CN113370190B - 具有2t1r与2r1t两模式的运动分岔并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，包括定平台和动平台，定平台利用第一支链、第二支链以及第三支链与动平台相连；第一支链的数量为两条，以第一虎克铰的轴线所在平面为基准面，两条第一支链对称设置于基准面的两侧，第二移动副的移动轴线垂直于基准面，第二支链和第三支链位于两条第一支链之间。在初始位形，动平台与定平台平行且第五转动副与定平台平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，当第三支链中驱动第五转动副时，第三支链受到一个约束力限制，此时机构只具有2R1T运动模式；恢复至初始位形后，锁住第五转动副而驱动其他驱动副，第三支链受到一个约束力偶，此时机构只具有2T1R运动模式。

Description

具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构

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2R1T两模式的运动分岔并联机构。

背景技术

具有固定自由度特性的并联机构由于其刚度大、承载能力大、精度高、等特点而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。

但是伴随着科技的发展，在工业生产、航空航天、医疗康复等多个领域，需要能根据作业环境变化而进行运动模式自由切换的可重构机构。在此背景下，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机构类型最少，该类机构在运动模式切换过程中不需对机构进行重新组装，通过较少的驱动副使得机构能够在多种模式下切换，有些机构在模式切换过程中需要通过约束奇异位置。

目前能够实现2T1R与2R1T两模式运动分岔并联机构较少，且多结构复杂灵活性较差、切换模式过程复杂，运动学和动力学性能不佳，该类机构在焊接、钻铆曲面加工、大型设备姿态调节器、工业机器人等领域有一定应用前景。

因此，如何改变现有技术中，能够实现2T1R与2R1T两模式运动分岔并联机构模式切换过程复杂，且运动学和动力学性能不佳的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的运动学和动力学性能，同时提高机构模式切换便捷性。

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2R1T两模式的运动分岔并联机构，包括定平台和动平台，所述定平台利用第一支链、第二支链以及第三支链与所述动平台相连；

所述第一支链包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆的底部通过第一转动副与所述定平台相连，所述第一连杆的顶部通过第一移动副与所述第二连杆的底部相连，所述第二连杆的顶部通过第二转动副与所述第三连杆的底部相连，所述第三连杆的顶部通过第二移动副与所述第四连杆的底部相连，所述第四连杆的顶部通过第三转动副与所述动平台相连；所述第一转动副的轴线平行于所述第二转动副的轴线，所述第一移动副的移动轴线平行于所述第一转动副的轴线，所述第二移动副的移动轴线平行于所述第三转动副的轴线，所述第一移动副的移动轴线垂直于所述第二移动副的移动轴线；

所述第二支链包括第五连杆、第六连杆和第七连杆，所述第五连杆的底部通过第一虎克铰与所述定平台相连，所述第五连杆的顶部通过第三移动副与所述第六连杆的底部相连，所述第六连杆的顶部通过第四移动副与所述第七连杆的底部相连，所述第七连杆的顶部通过第四转动副与所述动平台相连；所述第一虎克铰的其中一条轴线垂直于所述定平台，所述第二移动副的移动轴线、所述第三移动副的移动轴线、所述第四移动副的移动轴线两两相垂直；

所述第三支链包括第八连杆、第九连杆和第十连杆，所述第八连杆的底部通过第一圆柱副与所述定平台相连，所述第八连杆的顶部通过第五转动副与所述第九连杆的底部相连，所述第九连杆的顶部通过第五移动副与所述第十连杆的底部相连，所述第十连杆的顶部通过第六转动副与所述动平台相连；所述第一圆柱副的轴线平行于所述第六转动副的轴线，所述第一圆柱副的轴线平行于所述定平台，所述第一圆柱副的轴线、所述第五转动副的轴线、所述第五移动副的移动轴线两两相垂直；

所述第一支链的数量为两条，以所述第一虎克铰的轴线所在平面为基准面，两条所述第一支链对称设置于所述基准面的两侧，所述第二移动副的移动轴线垂直于所述基准面，所述第二支链和所述第三支链位于两条所述第一支链之间。

优选地，所述第五转动副、所述第五移动副以及一条所述第一支链中的所述第一移动副和所述第三转动副为驱动副。

优选地，所述定平台和所述动平台均为板状结构。

优选地，所述定平台为正方形板状结构，所述动平台为十字形板状结构，所述第二支链、所述第三支链以及两条所述第一支链分别与所述动平台的一端相连。

优选地，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆、所述第六连杆、所述第七连杆、所述第八连杆、所述第九连杆以及所述第十连杆的径向截面均为多边形。

