CN111203858A - 一种球面运动的柔性并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种球面运动的柔性并联机构，包括多条柔性运动支链，每条柔性运动支链依次设有连接机架的第一连续体构节和支链单元，支链单元内末端的第二连续体构节连接运动平台，在运动中，第一连接体构节的运动轴线和第二连接体构节的运动轴线相交于一点，该柔性并联机构所驱动的运动平台以该点为球心作球面运动。本发明的柔性并联机构，在弯曲过程中由直线作动器驱动第一连续体构节，第一连续体构节带动第二连续体构节被动弯曲，确保整个机构实现球面运动，各柔性运动支链的结构简单，避免了支链间的干涉，加工装配要求较低。

Description

一种球面运动的柔性并联机构

技术领域

本发明属于柔性并联机器人技术领域，涉及一种球面运动的柔性并联机构。

背景技术

并联机构具有微动精度高、运动惯性小、刚度高等优点，因此并联机器人已广泛用于工业场合。在许多应用场合中，并联机构只需要部分自由度就可实现使用的功能。例如，球面机构是一种典型的少自由度并联机构。这种机构可用于电子灵巧眼、数控回转台等工业场合中。

1990年C.M.Gosselin教授提出一种3-RRR球面并联机构Agile Eye。该机构包括三条支链，每条支链由三个弧形连杆构成，连杆之间相互铰接，轴线相交于球面机构球心。每条支链的外层弧形连杆由电机或其他执行器驱动，内层弧形连杆连接于运动平台。通过驱动三组外层弧形连杆，可使运动平台绕球心运动。该机构设计灵巧，但其加工装配要求较高。另外，为了避免干涉问题，支链中的弧形连杆需要设计在不同球面上，结构难以紧凑。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种球面运动的柔性并联机构，用于解决现有技术中柔性并联机构结构复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种球面运动的柔性并联机构，包括：

多条柔性运动支链，每条所述柔性运动支链均包含第一连续体构节和多个第二连续体构节，各所述第二连续体构节依次直连构成支链单元；

处于所述支链单元首端的所述第二连续体构节连接所述第一连续体构节的一端，处于所述支链单元末端的所述第二连续体构节连接运动平台，所述第一连续体构节的另一端固接于机架；

所述第一连续体构节和所述第二连续体构节之间，以及相邻两第二连续体构节之间通过连接块相连，所述第一连续体构节、所述第二连续体构节在运动中，所述第一连接体构节的运动轴线和所述第二连接体构节的运动轴线相交于一点，该柔性并联机构所驱动的运动平台以该点为球心作球面运动。

于本发明的一实施例中，所述第一连续体构节包括：

第一弹性板，通过第一固定片固连所述连接块，在所述第一弹性板上套设有一个或多个第一间隔片，

多根第一弹性杆件，所述第一弹性件的一端连接所述第一固定片，该第一弹性杆件的另一端穿过同侧的第一间隔片后到达所述机架，并由机架上的直线作动器驱动；

优选地，多根所述第一弹性杆件分别依据所述第一弹性板的厚度方向对称分布；

优选地，相邻所述第一间隔片之间、以及所述第一间隔片和所述第一固定片之间利用第一弹性件隔开；

优选地，所述第一弹性杆件的横截面为矩形。

于本发明的一实施例中，相邻所述第一间隔片之间、以及所述第一间隔片和所述第一固定片之间的间隔距离为3mm～20mm。

于本发明的一实施例中，在所述第一间隔片上开设有对应供所述第一弹性板和所述第一弹性杆件穿过的第一凹槽和第一通孔。

于本发明的一实施例中，所述第二连续体构节包括：

第二弹性板，其两端分别连接第二固定片和第三固定片，在所述第二弹性板件套设有若干块第二间隔片；

若干个第二弹性杆件，其一端连接所述第二固定片的第一连接点，该第二弹性杆件的另一端依次穿过所述第二间隔片、所述第三固定片后，弯折再依次穿过所述第三固定片、所述第二间隔片，与所述第二固定片的第二连接点相连；

