CN110561392B - 一种具有可重构特性的三平动并联机构 - Google Patents

一种具有可重构特性的三平动并联机构 Download PDF

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Abstract

一种具有可重构特性的三平动并联机构。其包括静平台、中心动平台、辅助驱动结构、第一支链、第二支链和第三支链。本发明优点：1、边缘动平台的存在使得机构能够产生重构，即三个边缘动平台作为静平台，从而扩展机构为3T1R、3T2R两种工作模式。2、三个边缘动平台与一个中心动平台不存在任何转动，避免了由于产生姿态角而影响工作性能的问题，提高了机构整体的稳定性。3、动平台的不唯一性使得机构的可操作性大大提高，同时又扩大了机构的工作空间。4、辅助驱动结构的存在可以避免四个动平台处于同一水平面时所产生的奇异性，从而保持机构的运动稳定性。

Description

一种具有可重构特性的三平动并联机构
技术领域
本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种具有可重构特性的三平动并联机构。
背景技术
并联机构因其具有刚度大、精度高等诸多优点而被广泛应用于飞机维修、自动化装备等方面，但传统的具有固定自由度的并联机构难以根据不同的任务要求改变工作模式，而目前对于可重构并联机构的研究相对较少，因此可重构并联机构逐步引起了国内外学者的关注与研究。
可重构并联机构是一种可以根据工作环境而改变构型的机构，通过对基础模块的组合、拼装等操作来适应不同的任务要求。大量研究表明，可重构并联机构能够显著地扩大机构的工作空间、提高机构的工作性能、改善机构的工作环境，具有极大的应用前景，因此是本领域技术人员需要研究的课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有可重构特性的三平动并联机构，此机构具有多种工作模式，从而可满足不同的工作要求。
为了达到上述目的，本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构包括静平台、中心动平台、辅助驱动结构、第一支链、第二支链和第三支链；其中，所述的静平台是由三个分支构成的星形板状结构，水平设置，每个分支的外端表面分别设有一组铰链连接块；辅助驱动结构设置在静平台和中心动平台之间，包括上球铰、下球铰及上下端分别连接在上球铰和下球铰上的伸缩杆，其中下球铰通过安装在静平台表面中部的球铰支座与静平台相连，上球铰通过安装在中心动平台底面中部的球铰支座与中心动平台相连；中心动平台为等边三角形板状结构，三个侧面中部分别设有一对凸台；第一支链、第二支链和第三支链的结构完全相同，且在以静平台中心为圆心的圆周上均匀分布，每个支链包括弧形转向杆、圆柱副转动杆、圆柱副移动杆、边缘动平台及动平台连接杆；每根弧形转向杆的下端与静平台上的一组铰链连接块通过销轴铰接，因此弧形转向杆能够在垂直平面内转动，并且弧形转向杆的圆心位于辅助驱动结构一侧；圆柱副移动杆水平设置，一端以能转动的方式从圆柱副移动杆的侧面插入在弧形转向杆的上端；边缘动平台与中心动平台的结构相同；圆柱副转动杆是由套管和连接杆构成的倒T形结构，其中套管的一端套在圆柱副移动杆的另一端外部，因此能够沿圆柱副移动杆的轴线进行移动；连接杆的上端铰接在边缘动平台的一个侧面的一对凸台上；动平台连接杆的两端分别铰接在边缘动平台与中心动平台上相靠近侧面的凸台上，由此构成一阶机构。
所述的弧形转向杆为四分之一圆弧状杆。
所述的静平台上三组铰链连接块的中心连线构成等边三角形。
所述的下球铰的直径大于上球铰的直径。
所述的具有可重构特性的三平动并联机构还包括二阶动平台、第四支链、第五支链和第六支链；二阶动平台为等边三角形板状结构，水平设置在中心动平台的上方；第四支链、第五支链和第六支链的结构与辅助驱动结构完全相同，每个支链的下球铰通过安装在一个边缘动平台表面中部的球铰支座与边缘动平台相连，三个支链的上球铰分别通过一个安装在二阶动平台底面角部的球铰支座与二阶动平台相连，由此将一阶机构扩展为二阶机构。
本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构具有以下优点：
1、边缘动平台的存在使得机构能够产生重构，即三个边缘动平台作为静平台，从而扩展机构为3T1R、3T2R两种工作模式。
2、三个边缘动平台与一个中心动平台不存在任何转动，避免了由于产生姿态角而影响工作性能的问题，提高了机构整体的稳定性。
3、动平台的不唯一性使得机构的可操作性大大提高，同时又扩大了机构的工作空间。
4、辅助驱动结构的存在可以避免四个动平台处于同一水平面时所产生的奇异性，从而保持机构的运动稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构立体图。
图2为本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构主视图。
图3为本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构俯视图。
