CN111331580A - 一种动平台可翻转的六自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种动平台可翻转的六自由度并联机构。其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链。本发明采用三条支链一端连接在具有滑槽的动平台上，另一端连接定平台，余下的一条支链一端以环形结构连接到定平台上，另一端通过球铰连接动平台，整条支链可以围绕动平台以及其他支链实现无干涉转动。本发明优点：通过各支链的复合运动改变支链的相对位置，实现动平台翻转的功能，动平台的上下表面可以交替工作，增大了工作空间，丰富了机构的工作方式；采用四条支链控制机构六个自由度，在保证工作性能的前提下减少了支链数，使结构更简化，装配更简便。可应用于飞行模拟等需要多自由度、高精度的工作环境中。

Description

一种动平台可翻转的六自由度并联机构

技术领域

本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种动平台可翻转的六自由度并联机构。

背景技术

六自由度并联机构因其灵活性高、稳定性好等优点而在并联机构领域中得到深入研究，因此在虚拟轴机床、飞行模拟等对动平台灵活性与误差要求严格的工作环境中具有广泛的应用前景。例如经典的Stewart平台被应用于虚拟轴机床的设计和飞行模拟器的开发中。

为了模拟出更加逼真的环境效果，如特技飞行的翻转运动等，机构的工作空间以及动平台的位姿需要有更大的改进。现有的六自由度并联机构由于支链数多、结构复杂，对动平台的转动自由度有很大限制，导致目前具备动平台翻转功能的六自由度并联机构极为少见。因此研究具有更大工作空间的六自由度并联机构有着重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种动平台可翻转的六自由度并联机构。

为了达到上述目的，本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构包括定平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，所述的定平台为圆板状结构，外部圆周的上下部呈阶梯状，水平设置，并且表面中部向下凹陷形成有一个径向滑槽；动平台为圆板状结构，设置在定平台的上方，圆周面中部向内凹陷形成有一个周向弧形滑槽；第一支链包括圆环、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和球铰支座；球铰支座安装在动平台圆周面上位于周向弧形滑槽端部外侧的部位；圆环套在定平台的上部圆周上；第一连接杆为空心杆，内端固定在圆环的外圆周面上；第二连接杆为由横杆和竖杆构成的L形空心杆，横杆外部插入在第一连接杆的内部；第三连接杆为7字形杆，下端插入在第二连接杆上竖杆的内部，上端通过第一球形结构安装在球铰支座上；第二支链和第三支链的结构完全相同且对称设置，均包括第四连接杆、第五连接杆和固定铰支座；第二支链和第三支链上的两个固定铰支座对称设置在定平台表面上位于径向滑槽中部两侧的部位；第四连接杆的下端铰接在固定铰支座上，并且转动轴线平行于定平台上的径向滑槽；第五连接杆的下端铰接在第四连接杆的上端，上端通过第二球形结构连接在动平台的周向弧形滑槽内，由此实现四个自由度的运动；第四支链包括第六连接杆、第七连接杆和第八连接杆；第六连接杆为空心杆，下端以滑动的方式设置在定平台上的径向滑槽内；第七连接杆的下端插入在第六连接杆的上端内部；第八连接杆的一端通过第三球形结构与第七连接杆的上端铰接，另一端通过滑块设置在位于第二支链和第三支链之间的动平台上的周向弧形滑槽内。

