CN111136644B - 一种新型变胞并联铰链机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型变胞并联铰链机构，包括三条不同变胞支链、动平台和静平台，三条不同变胞支链由变胞运动副与不同杆件通过运动副连接构成，变胞运动副由底座环、转动杆、圆环和两个圆环内槽的滑块组成，三条不同变胞支链在静平台上呈等边三角形状分布状态。本发明变胞并联铰链机构存在a、b两种状态，状态a下动平台可实现2R1T运动，状态b下动平台可实现1R2T运动。本发明基于变胞机构和并联机构，其中一个变胞支链中包括有切换转动副，该切换转动副在状态a、状态b切换中为解锁状态，在a、b两种状态下均为锁死状态，本发明将变胞机构与并联机构的优点结合在一起，并且实现机构在不同状态下的1R2T和2R1T运动。

Description

一种新型变胞并联铰链机构

技术领域

本发明涉及一种变胞机构，尤其涉及一种变胞并联铰链机构。

背景技术

变胞机构起源于艺术折纸，是一种新型机构，其特点是拓扑结构和活动度的变化，满足多任务、多工况和多功能的要求，达到“一机多用”的功效。随着机构学的不断发展，古老的机构学有了创新和发展，变胞机构最早可以追溯到1995年，这种新型机构是对传统的定活动度和定拓扑机构的拓宽与突破。变胞机构有着广泛的应用前景，除了应用于机器人结构演变和发展，变胞原理逐渐应用于制造业中。

变胞机构通过运动副的杆件数目变化及几何方向约束的变化实现机构拓扑演变。变胞机构的结构学方面主要就是研究这种新型机构的拓扑结构，包括结构描述、结构分析和结构综合三个方面。通过用自由度可变的变胞运动副代替运动过程中不发生改变的传统自由度运动副，从而使机构的拓扑结构和活动度在运动过程中发生变化，最终设计出新型变胞机构。并联机构刚度大而结构稳定，但其执行末端工作平台在非奇异工作空间中具有唯一的活动度，限制了并联机构的灵活性和适应性，而变胞机构具有拓扑结构可变和活动度数目以及性质可变的特点，因此将两者各自优点结合的变胞并联机构应运而生，不仅克服了机构原有的弱点，增大了并联机构的输入柔性和输出柔性，使并联结构的灵活性和适应性更强，还具有拓扑结构可变、活动度可变、工作空间方式多样化等优点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种能够实现2R1T(即动平台在直角坐标系下实现绕x、y轴的转动和沿z轴的移动)和1R2T(即动平台在直角坐标系下实现绕z轴的转动和沿x、y轴的移动)运动的新型变胞并联铰链机构。本发明变胞并联铰链机构通过三条不同变胞铰链在静平台的合理分布使动平台能够在不同状态实现2R1T和1R2T运动。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种新型变胞并联铰链机构，包括连接在动平台和静平台之间的三条变胞支链，该三条变胞支链分别记为第一变胞支链、第二变胞支链和第三变胞支链；所述第一变胞支链包括自动平台依次连接至静平台的切换转动副、第一转动杆件、第二转动杆件和变胞运动副；所述第一变胞支链的切换转动副的一端与所述动平台固定连接或是转动连接，另一端与所述第一转动杆件的一端铰接；所述切换转动副外接动力装置；所述切换转动副有两种状态；所述第二变胞支链包括自动平台依次连接至静平台的第一移动杆件、第二移动杆件和变胞运动副；所述第二变胞支链的第一移动杆件的一端与所述动平台铰接、且铰轴与所述动平台的平面垂直；所述第三变胞支链包括自动平台依次连接至静平台的转动杆件和变胞转动副；所述第三变胞支链的转动杆件的一端与所述动平台铰接、且铰轴与所述动平台的平面垂直；三个变胞支链与动平台的连接点分别布置在一等边三角形的顶点处；所述变胞运动副包括底座环、转动杆、圆环和两个圆环内槽转动滑块；三个变胞支链中的变胞运动副的底座环均固连在所述静平台上，三个底座环在所述静平台上的固定点分别是在一等边三角形的顶点处；所述底座环外接动力装置。

进一步讲，本发明中所述的变胞运动副中，所述底座环包括半圆形弯曲块和支撑杆；所述圆环的内表面设有一圈内凹槽，所述内凹槽内设有两个滑块；所述转动杆包括十字相交的两个直杆，其中一个直杆的两端分别与所述半圆弯曲块开口端的内圆表面的两侧转动连接，另一个直杆的两端分别与两个滑块转动连接；所述支撑杆的一端与所述半圆形弯曲块外圆表面的中点部位固定连接，所述支撑杆的另一端固连在所述静平台上；所述圆环的外回转表面与一连接杆的一端刚接。