图4为本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构中辅助驱动结构示意图。
图5为本发明提供的可扩展为3T1R、3T2R工作模式的二阶机构立体图。
图6为本发明提供的可扩展为3T1R、3T2R工作模式的二阶机构主视图。
图7为本发明提供的可扩展为3T1R、3T2R工作模式的二阶机构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构进行详细说明。
实施例1
如图1—图4所示，本发明提供的具有可重构特性的三平动并联机构包括静平台1、中心动平台9、辅助驱动结构6、第一支链13、第二支链14和第三支链15；其中，所述的静平台1是由三个分支构成的星形板状结构，水平设置，每个分支的外端表面分别设有一组铰链连接块2；辅助驱动结构6设置在静平台1和中心动平台9之间，包括上球铰10、下球铰12及上下端分别连接在上球铰10和下球铰12上的伸缩杆11，其中下球铰12通过安装在静平台1表面中部的球铰支座与静平台1相连，上球铰10通过安装在中心动平台9底面中部的球铰支座与中心动平台9相连；中心动平台9为等边三角形板状结构，三个侧面中部分别设有一对凸台16；第一支链13、第二支链14和第三支链15的结构完全相同，且在以静平台1中心为圆心的圆周上均匀分布，每个支链包括弧形转向杆3、圆柱副转动杆4、圆柱副移动杆5、边缘动平台7及动平台连接杆8；每根弧形转向杆3的下端与静平台1上的一组铰链连接块2通过销轴铰接，因此弧形转向杆3能够在垂直平面内转动，并且弧形转向杆3的圆心位于辅助驱动结构6一侧；圆柱副移动杆5水平设置，一端以能转动的方式从圆柱副移动杆5的侧面插入在弧形转向杆3的上端；边缘动平台7与中心动平台9的结构相同；圆柱副转动杆4是由套管和连接杆构成的倒T形结构，其中套管的一端套在圆柱副移动杆5的另一端外部，因此能够沿圆柱副移动杆5的轴线进行移动；连接杆的上端铰接在边缘动平台7的一个侧面的一对凸台16上；动平台连接杆8的两端分别铰接在边缘动平台7与中心动平台9上相靠近侧面的凸台16上，由此构成一阶机构。
所述的弧形转向杆3为四分之一圆弧状杆。
所述的静平台1上三组铰链连接块2的中心连线构成等边三角形。
所述的下球铰12的直径大于上球铰10的直径。
本实施例提供的具有可重构特性的三平动并联机构选取三个支链中的弧形转向杆3作为主动副，依靠三个支链彼此之间的移动配合来实现三平动，在此所述的三平动是以中心动平台9作为对象，其中与边缘动平台7、中心动平台9的连接均为转动副。工作原理如下：利用驱动装置驱动三个支链中的三根弧形转向杆3绕轴线向接近机构中心或者远离机构中心处同时转动相同角度，即可实现竖直方向的平动；保持第一支链13中的弧形转向杆3固定，分别驱动第二支链14、第三支链15中的弧形转向杆3绕各自的轴线做相反方向的转动，并且要保持转动角度的相同，从而可实现水平面上一个方向的平动；依然保持第一支链13中的弧形转向杆3固定，分别驱动第二支链14、第三支链15中的弧形转向杆3绕各自的轴线做相同方向的转动，同时保持转动角度的相同，可以实现水平面上另一个方向的平动。
但是在平动的过程中，难免会出现三个边缘动平台7和中心动平台9共面的情况，这时就会出现结构奇异现象，使得机构的运动情况变得不稳定，此时辅助驱动结构6就要产生作用，可利用驱动伸缩杆11伸缩的方式带动机构闯过奇异位置。因为三个支链为相同结构，所以固定其中任意一个弧形转向杆3而驱动另外两个支链的弧形转向杆3都可实现水平面上两个方向的平动，最终可以实现工作空间中所有的水平面和竖直面的移动。
实施例2
上述实施例1提供的具有可重构特性的三平动并联机构为一阶机构，其经过重构后可扩展为二阶机构。如图5、图6所示，本实施例提供的具有可重构特性的三平动并联机构还包括二阶动平台18、第四支链19、第五支链20和第六支链21；二阶动平台18为等边三角形板状结构，设置在中心动平台9的上方；第四支链19、第五支链20和第六支链21的结构与辅助驱动结构6完全相同，每个支链的下球铰12通过安装在一个边缘动平台7表面中部的球铰支座与边缘动平台7相连，三个支链的上球铰10分别通过一个安装在二阶动平台18底面角部的球铰支座与二阶动平台18相连，由此将一阶机构扩展为二阶机构。
上述实施例1提供的具有可重构特性的三平动并联机构可扩展为本实施例中3T1R、3T2R两种工作模式的二阶机构；两种工作模式的区别在于驱动主动副的数量和驱动方式，二阶机构是在一阶机构的基础上，以三个边缘动平台7作为静平台，由第四支链19、第五支链20、第六支链21作为二阶支链连接于二阶动平台18上，其中每个二阶支链中的伸缩杆11作为二阶机构的主动副。此种重构结构包括四自由度和五自由度，整体二阶机构存在六个驱动，即形成了冗余驱动，因此提高了整体机构的稳定性。当只驱动一条二阶支链时，由于上球铰10和下球铰12的转动，二阶动平台18发生一个方向的转动。同样的，驱动另外一条二阶支链，又会产生另外一个方向的转动，由于二阶机构与一阶机构都具有对称性，所以最终可以给机构增加一个和两个自由度，从而整体机构可扩展为3T1R、3T2R两种工作模式。