优选地，第二弹性杆件呈U字形；

优选地，所述第二弹性板置于所述第二弹性杆件的对称轴所在直线处；

优选地，所述第二弹性杆件的横截面为矩形；

优选地，在所述第三固定片上安装一刚性管，所述刚性管导向所述第二弹性杆件在所述第三固定片处弯折。

于本发明的一实施例中，在相邻所述第二间隔片之间、以及所述第二间隔片与所述第二固定片、所述第二间隔片和所述第三固定片之间分别采用第二弹性件相间隔。

于本发明的一实施例中，间隔距离为3mm～20mm。

于本发明的一实施例中，在所述第二间隔片上开设有供所述第二弹性板和所述第二弹性杆件穿过的第二凹槽和第二通孔。

于本发明的一实施例中，所述柔性运动支链的数量为3条。

于本发明的一实施例中，所述第一弹性杆件、所述第二弹性杆件由超弹性材料制成。

于本发明的一实施例中，所述第一连续体构节与所述机架的连接点可形成为一正m边形的所有顶点，所述第二连续体构节与所述运动平台的连接点可形成为一正n边形的所有顶点，优选地，m＝n＝所述柔性运动支链的数量。

如上所述，本发明的球面运动的柔性并联机构，无需将各个构节布置在不同的球面上，在弯曲过程中只需由直线作动器驱动第一连续体构节即可，由第一连续体构节来带动第二连续体构节被动弯曲，从而确保整个机构实现球面运动，各柔性运动支链的结构简单，避免了支链间的干涉，加工装配要求较低。

附图说明

图1显示为本发明的球面运动的柔性并联机构于一实施例中的总体结构图。

图2显示为本发明的球面运动的柔性并联机构中柔性支链的结构图。

图3显示为本发明的第一间隔片于一实施例中的结构示意图。

图4显示为本发明的球面运动的柔性并联机构中第二连续体构节的结构图。

图5显示为本发明的第一连续体构节的结构图。

图6显示为本发明的第三固定板于一实施例中的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，本发明提供一种球面运动的柔性并联机构。柔性并联机构由机架2、运动平台3与多条柔性运动支链1组成，该柔性运动支链1的一端连接机架2，柔性运动支链1的另一端连接运动平台3，多条柔性运动支链1围绕运动平台3周边均匀布置。

在本实施例中，参阅图1和图2，柔性运动支链1包含第一连续体构节11和若干个第二连续体构节12，各所述第二连续体构节12依次直连构成支链单元，其中，处于支链单元首端的第二连续体构节12连接第一连续体构节11的一端，处于支链单元末端的第二连续体构节12固接于运动平台3，而第一连续体构节11的另一端则连接于机架2，由置于机架2上的直线作动器例如气动、液动、电机驱动的直线运动机构等来推拉，从而驱动第一连续体构节11的弯曲，并由第一连续体构节11带动第二连续体构节12被动弯曲。另外，在弯曲过程中，第一连续体构节11、所述第二连续体构节12在运动中，第一连接体构节11的运动轴线14和所述第二连接体构节12的运动轴线14相交于点o，该柔性并联机构所驱动的运动平台3以该点o为虚拟球心作球面运动。

需要说明的是，第一连续体构节11与机架2的连接点可形成为一正m边形的所有顶点，第二连续体构节12与运动平台3的连接点可形成为一正n边形的所有顶点。优选地，m＝n＝所述柔性运动支链的数量。

在本实施例中，采用三条柔性运动支链1连接机架2和运动平台3，其中，三条柔性运动支链1在机架2上呈正三角对称布置。

在本实施例中，第一连续体构节11和第二连续体构节12之间，以及相邻两第二连续体构节12之间通过连接块13相连，需要说明的是，连接块13的形状只需要确保各连续体构节所绕的运动轴线14相交于点o，如图1和图2。所以，当所有的连续体构节弯曲时，该机构可实现运动平台3完成球面运动。

第一连续体构节11为可主动弯曲的连续体构节(“主动”为相对于第二连续体构节的弯曲运动来说)，如图2和图5所示，第一连续体构节11包括两根第一弹性杆件111、第一弹性板112、第一固定片113和第一间隔片114，在本实施例中第一固定片113和第一间隔片114可呈圆片状，第一弹性板112可采用矩形薄板，在本实施例中，第一弹性板112和第一弹性杆板111件采用镍钛合金等超弹性材料制成。

