CN113352304B - 具有2t1r与3t1r两种运动模式的分岔并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，涉及机构学及机器人技术领域，其包括定平台、动平台、两条第一支链、一条第二支链和一条第三支链；定平台和动平台之间通过上述四条支链连接。本发明提供的具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，结构简单合理，动平台分别通过第一支链、第二支链及第三支链与定平台连接，从而实现2T1R(两移动一转动)与3T1R(三移动一转动)两种运动模式的转变，并且不需要重新组装就能实现运动模式的变换，具有精确度高及灵巧性强的特点。

Description

具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构

技术领域

本发明涉及机构学及机器人技术领域，特别是涉及一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构。

背景技术

由于并联机构具有刚度大、承载能力大、微动精度高、运动负荷小等特点，目前并联机器人广泛应用在工业机器人、运动模拟器、姿态控制器、医疗机器人等方面。但伴随着科技的发展，在医疗康复、工业生产加工制造、航空航天等多个领域，对多功能、多操作模式且能根据作业环境变化的可重构运动模式的并联机构需求增多，从而学者们对可重构并联机构研究逐渐加深。可重构并联机构主要分为两种类型，主要包括运动分岔并联机构和变胞并联机构，其中运动分岔并联机构的机构类型最少。

分岔并联机构在冲压、铣削、姿态模拟器、并联机床，高速抓放、自动分拣、搬运、定位装配等领域有一定应用前景，但能够实现2T1R与3T1R运动模式直接切换的分岔并联机构，目前并没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，能够实现2T1R与3T1R运动模式直接切换，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，主要包括：

定平台和位于所述定平台上方的动平台；

第一支链，所述第一支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；

第二支链，所述第二支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；

第三支链，所述第三支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；

所述第一支链设置有两组，两组所述第一支链相对布置；所述第二支链和所述第三支链分别设置一组，且所述第二支链和所述第三支链相对布置。

可选的，两组所述第一支链分别设置在所述动平台及所述定平台的左右两侧，所述第二支链和所述第三支链分别设置在所述动平台及所述定平台的前后两侧。

可选的，所述第一支链包括：

第一连杆，所述第一连杆的底端通过第一转动副与所述定平台连接；

第二连杆，所述第二连杆的底端通过第二转动副与所述第一连杆的顶端连接；

第三连杆；所述第三连杆的底端通过第一移动副与所述第二连杆的顶端连接，所述第三连杆的顶端通过第一圆柱副与所述动平台连接；

其中，所述第一圆柱副的轴线与所述第一转动副的轴线平行，所述第一圆柱副的轴线与所述第二转动副的轴线相垂直，所述第一移动副的移动方向与所述第一转动副、所述第二转动副及所述第一圆柱副的轴线方向均垂直。

可选的，两条所述第一支链中一者的所述第二转动副为驱动副，即仅在一条所述第一支链中设置驱动副即可。

可选的，所述第二支链包括：

第四连杆，所述第四连杆的底端通过第二移动副与所述定平台连接；

第五连杆，所述第五连杆的底端通过第三转动副与所述第四连杆的顶端连接；

第六连杆，所述第六连杆的底端通过第三移动副与所述第五连杆的顶端连接；

第七连杆，所述第七连杆的底端通过第四移动副与所述第六连杆的顶端连接，所述第七连杆的顶端通过第四转动副与所述动平台连接；

其中，所述第二移动副的移动方向与所述第四转动副的轴线方向平行，所述第三转动副的轴线方向与所述第四移动副的移动方向平行，所述第三转动副的轴线方向与所述第四转动副的轴线方向垂直，所述第三移动副的移动方向与所述第二移动副、所述第四移动副的移动方向均垂直。

可选的，所述第三移动副和所述第四移动副均为驱动副。

可选的，所述第三支链包括：

第八连杆，所述第八连杆的底端通过第五移动副与所述定平台连接；

第九连杆，所述第九连杆的底端通过第五转动副与所述第八连杆的顶端连接；

第十连杆，所述第十连杆的底端通过第六移动副与所述第九连杆的顶端连接；

第十一连杆，所述第十一连杆的底端通过第七移动副与所述第十连杆的顶端连接，所述第十一连杆的顶端通过第六转动副与所述动平台连接；

其中，所述第五移动副的移动方向与所述第五转动副的轴线方向平行，所述第六转动副的轴线方向与所述第七移动副的移动方向平行，所述第五转动副的轴线方向与所述第六转动副的轴线方向垂直，所述第六移动副的移动方向与所述第五移动副、第七移动副的移动方向均垂直。

