。

第一伸展件23和第二伸展件24的远离彼此的一端分别转动连接有第二转接件22和第一转接件21。第一转接件21和第二转接件22还分别与两个支撑块10转动连接。第一转接件21与支撑块10的转动轴线和第一转接件21与第二伸展件24的转动轴线垂直，第二转接件22与支撑块10的转动轴线和第二转接件22与第一伸展件23的转动轴线垂直。通过第一转接件21和第二转接件22各自提供的两个转动轴，桥组件2具有绕x方向转动的自由度和绕y方向转动的自由度。再加上桥组件2跟随支撑块10的平动的自由度，桥组件2还具有在x方向上平动的自由度和在y方向上平动的自由度。

以上，通过控制两组支撑组件的第一活动件15和/或第二活动件16的运动，使得两个支撑块10中的至少一个在基础平面内运动，从而第一伸展件23和第二伸展件24构成的伸展组件发生在x方向上平动和/或在y方向上平动和/或绕x方向转动和/或绕y方向转动，并且伸展组件在这个过程中适应性地伸展或收起以改变伸展组件的长度。

进一步地，为了使并联机构具有在z方向上平动的自由度，第一伸展件23具有沿其长度方向延伸的导引部231，终端件25能够沿导引部231往复运动以使其具有在z方向上平动的自由度。终端件25例如是机械手或钻头或其它执行终端。应当理解，当终端件25包括其它运动机构时，终端件可以具有更多的自由度，例如，当终端件25具有转轴时，终端件25的输出端还可以具有绕z方向转动的自由度。

应当理解，引导终端件25往复运动的导引部231也可以设置于第二伸展件24。此外，也可以不为伸展组件附加额外的相对于伸展组件平动的终端件，而是将并联机构的在z方向上的平动自由度转移到其他部分，例如，使安装导向件17的基台具有在z方向上平动的自由度，或者使导向件17具有在z方向上平动的自由度(例如参照下文的第二实施方式)。

接下来，参照图3介绍由第一伸展件23和第二伸展件24构成的伸展组件的一个变型的实现方式。

在该实现方式中，第一伸展件23和第二伸展件24转动连接，从而在伸展件转动的过程中，第一伸展件23和第二伸展件24不是互相以平动的方式靠近或远离、而是以相对彼此转动的方式靠近或远离并改变伸展组件的姿态。

接下来，参照图4介绍支撑组件1的一个变型的实现方式。

在该实现方式中，四个连杆构成的两组平行四边形机构的连杆在xoy平面内具有交差重叠的部分。换言之，四个连杆与支撑块10的四个转动轴以在y方向上的更紧凑的方式被布置，从而使得支撑块10在y方向上的尺寸能够进一步缩小。

接下来，参照图5介绍支撑组件1的又一个变型的实现方式。

该实现方式中，支撑组件1仅具有一个平行四边形机构，即由第一杆11、第二杆12、支撑块10和第一活动件15构成的平行四边形机构。其中，第一活动件15沿第一导向件171往复运动。

第三杆13和第四杆14的一端与支撑块10转动连接于同一点。第三杆13的另一端转动连接有第二活动件16，第四杆14的另一端转动连接有第三活动件18。第二活动件16和第三活动件18沿第二导向件172往复运动。

优选地，第二导向件172分为两个直线导引区段(第一区段1721和第二区段1722)，第二活动件16沿第一区段1721往复运动，第三活动件18沿第二区段1722往复运动。第一区段1721和第二区段1722形成一定的夹角，这提高了空间利用率，使得在同样的基台尺寸下支撑块10具有更大的活动范围。然而这样的第二导向件172的设置方式并不是必须的，第一区段1721和第二区段1722也可以是曲线引导区；第一区段1721和第二区段1722也可以彼此贯通成为一个直线引导区；第二导向件172也可以不具有两个引导区段，使得第二活动件16和第三活动件18均能在第二导向件172的整个引导段上往复运动。

优选地，支撑块10的平动是依靠第二活动件16和第三活动件18来实现的，而第一活动件15是从动件、其作用是保证支撑块10不发生转动。分别驱动第二活动件16和第三活动件18，支撑块10便能在基础平面内平动。

