CN112454341A - 基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，包括具有六个连接顶点的多边形静平台和具有三个连接顶点的多边形动平台，静平台的六个连接顶点由两个一组，共分成三组，动平台的三个连接顶点分别通过支链与静平台上的三组连接顶点对应连接；支链包括具有三个连接顶点的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆，多边形连接单元与两个中间连杆的一端通过转动副活动连接，两个中间连杆的另一端分别通过转动副与过渡连杆两端活动连接；过渡连杆的两端又各通过一个球副与静平台上对应组的两连接顶点活动连接。本发明具有可展性能，折叠时体积较小，便于运输以及存放，展开时，具有较大的空间，结构简单，灵活多变。

Description

基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构

技术领域

本发明涉及一种基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构。

背景技术

并联机构相比于串联机构，具有高刚度，高精度，承载能力强等诸多的优点，在工业机床，3D打印，航空航天领域都有很大的应用市场，一定程度上弥补了串联机构在工业应用上的不足，得到了业界诸多的关注以及研究，而具有少自由度的并联机构也成为并联机构领域研究的一大热点。

空间可折展结构是随着航天科技的发展而诞生的一种新型结构，它在发射过程中处于折叠收纳状态，体积最小；入轨后，可折展结构可按设计展开成较大的运行工作状态；返回或回收时，该结构可再次折叠收拢进入飞船。

虽然并联机构以及可展机构都发展的相对成熟，但是具有可展性能的并联机构现在却很少人研究以及关注，这种具有可展性的并联机构可以工作在特殊的场合，当它在运输以及需要自我保护时处于折叠状态，当它处于工作状态时，处于展开状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构简单，具有可展性能，灵活多变的基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构。

本发明采用以下方案实现：一种基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，包括具有六个连接顶点的多边形静平台和位于静平台上方或下方具有三个连接顶点的多边形动平台，静平台的六个连接顶点由相邻两个连接顶点构成一组，共分成三组，所述动平台的三个连接顶点分别通过支链与静平台上的三组连接顶点对应连接；所述支链包括具有三个连接顶点的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆，多边形连接单元的其中两个连接顶点分别与两个中间连杆的一端通过转动副活动连接，连接单元的第三个连接顶点与动平台的连接顶点通过球副活动连接，两个中间连杆的另一端分别通过转动副与过渡连杆两端活动连接；过渡连杆的两端又各通过一个球副与静平台上对应组的两连接顶点活动连接；过渡连杆的任意一端的转动副轴线均通过该端球副的中心。

进一步的，所述支链的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆通过四个转动副连接形成单自由度空间单环过约束机构；所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在公法线、共四条公法线形成对边相等的空间四边形。

进一步的，所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在夹角、共四个夹角交替相等。

进一步的，所述单自由度空间单环过约束机构中连接两中间连杆和多边形连接单元的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副轴线之间公法线线段长度之间的比值等于中间连杆两端的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副轴线之间公法线线段的长度之间的比值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构具有可展性能，折叠时形成一个四面体结构，体积较小，便于运输以及存放，展开时，具有较大的空间，整个结构构造简单，灵活多变，并且具有刚度大的，稳定性好的优点，在航空航天，土木工程中具有重要意义和广泛的应用前景。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例构造立体图；

图2是本发明实施例中第一支链的第一多边形连接单元T1结构示意图；

图3是本发明实施例中第二支链的第二多边形连接单元T2结构示意图；

图4是本发明实施例中第三支链的第三多边形连接单元T3结构示意图；

图5是本发明实施例中静平台结构示意图；

图6是本发明实施例中动平台结构示意图；

图7是本发明实施例支链的其中一根中间连杆F1结构示意图；

图8是本发明实施例支链的另一根中间连杆F2结构示意图；

图9是本发明实施例支链的其中一根过渡连杆F7结构示意图；

图10是本发明实施例其中一组支链中的单自由度空间单环过约束机构构造示意图；

图11是本发明实施例完全折叠状态的结构示意图；

图中标号说明：T1-第一多边形连接单元、T2-第二多边形连接单元、T3-第三多边形连接单元、F1-第一中间连杆、F2-第二中间连杆、F3-第三中间连杆、F4-第四中间连杆、F5-第五中间连杆、F6-第六中间连杆、F7-第一过渡连杆、F8-第二过渡连杆、F9-第三过渡连杆、R1-第一转动副、R2-第二转动副、R3-第三转动副、R4-第四转动副、R5-第五转动副、R6-第六转动副、R7-第七转动副、R8-第八转动副、R9-第九转动副、R10-第十转动副、R11-第十一转动副、R12-第十二转动副、S1-第一球副、S2-第二球副、S3-第三球副、S4-第四球副、S5-第五球副、S6-第六球副、S13-第十三球副、S14-第十四球副、S15-第十五球副、V1-第一交点、V2-第二交点。