在本实施例中，第一弹性板112通过第一固定片113固连连接块13，同时，在第一弹性板112上依次套设有多个第一间隔片114，其中，第一间隔片114的形状相较于第一弹性板112的中心层对称，在第一固定片113与其相邻的第一间隔片114、以及第一间隔片114之间利用均采用弹簧等第一弹性件115隔开，如图5所示，间隔距离可处于3mm至20mm之间。在第一弹性板112的厚度方向两侧分别对称布置一第一弹性杆件111，该第一弹性杆件111的一端连接第一固定片113，该第一弹性杆件111的另一端穿过同侧的第一间隔片114后到达机架，与直线作动器相连接。在第一连续体构节11中，两第一弹性杆件111依据第一弹性板112的厚度方向左右对称，便于由直线作动器去驱动该第一弹性杆件111，使得两侧驱动量大小相等、方向相反，令第一连续体构节11可弯曲成较为理想的圆弧形。

其中，如图3所示，可在第一间隔片114上开设有对应供第一弹性板112和第一弹性杆件111穿过的第一凹槽1141和第一通孔1142，在弯曲过程中，第一弹性板112和第一弹性杆件111可在第一凹槽1141、第一通孔1142中滑动。第一弹性板112和第一弹性杆件111利用过盈配合、粘接或螺纹连接等方式固连第一固定片113。

需要说明的是，在第一连续体构节11内还可布置超过两根的第一弹性杆件111，确保各第一弹性杆件111距离第一弹性板112之间的距离不变，其中，在设置第一弹性杆件111时始终依据第一弹性板112对称分布，保证两侧第一弹性杆件111的驱动量相等。

进一步地，第二连续体构节12为被动弯曲的连续体构节，被第一连续体构节11来驱动弯曲。请参阅图2和图4，该第二连续体构节12包括若干根第二弹性杆件122，还包括第二弹性板121、第二固定片125、第三固定片124和第二间隔片123，这里以采用一根第二弹性杆件122的第二连续体构节12进行详细说明。第二弹性板121的两端分别连接第二固定片125和第三固定片124，置于第二固定片125和第三固定片124之间的第二弹性板121上套设有若干块第二间隔片123，同时可将第二间隔片123均匀间隔分布。其中，第二间隔片123相较于第二弹性板121厚度方向上的中心层中心对称。

在相邻第二间隔片123之间、以及第二间隔片123与第二固定片125、第二间隔片123和第三固定片124之间分别采用弹簧等第二弹性件相隔(图中未示出)，间隔距离可处于3mm至20mm之间。其中，第二弹性杆件122的一端与该第二固定片125固接并形成第一连接点，该第二弹性杆件122的另一端依次穿过与第一连接点同侧的第二间隔片123、第三固定片124后，弯折再从与相对于第一连接点的第三固定片124上穿入，穿过该侧的第二间隔片123后与第二固定片125相连形成第二连接点，此时第二弹性杆件122呈大致U形，另外，所述第二弹性板121置于所述第二弹性杆件122的对称轴所在直线处，同时，在未弯曲的情况下，在同一第二间隔片123上的两段第二弹性杆件122相对于第二弹性板121对称分布。在本实施例中，第二连续体构节12通过第二固定片125与前一连续体构节相连，通过第三固定片124连接后一连续体构节或运动平台3相连，当然，也可以由第二固定片125与后一连续体构节或运动平台3相连，利用第三固定片124与前一连续体构节相连。相应地，在第二间隔片123上开设供第二弹性板121和第二弹性杆件122穿过的第二凹槽和第二通孔，因此，同一第二间隔片123上供第二弹性杆件122穿过的两个第二通孔相对于第二凹槽中心对称。另外，在第三固定片124上对应开设供第二弹性杆件122穿过的第三通孔，在弯曲过程中，第二弹性板121和第二弹性杆件122可对应在第二凹槽、第二通孔、第三通孔中滑动。

需要说明的是，第二弹性杆件122和第二弹性板121采用例如镍钛合金等超弹性材料制成，第二弹性杆件122在第三固定片124上进行弯折的过程中，可在第三固定片124上安装一大致成U形的刚性管，刚性管的两端分别与第三通孔相通，对第二弹性杆件122起导向作用。当第二连续体构节12受到外力矩时，第二弹性板121两侧的第二弹性杆件122将相应变长与变短，使第二连续体构节12产生弯曲。由于第二弹性杆件122两端均固定在第二固定片125上，第二弹性杆件122包裹于刚性管中的部分长度不变，并且由于第二间隔片123上供第二弹性杆件122穿过的两个第二通孔相对于第二凹槽中心对称分别，即第二通孔距第二弹性板121的中性层距离相等，所以第二弹性板121两侧的第二弹性细杆变长与变短的部分数值相等。故可实现第二连续体构节12在一个平面中的弯曲运动，其形状为圆弧，圆弧所在圆的轴线为运动轴线14。在实际装配中，刚性管可隐藏于相连接的连接块13中，确保外形美观。

