CN110666775A - 一种二自由度绳索驱动摆转并联机构 - Google Patents

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管贻生
张涛
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Abstract

本发明公开一种二自由度绳索驱动摆转并联机构，包括设置于轴向设置的运动平台和固定基座，运动平台和固定基座之间还设有运动支链组以及设置于运动支链组外侧的若干组绳索，运动平台和固定基座之间通过绳索提供相对运动动力且通过运动支链组实现相对的二自由度球面纯滚动运动。相对现有技术，本发明技术方案具有结构简单、质量轻小且刚度较高等优点，可有效减轻绳索驱动摆转并联机构的重量，提高快速响应能力，更适用于对质量和惯性影响严格场所。

Description

一种二自由度绳索驱动摆转并联机构
技术领域
本发明涉及机器人、自动化控制、机械制造技术以及柔索精密驱动技术领域，特别涉及一种二自由度绳索驱动摆转并联机构。
背景技术
二自由度摆转机构已经在机器人、仿人服务等领域得到广泛应用，而二自由度摆转并联机构因其具有刚度大、精度高、承载能力强、运动惯量小等特点，受到广泛关注。例如专利US5893296公开了一种四支链的二自由度摆转并联机构，并被成功用作娱乐喷泉等装置，专利CN103433916B公开了一种多支链的二自由度摆转并联机构，可应用于工业自动化生产。
然而随着技术发展，机构末端负载越来越大，传统的二自由度摆转机构难以满足未来的使用要求。与此同时，已公开的二自由度并联机构多为冗余驱动并联机构，结构复杂且连杆构件较多，高速运动过程中动态性能不够稳定，从而不适用于高速高精度应用场所。另外，传统的摆转并联机构驱动电机大多安装在本体，增加了整体机构的质量和惯性，影响其高速运动和快速响应性能。绳驱动方式为克服传统机械结构提供了新思路，该种驱动方式驱动电机放置在基座上而不与整体机构相连，通过绳索将动力传输到摆转机构，这样可以有效减轻机构质量，提高快速响应的能力，适用于对质量和惯性影响严格场所。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种结构简单、质量轻小且刚度较高的二自由度绳索驱动摆转并联机构，旨在减轻绳索驱动摆转并联机构的重量，提高快速响应能力，更适用于对质量和惯性影响严格场所。
为实现上述目的，本发明提出的一种二自由度绳索驱动摆转并联机构，包括设置于轴向设置的运动平台和固定基座，运动平台和固定基座之间还设有运动支链组以及设置于运动支链组外侧的若干组绳索，运动平台和固定基座之间通过绳索提供相对运动动力且通过运动支链组实现相对的二自由度球面纯滚动运动。
优选地，所述运动支链组包括若干个运动支链，每个运动支链包括空间曲线连杆以及设置于两端的铰接结构，空间曲线连杆端部分别与所述运动平台和所述固定基座之间铰接相连。
优选地，所述运动支链组包括四个结构相同的运动支链，四个运动支链沿圆周按90度角间距均匀分布设置。
优选地，所述运动平台表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第一球心，第一球心通过运动支链组端部分别与运动平台铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心；所述固定基座表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第二球心，第二球心通过运动支链组端部分别与固定基座铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心。
优选地，所述空间曲线连杆端部通过虎克铰和/或球铰分别与所述运动平台和所述固定基座铰接相连。
优选地，所述运动平台和所述固定基座之间穿过两组绳索，每条绳索的开放端分别与运动平台相连，绳索中部位置穿入固定基座内部并与传动机构相连，两组绳索呈空间垂直关系且不会扭曲相交干涉。
优选地，两组绳索以周向间隔180度均匀排布设置。
优选地，所述运动平台和所述固定基座通过两组绳索实现沿X轴和Y轴的空间摆动。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案的二自由度绳索驱动摆转并联机构的运动平台工作空间大，能够实现在空间周向360度范围内的球面纯滚动运动，并且整体结构简单，每条支链仅由一根连杆和两端的铰接结构构成，运动支链组采用并联结构使得整体刚度较高，整体机构关于运动支链以及绳索上实现完全解耦，支链间无相互作用力，精度和稳定性好，此外整体质量和惯性较小，可提高机构的快速响应性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的二自由度绳索驱动摆转并联机构的驱动原理图；
