CN112454337B - 具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构。其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，具有两平动两转动的自由度。本发明优点：首先，采用丝杠和电推杆复合支链的构型方式，在保证机构所需的自由度的到满足的同时，减少了机构的支链数，降低各支链之间的相互干涉，增大了机构的工作空间。其次，采用中间镂空的动平台结构，配合动平台上的双转动配件，在各支链的相互运动下，可实现动平台超过180度的大角度扭转。最后，有两条支链的结构完全相同，且结构简单，降低了制造加工难度的同时节省了制造成本。

Description

具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构

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可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构。

背景技术

并联机构是由多个运动支链在动平台和定平台之间并联而构成的多自由度机构。并联机构因具有刚度大、承载能力强、误差叠加少、运动精度高和控制简单等优点，已被广泛应用在数控加工中心、运动模拟器、触觉装置、微纳操作手等领域。

并联机构相对于串联结构而言，一个主要缺点是并联机构的工作空间，特别是转动自由度的范围受限制。复合支链是将两个或多个驱动电机布置在同一条支链上，当其应用到并联机构中，具有可以有效减少支链数量，简化机构整体结构，减少支链间的相互干涉，增大工作空间范围等优点。具有复合支链的并联机构可以显著提高运动性能，具有极大应用前景。

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可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构。

为了达到上述目的，本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链；

其中，定平台包括底板和两个第二转动支座；两个第二转动支座分别固定在定平台的上表面两侧中间部位，并且中心轴线垂直于底板的上表面；

动平台包括台板、两个球铰支座和一个第二双转动配件；其中台板的一侧边中部安装有一个第二双转动配件，与安装第二双转动配件的侧边相垂直的两个侧面上远离第二双转动配件的一端分别安装有一个球铰支座；第二双转动配件与台板相配合而构成第三转动副，第三转动副的回转轴线平行于两个球铰支座的中心连线方向，台板能够绕第二转动配件的回转轴线大角度扭转；

第一支链和第二支链的结构完全相同，均包括第一双转动配件、第一电推杆和球铰；第一电推杆的一端通过球铰与动平台上的一个球铰支座相连接而构成球副；第一双转动配件的一端与第一电推杆的另一端相连接而构成第一转动副，第一转动副的回转轴线平行于底板的上表面，第一双转动配件的另一端与定平台上的一个第二转动支座相连接而构成第二转动副，第二转动副的回转轴线垂直于第一转动副的回转轴线；第一电推杆能够在自身第一电机的驱动下进行伸缩运动；

第三支链为复合支链，包括直线移动组件、直线驱动组件、第二电推杆和第四转动支座；直线移动组件包括下底板、连接板、两条导轨和两个滑块；下底板固定在定平台的上表面中部；导轨为直线导轨，两条导轨对称固定在下底板的上表面两侧部位，并且延伸方向与定平台上两个第二转动支座的中心连线方向垂直；两个滑块分别以移动的方式安装在两条导轨上；连接板的底面同时连接在两个滑块的上表面上；直线驱动组件包括第二电机、丝杠以及丝杠螺母；第二电机固定在下底板的一端上表面上，输出轴连接丝杠的一端，并且丝杠平行于导轨；丝杠螺母螺纹连接在丝杠上且上端同时固定在连接板的底面上；第二电机驱动丝杠旋转，并通过丝杠螺母带动连接板与滑块沿导轨移动；第二电推杆的前端安装有一个第四转动支座，通过第四转动支座与动平台上的第二双转动配件连接而构成第四转动副，第四转动副的回转轴线与第三转动副的回转轴线垂直；第二电推杆的后端固接在连接板的上表面；第二电推杆的伸缩是通过自身的第三电机来驱动的；第三支链Ⅲ包括第二电机和第三电机两个驱动电机，由两个驱动电机构成复合支链。