可选的，所述第五移动副和所述第五转动副为驱动副。

可选的，所述第六连杆和所述第十连杆分别为第六L型直角连杆和第十L型直角连杆，所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的拐角尖端相向布置；且所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的竖杆顶端均用于形成转动副，所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的横杆外端均用于形成移动副。

可选的，所述定平台为圆形或多边形板状平台；所述动平台为圆形或多边形板状平台。

可选的，所述定平台为正方形板状平台。

可选的，所述动平台为十字型板状平台。所述十字型板状平台的四个外端分别连接两条所述第一支链、一条所述第二支链和一条所述第三支链。

可选的，在初始位形下，所述动平台平行于所述定平台设置，且所述动平台在所述定平台上的投影位于所述定平台上表面的正中心。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，结构简单合理，动平台分别通过第一支链、第二支链及第三支链与定平台连接，从而实现2T1R(两移动一转动)与3T1R(三移动一转动)两种运动模式的转变，并且不需要重新组装就能实现运动模式的变换，具有精确度高及灵巧性强的特点。

此外，在本发明公开的另一技术方案中，第一支链设置两条，第二支链和第三支链分别设置一条，其中第一支链包括第一转动副、第二转动副、第一移动副及第一圆柱副，第二支链包括第二移动副、第三转动副、第三移动副、第四移动副及第四转动副，第三支链包括第五移动副、第五转动副、第六移动副、第七移动副和第六转动副，在初始位形中动平台与定平台平行且第二转动副与定平台平行时具有两个转动自由度和三个移动自由度，当驱动第二转动副时，第一支链受到一个约束力，为2T1R(两移动一转动)运动模式；恢复至初始位形后，锁住第二转动副而驱动其他驱动副时，第一支链受到一个约束力偶，为3T1R(三移动一转动)运动模式。

同时，在进一步的技术方案中，两条第一支链中一者的第二转动副可为驱动副，第三移动副和第四移动副均为驱动副，第五移动副和第五转动副均为驱动副，机构采有5个驱动器进行冗余驱动有助于实现动平台的完全可控，通过锁死或松开某一驱动副使得机构在机构初始位置运动分岔点处对2T1R(两移动一转动)和3T1R(三移动一转动)两种运动模式进行平稳切换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构的初始位形结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构的3T1R运动模式结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构的2T1R运动模式结构示意图。

其中，附图标记为：1、定平台，2、第一转动副，3、第二转动副，4、第一移动副，5、第一圆柱副，6、动平台，7、第四转动副，8、第四移动副，9、第三移动副，10、第三转动副，11、第二移动副，12、第五移动副，13、第五转动副，14、第六移动副，15、第七移动副，16、第六转动副。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一是提供一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，能够实现2T1R与3T1R运动模式直接切换，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种具有2T1R(两移动一转动)和3T1R(三移动一转动)两种运动模式的分岔并联机构，包括定平台1、动平台6以及设置于定平台1与动平台6之间的两条第一支链、一条第二支链和一条第三支链；定平台1的左右两侧分别与一第一支链的底端相连接，动平台6的左右两侧分别与一第一支链的顶端相连接；定平台1的前侧与第二支链的底端相连接，动平台6的前侧与第二支链的顶端相连接；定平台1的后侧与第三支链的底端相连接，动平台6的后侧与第三支链的顶端相连接。上述左侧、右侧、前侧、后侧仅是为了区分四条支链的分布形式，实际安装中，并不限于上述固定的安装方向。

于本具体实施例中，定平台1可以是圆形或包含三角形、正方形等在内的多边形板状结构，动平台6也是如此。作为优选，如图1-3所示，定平台1优选为正方形板状平台，而动平台6优选为十字型板状平台，如此，在如图1所示的初始位形下，动平台6与定平台1相互平行，且四条支链中每相邻两支链间隔90°分布，相对设置的两条第一支链的连线应垂直于第二支链和第三支链的连线。如此设置，更有利于提升机构的精确度高及灵巧性。