应当理解，也可以把第一活动件15作为主动件，通过驱动第二活动件16和第三活动件18中的一者以及第一活动件15，以实现支撑块10在基础平面内的平动，在这种驱动方式下，第二活动件16和第三活动件18中的另一者可以被省去。

应当理解，虽然图5中示出了第一导向件171和第二导向件172在z方向上是间隔开的，但是这并不是必须的，本实现方式对第一导向件171和第二导向件172的位置关系不作限定。

以上，支撑组件1的多种实现方式和桥组件2的多种实现方式可以根据需要组合而构成根据本发明的第一实施方式的并联机构。

(第二实施方式)

接下来，参照图6至9介绍本发明的第二实施方式。在第二实施方式中，导向件具有z方向上的平动自由度；此外支撑组件被进一步简化，桥组件2只在一端被限制绕z方向的转动，即与桥组件转动连接的两组支撑组件中只有一组具有平行四边形机构。

将具有平行四边形机构的支撑组件称为主支撑组件，另一组称为次支撑组件。

主支撑组件3包括主导向件36、沿主导向件36往复运动的两个主活动件(主第一活动件34和主第二活动件35)、主支撑块30和连接主支撑块30和两个主活动件的三个主连杆(主第一杆31、主第二杆32和主第三杆33)。

具体地，主导向件36包括两个平行延伸的、位于基础平面(xoy平面)内的主第一导向件361和主第二导向件362，主第一活动件34沿主第一导向件361往复运动，主第二活动件35沿主第二导向件362往复运动。主第一杆31和主第二杆32的两端分别和主第一活动件34和主支撑块30转动连接，从而主第一杆31、主第二杆32、主第一活动件34和主支撑块30构成了平行四边形机构(参照图7)。主支撑块30还和主第三杆33转动连接，主第三杆33的另一端和主第二活动件35转动连接。

控制主第一活动件34和主第二活动件35在主导向件36上的位置，可以调节主支撑块30在基础平面内的位置；同时，由于主支撑块30是平行四边形机构的一部分，因此其不会发生绕z方向的转动。

次支撑组件4包括次导向件45、沿次导向件45往复运动的两个次活动件(次第一活动件43和次第二活动件44)、次支撑块40和连接次支撑块40和两个次活动件的两个次连杆(次第一杆41和次第二杆42)。

具体地，次导向件45包括两个平行延伸的、位于基础平面内的次第一导向件451和次第二导向件452，次第一活动件43沿次第一导向件451往复运动，次第二活动件44沿次第二导向件452往复运动。次第一杆41的两端分别和次第一活动件43和次支撑块40转动连接，次第二杆42的两端分别和次第二活动件44和次支撑块40转动连接，次第一杆41和次第二杆42与次支撑块40的转动连接点为同一点。

控制次第一活动件43和次第二活动件44在次导向件45上的位置，可以调节次支撑块40在基础平面内的位置；同时，由于主支撑块30和次支撑块40都连接到桥组件2，而桥组件2被主支撑块30限制了绕z方向的转动自由度，在此基础上，次支撑块40也适应性地被限制了绕z方向的转动。

应当理解，正如在第一实施方式中介绍的，主第一导向件361和主第二导向件362也可以在基础平面内呈其他位置关系，次第一导向件451和次第二导向件452也可以在基础平面内呈其他位置关系，本发明对此不作限制。例如，图13示出了次第一导向件451和次第二导向件452为曲线轨道的设置方式。

桥组件2包括第一伸展件23和第二伸展件24。第一伸展件23具有伸展导向部232，伸展导向部232能够与第二伸展件24配合、使第二伸展件24沿伸展导向部232往复运动。伸展导向部232可以是导轨、导槽或导杆等形式，本发明对此不作限制。

第一伸展件23转动连接到主支撑块30，第一伸展件23与主支撑块30能彼此绕两个垂直的转动轴线转动；第二伸展件24转动连接到次支撑块40，第二伸展件24与次支撑块40能互相绕两个垂直的转动轴线转动。当主支撑块30和/或次支撑块40位置改变时，桥组件2能够具有绕y方向的转动自由度和绕x方向的转动自由度。

