CN112405499A

CN112405499A - 一种三自由度对称并联机构

Info

Publication number: CN112405499A
Application number: CN202011165651.8A
Authority: CN
Inventors: 刘婧芳; 栗晓
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2040-10-27
Also published as: CN112405499B

Abstract

本发明公开了一种三自由度对称并联机构，机构动平台可实现两转动一移动。该机构包括机架、动平台以及并联连接在机架与动平台之间的三个分支支链，每个分支支链包含三个转动副和两个移动副，且各分支结构本身也是对称分布，各支链的第一转动副、第二转动副和第三转动副的轴线汇交于一点，且该点是各分支的第一弧形移动副和第二弧形移动副的圆心，对称平面由各分支通过该圆心的轴线组成。该并联机构工作空间为变球面，且无伴随运动，机构控制简单，可以作为末端执行机构应用在机床中，实现复杂曲面的加工，也可应用到手术或康复医疗机器人等医疗卫生领域，或者作为末端执行机构应用在特殊需要的机器人末端等工业生产场合，因此具有广泛的应用前景。

Description

一种三自由度对称并联机构

技术领域

本发明是一种对称并联机构，涉及机构学应用技术领域，尤其涉及了一种含弧形移动副的三自由度机器人执行机构。

背景技术

随着社会的发展，串联机器人在运动中存在刚度低，定位精度低的缺点而并联机构则由于其高刚度、高精度、运动灵活空间大、承载力大等特点而广泛应用在医疗康复、机床加工制造、货物分拣场合中。

少自由度并联机构因结构简单、制造成本低、控制简单是近年来并联机构研究热点，其中具有两个转动自由度和一个移动自由度的三自由度并联机构是少自由度并联机构应用较为广泛的机构；这类并联机构在生产加工领域有着广阔的应用前景。此外，相比于非对称并联机构，对称结构的并联机构具有较好的各项同性，可减少零件的加工类型，降低生产成本，能够更好地满足应用中的多方面要求。

发明内容

本发明提供了一种三自由度对称并联机构，该机构具有高刚度、结构对称、工作空间大、易控制等特点，同时该机构中采用了弧形移动副，来增加机构的高偏转能力。该机构可以实现动平台绕机构对称平面内的任意直线转动运动以及沿动平台的中心线方向平移运动，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。

为实现上述目的，本发明基于对称的特点，采用的技术方案为一种三自由度对称并联机构。

该机构由机架D1、动平台D0以及连接机架与动平台的三条分支机构构成。三个分支机构之间沿机架、动平台中心点连线圆周均匀布置，包括第一分支、第二分支、第三分支，而且每个分支本身也都呈现对称分布。

第一分支包括机架的第一转动副R11、第一弧形移动副P11、第二转动副R12、第二弧形移动副P12、动平台的第三转动副R13；第一弧形移动副的导轨L11和滑块L12组成了移动副P11以及第二弧形移动副的滑块L13和导轨L14，组成了移动副P12；机架的第一转动副R11与第二转动副R12通过第一弧形移动副的导轨L11和滑块L12连接，动平台的第三转动副R13与第二转动副R12通过第二弧形移动副的滑块L13和导轨L14连接；机架的第一转动副的轴线与第二转动副的轴线以及动平台的第三转动副轴线汇交于一点S1；第一分支中弧形移动副的导轨L11、导轨L14及滑块L12、L13均为等圆心半径的弧形连杆，其圆心交于点S1；第一弧形移动副滑块相对于轴线M1转动，第二弧形移动副滑块相对于轴线N1转动，轴线M1、N1也汇交于点S1；初始位姿下，机架的第一转动副轴线、第二转动副和动平台的第三转动副轴线在同一平面内布置，组成可以表示为简单串联运动链R11-P11-R12-P12-R13。