图2为本发明实施例1的二自由度绳索驱动摆转并联机构的结构示意图；
图3为本发明实施例2的二自由度绳索驱动摆转并联机构的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 运动平台 5 第三运动支链
2 固定基座 6 第四运动支链
3 第一运动支链 M 第一球心
4 第二运动支链 S 第二球心
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种二自由度绳索驱动摆转并联机构。
请参见图1，本发明实施例的二自由度绳索驱动摆转并联机构，包括设置于轴向设置的运动平台1和固定基座2，运动平台1和固定基座2之间还设有运动支链组以及设置于运动支链组外侧的若干组绳索，运动平台1和固定基座2之间通过绳索提供相对运动动力且通过运动支链组实现相对的二自由度球面纯滚动运动。运动支链组包括若干个运动支链，每个运动支链包括空间曲线连杆以及设置于两端的铰接结构，空间曲线连杆端部分别与运动平台1 和固定基座2之间铰接相连。
优选地，运动支链组包括四个结构相同的运动支链，也就是第一运动支链3、第二运动支链4、第三运动支链5、第四运动支链6，四个运动支链沿圆周按90度角间距均匀分布设置。运动平台1表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第一球心M，第一球心M通过运动支链组端部分别与运动平台1 铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心M；固定基座2 表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第二球心S，第二球心S通过运动支链组端部分别与固定基座2铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心S。
优选地，空间曲线连杆端部通过虎克铰和/或球铰分别与运动平台1和固定基座2铰接相连。
另外，本发明技术方案中的运动平台1和固定基座2之间穿过两组绳索，每条绳索的开放端分别与运动平台1相连，绳索中部位置穿入固定基座2内部并与传动机构相连，两组绳索呈空间垂直关系且不会扭曲相交干涉。优选地，两组绳索以周向间隔180度均匀排布设置，因此运动平台1和固定基座2 通过两组绳索实现沿X轴和Y轴的空间摆动。
实施例1
如图2所示，本实施例的二自由度绳索驱动摆转并联机构包括固定基座S1、运动平台M2、以及设置于固定基座S1和运动平台M2之间的第一运动支链S11L1M23、第二运动支链S12L2M24、第三运动支链S13L3M21和第四运动支链 S14L4M22。
本实施例的运动平台M1底面设有四个运动副连接端，分别与上述的四个运动支链相连并构成运动副M2i，优选地，本实施例的运动副M2i选用虎克铰副；固定基座S1顶面设有四个转动副连接端，分别与上述的四个运动支链构成四个运动副S1n，优选地，本实施例的运动副S1n选用虎克铰副。
因此第一运动支链S11L1M23由一个连杆L1组成，并且连杆L1两端包含有两个虎克铰副，依次为S11、M23，其中S11和固定基座S1相连，M23和运动平台M2相连；第二运动支链S12L2M24由一个连杆L2组成，还包含有两个虎克铰副，依次为S12、H24，其中M12和固定基座S1相连，M24和运动平台M2相连；第三运动支链S13L3M21由一个连杆L3组成，还包含有两个虎克铰副，依次为S13、M21；其中S13和固定基座S1相连，M21和运动平台M2相连；第四运动支链S14L4M22由一个连杆L4组成，还包含有两个虎克铰副，依次为S14、 M22；S14和固定基座S1相连，M22和运动平台M2相连；其中设置于固定基座的第二球心S位于两对相对设置的运动支链基点S11和S13连线以及S12和S14连线的交点处，运动平台的第一球心M点位于两对相对运动支链基点M21和 M23连线以及M22和M24连线的交点处，第二球心S和第一球心M点连线中点为球副纯滚动中心的接触点。
另外，控制该机构向x方向转动由绳索C1和C3决定，通过C1伸长和C3收缩或者C1收缩和C3伸长，而控制该机构向y方向转动由绳索C2和C4决定，通过C2伸长和C4收缩或者C2收缩和C4伸长。