本实施例中，如图1-3所示，第一支链包括第一连杆、第二连杆和第三连杆。其中，第一连杆的底端与定平台1通过一第一转动副2相连接，第一连杆的顶端通过一第二转动副3与第二连杆的底端相连接，第二连杆的顶端通过一第一移动副4与第三连杆的底端相连接，第三连杆的顶端通过一第一圆柱副5与动平台6相连接。其中，第一圆柱副5的轴线方向与第一转动副2的轴线方向相平行，第一圆柱副5的轴线方向与第二轴线副3的轴线方向相垂直，第一移动副4的移动方向垂直于第一转动副2、第二转动副3及第一圆柱副5的轴线方向。上述第一圆柱副5同时具备转动副和移动副两个自由度，为一种现有结构，在此不再赘述。

本实施例中，优选两条第一支链中其中一条第一支链中的第二转动副3为驱动副。此处的驱动副可以称之为回转驱动副，本实施例可用的回转驱动副有回转齿轮装置、回转驱动装置、回转减速机等。

本实施例中，如图1-3所示，第二支链包括第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆。第四连杆的底端通过一第二移动副11与定平台1相连接，第四连杆的顶端通过一第三转动副10与第五连杆的底端相连接；第五连杆的顶端通过一第三移动副9与第六连杆的底端相连接，第六连杆的顶端通过一第四移动副8与第七连杆的底端相连接，第七连杆的顶端通过一第四转动副7与动平台相连接。其中，第二移动副11的移动方向与第四转动副7的轴线方向相平行(也可称之为相同)，第三转动副10的轴线方向与第四移动副8的移动方向相平行(也可称之为相同)，第三转动副10的轴线方向与第四转动副7的轴线方向相垂直，第三移动副9的移动方向与第二移动副11、第四移动副8的移动方向均垂直。

本实施例中，优选第二支链中的第三移动副9和第四移动副8为驱动副。其中第三移动副9和第四移动副8均可为移动式驱动副，可以是现有的丝杠滚珠机构、液压缸杆等。

本实施例中，如图1-3所示，第三支链包括第八连杆、第九连杆、第十连杆和第十一连杆。第八连杆的底端通过一第五移动副12与定平台1相连接，第八连杆的顶端通过一第五转动副13与第九连杆的底端相连接；第九连杆的顶端通过一第六移动副14与第十连杆的底端相连接，第十连杆的顶端通过一第七移动副15与第十一连杆的底端相连接，第十一连杆的顶端通过一第六转动副16与动平台6相连接。其中，第五移动副12的移动方向与第五转动副13的轴线方向相平行(也可称之为相同)，第六转动副16的轴线方向与第七移动副15的移动方向相平行(也可称之为相同)，第五转动副13的轴线方向与第六转动副14的轴线方向相垂直，第六移动副14的移动方向与第五移动副12、第七移动副15的移动方向均垂直。

本实施例中，优选第三支链中的第五移动副12和第五转动副13为驱动副。其中的第五转动副13可以称之为回转驱动副，本实施例可用的回转驱动副有回转齿轮装置、回转驱动装置、回转减速机等；第五移动副12可以称之为移动式驱动副，可以是现有的丝杠滚珠机构、液压缸杆等。

本实施例中，如图2所示，当锁死第二转动副3，同时驱动第三移动副9、第四移动副8、第五移动副12、第五转动副13时，第一支链受到一个约束力偶，此时动平台6受到两个线性无关的约束力偶限制，机构具有3T1R(三移动一转动)工作模式。如图3所示，当驱动第二转动副3，同时锁死第四移动副8以及第五转动副13时，第一支链受到一个约束力限制，此时动平台6受到一个约束力和两个线性无关约束力偶限制，机构具有2T1R(两移动一转动)工作模式。

