CN111390870B - 一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构。其包括固定底座、弧形轨道、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和复合支链，此并联机构可以实现三移动两转动。本发明优点：在底座上垂直固接了形状大于半圆的弧形轨道，既能满足滑块在垂直和水平两个方向的移动，又能实现两个板状杆夹角的变化，除此之外动平台上下端面都可安装末端执行器，从而提高了工作空间/机构体积比；复合支链的存在，减少了机构中转动副的数量，避免了单独成链所存在的奇异性；使用板状杆代替传统圆柱杆并将两个板状杆复合提高了机构抵抗变形的能力，即提高了机构的刚度；第一支链、第二支链、第三支链组成结构完全相同，降低了整体并联机构的制造和装配难度。

Description

一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构

技术领域

本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构。

背景技术

并联机构是由动平台和若干与机架相连的支链以并联方式组成的复杂机械系统，因其具有种类多、稳定性好等诸多优点而被广泛应用于智能装备等方面，但随着工作量的增加和工作载荷的加大，探寻更大工作空间和更高刚度的并联机构越来越受到学者们的关注。

机构中弧形轨道的存在能满足两个方向的移动，并且相对于两个相互垂直的轨道占用空间更少，同样可以实现可观的工作空间。复合支链将两个或多个支链连接到一起，在一定程度上提高了机构的承载能力，从而增加了机构的刚度，无疑具有极大的应用前景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构。

为了达到上述目的，本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构包括固定底座、弧形轨道、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和复合支链；其中，所述的固定底座为板状结构，水平设置；弧形轨道垂直设置，两个下端分别固定在固定底座的一侧表面，并且水平面上的投影与固定底座的前后方向一致；动平台为矩形板状，设置在固定底座的另一侧上方，底面四个边缘的中心处固接三个球铰支座和一个转动副支座，并且转动副支座靠近弧形轨道；第一支链、第二支链和第三支链的结构完全相同，每个支链均包括虎克铰、伸缩杆和第一球铰；其中第一支链和第二支链上的虎克铰对称设置在固定底座上另一侧的表面前后部，并且分别与弧形轨道的两个下端对齐；第三支链Ⅲ上的虎克铰设置在位于第一支链和第二支链上虎克铰外侧的固定底座表面，并且与第一支链和第二支链上虎克铰的距离相等；每个支链上的伸缩杆下端铰接在相应的虎克铰上，上端设有第一球铰，通过第一球铰连接在动平台上一个相应的球铰支座内；复合支链包括两个滑块、两个球铰支座、两个第二球铰、第一板状杆、第二板状杆和转动连接件；两个滑块与弧形轨道以移动副连接；每个球铰支座安装在一个滑块的外侧面上；第一板状杆和第二板状杆的一端均设有一个第二球铰，每个第二球铰连接在一个球铰支座内；转动连接件的一端为U形板，另一端为圆柱形杆，第一板状杆和第二板状杆的另一端复合在一起并利用销轴铰接在U形板的凹槽内，圆柱形杆的外端与动平台上的转动副支座11以转动副连接。

所述的弧形轨道的形状大于半圆。

所述的动平台的两侧部位分别形成有一个开孔，上下端面均用于安装末端执行器。

所述的第一板状杆、第二板状杆和转动连接件的转动轴线重合。

所述的第一板状杆和第二板状杆的中部均形成有一个开孔。

本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构具有以下优点：

1、在底座上垂直固接了形状大于半圆的弧形轨道，既能满足滑块在垂直和水平两个方向的移动，又能实现两个板状杆夹角的变化。除此之外，动平台上下端面都可安装末端执行器，从而提高了工作空间/机构体积比。

2、复合支链的存在，减少了机构中转动副的数量，避免了单独成链所存在的奇异性。

3、使用板状杆代替传统圆柱杆并将两个板状杆复合，提高了机构抵抗变形的能力，即提高了机构的刚度。

4、第一支链、第二支链、第三支链组成结构完全相同，降低了整体并联机构的制造和装配难度。

附图说明

图1为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构立体图。

图2为从另一角度观察时本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构立体图。

图3为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构俯视图。

图4为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构中动平台立体图。

图5为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构中第一支链结构示意图。

图6为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构中的转动连接杆立体图。

图7-图8分别为本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构中第一板状杆和第二板状杆立体图。

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具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构进行详细说明。

如图1—图8所示，本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构包括固定底座1、弧形轨道2、动平台9、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和复合支链Ⅳ；其中，所述的固定底座1为板状结构，水平设置；弧形轨道2垂直设置，两个下端分别固定在固定底座1的一侧表面，并且水平面上的投影与固定底座1的前后方向一致；动平台9为矩形板状，设置在固定底座1的另一侧上方，底面四个边缘的中心处固接三个球铰支座10和一个转动副支座11，并且转动副支座11靠近弧形轨道2；第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ的结构完全相同，每个支链均包括虎克铰12、伸缩杆13和第一球铰14；其中第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上的虎克铰12对称设置在固定底座1上另一侧的表面前后部，并且分别与弧形轨道2的两个下端对齐；第三支链Ⅲ上的虎克铰12设置在位于第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上虎克铰12外侧的固定底座1表面，并且与第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上虎克铰12的距离相等；每个支链上的伸缩杆13下端铰接在相应的虎克铰12上，上端设有第一球铰14，通过第一球铰14连接在动平台9上一个相应的球铰支座10内；复合支链Ⅳ包括两个滑块3、两个球铰支座4、两个第二球铰5、第一板状杆6、第二板状杆7和转动连接件8；两个滑块3与弧形轨道2以移动副连接；每个球铰支座4安装在一个滑块3的外侧面上；第一板状杆6和第二板状杆7的一端均设有一个第二球铰5，每个第二球铰5连接在一个球铰支座4内；转动连接件8的一端为U形板，另一端为圆柱形杆，第一板状杆6和第二板状杆7的另一端复合在一起并利用销轴铰接在U形板的凹槽内，圆柱形杆的外端与动平台9上的转动副支座11以转动副连接。