具体实施方式

如图1~10所示，一种基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，包括具有六个连接顶点的多边形静平台和位于静平台上方或下方具有三个连接顶点的多边形动平台，静平台的六个连接顶点由相邻两个连接顶点构成一组，共分成三组，所述动平台的三个连接顶点分别通过支链与静平台上的三组连接顶点对应连接；所述支链包括具有三个连接顶点的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆，多边形连接单元的其中两个连接顶点分别与两个中间连杆的一端通过转动副活动连接，连接单元的第三个连接顶点与动平台的连接顶点通过球副活动连接，两个中间连杆的另一端分别通过转动副与过渡连杆两端活动连接；过渡连杆的两端又各通过一个球副与静平台上对应组的两连接顶点活动连接；过渡连杆的任意一端的转动副轴线均通过该端球副的中心。

在本实施例中，所述过渡连杆的两端均为Y字形结构，Y字形结构的一端通过一个球副与静平台上对应的连接顶点活动连接，另一端通过转动副与对应中间连杆活动连接。

在本实施例中，所述支链的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆通过四个转动副连接形成单自由度空间单环过约束机构；所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在公法线、共四条公法线形成对边相等的空间四边形。

在本实施例中，所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在夹角、共四个夹角交替相等，即如图10中所示，两个交替的夹角α相等， 两个交替的夹角β相等。

在本实施例中，所述单自由度空间单环过约束机构中连接两中间连杆和多边形连接单元的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副（即连接两中间连杆和多边形连接单元的两个转动副）轴线之间公法线线段长度之间的比值等于中间连杆两端的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副（即中间连杆两端的两个转动副）轴线之间公法线线段的长度之间的比值；拿多边形连接单元T1、中间连杆F1、中间连杆F2、过渡连杆F7通过转动副R1、R2、R7、R8构成的单自由度空间单环过约束机构来说就是，转动副R7、R8轴线之间的夹角正弦值与该两转动副（即转动副R7、R8）轴线之间公法线线段长度之间的比值等于转动副R1、R7或转动副R2、R8轴线之间的夹角正弦值与该两转动副（即转动副R1、R7或转动副R2、R8）轴线之间公法线线段的长度之间的比值；动平台和静平台之间的三组支链之间相互独立，亦可采用三组相同构成的支链，静平台上的六个连接顶点处于同一平面，呈多边形分布，可位于同一平面。

在本实施例中，所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副，相交替的两个转动副轴线相交于一点、共两个交点，分别是图10中所示的第一交点V1和第二交点V2，并且两个交点之间的连线为该单自由度空间单环过约束机构的对称轴线上。

本发明由9个连杆、3个多边形连接单元以及动平台和静平台通过用球副以及转动副连接起来，形成一个可折叠并联机构，可折叠并联机构在特殊的尺寸时具有可展性能，折叠时形成一个四面体结构，折叠时可折叠并联机构体积较小，便于运输以及存放，展开时，具有较大的空间，整个结构构造简单，灵活多变，并且具有刚度大的，稳定性好的优点，在航空航天，土木工程中具有重要意义和广泛的应用前景。

动平台上的三个连接顶点分别通过第一支链、第二支链和第三支链与静平台上的三组连接顶点对应连接，第一支链包括了第一多边形连接单元T1、第一中间连杆F1、第二中间连杆F2和第一过渡连杆F7, 第二支链包括了第二多边形连接单元T2、第三中间连杆F3、第四中间连杆F4和第二过渡连杆F8，第三支链包括了第三多边形连接单元T3、第五中间连杆F5、第六中间连杆F6和第三过渡连杆F9。

静平台上第一连接顶点和第二连接顶点分别通过第一球副S1和第二球副S2与第一支链的第一过渡连杆F7活动连接，第一过渡连杆F7的两端又通过第一转动副R1和第二转动副R2与第一支链的第一中间连杆F1和第二中间连杆F2活动连接，第一中间连杆F1和第二中间连杆F2通过第七转动副R7和第八转动副R8与第一支链的第一多边形连接单元T1其中两个连接顶点活动连接，第一多边形连接单元T1的第三个连接顶点通过第十三球副S13和动平台的第一个连接顶点活动连接。

静平台上第三连接顶点和第四连接顶点分别通过第三球副S3和第四球副S4与第二支链的第二过渡连杆F8活动连接，第二过渡连杆F8的两端又通过第三转动副R3和第四转动副R4与第二支链的第三中间连杆F3和第四中间连杆F4活动连接，第三中间连杆F3和第四中间连杆F4通过第九转动副R9和第十转动副R10与第二支链的第二多边形连接单元T2其中两个连接顶点活动连接，第二多边形连接单元T2的第三个连接顶点通过第十四球副S14和动平台的第二个连接顶点活动连接。

