CN110576426A - 一种三平移并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三平移并联机构，其包括动平台、定平台和连接动平台和定平台的三个运动支链，第二运动支链和第三运动支链相对于动平台对称设置，第一运动支链设置在第二运动支链和第三运行支链的中间位置，第一运动支链和第二运动支链均包括相互连接上连杆和下连杆，第三运动支链包括相互连接的第一运动件和第二运动件，第一运动件和第二运动件之间能够相对移动构成第三运动支链的移动副。本发明的三平移并联机构具有运动副配置简单、制造精度容易保证、装配要求低、运动耦合性低、运动学正反解求解容易、容易控制、刚性好、力稳定性和运动稳定性好的优点。

Description

一种三平移并联机构

技术领域

本发明涉及并联机构领域，具体地涉及一种三平移并联机构。

背景技术

并联机构具有运动低惯量、刚度大、负载能力强等优点，并且并联机器人广泛运用于数控机床，传感器、航天、3D打印、医学等领域。

但现在的并联机器人具有很大的局限性:

(1)运动耦合性强，控制较难,高速场合惯性力较大；

(2)运动学正解复杂；

(3)工作空间较小；

(4)制造精度难以保证。

科技的高速发展对并联机器人提出了更高的要求。其中,实现空间三平移运动的3D打印机，有效率高、成本低、环保，同时精度高的特点，在零件加工方面发挥了很好的作用。但是现有的并联机构并不能解决上述问题，因此无法适应更高的精度要求等。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供一种结构简单、运动耦合性低、运动学正反解容易、控制方便、制造精度高、力稳定性和运动稳定性好的三平移并联机构。

本发明的技术方案如下：

具体地，本发明提供一种2CRR-CPS三平移并联机构，其中，C代表圆柱副，R是转动副，P是移动副，S是球副，C副具有两个自由度，其中一个自由度是沿着轴线方向的转动，另一个自由度是绕着轴线方向的移动，R副具有一个转动自由度，P副具有一个沿着轴线方向移动的自由度,球副具有三个转动的自由度。

具体地，该三平移并联机构包括动平台、定平台和连接所述动平台和定平台的三个运动支链，所述第二运动支链和第三运动支链相对于所述动平台对称设置，所述第一运动支链设置在所述第二运动支链和第三运行支链的中间位置，所述第一运动支链和第二运动支链的结构完全相同，所述第一运动支链和第二运动支链均包括相互连接的上连杆和下连杆，所述第三运动支链包括相互连接的第一运动件和第二运动件，所述第一运动件和所述第二运动件之间能够相对移动构成第三运动支链的移动副，

所述第一运动支链的下连杆的第一端通过第一圆柱副与所述定平台连接，所述第一运动支链的下连杆的第二端和第一运动支链的上连杆的第一端通过第一转动副铰接，所述第一运动支链的上连杆的第二端与所述动平台通过第二转动副铰接，

所述第二运动支链的下连杆的第一端通过第二圆柱副与所述定平台连接，所述第二运动支链的下连杆的第二端和第二运动支链的上连杆的第一端通过第三转动副铰接，所述第二运动支链的上连杆的第二端与所述动平台通过第四转动副铰接，

所述第三运动支链中的第一运动件的第一端通过第三圆柱副与定平台相连接，所述第一运动件的第二端与第二运动件的第一端连接构成第三运动支链的移动副，所述第二运动件的第二端通过球铰与动平台相铰接；

所述第一转动副、第二转动副、第三转动副以及第四转动副分别具有一个转动自由度，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副分别具有一个转动自由度和一个移动自由度；

所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链使所述动平台具有三个移动自由度和零个转动自由度；

在运动时，第一运动支链限制动平台沿着Y、Z方向转动的自由度，第二运动支链限制动平台沿着X、Z方向转动的自由度，三个运动支链的共同作用约束动平台沿着X、Y、Z三个方向的转动的自由度，从而使动平台具有X、Y、Z三个方向的移动自由度和零个转动自由度。