实施例2
如图3所示，本实施例的二自由度绳索驱动摆转并联机构包括固定基座 S1、运动平台M2、以及设置于固定基座S1和运动平台M2之间的第一运动支链S11L1M23、第二运动支链S12L2M24、第三运动支链S13L3M21和第四运动支链 S14L4M22。
本实施例的运动平台M1底面设有四个运动副连接端，分别与上述的四个运动支链相连并构成运动副M2i，优选地，本实施例的运动副M2i选用球铰副；固定基座S1顶面设有四个转动副连接端，分别与上述的四个运动支链构成四个运动副S1n，优选地，本实施例的运动副S1n选用球铰副。
因此第一运动支链S11L1M23由一个连杆L1组成，并且连杆L1两端包含有两个球铰副，依次为S11、M23，其中S11和固定基座S1相连，M23和运动平台 M2相连；第二运动支链S12L2M24由一个连杆L2组成，还包含有两个球铰副，依次为S12、H24，其中M12和固定基座S1相连，M24和运动平台M2相连；第三运动支链S13L3M21由一个连杆L3组成，还包含有两个球铰副，依次为S13、 M21；其中S13和固定基座S1相连，M21和运动平台M2相连；第四运动支链 S14L4M22由一个连杆L4组成，还包含有两个球铰副，依次为S14、M22；S14和固定基座S1相连，M22和运动平台M2相连；其中设置于固定基座的第二球心 S位于两对相对设置的运动支链基点S11和S13连线以及S12和S14连线的交点处，运动平台的第一球心M点位于两对相对运动支链基点M21和M23连线以及M22和M24连线的交点处，第二球心S和第一球心M点连线中点为球副纯滚动中心的接触点。
另外，控制该机构向x方向转动由绳索C1和C3决定，通过C1伸长和C3收缩或者C1收缩和C3伸长，而控制该机构向y方向转动由绳索C2和C4决定，通过C2伸长和C4收缩或者C2收缩和C4伸长。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，包括设置于轴向设置的运动平台和固定基座，运动平台和固定基座之间还设有运动支链组以及设置于运动支链组外侧的若干组绳索，运动平台和固定基座之间通过绳索提供相对运动动力且通过运动支链组实现相对的二自由度球面纯滚动运动。
2.如权利要求1所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述运动支链组包括若干个运动支链，每个运动支链包括空间曲线连杆以及设置于两端的铰接结构，空间曲线连杆端部分别与所述运动平台和所述固定基座之间铰接相连。
3.如权利要求2所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述运动支链组包括四个结构相同的运动支链，四个运动支链沿圆周按90度角间距均匀分布设置。
4.如权利要求3所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述运动平台表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第一球心，第一球心通过运动支链组端部分别与运动平台铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心；所述固定基座表面设有作为二自由度球面纯滚动运动的第二球心，第二球心通过运动支链组端部分别与固定基座铰接相连的四个点，以两对相对点连线而形成交点为第一球心。
5.如权利要求4所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述空间曲线连杆端部通过虎克铰和/或球铰分别与所述运动平台和所述固定基座铰接相连。
6.如权利要求1所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述运动平台和所述固定基座之间穿过两组绳索，每条绳索的开放端分别与运动平台相连，绳索中部位置穿入固定基座内部并与传动机构相连，两组绳索呈空间垂直关系且不会扭曲相交干涉。
7.如权利要求6所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，两组绳索以周向间隔180度均匀排布设置。
8.如权利要求7所述的二自由度绳索驱动摆转并联机构，其特征在于，所述运动平台和所述固定基座通过两组绳索实现沿X轴和Y轴的空间摆动。
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