静平台上第五连接顶点和第六连接顶点分别通过第五球副S5和第六球副S6与第三支链的第三过渡连杆F9活动连接，第三过渡连杆F9的两端又通过第五转动副R5和第六转动副R6与第三支链的第五中间连杆F5和第六中间连杆F6活动连接，第五中间连杆F5和第六中间连杆F6通过第十一转动副R11和第十二球副R12与第三支链的第三多边形连接单元T3其中两个连接顶点活动连接，第三多边形连接单元T3的第三个连接顶点通过第十五球副S15和动平台的第三个连接顶点活动连接。

在本实施例中，所述静平台上的六个连接顶点呈正六边形分布，所述动平台上的三个连接顶点呈等边三角形分布，所述支链的连接单元的三个连接顶点也呈等边三角形分布并且等边三角形的边长与动平台上连接顶点分布形成的等边三角形边长相同，所述支链的两中间连杆长度相同。

在本实施例中，所述静平台上连接顶点分布形成的正六边形边长和动平台上连接顶点分布形成的等边三角形边长相同，所述支链的中间连杆两端的两个转动副的轴线之间公法线线段的长度和静平台上连接顶点分布形成的正六边形边长也相同。

机构最终达到稳定态，即折叠态，为四面体结构，如图11所示。在折叠过程中，动平台下降，同时伴随着动平台旋转，同时所述第一支链中的第一多边形连接单元的第十三球副S13和第八转动副R8之间的边与动平台的第十三球副S13与第十四球副S14之间的边逐步靠拢直至重叠；第八转动副R8和第十四球副S14中心重合；

第一支链中的第一多边形连接单元的第七转动副R7和第八转动副R8之间的边与第二支链中的第二多边形连接单元的第九转动副R9与第十四球副S14之间的边逐步靠拢直至重叠；

第二支链中的第二多边形连接单元的第十转动副R10和第十四球副S14之间的边与动平台的第十四球副S14与第十五球副S15之间的边逐步靠拢直至重叠；第十转动副R10和第十五球副S15中心重合；

第二支链中的第二多边形连接单元的第九转动副R9和第十转动副R10之间的边与第三支链中的第三多边形连接单元的第十一转动副R11与第十五球副S15之间的边逐步靠拢直至重叠；

第三支链中的第三多边形连接单元的第十二转动副R12和第十五球副S15之间的边与动平台的第十三球副S13与第十五球副S15之间的边逐步靠拢直至重叠；第十二转动副R12和第十三球副S13中心重合；

第三支链中的第三多边形连接单元的第十一转动副R11和第十二转动副R12之间的边与第一支链中的第一多边形连接单元的第七转动副R7与第十三球S13副之间的边逐步靠拢直至重叠；

第七转动副R7，第九转动副R9，第十一转动副R11的中心重合。

本发明中的多边形连接单元的结构不限于三角形轮廓，其形状、大小、尺寸、材料等均可根据实际应用要求做一定的变换。

本发明在动平台、静平台和多边形连接单元的每个连接顶点处仅设置一个球副连接，无需在多面体的边或面上安装其它连接结构，这样可以减少因过多连接而产生的安装和操控的不稳定性；本发明具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在航空航天等领域中应用。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，其特征在于：包括具有六个连接顶点的多边形静平台和位于静平台上方或下方具有三个连接顶点的多边形动平台，静平台的六个连接顶点由相邻两个连接顶点构成一组，共分成三组，所述动平台的三个连接顶点分别通过支链与静平台上的三组连接顶点对应连接；所述支链包括具有三个连接顶点的多边形连接单元、两个中间连杆和一个过渡连杆，多边形连接单元的其中两个连接顶点分别与两个中间连杆的一端通过转动副活动连接，连接单元的第三个连接顶点与动平台的连接顶点通过球副活动连接，两个中间连杆的另一端分别通过转动副与过渡连杆两端活动连接；过渡连杆的两端又各通过一个球副与静平台上对应组的两连接顶点活动连接；过渡连杆的任意一端的转动副轴线均通过该端球副的中心。

2.根据权利要求1所述的基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，其特征在于：所述支链的多边形连接单元、两个中间连杆和过渡连杆通过四个转动副连接形成单自由度空间单环过约束机构；所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在公法线、共四条公法线形成对边相等的空间四边形。

3.根据权利要求2所述的基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，其特征在于：所述单自由度空间单环过约束机构中的四个转动副按连接顺序每相邻两个转动副轴线之间存在夹角、共四个夹角交替相等。

4.根据权利要求3所述的基于空间过约束四杆机构的可折叠并联机构，其特征在于：所述单自由度空间单环过约束机构中连接两中间连杆和多边形连接单元的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副轴线之间公法线线段长度之间的比值等于中间连杆两端的两个转动副轴线之间的夹角正弦值与该两转动副轴线之间公法线线段的长度之间的比值。

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