当第二连续体构节采用两根以上第二弹性杆件122时，各第二弹性杆件122相并列设置，从而保证，在被动弯曲中，置于第二弹性板121两侧的第二弹性杆件122的长度变化量相等，确保构节圆弧形弯曲。

需要说明的是，在本实施例中，各连接块13的形状只需要确保各连续体构节在弯曲时所绕的运动轴线14相交于点o即可，从而可以使得整个机构实现运动平台3以点o为虚拟球心作球面运动。

本发明的三自由度球面运动并联机构，无需将各个构节布置在不同的球面上，在弯曲过程中只需由直线作动器驱动第一连续体构节11即可，由第一连续体构节11来带动第二连续体构节12被动弯曲，从而确保整个机构实现球面运动，各柔性运动支链1的结构简单，避免了支链间的干涉，加工装配要求较低。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种球面运动的柔性并联机构，其特征在于，包括：

多条柔性运动支链，每条所述柔性运动支链均包含第一连续体构节和多个第二连续体构节，各所述第二连续体构节依次直连构成支链单元；

处于所述支链单元首端的所述第二连续体构节连接所述第一连续体构节的一端，处于所述支链单元末端的所述第二连续体构节连接运动平台，所述第一连续体构节的另一端固接于机架；

所述第一连续体构节和所述第二连续体构节之间，以及相邻两第二连续体构节之间通过连接块相连，所述第一连续体构节、所述第二连续体构节在运动中，所述第一连接体构节的运动轴线和所述第二连接体构节的运动轴线相交于一点，该柔性并联机构所驱动的运动平台以该点为球心作球面运动。

2.根据权利要求1所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：所述第一连续体构节包括：

第一弹性板，通过第一固定片固连所述连接块，在所述第一弹性板上套设有一个或多个第一间隔片；

多根第一弹性杆件，所述第一弹性件的一端连接所述第一固定片，该第一弹性杆件的另一端穿过同侧的第一间隔片后到达所述机架，并由机架上的直线作动器驱动；

优选地，多根所述第一弹性杆件分别依据所述第一弹性板的厚度方向对称分布；

优选地，相邻所述第一间隔片之间、以及所述第一间隔片和所述第一固定片之间利用第一弹性件隔开；

优选地，所述第一弹性杆件的横截面为矩形。

3.根据权利要求2所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：相邻所述第一间隔片之间、以及所述第一间隔片和所述第一固定片之间的间隔距离为3mm～20mm。

4.根据权利要求2所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：在所述第一间隔片上开设有对应供所述第一弹性板和所述第一弹性杆件穿过的第一凹槽和第一通孔。

5.根据权利要求2所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：所述第二连续体构节包括：

第二弹性板，其两端分别连接第二固定片和第三固定片，在所述第二弹性板件套设有若干块第二间隔片；

若干个第二弹性杆件，其一端连接所述第二固定片的第一连接点，该第二弹性杆件的另一端依次穿过所述第二间隔片、所述第三固定片后，弯折再依次穿过所述第三固定片、所述第二间隔片，与所述第二固定片的第二连接点相连；

优选地，第二弹性杆件呈U字形；

优选地，所述第二弹性板置于所述第二弹性杆件的对称轴所在直线处；

优选地，所述第二弹性杆件的横截面为矩形；

优选地，在所述第三固定片上安装一刚性管，所述刚性管导向所述第二弹性杆件在所述第三固定片处弯折。

6.根据权利要求5所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：在相邻所述第二间隔片之间、以及所述第二间隔片与所述第二固定片、所述第二间隔片和所述第三固定片之间分别采用第二弹性件相间隔，优选地，间隔距离为3mm～20mm。

7.根据权利要求5所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：在所述第二间隔片上开设有供所述第二弹性板和所述第二弹性杆件穿过的第二凹槽和第二通孔。

8.根据权利要求1所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：所述柔性运动支链的数量为3条。

9.根据权利要求5所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：所述第一弹性杆件、所述第二弹性杆件由超弹性材料制成。

10.根据权利要求1所述的球面运动的柔性并联机构，其特征在于：所述第一连续体构节与所述机架的连接点可形成为一正m边形的所有顶点，所述第二连续体构节与所述运动平台的连接点可形成为一正n边形的所有顶点，优选地，m＝n＝所述柔性运动支链的数量。

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