所述的滑块的截面形状与动平台上周向弧形滑槽的截面形状相同。

所述的动平台上周向弧形滑槽的截面为开口朝外的凹字形。

所述的圆环的直径大于动平台的直径以及第二支链、第三支链和第四支链的最大旋转直径。

本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构具有以下优点：

1、通过各支链的复合运动改变支链的相对位置，实现动平台翻转的功能，动平台的上下表面可以交替工作，增大了工作空间，丰富了机构的工作方式。

2、采用四条支链控制机构六个自由度，在保证工作性能的前提下减少了支链数，使结构更简化，装配更简便。

附图说明

图1为本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构结构示意图。

图2为本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构中动平台与第五连接杆连接状态示意图。

图3为本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构中第一支链结构示意图。

图4为本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构中第二或第三支链结构示意图。

图5为本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构中动平台与第四支链连接状态示意图。

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动平台可翻转的六自由度并联机构进行详细说明。

如图1—图5所示，本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构包括定平台11、动平台12、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ；其中，所述的定平台11为圆板状结构，外部圆周的上下部呈阶梯状，水平设置，并且表面中部向下凹陷形成有一个径向滑槽15；动平台12为圆板状结构，设置在定平台11的上方，圆周面中部向内凹陷形成有一个周向弧形滑槽16；第一支链Ⅰ包括圆环19、第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3和球铰支座7；球铰支座7安装在动平台12圆周面上位于周向弧形滑槽16端部外侧的部位；圆环19套在定平台11的上部圆周上；第一连接杆1为空心杆，内端固定在圆环19的外圆周面上；第二连接杆2为由横杆和竖杆构成的L形空心杆，横杆外部插入在第一连接杆1的内部；第三连接杆3为7字形杆，下端插入在第二连接杆2上竖杆的内部，上端通过第一球形结构17安装在球铰支座7上；第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ的结构完全相同且对称设置，均包括第四连接杆4、第五连接杆5和固定铰支座6；第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ上的两个固定铰支座6对称设置在定平台11表面上位于径向滑槽15中部两侧的部位；第四连接杆4的下端铰接在固定铰支座6上，并且转动轴线平行于定平台11上的径向滑槽15；第五连接杆5的下端铰接在第四连接杆4的上端，上端通过第二球形结构18连接在动平台12的周向弧形滑槽16内，由此实现四个自由度的运动；第四支链Ⅳ包括第六连接杆8、第七连接杆9和第八连接杆10；第六连接杆8为空心杆，下端以滑动的方式设置在定平台11上的径向滑槽15内；第七连接杆9的下端插入在第六连接杆8的上端内部；第八连接杆10的一端通过第三球形结构13与第七连接杆9的上端铰接，另一端通过滑块14设置在位于第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ之间的动平台12上的周向弧形滑槽16内。

所述的滑块14的截面形状与动平台12上周向弧形滑槽16的截面形状相同。

所述的动平台12上周向弧形滑槽16的截面为开口朝外的凹字形。这种截面设计可减小其与第二球形结构18及滑块14之间的摩擦，使机构运行更顺畅，亦可以根据实际工况设计成圆形截面以提高机构的稳定性，或者改变滑槽在动平台12上的轨迹。

所述的圆环19的直径大于动平台12的直径以及第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ的最大旋转直径，这样可使四条支链互不相交；第一支链Ⅰ在不与其它结构发生干涉的情况下，可在平面内实现360度转动。第一支链Ⅰ位置的变换，带动了动平台12的翻转运动，增加了机构的工作空间，提高了机构的灵活度，亦可以根据实际工况设计为其他改变支链相对位置的方式。

所述的第四支链Ⅳ上的第八连接杆10在第四支链Ⅳ与径向滑槽15所处的竖直平面内，可实现大于180度转动，从而配合第一支链Ⅰ调整动平台12的翻转运动，使其运动过程更加稳定。

现以定平台11上两个固定铰支座6的连线方向作为x轴方向，径向滑槽15方向作为y轴方向，垂直方向作为z轴方向，对本发明提供的动平台可翻转的六自由度并联机构的工作原理阐述如下：