优选地，所述第一转动副、第二转动副与所述第一圆柱副轴线方向相平行。

优选地，所述第三转动副、第四转动副与所述第二圆柱副轴线方向相平行且分别与第一转动副的轴线方向垂直。

优选地，所述第三圆柱副的轴线方向与第二圆柱副的轴线方向相平行。

优选地，所述第一运动件为滑杆，所述第二运动件为套杆。

优选地，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副的结构完全相同，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副均包括铰接座、转轴以及铰接件，所述铰接件能够绕所述转轴转动并且能够沿所述转轴平移，第一运动支链的下连杆和第二运动支链的下连杆分别与各自的圆柱副的所述铰接件连接，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副的铰接座分别固定在定平台上。

优选地，第一运动支链驱动机构设置在第三圆柱副的移动副处，第二运动支链驱动机构设置在第二圆柱副的移动副处，第三运动支链驱动机构设置移动副处；

由几何关系求解出三平移并联机构运动学反解，x、y、z代表动平台中心点的位置坐标，S₁、S₂、S₃分别代表三个驱动机构处的驱动变量，l₁表示第三运动支链移动副原长，已知动平台的运动轨迹能够反解出三个驱动机构处的驱动函数，从而控制动平台在空间三个方向的平移运动。

优选地，所述驱动机构为电机。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明提供的该并联机构运动副配置简单、制造精度高且装配容易，第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链使所述动平台具有三个移动自由度和零个转动自由度，能够满足对并联机构的要求，其运动耦合性低，运动学正解求解容易，容易控制，使用非常方便。

2.本发明的并联机构的三条运动支链的设置位置及其结构使整个装置的刚性非常好，其力稳定性和运动平稳性能均非常优异。

3、本发明的并联机构的三条运动支链为非对称结构，相比于对称结构，本专利的非对称并联机构有较大的工作空间，使用更加方便。

附图说明

图1为本发明的三平移并联机构的初始位置结构示意图；

图2为本发明的三平移并联机构的第一运动支链的结构示意图；

图3为本发明的三平移并联机构的第三运动支链的结构示意图；

图4为本发明的三平移并联机构的动平台运动至一定位置时的结构示意图；

图中部分附图标记如下：

1-动平台、2-定平台、3-第一圆柱副、4-第一运动支链下连杆、5-第一转动副、6-第一运动支链上连杆、7-第二转动副、8-第二圆柱副、9-第二运动支链下连杆、10第三转动副、11-第二运动支链上连杆、12-第四转动副、13-第三圆柱副、14-滑杆、15-移动副、16-套杆、17-球铰。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1，其中图1为本发明的三平移并联机构的结构示意图。本发明提供一种三平移2CRR-CPS并联机构，其中，C代表圆柱副，R是转动副，P是移动副，S是球副，C副具有是两个自由度，其中一个自由度是沿着轴线方向的转动，另一个自由度是绕着轴线方向的移动，R副具有一个转动自由度，P副具有一个沿着轴线方向移动的自由度,球副具有三个转动的自由度。

如图1中所示，本专利的并联机构包括定平台1和动平台2，定平台1和动平台2通过第一运动支链100、第二运动支链200和第三运动支链300传动相连，在初始位置，第二运动支链和第三运动支链关于定平台对角线对称布置，第一运动支链设置在第二运动支链和第三运动支链之间。第一运动支链100和第二运动支链200的结构完全相同，其为两条CRR支链，第三运动支链300的结构与前两条运动支链的结构不同，其为一条CPS支链。

第一运动支链100和第二运动支链200均包括相互连接的上连杆和下连杆，第三运动支链300包括相互连接的第一运动件和第二运动件，第一运动件和第二运动件之间能够相对移动从而构成第三运动支链的移动副。在本实施例中，第一运动件为滑杆，第二运动件为套杆，在其余实施例中，第一运动件和第二运动件只要为能实现一个移动自由度的结构即可。

其中，第一运动支链和第二运动支链均包括一个圆柱副和两个转动副。所述第三运动支链包括一个球副、一个移动副和一个圆柱副。

动平台2在第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的约束下具有三个移动自由度和零个转动自由度。