应当理解，第一伸展件23与主支撑块30之间的转动连接件/第二伸展件24与次支撑块40之间的转动连接件可以使用具有两个互相垂直的转动轴的万向铰链，例如胡克铰链。

主导向件36和次导向件45自身具有在z方向上的平动自由度。例如，主导向件36和次导向件45能够沿设置于基础平台的在z方向上延伸的导引机构往复运动。优选地，主导向件36和次导向件45被导向连接件6连接在一起而一齐沿z方向运动；然而这并不是必须的，根据不同的控制方式，主导向件36和次导向件45也可以被独立地控制而在z方向上运动。

优选地，主导向件36和次导向件45通过牵引带5连接配重7。具体地，牵引带5绕过滑轮装置，主导向件36/次导向件45和配重7分别位于滑轮的径向上的两侧，配重7起到了在z方向上平衡桥组件2、主支撑组件3和次支撑组件4的作用。

参照图9，在本实施方式中，桥组件2的第一伸展件23和第二伸展件24也可以是转动连接的，当转动连接时，它们二者不是互相以平动的方式、而是以转动的方式彼此靠近或远离。

(第三实施方式)

接下来，参照图10至12介绍本发明的第三实施方式。第三实施方式是第二实施方式的变型，在本实施方式中，并联机构具有两组次支撑组件4和一组变型的主支撑组件3。主导向件36和次导向件45可以独立地在z方向上平动，从而主支撑块30和次支撑块40在z方向上的位置可以被改变；这不仅使得桥组件2具有沿z方向平动的自由度，而且由于主支撑块30和次支撑块40之间在z方向上的距离发生变化使得主支撑块30和次支撑块40之间在z方向上的距离能改变，因此不需要为桥组件2设置使其伸展或收起的伸展件。

本实施方式中次支撑组件4的设置方式与第二实施方式中相似。以下参照图10介绍主支撑组件3的设置方式。

主支撑组件3包括主导向件36和一个平行四边形机构。平行四边形机构包括主支撑块30、主第一活动件34(为描述方便，沿用第二实施方式中的命名，事实上在本实施方式中不具有主第二活动件)和两端分别转动连接主支撑块30和主第一活动件34的两个连杆(主第一杆31和主第二杆32)。主第一活动件34能够沿主导向件36上的导引槽往复运动。

在实际驱动过程中，主第一活动件34通常是作为从动件而不是主动件。主支撑块30与第一伸展件23转动连接(二者能彼此绕两个互相垂直的转动轴线转动)，主支撑组件3的作用是限制第一伸展件23在运动过程在发生绕z方向的不受控的转动。

两组次支撑组件4控制桥组件的第一伸展件23在基础平面内的两个方向上的平动以及绕x方向的转动和绕y方向的转动。具体地，两组次支撑组件4的次支撑块40与桥组件2转动连接(次支撑块40与桥组件2能彼此绕两个互相垂直的转动轴线转动)。

当分别驱动两组次支撑组件4的次第一活动件43和次第二活动件44时，两个次支撑块40发生在基础平面内的平动(次支撑块40被桥组件2限制不会发生绕z方向的转动)。

以上，桥组件2由两个次支撑块40引导、并被主支撑块30控制姿态，使得桥组件2具有两平动两转动的自由度。

应当理解，主导向件36和次导向件45也可以被设置为是固定的，在这种情况下，桥组件2需要设置成包括能使其伸展或收起的伸展件。

参照图11，接下来介绍主支撑组件3的一种变型的实现方式。

该实现方式的变型体现在其提供了主第一活动件34的相对于主导向件36运动的另一种实现方式。在该实现方式中，主第一活动件34和主导向件36之间转动连接有主第三杆33和主第四杆37，主第一活动件34、主导向件36、主第三杆33和主第四杆37构成一个平行四边形机构。该平行四边形机构使得主第一活动件34能以不绕z方向转动的方式靠近或远离主导向件36；包括主第一杆31和主第二杆32的第一个平行四边形机构与包括主第三杆33和主第四杆37的第二个平行四边形机构被串联起来，最终使得主支撑块30以不绕z方向转动的方式靠近或远离主导向件36。

参照图12，在由主支撑组件3保证桥组件2不发生绕z方向的转动的基础上，两组次支撑组件4的连杆和活动件还能被具有伸缩功能的杆件替代。

在该次支撑组件4的变型的实现方式中，次第一杆41和次第二杆42能独立地伸缩而改变长度。次第一杆41和次第二杆42的一端转动连接于次支撑块40上的同一点，次第一杆41和次第二杆42的另一端分别转动连接于次导向件45。随着次第一杆41和/或次第二杆42的长度的改变，次支撑块40在基础平面内发生平动。