第二分支包括机架的第一转动副R21、第一弧形移动副P21、第二转动副R22、第二弧形移动副P22、动平台的第三转动副R23；第一弧形移动副的导轨L21和滑块L22组成了移动副P21以及第二弧形移动副的滑块L23和导轨L24，组成了移动副P22；机架的第一转动副R21与第二转动副R22通过第一弧形移动副的导轨L21和滑块L22连接，动平台的第三转动副R23与第二转动副R22通过第二弧形移动副的滑块L23和导轨L24连接；机架的第一转动副的轴线与第二转动副的轴线以及动平台的第三转动副轴线汇交于一点S2；第二分支中弧形移动副的导轨L21、L24及滑块L22、L23均为等圆心半径的弧形连杆，其圆心交于点S2；第一弧形移动副滑块相对于轴线M2转动，第二弧形移动副滑块相对于轴线N2转动,轴线M2、N2也汇交于点S2；初始位姿下，机架的第一转动副轴线、第二转动副和动平台的第三转动副轴线在同一平面内布置，组成可以表示为简单串联运动链R21-P21-R22-P22-R23。

第三分支包括机架的第一转动副R31、第一弧形移动副P31、第二转动副R32、第二弧形移动副P32、动平台的第三转动副R33；第一弧形移动副的导轨L31和滑块L32组成了移动副P31以及第二弧形移动副的滑块L33和导轨L34，组成了移动副P32；机架的第一转动副R31与第二转动副R32通过第一弧形移动副的导轨L31和滑块L32连接，动平台的第三转动副R33与第二转动副R32通过第二弧形移动副的滑块L33和导轨L34连接；机架的第一转动副的轴线与第二转动副的轴线以及动平台的第三转动副轴线汇交于一点S3；第三分支中弧形移动副的导轨L31、L34及滑块L32、L33均为等圆心半径的弧形连杆，其圆心交于点S3；第一弧形移动副滑块相对于轴线M3转动，第二弧形移动副滑块相对于轴线N3转动,轴线M3、N3也汇交于点S3；初始位姿下，机架的第一转动副轴线、第二转动副和动平台的第三转动副轴线在同一平面内布置，组成可以表示为简单串联运动链R31-P31-R32-P32-R33。

所述的三自由度对称并联机构，机构动平台、机架以及三条分支中的弧形移动副滑块与导轨，均采用45号钢材料加工，并进行表面淬火热处理工艺。动平台、机架由三角形平板加工而成，均可随应用场合的改变进行改进设计；分支由弧形移动副的导轨与滑块组成，通过表面淬火热处理工艺，可提高弧形移动副的硬度、耐磨性和疲劳强度。从结构方面来看，与直线型移动副不同的是，机构中弧形移动副的轨迹曲线为圆弧，运动时，导轨与滑块两个接触面为平面，两个接触面为弧面，运动副类型接触为面接触，承载能力大，耐冲击；其余运动副均为转动副铰链，易加工生产。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该机构为对称并联结构，零件加工类型少、制造加工方便、成本低；

2、该机构的分支结构简单并且对称，装配简单；

3、分支中采用弧形移动副，可实现高偏转的能力；

4、机构的位置正逆解求解简单，工作空间为变球面且无伴随运动、控制简单；

5、该机构具有两转一移的三自由度运动性质，可以做特定方向的伸缩运动，动态性能好，可用在复杂曲面的加工等场合，有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的第一分支的结构示意图。

图3是第一分支结构的转动副轴线与移动副轴线示意图。

图4是第一分支的弧形移动副P11剖视图。

图中：D1—机架、D0—动平台、R11—第一分支中的第一个转动副、R12—第一分支中的第二个转动副、R13—第一分支中的第三个转动副、R21—第二分支中的第一个转动副、R22—第二分支中的第二个转动副、R23—第二分支中的第三个转动副、R31—第三分支中的第一个转动副、R32—第三分支中的第二个转动副、R33—第三分支中的第三个转动副、P11—第一分支中的弧形移动副、P12—第一分支中的弧形移动副、P21—第二分支中的弧形移动副、P22—第二分支中的弧形移动副、P31—第三分支中的弧形移动副、P32—第三分支中的弧形移动副、L11—第一分支中的第一弧形移动副导轨、L12—第一分支中的第一弧形移动副滑块、L13—第一分支中的第二弧形移动副滑块、L14—第一分支中的第二弧形移动副导轨。M1—第一分支中的第一弧形移动副转动轴线，N1—第一分支中的第二弧形移动副转动轴线，S1—第一分支中第一及第二弧形移动副圆心且第一、第二、第三转动副轴线交点。