Claims (5)

1.一种具有可重构特性的三平动并联机构，其特征在于：所述的具有可重构特性的三平动并联机构包括静平台(1)、中心动平台(9)、辅助驱动结构(6)、第一支链(13)、第二支链(14)和第三支链(15)；其中，所述的静平台(1)是由三个分支构成的星形板状结构，水平设置，每个分支的外端表面分别设有一组铰链连接块(2)；辅助驱动结构(6)设置在静平台(1)和中心动平台(9)之间，包括上球铰(10)、下球铰(12)及上下端分别连接在上球铰(10)和下球铰(12)上的伸缩杆(11)，其中下球铰(12)通过安装在静平台(1)表面中部的球铰支座与静平台(1)相连，上球铰(10)通过安装在中心动平台(9)底面中部的球铰支座与中心动平台(9)相连；中心动平台(9)为等边三角形板状结构，三个侧面中部分别设有一对凸台(16)；第一支链(13)、第二支链(14)和第三支链(15)的结构完全相同，且在以静平台(1)中心为圆心的圆周上均匀分布，每个支链包括弧形转向杆(3)、圆柱副转动杆(4)、圆柱副移动杆(5)、边缘动平台(7)及动平台连接杆(8)；每根弧形转向杆(3)的下端与静平台(1)上的一组铰链连接块(2)通过销轴铰接，因此弧形转向杆(3)能够在垂直平面内转动，并且弧形转向杆(3)的圆心位于辅助驱动结构(6)一侧；圆柱副移动杆(5)水平设置，一端以能转动的方式从圆柱副移动杆(5)的侧面插入在弧形转向杆(3)的上端；边缘动平台(7)与中心动平台(9)的结构相同；圆柱副转动杆(4)是由套管和连接杆构成的倒T形结构，其中套管的一端套在圆柱副移动杆(5)的另一端外部，因此能够沿圆柱副移动杆(5)的轴线进行移动；连接杆的上端铰接在边缘动平台(7)的一个侧面的一对凸台(16)上；动平台连接杆(8)的两端分别铰接在边缘动平台(7)与中心动平台(9)上相靠近侧面的凸台(16)上，由此构成一阶机构。
2.根据权利要求1所述的具有可重构特性的三平动并联机构，其特征在于：所述的弧形转向杆(3)为四分之一圆弧状杆。
3.根据权利要求1所述的具有可重构特性的三平动并联机构，其特征在于：所述的静平台(1)上三组铰链连接块(2)的中心连线构成等边三角形。
4.根据权利要求1所述的具有可重构特性的三平动并联机构，其特征在于：所述的下球铰(12)的直径大于上球铰(10)的直径。
5.根据权利要求1所述的具有可重构特性的三平动并联机构，其特征在于：所述的具有可重构特性的三平动并联机构还包括二阶动平台(18)、第四支链(19)、第五支链(20)和第六支链(21)；二阶动平台(18)为等边三角形板状结构，设置在中心动平台(9)的上方；第四支链(19)、第五支链(20)和第六支链(21)的结构与辅助驱动结构(6)完全相同，每个支链的下球铰(12)通过安装在一个边缘动平台(7)表面中部的球铰支座与边缘动平台(7)相连，三个支链的上球铰(10)分别通过一个安装在二阶动平台(18)底面角部的球铰支座与二阶动平台(18)相连，由此将一阶机构扩展为二阶机构。
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