第一运动支链中的下连杆4的第一端通过第一圆柱副3与所述定平台1连接，述第一运动支链下连杆4的第二端和第一运动支链上连杆6的第一端通过第一转动副5铰接，所述第一运动支链上连杆6的第二端与所述动平台2通过第二转动副7铰接。

第一转动副5、第二转动副7与所述第一圆柱副3的轴线方向相平行。

第二运动支链中的下连杆9的第一端通过第二圆柱副8与所述定平台1连接，该所述第二运动支链的下连杆9的第二端和第二运动支链上连杆11的第一端通过第三转动副10铰接，所述第二运动支链上连杆11的第二端与所述动平台2通过第四转动副12铰接。

第三转动副10、第四转动副12与所述第二圆柱副8轴线方向相平行，与第一运动支链第一转动副3的轴线方向垂直。

第三运动支链中的滑杆14的第一端通过第三圆柱副13与定平台1相连接，滑杆14的第二端与套杆16的第一端连接，并且滑杆14的第二端与套杆16的第一端构成一个移动副15，即套杆16能够沿滑杆14进行上下移动。所述套杆16第二端通过球铰17与动平台2相铰接，所述第三圆柱副13的轴线方向与第二运动支链的第二圆柱副8轴线方向相平行。

在具体设置中，第一圆柱副3、第二圆柱副8以及第三圆柱副13的结构完全相同，第一圆柱副3、第二圆柱副8以及第三圆柱副13均包括铰接座、转轴以及铰接件，铰接件能够绕所述转轴转动并且能够沿所述转轴平移，从而实现一个移动自由度。

第一运动支链的下连杆和第二运动支链的下连杆分别与各自的圆柱副的所述铰接件连接，从而实现一个转动自由度。

所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副的铰接座分别固定在定平台上1。在别的实施例中，第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副也可以是别的结构，只要具有一个转动自由度和一个移动自由度即可。

在运动时，第一运动支链限制了并联机构的动平台沿着Y、Z方向转动的自由度，第二运动支链限制了并联机构的动平台沿着X、Z方向转动的自由度，第三运动支链是一个六自由度的运动分支，对动平台不提供任何约束，三个运动支链的共同作用约束了动平台沿着X、Y、Z三个方向的转动的自由度，动平台只能实现X、Y、Z三个方向的空间的三维移动，因此，动平台具有三个移动自由度和零个转动自由度。图4示出了动平台沿X方向移动后的结构示意图。

第一运动支链的驱动机构设置在第一圆柱副3的移动副处，第二运动支链的驱动机构设置在第二圆柱副8的移动副处，在具体应用中，第一运动支链的驱动机构能使第一运动支链沿第一圆柱副3的移动自由度方向平移即可。第二运动支链的驱动机构能使第二运动支链沿第二圆柱副8的移动自由度方向平移即可。第三运动支链的驱动机构设置在其移动副15处，在本实施例中，第三运动支链的移动副即为套杆16沿滑杆14进行上下移动的位置，在具体设置时，第三运动支链的驱动机构能够使套杆16沿滑杆14进行移动即可。

由几何关系求解出三平移2CRR-CPS并联机构运动学反解，x、y、z代表动平台中心点的位置坐标，如图1所示S₁、S₂、S₃分别代表三个驱动机构处的驱动变量，如图3所示，l₁表示第三运动支链移动副原长，已知动平台的运动轨迹能够反解出三个驱动机构处的驱动函数，从而控制动平台在空间三个方向的平移运动。

如图2所示，第一运动支链中的下连杆4的第一端通过第一圆柱副3与所述定平台1连接，述第一运动支链下连杆4的第二端和第一运动支链上连杆6的第一端通过第一转动副5铰接，所述第一运动支链上连杆6的第二端与所述动平台2通过第二转动副7铰接。