所述第一变胞支链中，所述第一转动杆件的另一端与所述第二转动杆件的一端铰接，所述第二转动杆件的另一端与所述连接杆的另一端铰接。

所述第二变胞支链中，所述第一移动杆件的另一端与所述第二移动杆件的一端滑动连接，所述第二移动杆件与所述第一移动杆件的移动方向为同一直线；所述第二移动杆件的另一端与所述连接杆的另一端铰接。

所述第三变胞支链中，所述转动杆件的另一端与所述连接杆的另一端铰接。

所述第一变胞支链的切换转动副的一端与所述动平台固定连接时；该变胞并联铰链机构具有下述状态之一：状态a：所述动平台在直角坐标系下实现分别绕x轴和y轴的转动，沿z轴的移动；状态b：所述动平台在直角坐标系下实现绕z轴的转动，分别沿x轴和y轴的移动。

所述状态a与所述状态b切换时，所述第一变胞支链中的所述切换转动副在外部动力装置的作用下解锁，即所述第一变胞支链的切换转动副的一端与所述动平台转动连接，此时，所述第一变胞支链增加一个转动副，所述半圆形弯曲块在外部动力装置的作用下旋转90°，从而完成状态a与状态b之间的切换；之后，所述半圆形弯曲块在外部作用下锁死，随后所述切换转动副在外部动力装置的作用下锁死。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

基于变胞机构与并联机构，通过所述三条不同变胞支链的设计、切换转动副的变化以及所述三条不同变胞支链中所述底座环平面不同分布状态，将变胞机构与并联机构的优点结合在一起并且实现机构在所述状态下2R1T运动和所述状态b下1R2T运动的切换。

附图说明

图1为本发明变胞并联铰链机构的轴测图；

图2为本发明实施例1状态a的结构示意图；

图3为图2所示状态a侧视的结构示意图；

图4为图2所示状态a俯视的结构示意图；

图5为本发明实施例2状态b的结构示意图；

图6为图5所示状态b俯视的结构示意图；

图7为本发明中第一变胞支链的结构示意图；

图8为本发明中第二变胞支链的结构示意图；

图9为本发明中第三变胞支链的结构示意图；

图10为本发明中第一变胞支链变胞运动副结构的放大示意图。

图中：

101-切换转动副 102-第一转动杆件

103-第二转动杆件 104-圆环

105-转动杆 106-滑块

107-底座环 201-第一移动杆件

202-第二移动杆件 203-圆环

204-转动杆 205-滑块

206-底座环 301-转动杆件

302-转动杆 303-圆环

304-滑块 305-底座环

401-动平台 501-静平台

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种新型变胞并联铰链机构，包括连接在动平台401和静平台501之间的三条变胞支链，该三条变胞支链分别记为第一变胞支链、第二变胞支链和第三变胞支链。

所述第一变胞支链包括自动平台401依次连接至静平台501的切换转动副101、第一转动杆件102、第二转动杆件103和变胞运动副；所述第一变胞支链的切换转动副101的一端与所述动平台401固定连接或是转动连接，另一端与所述第一转动杆件102的一端铰接，所述第一转动杆件102的另一端与所述第二转动杆件103的一端铰接，所述第二转动杆件103的另一端与所述连接杆13的另一端铰接。所述切换转动副101外接动力装置。

所述第二变胞支链包括自动平台401依次连接至静平台501的第一移动杆件201、第二移动杆件202和变胞运动副；所述第二变胞支链的第一移动杆件201的一端与所述动平台401铰接、且铰轴与所述动平台4的平面垂直，所述第一移动杆件201的另一端与所述第二移动杆件202的一端滑动连接，所述第二移动杆件202与所述第一移动杆件201的移动方向为同一直线；所述第二移动杆件202的另一端与所述连接杆13的另一端铰接。

所述第三变胞支链包括自动平台401依次连接至静平台501的转动杆件301和变胞转动副；所述第三变胞支链的转动杆件301的一端与所述动平台401铰接、且铰轴与所述动平台401的平面垂直，所述转动杆件301的另一端与所述连接杆13的另一端铰接。