所述的弧形轨道2的形状大于半圆，可满足滑块3在垂直和水平两个方向的移动，亦可根据实际工况设计成立柱式或者横梁式。

所述的动平台9的两侧部位分别形成有一个开孔，以减少其重量，并且上下端面均可安装末端执行器。

所述的第一板状杆6、第二板状杆7和转动连接件8的转动轴线重合。

所述的第一板状杆6和第二板状杆7的中部均形成有一个开孔。

现以固定底座1的左右方向作为y轴方向，前后方向作为x轴方向，垂直方向作为z轴方向，对本发明提供的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构的工作原理阐述如下：

本五自由度并联机构选取第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和复合支链Ⅳ的移动副作为主动副，依靠彼此之间的移动配合来实现五自由度。首先利用驱动装置驱动复合支链Ⅳ中的两个滑块3同等地向距离增大或减小的方向移动，并配合第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ中伸缩杆13的伸缩可实现动平台9的z轴方向移动；同样的，利用两个滑块3的等距离移动以及复合支链Ⅳ中两个第二球铰5的转动，配合伸缩杆13的伸缩可实现动平台9的y轴方向移动；利用两个滑块3不等距离的移动并配合伸缩杆13的伸缩可实现动平台9的x轴方向的移动；第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ分别通过第一球铰14与动平台9连接，复合支链Ⅳ通过转动连接件8与动平台9以转动副连接，因此锁定第三支链Ⅲ和复合支链Ⅳ的主动副，伸缩第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ上的伸缩杆13，可实现动平台9绕y轴方向的转动；锁定第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ的主动副，配合两个滑块3不等距离的移动，可实现动平台9绕z轴方向的转动。最终，整个并联机构可实现三个方向移动和两个方向转动共五个自由度。

Claims (5)

1.一种具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构，其特征在于：所述的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构包括固定底座(1)、弧形轨道(2)、动平台(9)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和复合支链(Ⅳ)；其中，所述的固定底座(1)为板状结构，水平设置；弧形轨道(2)垂直设置，两个下端分别固定在固定底座(1)的一侧表面，并且水平面上的投影与固定底座(1)的前后方向一致；动平台(9)为矩形板状，设置在固定底座(1)的另一侧上方，底面四个边缘的中心处固接三个球铰支座(10)和一个转动副支座(11)，并且转动副支座(11)靠近弧形轨道(2)；第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)的结构完全相同，每个支链均包括虎克铰(12)、伸缩杆(13)和第一球铰(14)；其中第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)上的虎克铰(12)对称设置在固定底座(1)上另一侧的表面前后部，并且分别与弧形轨道(2)的两个下端对齐；第三支链(Ⅲ)上的虎克铰(12)设置在位于第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)上虎克铰(12)外侧的固定底座(1)表面，并且与第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)上虎克铰(12)的距离相等；每个支链上的伸缩杆(13)下端铰接在相应的虎克铰(12)上，上端设有第一球铰(14)，通过第一球铰(14)连接在动平台(9)上一个相应的球铰支座(10)内；复合支链（ Ⅳ） 包括两个滑块(3)、两个球铰支座(4)、两个第二球铰(5)、第一板状杆(6)、第二板状杆(7)和转动连接件(8)；两个滑块(3)与弧形轨道(2)以移动副连接；每个球铰支座(4)安装在一个滑块(3)的外侧面上；第一板状杆(6)和第二板状杆(7)的一端均设有一个第二球铰(5)，每个第二球铰(5)连接在一个球铰支座(4)内；转动连接件(8)的一端为U形板，另一端为圆柱形杆，第一板状杆(6)和第二板状杆(7)的另一端复合在一起并利用销轴铰接在U形板的凹槽内，圆柱形杆的外端与动平台(9)上的转动副支座(11)以转动副连接。

2.根据权利要求1所述的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构，其特征在于：所述的弧形轨道(2)的形状大于半圆。

3.根据权利要求1所述的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构，其特征在于：所述的动平台(9)的两侧部位分别形成有一个开孔，上下端面均用于安装末端执行器。

4.根据权利要求1所述的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构，其特征在于：所述的第一板状杆(6)、第二板状杆(7)和转动连接件(8)的转动轴线重合。

5.根据权利要求1所述的具有弧形轨道和复合支链的五自由度并联机构，其特征在于：所述的第一板状杆(6)和第二板状杆(7)的中部均形成有一个开孔。

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