如图3所示，第三运动支链中的滑杆14的第一端通过第三圆柱副13与定平台1相连接，滑杆14的第二端与套杆16的第一端通过移动副15连接，所述套杆16第二端通过球铰17与动平台2相铰接，所述第三圆柱副13的轴线方向与第二运动支链的第二圆柱副8轴线方向相平行。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明提供的该并联机构运动副配置简单、制造精度高且装配容易，第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链使所述动平台具有三个移动自由度和零个转动自由度，能够满足对并联机构的要求，其运动耦合性低，运动学正解求解容易，容易控制，使用非常方便。

2.本发明的并联机构的三条运动支链的设置位置及其结构使整个装置的刚性非常好，其力稳定性和运动平稳性能均非常优异。

3、本发明的并联机构的三条运动支链为非对称结构，相比于对称结构，本专利的非对称并联机构有较大的工作空间，使用更加方便。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种三平移并联机构，其特征在于：其包括动平台、定平台和连接所述动平台和定平台的三个运动支链，所述第二运动支链和第三运动支链相对于所述动平台对称设置，所述第一运动支链设置在所述第二运动支链和第三运行支链的中间位置，所述第一运动支链和第二运动支链的结构完全相同，所述第一运动支链和第二运动支链均包括相互连接上连杆和下连杆，所述第三运动支链包括相互连接的第一运动件和第二运动件，所述第一运动件和所述第二运动件之间能够相对移动构成第三运动支链的移动副，

所述第一运动支链的下连杆的第一端通过第一圆柱副与所述定平台连接，所述第一运动支链的下连杆的第二端和第一运动支链的上连杆的第一端通过第一转动副铰接，所述第一运动支链的上连杆的第二端与所述动平台通过第二转动副铰接，

所述第二运动支链的下连杆的第一端通过第二圆柱副与所述定平台连接，所述第二运动支链的下连杆的第二端和第二运动支链的上连杆的第一端通过第三转动副铰接，所述第二运动支链的上连杆的第二端与所述动平台通过第四转动副铰接，

所述第三运动支链中的第一运动件的第一端通过第三圆柱副与定平台相连接，所述第一运动件的第二端与第二运动件的第一端连接构成第三运动支链的移动副，所述第二运动件的第二端通过球铰与动平台相铰接；

所述第一转动副、第二转动副、第三转动副以及第四转动副分别具有一个转动自由度，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副分别具有一个转动自由度和一个移动自由度；所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链使所述动平台具有三个移动自由度和零个转动自由度；

在运动时，第一运动支链限制动平台沿着Y、Z方向转动的自由度，第二运动支链限制动平台沿着X、Z方向转动的自由度，三个运动支链的共同作用约束动平台沿着X、Y、Z三个方向的转动的自由度，从而使动平台具有X、Y、Z三个方向的移动自由度和零个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述第一转动副、第二转动副与所述第一圆柱副轴线方向相平行。

3.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述第三转动副、第四转动副与所述第二圆柱副轴线方向相平行且分别与第一转动副的轴线方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述第三圆柱副的轴线方向与第二圆柱副的轴线方向相平行。

5.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副的结构完全相同，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副均包括铰接座、转轴以及铰接件，所述铰接件能够绕所述转轴转动并且能够沿所述转轴平移，第一运动支链的下连杆和第二运动支链的下连杆分别与各自的圆柱副的所述铰接件连接，所述第一圆柱副、第二圆柱副以及第三圆柱副的铰接座分别固定在定平台上。

6.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述第一运动件为滑杆，所述第二运动件为套杆。

7.根据权利要求1所述的一种三平移并联机构，其特征在于：第一运动支链驱动机构设置在第三圆柱副的移动副处，第二运动支链驱动机构设置在第二圆柱副的移动副处，第三运动支链驱动机构设置移动副处；

由几何关系求解出三平移并联机构运动学反解，x、y、z代表动平台中心点的位置坐标，S₁、S₂、S₃分别代表三个驱动机构处的驱动变量，l₁表示第三运动支链移动副原长，已知动平台的运动轨迹能够反解出三个驱动机构处的驱动函数，从而控制动平台在空间三个方向的平移运动。

8.根据权利要求7所述的一种三平移并联机构，其特征在于：所述驱动机构为电机。