三个变胞支链与动平台401的连接点分别布置在一等边三角形的顶点处，如图6所示。

本发明中的所述变胞运动副包括底座环、转动杆、圆环和两个圆环内槽转动滑块，以第一变胞支链中的变胞运动副为例，如图10所示，所述变胞运动副中，所述底座环107包括半圆形弯曲块14和支撑杆11；所述圆环104的内表面设有一圈内凹槽12，所述内凹槽12内设有两个滑块106；所述转动杆105包括十字相交的两个直杆，其中一个直杆16的两端分别与所述半圆弯曲块14开口端的内圆表面的两侧转动连接，另一个直杆15的两端分别与两个滑块106转动连接；所述支撑杆11的一端与所述半圆形弯曲块14外圆表面的中点部位连接，特别说明的是：在状态a或是状态b下锁死的情形下，所述支撑杆11和所述半圆形弯曲块14为固定连接，在状态a、状态b切换时，通过外力作用解锁，所述支撑杆11和所述半圆形弯曲块14为为转动连接，所述支撑杆11的另一端固连在所述静平台501上，状态a、状态b切换过程中半圆形弯曲块14在外部动力装置作用下解锁并旋转90°，旋转完毕后锁死，即支撑杆11与所述半圆形弯曲块14固定连接；所述圆环104的外回转表面与一连接杆13的一端刚接。

三个变胞支链中的变胞运动副的底座环均固连在所述静平台501上，三个底座环在所述静平台501上的固定点分别是在一等边三角形的顶点处，如图4和图6所示；所述底座环外接动力装置。

本发明中，所述第一变胞支链的切换转动副101的一端与所述动平台401固定连接时；该变胞并联铰链机构是状态a或是状态b：

状态a：所述动平台实现2R1T运动，即所述动平台401在直角坐标系下实现分别绕x轴和y轴的转动，沿z轴的移动。所述状态a下所述三条变胞支链中的所述底座环平面呈120°夹角分布，如图4所示，此时所述第一变胞支链由变胞运动副(包括圆环104、转动杆105、滑块106和底座环107)与两个转动杆件(第一转动杆件102和第二转动杆件103)通过转动副连接构成。

状态b：所述动平台实现1R2T运动，即所述动平台401在直角坐标系下实现绕z轴的转动，分别沿x轴和y轴的移动。

当所述状态a与所述状态b切换(可以互换)时，所述第一变胞支链中的所述切换转动副101在外部动力装置的作用下解锁，此时，第一变胞支链由变胞运动副、切换转动副101、第一转动杆件102和第二转动杆件103连接构成，所述第一变胞支链增加一个转动副，即所述第一变胞支链的切换转动副101的一端与所述动平台401转动连接；所述第二变胞支链由变胞运动副、第一移动杆件201、第二移动杆件202通过转动副和移动副连接构成。所述第三变胞支链由变胞运动副与所述转动杆件301通过转动副连接构成。所述半圆形弯曲块14在外部动力装置的作用下旋转90°，从而完成状态a与状态b之间的切换；之后，所述半圆形弯曲块14在外部作用下锁死，随后所述切换转动副101在外部动力装置的作用下锁死。所述第一变胞支链中的第二转动杆件103、所述第二变胞支链中的第二移动杆件202和所述第三变胞支链中的转动杆件301与所述动平台401通过转动副连接，且呈等边三角形状分布。所述三条不同变胞支链中的三个所述变胞运动副与所述静平台501固连且呈等边三角形状分布，如图4和图6所示。

本发明基于变胞机构与并联机构，通过独特的机构设计使动平台401能够在不同状态下实现2R1T和1R2T运动。

实施例1：

如图2、图3和图4所示，本发明应用的变胞并联铰链机构状态a，所述第一变胞支链中，包括切换转动副101、第一转动杆件102、第二转动杆件103和由圆环104、转动杆105、滑块106和底座环107构成的变胞运动副。所述第二变胞支链包括第一移动杆件201、第二移动杆件202和由圆环203、转动杆204、滑块205、底座环206构成的变胞运动副。所述第三变胞支链中，包括转动杆件301和由转动杆302、圆环303、滑块304、底座环305构成的变胞运动副。上述三个变胞支链均与动平台401和静平台501相连。状态a下，切换转动副101在外力作用下处于锁死状态，切换转动副101与动平台401固定连接，此时动平台401在坐标系下可完成2R1T运动，即动平台401可实现绕x、y轴的转动和沿z轴的移动。本实施例推荐变胞支链1、变胞支链2和变胞支链3中变胞运动副在静平台上的位置分布参照图1、2，即实现状态a下的2R1T运动。