(第四实施方式)

接下来，参照图14至16介绍本发明的第四实施方式。第四实施方式是第二实施方式和第三实施方式的变型。在本实施方式中，平行四边形机构增加了一个转动自由度，进而使桥组件2增加了一个转动自由度。

参照图14，主第一活动件34包括转动构件341和滑动构件342，转动构件341能够相对于滑动构件342绕z轴转动地安装到滑动构件342，滑动构件342能够沿主第一导向件361往复运动。主支撑组件3的主第一杆31和主第二杆32转动连接于转动构件341，主第一杆31、主第二杆32、主支撑块30和转动构件341构成平行四边形机构。转动构件341受控地转动，转动构件341的转动将同相位地带动主支撑块30转动，而主支撑块30的绕z方向的转动带动了被主支撑块30定位的桥组件2的绕z方向的转动；于是，通过控制转动构件341的转动，便能控制桥组件2的绕z方向的转动。

图15和图16分别是上文介绍的第三实施方式中图10和图11所示方案的变型，在图15中，转动构件341能够相对于滑动构件342绕z方向转动，在图16中，转动构件341能够相对于主导向件36绕z方向转动。在图15和图16所示的方案中，通过控制两组次支撑组件4的次第一活动件43和次第二活动件44的滑动以及次导向件45的运动、能够实现桥组件2的沿x方向的平动、沿y方向的平动、绕x轴的转动和绕y轴的转动，通过控制转动构件341的转动、能够实现桥组件2的绕z方向的转动。

(第五实施方式)

接下来，参照图17至18介绍本发明的第五实施方式。第五实施方式是第二实施方式和第三实施方式的变型。在本实施方式中，桥组件2随主支撑块30和次支撑块40的位置的改变而调整姿态不是靠桥组件2的各部分相互伸展实现、也不是靠主导向件36和次导向件45沿z方向的平动实现，而是靠主导向件36和次导向件45的转动实现。

具体地，参照图17，主导向件36和次导向件45能够绕x方向转动。这种情况下，主支撑块30和次支撑块40不再限制于在基础平面(xoy平面)内平移，而是分别在由主第一活动件34、主第二活动件35和主支撑块30确定的主基准平面以及由次第一活动件43、次第二活动件44和次支撑块40确定的次基准平面内平移。

通过改变主基准平面和次基准平面之间的夹角，能够改变主支撑块30和次支撑块40之间的距离和/或位置。根据预设的控制方式控制主导向件36和次导向件45的绕x方向的转动角度，配合主第一活动件34、主第二活动件35、次第一活动件43和次第二活动件44的位于主导向件36和次导向件45的位置，能够实现桥组件2的两平动两转动的自由度。

进一步地，主导向件36和次导向件45的转动不限于绕x方向的转动。例如，参照图18，主导向件36和次导向件45也可以根据预设的控制方式绕y方向转动。

本实施方式对主导向件36和次导向件45的转动轴线不作限制，且主导向件36和次导向件45的各自的转动轴线不必须是互相平行的。

应当理解，通过使主导向件36和/或次导向件45转动以改变主支撑块30和次支撑块40之间的位置关系的方式还可以应用于例如上文第三实施方式中具有三组支撑组件的机构。

(第六实施方式)

接下来，参照图19至21介绍本发明的第六实施方式。第六实施方式是第二实施方式和第三实施方式的变型。

本实施方式提供了又一个使主支撑块30和次支撑块40在不平行的平面内运动的方式，以此调整主支撑块30和次支撑块40之间的距离以适应不需要具备伸展结构的桥组件2。

具体地，参照图19，次第一杆41通过转接件与次第一活动件43转动连接，次第二杆42通过转接件与次第二活动件44转动连接，此两个转接件各自提供了两个互相垂直的转动轴线。次第一杆41包括彼此可相对转动的次第一杆第一部411和次第一杆第二部412，次第二杆42包括彼此可相对转动的次第二杆第一部421和次第二杆第二部422。两个转接件分别连接到次第一杆第一部411和次第二杆第一部421，从而，次第一杆第二部412相对于次第一活动件43具有三个转动自由度，次第二杆第二部422相对于次第二活动件44具有三个转动自由度。在次第一杆41和次第二杆42转动过程中，次第一活动件43、次第二活动件44和次支撑块40所确定的平面与基础平面不平行。在该方案中，通过控制主第一活动件34和主第二活动件35在主导向件36上的位置，以及次第一活动件43和次第二活动件44在次导向件45上的位置，能够实现桥组件2的两平动两转动的自由度。