本发明选取四条支链与定平台12相连接的四个运动副以及第一支链I的两个移动副做为主动副，驱动控制动平台12的六个自由度；第一支链I的圆环19组成的转动副提供第一支链I末端的z轴方向转动自由度，连接第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3的两个移动副分别提供y轴方向与z轴方向移动自由度，末端第一球形结构17所在的球铰提供三个方向转动自由度，其所提供的z轴方向转动自由度与该支链其他运动副配合实现末端的x轴方向移动自由度，最终实现第一支链I末端六个自由度；第二支链Ⅱ下方两个转动副为末端提供了x轴方向与z轴方向移动自由度，支链末端由第二球形结构18所在的球铰提供三个方向转动自由度，周向弧形滑槽16提供y轴方向移动自由度，实现第二支链Ⅱ末端六个自由度；第三支链Ⅲ与第二支链Ⅱ结构原理相同，同样具有末端六个自由度；第四支链Ⅳ通过连接径向滑槽15、第六连杆8和第七连杆9的两个移动副分别提供末端y轴方向与z轴方向的移动自由度，第三球形结构13所在的球铰提供末端三个方向转动自由度，滑块14提供x轴方向移动自由度，实现末端六个自由度，最终四条支链输入六个控制参数耦合控制动平台12的六个自由度。

特别地，第一支链I中第三连接杆3配合第四支链Ⅳ中第七连接杆9，可将动平台12绕x轴转动到x-z平面，再通过圆环19和第一球形结构17使第一支链Ⅰ绕z轴转动180度，第四支链Ⅳ移动到径向滑槽15另一端，以x轴为转动轴线实现动平台12的翻转。

Claims (4)

1.一种动平台可翻转的六自由度并联机构，其特征在于：所述的动平台可翻转的六自由度并联机构包括定平台(11)、动平台(12)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)；其中，所述的定平台(11)为圆板状结构，外部圆周的上下部呈阶梯状，水平设置，并且表面中部向下凹陷形成有一个径向滑槽(15)；动平台(12)为圆板状结构，设置在定平台(11)的上方，圆周面中部向内凹陷形成有一个周向弧形滑槽(16)；第一支链(Ⅰ)包括圆环(19)、第一连接杆(1)、第二连接杆(2)、第三连接杆(3)和球铰支座(7)；球铰支座(7)安装在动平台(12)圆周面上位于周向弧形滑槽(16)端部外侧的部位；圆环(19)套在定平台(11)的上部圆周上；第一连接杆(1)为空心杆，内端固定在圆环(19)的外圆周面上；第二连接杆(2)为由横杆和竖杆构成的L形空心杆，横杆外部插入在第一连接杆(1)的内部；第三连接杆(3)为7字形杆，下端插入在第二连接杆(2)上竖杆的内部，上端通过第一球形结构(17)安装在球铰支座(7)上；第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)的结构完全相同且对称设置，均包括第四连接杆(4)、第五连接杆(5)和固定铰支座(6)；第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)上的两个固定铰支座(6)对称设置在定平台(11)表面上位于径向滑槽(15)中部两侧的部位；第四连接杆(4)的下端铰接在固定铰支座(6)上，并且转动轴线平行于定平台(11)上的径向滑槽(15)；第五连接杆(5)的下端铰接在第四连接杆(4)的上端，上端通过第二球形结构(18)连接在动平台(12)的周向弧形滑槽(16)内，由此实现四个自由度的运动；第四支链(Ⅳ)包括第六连接杆(8)、第七连接杆(9)和第八连接杆(10)；第六连接杆(8)为空心杆，下端以滑动的方式设置在定平台(11)上的径向滑槽(15)内；第七连接杆(9)的下端插入在第六连接杆(8)的上端内部；第八连接杆(10)的一端通过第三球形结构(13)与第七连接杆(9)的上端铰接，另一端通过滑块(14)设置在位于第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)之间的动平台(12)上的周向弧形滑槽(16)内。

2.根据权利要求1所述的动平台可翻转的六自由度并联机构，其特征在于：所述的滑块(14)的截面形状与动平台(12)上周向弧形滑槽(16)的截面形状相同。

3.根据权利要求1所述的动平台可翻转的六自由度并联机构，其特征在于：所述的动平台(12)上周向弧形滑槽(16)的截面为开口朝外的凹字形。

4.根据权利要求1所述的动平台可翻转的六自由度并联机构，其特征在于：所述的圆环(19)的直径大于动平台(12)的直径以及第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)的最大旋转直径。

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