参阅图7～图10，本发明应用的所述三条不同变胞支链即第一变胞支链、第二变胞支链、第三变胞支链和三条不同变胞支链的变胞运动副。

实施例2：

如图5和图6所示，本发明应用的变胞并联铰链机构状态b，所述第一变胞支链、第二变胞支链和第三变胞支链的结构参见实施例1，在变胞并联铰链机构由状态a向状态b的转换过程中，切换转动副101在外部动力装置作用下解锁，第一变胞支链增加一个转动副，切换转动副101与动平台401转动连接。当机构到达状态b时，即动平台401与静平台501相互平行，此时切换转动副101在外部装置作用下锁死，切换转动副101与动平台401固定连接，本实施例推荐第一变胞支链、第二变胞支链和第三变胞支链中变胞运动副在静平台501上的位置分布参照图5和图6，即所述三条变胞支链中的所述底座环平面呈120°夹角分布，该变胞并联铰链机构实现状态b下的1R2T运动。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种新型变胞并联铰链机构，包括连接在动平台（401）和静平台（501）之间的三条变胞支链，该三条变胞支链分别记为第一变胞支链、第二变胞支链和第三变胞支链；其特征在于，

所述第一变胞支链包括自动平台（401）依次连接至静平台（501）的切换转动副（101）、第一转动杆件（102）、第二转动杆件（103）和变胞运动副；所述第一变胞支链的切换转动副（101）的一端与所述动平台（401）固定连接或是转动连接，另一端与所述第一转动杆件（102）的一端铰接；所述切换转动副（101）外接动力装置；

所述第二变胞支链包括自动平台（401）依次连接至静平台（501）的第一移动杆件（201）、第二移动杆件（202）和变胞运动副；所述第二变胞支链的第一移动杆件（201）的一端与所述动平台（401）铰接、且铰轴与所述动平台（401）的平面垂直；

所述第三变胞支链包括自动平台（401）依次连接至静平台（501）的转动杆件（301）和变胞转动副；所述第三变胞支链的转动杆件（301）的一端与所述动平台（401）铰接、且铰轴与所述动平台（401）的平面垂直；

三个变胞支链与动平台（401）的连接点分别布置在一等边三角形的顶点处；

所述变胞运动副包括底座环、转动杆、圆环和两个圆环内槽转动滑块；三个变胞支链中的变胞运动副的底座环均固连在所述静平台（501）上，三个底座环在所述静平台（501）上的固定点分别是在一等边三角形的顶点处；所述底座环外接动力装置。

2.根据权利要求1所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述变胞运动副中，所述底座环包括半圆形弯曲块和支撑杆；所述圆环的内表面设有一圈内凹槽，所述内凹槽内设有两个滑块；所述转动杆包括十字相交的两个直杆，其中一个直杆的两端分别与所述半圆弯曲块开口端的内圆表面的两侧转动连接，另一个直杆的两端分别与两个滑块转动连接；所述支撑杆的一端与所述半圆形弯曲块外圆表面的中点部位固定连接，所述支撑杆的另一端固连在所述静平台上；所述圆环的外回转表面与一连接杆的一端刚接。

3.根据权利要求2所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述第一变胞支链中，所述第一转动杆件（102）的另一端与所述第二转动杆件（103）的一端铰接，所述第二转动杆件（103）的另一端与所述连接杆（13）的另一端铰接。

4.根据权利要求2所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述第二变胞支链中，所述第一移动杆件（201）的另一端与所述第二移动杆件（202）的一端滑动连接，所述第二移动杆件（202）与所述第一移动杆件（201）的移动方向为同一直线；所述第二移动杆件（202）的另一端与所述连接杆（13）的另一端铰接。

5.根据权利要求2所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述第三变胞支链中，所述转动杆件（301）的另一端与所述连接杆（13）的另一端铰接。

6.根据权利要求2所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述第一变胞支链的切换转动副（101）的一端与所述动平台（401）固定连接时；该变胞并联铰链机构具有下述状态之一：

状态a：所述动平台（401）在直角坐标系下实现分别绕x轴和y轴的转动，沿z轴的移动；

状态b：所述动平台（401）在直角坐标系下实现绕z轴的转动，分别沿x轴和y轴的移动。

7.根据权利要求6所述的新型变胞并联铰链机构，其特征在于，所述状态a与所述状态b切换时，所述第一变胞支链中的所述切换转动副（101）在外部动力装置的作用下解锁，即所述第一变胞支链的切换转动副（101）的一端与所述动平台（401）转动连接，此时，所述第一变胞支链增加一个转动副，所述半圆形弯曲块（14）在外部动力装置的作用下旋转90°，从而完成状态a与状态b之间的切换；之后，所述半圆形弯曲块（14）在外部作用下锁死，随后所述切换转动副（101）在外部动力装置的作用下锁死。

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