具体实施方式

下面结合图1和图2详细说明本实施例：第一分支从下至上包括机架第一转动副R11、第一弧形移动副导轨L11、第一弧形移动副滑块L12、第二转动副R12、第二弧形移动副导轨L13、第二弧形移动副滑块L14、第三转动副R13；第一弧形移动副导轨L11与机架D1通过第一转动副R11连接，第一弧形移动副导轨L11、第一弧形移动副滑块L12组成移动副P11，第一弧形移动副滑块L12与第二弧形移动副滑块L13通过第二转动副R12连接，第二弧形移动副导轨L13、第二弧形移动副滑块L14组成移动副P12，第二弧形移动副导轨L14与动平台D0通过第三转动副R13连接。

第二分支从下至上包括机架第一转动副R21、第一弧形移动副导轨L21、第一弧形移动副滑块L22、第二转动副R22、第二弧形移动副导轨L23、第二弧形移动副滑块L24、第三转动副R23；第一弧形移动副导轨L21与机架D1通过第一转动副R21连接，第一弧形移动副导轨L21、第一弧形移动副滑块L22组成移动副P21，第一弧形移动副滑块L22与第二弧形移动副滑块L23通过第二转动副R22连接，第二弧形移动副滑块L23、第二弧形移动副导轨L24组成移动副P22，第二弧形移动副导轨L24与动平台D0通过第三转动副R23连接。。

第三分支从下至上包括机架第一转动副R31、第一弧形移动副导轨L31、第一弧形移动副滑块L32、第二转动副R32、第二弧形移动副滑块L33、第二弧形移动副导轨L34、第三转动副R33；第一弧形移动副导轨L31与机架D1通过第一转动副R31连接，第一弧形移动副导轨L31、第一弧形移动副滑块L32组成移动副P31，第一弧形移动副滑块L32与第二弧形移动副滑块L33通过第二转动副R32连接，第二弧形移动副滑块L33、第二弧形移动副导轨L34组成移动副P32，第二弧形移动副滑块L34与动平台D0通过第三转动副R33连接。。

三个分支中第一分支的第一转动副的轴线、第二转动副的轴线和第三转动副轴线汇交于点S1，该点也是弧形移动副P11、P12的圆心；第二分支的第一转动副的轴线、第二转动副的轴线和第三转动副轴线汇交于点S2，该点也是弧形移动副P21、P22的圆心；第三分支的第一转动副的轴线、第二转动副的轴线和第三转动副轴线汇交于点S3,该点也是弧形移动副P31、P32的圆心；三条分支共有三个圆心，通过该圆心的三条轴线共同构成了机构的对称平面。

Claims

1.一种三自由度对称并联机构，其特征在于：该并联机构包括机架、动平台以及并联连接机架与动平台的三条分支机构；所述三个分支机构包括第一分支机构、第二分支机构、第三分支机构，每个分支机构之间沿机架中心点呈均匀圆周分布，且每个分支机构上下对称；分支机构中第一分支包括从机架到动平台依次布置的第一转动副R11、第一弧形移动副导轨L11、第一弧形移动副滑块L12、第二转动副R12、第二弧形移动副滑块L13、第二弧形移动副导轨L14、第三转动副R13；上述第二分支机构包括从机架到动平台依次布置的第一转动副R21、第一弧形移动副导轨L21、第一弧形移动副滑块L22、第二转动副R22、第二弧形移动副滑块L23、第二弧形移动副导轨L24、第三转动副R23；上述第三分支机构包括从机架到动平台依次布置的第一转动副R31、第一弧形移动副导轨L31、第一弧形移动副滑块L32、第二转动副R32、第二弧形移动副滑块L33、第二弧形移动副导轨L34、第三转动副R33。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度对称并联机构，其特征在于：所述的弧形移动副中心线为弧线；三个分支的第一转动副的轴线和第二转动副的轴线及第三转动副轴线汇分别交于一点，三个分支的第一弧形移动副的轴线和第二弧形移动副的轴线在一点汇交，该点也是弧形移动副的圆心；三个分支中转动副轴线交点与弧形移动副圆心汇交；三条分支共有三个汇交点，通过汇交点的三条轴线共同构成了机构的对称平面。