参照图20，提供两个垂直的转动轴线的转接件还能进一步替换为万向的球形铰链8。球形铰链8的一个转动端固定于次导向件45、另一个转动端固定于次第一杆41/次第二杆42，次第一杆41和次第二杆42为能够改变长度、即能够伸缩的连杆。该方案中，通过控制主第一活动件34和主第二活动件35在主导向件36上的位置，以及控制次第一杆41和次第二杆42的伸缩长度，能够实现桥组件2的两平动两转动的自由度。

进一步地，参照图21，并联机构具有三组支撑组件，且其中两组次支撑组件4均使用能改变长度的连杆(次第一杆41和次第二杆42)并使用万向的球形铰链8将连杆转动连接到次导向件45。该方案中，通过控制两组次支撑组件4的次第一杆41和次第二杆42的伸缩长度，能够实现桥组件2的两平动两转动的自由度。

综上，根据本发明的并联机构具有至少两组支撑组件(支撑组件1或主支撑组件3加次支撑组件4)以使与支撑组件转动连接的桥组件2具有至少两平动两转动的自由度；至少一组支撑组件为主支撑组件，主支撑组件具有至少一组平行四边形机构，使得桥组件2的绕z方向的转动被可控地限定。在满足这些条件的基础上，桥组件2的具体实现方式和支撑组件的具体实现方式可以在本发明提供的六个主要的实施方式及这六个实施方式的变型的实现方式中选取合适的组件进行组合。

当所有支撑组件的导向件(导向件17/主导向件36/次导向件45)被固定时，桥组件2具有两平动两转动的自由度。当所有支撑组件的导向件一齐在z方向上平移时，桥组件2增加了一个在z方向上的平动自由度。以上两种情况下，桥组件2需要设置成包括能使其伸展或收起的第一伸展件23和第二伸展件24，第一伸展件23和第二伸展件24的伸展方式为彼此靠近或远离、或彼此转动。

当至少一个支撑组件的导向件能相对于其他支撑组件的导向件独立地平动或转动时，桥组件2不需要设置成包括能使其伸展或收起的伸展件。

另外，可以通过使次支撑组件4的次第一杆41和次第二杆42分别与次第一活动件43和次第二活动件44通过万向铰链转动连接以使桥组件2不需要设置成包括能使其伸展或收起的伸展件。

本发明至少具有以下优点中的一个优点：

(i)本发明通过最少两组实现平移功能的支撑组件，实现了连接平移组件的桥组件2的至少两平动两转动的自由度，并联机构的结构简单，且不不需是对称的，空间适应能力强。

(ii)根据本发明的并联机构的支撑组件和桥组件均有多种可替代的实现结构，尤其是导向件的布置灵活多变，能够适应不同的安装环境。

(iii)根据本发明的并联机构的各转动连接件的转动连接方式简单，且可以不使用球形铰链，可靠性高。

当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。

例如，

(i)根据本发明的并联机构优选用作手术机器人的一部分，这种应用下，z方向优选代表竖直方向，并且可以在桥组件2的第一伸展件23或第二伸展件24上加设手术器械；然而本发明不限于此，根据本发明的并联机构也可以为其他器械提供导向。

(ii)虽然本发明各实施方式中的连接桥组件2与支撑组件1/主支撑组件3/次支撑组件4的转接件均具有两个互相垂直的转动轴，然而应当理解，以上转接件所提供的两个转动轴线也可以不是垂直的，只需要转接件能提供两个彼此不平行的转动轴线便能使得桥组件相对于支撑组件1/主支撑组件3/次支撑组件4具有两个转动自由度。

Claims (12)