所述的底板为长方形板状结构。

所述的台板为方框形板状结构，中部形成有减重孔。

本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构具有以下优点：

1、采用丝杠和电推杆复合支链的构型方式，在保证机构所需的自由度得到满足的同时，减少了机构的支链数，降低各支链之间的相互干涉，增大了机构的工作空间。

2、采用中间镂空的动平台结构，配合动平台上的双转动构件，在各支链的相互运动下，可实现动平台超过180度的大角度扭转。

3、有两条支链的结构完全相同，且结构简单，降低了制造加工难度的同时节省了制造成本。

附图说明

图1为本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构结构示意图。

图2为本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构中定平台结构示意图。

图3为本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构中动平台结构示意图。

图4为本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构中第一支链或第二支链结构示意图。

图5为本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构中第三支链结构示意图。

图6为本发明中第三支链中的直线移动组件与直线驱动组件结构示意图。

图中：1、定平台；101、底板；2、动平台；201、台板；202、第三转动副；203、第四转动副；3、第一双转动配件；301、第二转动支座；302、第一转动副；303、第二转动副；4、第一电机；5、第一电推杆；6、球铰；601、球铰支座；7、直线移动组件；70、直线驱动组件；701、导轨；702、丝杠；703、丝杠螺母；704、连接板；705、滑块；706、下底板；8、第二电推杆；9、第四转动支座；10、第二双转动配件；13、第三电机；14、第二电机。

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可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构进行详细说明。

如图1—图6所示，本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构包括定平台1、动平台2、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ；

其中，定平台1包括底板101和两个第二转动支座301；两个第二转动支座301分别固定在定平台1的上表面两侧中间部位，并且中心轴线垂直于底板101的上表面；

动平台2包括台板201、两个球铰支座601和一个第二双转动配件10；其中台板201的一侧边中部安装有一个第二双转动配件10，与安装第二双转动配件10的侧边相垂直的两个侧面上远离第二双转动配件10的一端分别安装有一个球铰支座601；第二双转动配件10与台板201相配合而构成第三转动副202，第三转动副202的回转轴线平行于两个球铰支座601的中心连线方向，台板201能够绕第二转动配件10的回转轴线大角度扭转；

第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ的结构完全相同，均包括第一双转动配件3、第一电推杆5和球铰6；第一电推杆5的一端通过球铰6与动平台2上的一个球铰支座601相连接而构成球副；第一双转动配件3的一端与第一电推杆5的另一端相连接而构成第一转动副302，第一转动副302的回转轴线平行于底板101的上表面，第一双转动配件3的另一端与定平台1上的一个第二转动支座301相连接而构成第二转动副303，第二转动副303的回转轴线垂直于第一转动副302的回转轴线；第一电推杆5能够在自身第一电机4的驱动下进行伸缩运动；

第三支链Ⅲ为复合支链，包括直线移动组件7、直线驱动组件70、第二电推杆8和第四转动支座9；直线移动组件7包括下底板706、连接板704、两条导轨701和两个滑块705；下底板706固定在定平台1的上表面中部；导轨701为直线导轨，两条导轨701对称固定在下底板706的上表面两侧部位，并且延伸方向与定平台1上两个第二转动支座301的中心连线方向垂直；两个滑块705分别以移动的方式安装在两条导轨701上；连接板704的底面同时连接在两个滑块705的上表面上；直线驱动组件70包括第二电机14、丝杠702以及丝杠螺母703；第二电机14固定在下底板706的一端上表面上，输出轴连接丝杠702的一端，并且丝杠702平行于导轨701；丝杠螺母703螺纹连接在丝杠702上且上端同时固定在连接板704的底面上；第二电机14驱动丝杠702旋转，并通过丝杠螺母703带动连接板704与滑块705沿导轨701移动；第二电推杆8的前端安装有一个第四转动支座9，通过第四转动支座9与动平台2上的第二双转动配件10连接而构成第四转动副203，第四转动副203的回转轴线与第三转动副202的回转轴线垂直；第二电推杆8的后端固接在连接板704的上表面；第二电推杆8的伸缩是通过自身的第三电机13来驱动的；第三支链Ⅲ包括第二电机14和第三电机13两个驱动电机，由两个驱动电机构成复合支链。

所述的底板101为长方形板状结构。

所述的台板201为方框形板状结构，中部形成有减重孔。

现以丝杠702的延伸方向作为x轴方向，两个第二转动支座301的中心连线方向作为y轴方向，第二电推杆8的伸缩方向作为z轴方向，对本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构的工作原理阐述如下：