本实施例上述具有2T1R与3T1R运动分岔并联机构，在初始位形动平台与定平台平行且第二转动副与定平台平行时具有两个转动自由度和三个移动自由度，当驱动第二转动副时，第一支链受到一个约束力，为2T1R(两移动一转动)运动模式；恢复至初始位形后，锁住第二转动副而驱动其他驱动副时，第一支链受到一个约束力偶，为3T1R(三移动一转动)运动模式。上述可知动平台初始位置有5个瞬时自由度，需要5个驱动对其完全控制；为实现动平台完全可控，机构在第二转动副3、第三移动副9、第四移动副8、第五移动副12和第五转动副13分别设置驱动副，共形成5个驱动器对机构进行冗余驱动，通过锁死或松开某一驱动副使得机构在机构初始位置运动分岔点处对2T1R(两移动一转动)和3T1R(三移动一转动)两运动模式进行平稳切换，实用性极强。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种具有2T1R与3T1R两种运动模式的分岔并联机构，其特征在于，包括：

定平台和位于所述定平台上方的动平台；

第一支链，所述第一支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；所述第一支链包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的底端通过第一转动副与所述定平台连接，所述第二连杆的底端通过第二转动副与所述第一连杆的顶端连接，所述第三连杆的底端通过第一移动副与所述第二连杆的顶端连接，所述第三连杆的顶端通过第一圆柱副与所述动平台连接；其中，所述第一圆柱副的轴线与所述第一转动副的轴线平行，所述第一圆柱副的轴线与所述第二转动副的轴线相垂直，所述第一移动副的移动方向与所述第一转动副、所述第二转动副及所述第一圆柱副的轴线方向均垂直；

第二支链，所述第二支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；所述第二支链包括第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆，所述第四连杆的底端通过第二移动副与所述定平台连接，所述第五连杆的底端通过第三转动副与所述第四连杆的顶端连接，所述第六连杆的底端通过第三移动副与所述第五连杆的顶端连接，所述第七连杆的底端通过第四移动副与所述第六连杆的顶端连接，所述第七连杆的顶端通过第四转动副与所述动平台连接；其中，所述第二移动副的移动方向与所述第四转动副的轴线方向平行，所述第三转动副的轴线方向与所述第四移动副的移动方向平行，所述第三转动副的轴线方向与所述第四转动副的轴线方向垂直，所述第三移动副的移动方向与所述第二移动副、所述第四移动副的移动方向均垂直；

第三支链，所述第三支链的顶端用于连接所述动平台、底端用于连接所述定平台；所述第三支链包括第八连杆、第九连杆、第十连杆和第十一连杆，所述第八连杆的底端通过第五移动副与所述定平台连接，所述第九连杆的底端通过第五转动副与所述第八连杆的顶端连接，所述第十连杆的底端通过第六移动副与所述第九连杆的顶端连接，所述第十一连杆的底端通过第七移动副与所述第十连杆的顶端连接，所述第十一连杆的顶端通过第六转动副与所述动平台连接；其中，所述第五移动副的移动方向与所述第五转动副的轴线方向平行，所述第六转动副的轴线方向与所述第七移动副的移动方向平行，所述第五转动副的轴线方向与所述第六转动副的轴线方向垂直，所述第六移动副的移动方向与所述第五移动副、第七移动副的移动方向均垂直；

所述第一支链设置有两组，两组所述第一支链分别设置在所述动平台及所述定平台的左右两侧；所述第二支链和所述第三支链分别设置一组，且所述第二支链和所述第三支链分别设置在所述动平台及所述定平台的前后两侧。

2.根据权利要求1所述的分岔并联机构，其特征在于，两条所述第一支链中一者的所述第二转动副为驱动副。

3.根据权利要求1所述的分岔并联机构，其特征在于，所述第三移动副和所述第四移动副均为驱动副。

4.根据权利要求1所述的分岔并联机构，其特征在于，所述第五移动副和所述第五转动副为驱动副。

5.根据权利要求1所述的分岔并联机构，其特征在于，所述第六连杆和所述第十连杆分别为第六L型直角连杆和第十L型直角连杆，所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的拐角尖端相向布置；且所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的竖杆顶端均用于形成转动副，所述第六L型直角连杆和所述第十L型直角连杆的横杆外端均用于形成移动副。

6.根据权利要求1所述的分岔并联机构，其特征在于，所述定平台为圆形或多边形板状平台；所述动平台为圆形或多边形板状平台。

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