1.一种多自由度并联机构，其包括桥组件、主支撑组件和两个次支撑组件；

所述主支撑组件包括主支撑块、主活动件、主第一杆、主第二杆和主导向件，所述主活动件与所述主导向件能相对运动地连接，所述主第一杆的一端与所述主支撑块转动连接于第一点、另一端与所述主活动件转动连接于第二点，所述主第二杆的一端与所述主支撑块转动连接于第三点、另一端与所述主活动件转动连接于第四点，所述第一点、所述第二点、所述第三点和所述第四点的连线构成平行四边形，所述平行四边形所在的平面为主基础平面；

所述次支撑组件包括次支撑块、次第一杆、次第二杆和次导向件，所述次第一杆的另一端和所述次第二杆的另一端分别与所述次导向件转动连接，所述次支撑块在所述次第一杆和所述次第二杆所在的次基础平面内运动；

所述桥组件与所述主支撑块转动连接、使得所述桥组件能够相对于所述主支撑块绕两个彼此不平行的轴线转动，所述桥组件还分别与两个所述次支撑块转动连接、使得所述桥组件能够相对于所述次支撑块绕两个彼此不平行的轴线转动；

所述桥组件具有至少两个平动自由度和至少两个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述主导向件具有导引部，所述主活动件能受所述导引部导引地平动。

3.根据权利要求1所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述主支撑组件还包括位于所述主基础平面的主第三杆和主第四杆，

所述主第三杆的一端与所述主活动件转动连接于第五点、另一端与所述主导向件转动连接于第六点，所述主第二杆的一端与所述主活动件转动连接于第七点、另一端与所述主导向件转动连接于第八点，所述第五点、所述第六点、所述第七点和所述第八点的连线构成平行四边形。

4.根据权利要求1所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述次支撑组件还包括次第一活动件和次第二活动件，所述次第一活动件和所述次第二活动件受所述次导向件导引地活动，

所述次第一杆的一端和所述次第二杆的一端与所述次支撑块转动连接于同一点，所述次第一杆的另一端与所述次第一活动件转动连接，所述次第二杆的另一端与所述次第二活动件转动连接。

5.根据权利要求1所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述次第一杆的一端和所述次第二杆的一端与所述次支撑块转动连接于同一点，所述次第一杆的另一端和所述次第二杆的另一端与所述次导向件转动连接于两个不同的点，

所述次第一杆和所述次第二杆能够分别受控制地伸长或缩短。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述主第一活动件包括滑动构件和转动构件，所述滑动构件受所述主导向件导引地平动，所述转动构件相对于所述滑动构件能转动地连接到所述滑动构件，所述主第一杆和所述主第二杆与所述主第一活动件的转动连接点位于所述转动构件。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述桥组件包括第一伸展件和第二伸展件，所述第一伸展件与所述第二伸展件能互相平动或转动地连接，

所述主支撑块与所述第一伸展件能绕两个互相垂直的轴线转动地连接，所述次支撑块与所述第二伸展件能绕两个互相垂直的轴线转动地连接，在所述主支撑块和/或所述次支撑块运动的过程中，所述第一伸展件和所述第二伸展件彼此靠近或远离。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的多自由度并联机构，其特征在于，

所述主导向件和所述次导向件能同步地或彼此独立地平动，或

所述主导向件和所述次导向件能同步地或彼此独立地转动。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述主基础平面与所述次基础平面始终平行。

10.根据权利要求4所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述次第一杆包括能彼此转动的次第一杆第一部和次第一杆第二部，所述次第二杆包括能彼此转动的次第二杆第一部和次第二杆第二部，所述次第一杆第一部通过能提供两个互相垂直的转动轴的转接件与所述次第一活动件转动连接，所述次第一杆第二部与所述次支撑组件转动连接，所述次第二杆第一部通过能提供两个互相垂直的转动轴的转接件与所述次第二活动件转动连接，

随着所述第一活动件和/或所述第二活动件的运动，所述次基础平面的位置发生变化。

11.根据权利要求5所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述次第一杆和所述次第二杆均通过能提供三个自由度的转接件与所述次导向件转动连接，

随着所述次第一杆和/或所述次第二杆的伸缩，所述次基础平面的位置发生变化。

12.根据权利要求11所述的多自由度并联机构，其特征在于，所述转接件为球形铰链。

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