本发明提供的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构选取两个第一电推杆5、一个第二电推杆8和一个丝杠702作为驱动件，可实现动平台2两移动和两转动共四个自由度；锁定第三支链Ⅲ上的第二电推杆8，利用第三支链Ⅲ上的第二电机14驱动丝杠702旋转，同时配合驱动第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上第一电推杆5伸缩，可以实现动平台2沿x轴的移动自由度；锁定第三支链Ⅲ上的丝杠702，同时分别驱动第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上的第一电推杆5同向等距伸缩，相应地驱动第三支链Ⅲ上的第二电推杆8伸缩，可实现动平台2沿z轴的移动自由度；锁定第三支链Ⅲ，同时分别驱动第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上的第一电推杆5同向等距伸缩，可实现动平台2绕y轴的转动自由度；锁定第三支链Ⅲ，同时分别驱动第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ上的第一电推杆5反向等距伸缩，可实现动平台2绕x轴的转动自由度。通过第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ各驱动件的运动，动平台2可实现沿x、z轴方向的移动自由度与绕x、y轴的转动自由度共四个自由度。

Claims (3)

1.一种具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构，其特征在于：所述的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构包括定平台(1)、动平台(2)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)；

其中，定平台(1)包括底板(101)和两个第二转动支座(301)；两个第二转动支座(301)分别固定在定平台(1)的上表面两侧中间部位，并且中心轴线垂直于底板(101)的上表面；

动平台(2)包括台板(201)、两个球铰支座(601)和一个第二双转动配件(10)；其中台板(201)的一侧边中部安装有一个第二双转动配件(10)，与安装第二双转动配件(10)的侧边相垂直的两个侧面上远离第二双转动配件(10)的一端分别安装有一个球铰支座(601)；第二双转动配件(10)与台板(201)相配合而构成第三转动副(202)，第三转动副(202)的回转轴线平行于两个球铰支座(601)的中心连线方向，台板(201)能够绕第二转动配件(10)的回转轴线大角度扭转；

第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)的结构完全相同，均包括第一双转动配件(3)、第一电推杆(5)和球铰(6)；第一电推杆(5)的一端通过球铰(6)与动平台(2)上的一个球铰支座(601)相连接而构成球副；第一双转动配件(3)的一端与第一电推杆(5)的另一端相连接而构成第一转动副(302)，第一转动副(302)的回转轴线平行于底板(101)的上表面，第一双转动配件(3)的另一端与定平台(1)上的一个第二转动支座(301)相连接而构成第二转动副(303)，第二转动副(303)的回转轴线垂直于第一转动副(302)的回转轴线；第一电推杆(5)能够在自身第一电机(4)的驱动下进行伸缩运动；

第三支链(Ⅲ)为复合支链，包括直线移动组件(7)、直线驱动组件(70)、第二电推杆(8)和第四转动支座(9)；直线移动组件(7)包括下底板(706)、连接板(704)、两条导轨(701)和两个滑块(705)；下底板(706)固定在定平台(1)的上表面中部；导轨(701)为直线导轨，两条导轨(701)对称固定在下底板(706)的上表面两侧部位，并且延伸方向与定平台(1)上两个第二转动支座(301)的中心连线方向垂直；两个滑块(705)分别以移动的方式安装在两条导轨(701)上；连接板(704)的底面同时连接在两个滑块(705)的上表面上；直线驱动组件(70)包括第二电机(14)、丝杠(702)以及丝杠螺母(703)；第二电机(14)固定在下底板(706)的一端上表面上，输出轴连接丝杠(702)的一端，并且丝杠(702)平行于导轨(701)；丝杠螺母(703)螺纹连接在丝杠(702)上且上端同时固定在连接板(704)的底面上；第二电机(14)驱动丝杠(702)旋转，并通过丝杠螺母(703)带动连接板(704)与滑块(705)沿导轨(701)移动；第二电推杆(8)的前端安装有一个第四转动支座(9)，通过第四转动支座(9)与动平台(2)上的第二双转动配件(10)连接而构成第四转动副(203)，第四转动副(203)的回转轴线与第三转动副(202)的回转轴线垂直；第二电推杆(8)的后端固接在连接板(704)的上表面；第二电推杆(8)的伸缩是通过自身的第三电机(13)来驱动的；第三支链(Ⅲ)包括第二电机(14)和第三电机(13)两个驱动电机，由两个驱动电机构成复合支链。

2.根据权利要求1所述的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构，其特征在于：所述的底板(101)为长方形板状结构。

3.根据权利要求1所述的具有可大角度扭转动平台和复合支链的四自由度并联机构，其特征在于：所述的台板(201)为方框形板状结构，中部形成有减重孔。

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