优选地，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆、所述第六连杆、所述第七连杆、所述第八连杆、所述第九连杆以及所述第十连杆均为方杆。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，包括定平台和动平台，定平台利用第一支链、第二支链以及第三支链与动平台相连；第一支链的数量为两条，以第一虎克铰的轴线所在平面为基准面，两条第一支链对称设置于基准面的两侧，第二移动副的移动轴线垂直于基准面，第二支链和第三支链位于两条第一支链之间。

本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，在初始位形，动平台与定平台平行且第五转动副与定平台平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，当第三支链中驱动第五转动副时，第三支链受到一个约束力限制，此时机构只具有2R1T运动模式；恢复至初始位形后，锁住第五转动副而驱动其他驱动副，第三支链受到一个约束力偶，此时机构只具有2T1R运动模式。本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，具有高刚度、高灵巧性、工作空间范围大的优点，且运动学和动力学性能优良，无需重新组装即可实现两种模式的切换，提高了机构模式切换的便捷性。

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为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构位于初始位形时的结构示意图；

图2为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的2T1R模式结构示意图；

图3为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的2R1T模式结构示意图。

其中，1为定平台，2为动平台，3为第一支链，301为第一连杆，302为第二连杆，303为第三连杆，304为第四连杆，305为第一转动副，306为第一移动副，307为第二转动副，308为第二移动副，309为第三转动副，4为第二支链，401为第五连杆，402为第六连杆，403为第七连杆，404为第一虎克铰，405为第三移动副，406为第四移动副，407为第四转动副，5为第三支链，501为第八连杆，502为第九连杆，503为第十连杆，504为第一圆柱副，505为第五转动副，506为第五移动副，507为第六转动副。

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。

本发明的目的是提供一种具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的运动学和动力学性能，同时提高机构模式切换便捷性。

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。

请参考图1-3，其中，图1为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构位于初始位形时的结构示意图，图2为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的2T1R模式结构示意图，图3为本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构的2R1T模式结构示意图。

本发明提供一种具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，包括定平台1和动平台2，定平台1利用第一支链3、第二支链4以及第三支链5与动平台2相连；

第一支链3包括第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303和第四连杆304，第一连杆301的底部通过第一转动副305与定平台1相连，第一连杆301的顶部通过第一移动副306与第二连杆302的底部相连，第二连杆302的顶部通过第二转动副307与第三连杆303的底部相连，第三连杆303的顶部通过第二移动副308与第四连杆304的底部相连，第四连杆304的顶部通过第三转动副309与动平台2相连；第一转动副305的轴线平行于第二转动副307的轴线，第一移动副306的移动轴线平行于第一转动副305的轴线，第二移动副308的移动轴线平行于第三转动副309的轴线，第一移动副306的移动轴线垂直于第二移动副308的移动轴线；

第二支链4包括第五连杆401、第六连杆402和第七连杆403，第五连杆401的底部通过第一虎克铰404与定平台1相连，第五连杆401的顶部通过第三移动副405与第六连杆402的底部相连，第六连杆402的顶部通过第四移动副406与第七连杆403的底部相连，第七连杆403的顶部通过第四转动副407与动平台2相连；第一虎克铰404的其中一条轴线垂直于定平台1，第二移动副308的移动轴线、第三移动副405的移动轴线、第四移动副406的移动轴线两两相垂直；

第三支链5包括第八连杆501、第九连杆502和第十连杆503，第八连杆501的底部通过第一圆柱副504与定平台1相连，第八连杆501的顶部通过第五转动副505与第九连杆502的底部相连，第九连杆502的顶部通过第五移动副506与第十连杆503的底部相连，第十连杆503的顶部通过第六转动副507与动平台2相连；第一圆柱副504的轴线平行于第六转动副507的轴线，第一圆柱副504的轴线平行于定平台1，第一圆柱副504的轴线、第五转动副505的轴线、第五移动副506的移动轴线两两相垂直；

第一支链3的数量为两条，以第一虎克铰404的轴线所在平面为基准面，两条第一支链3对称设置于基准面的两侧，第二移动副308的移动轴线垂直于基准面，第二支链4和第三支链5位于两条第一支链3之间。

本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，在初始位形，动平台2与定平台1平行且第五转动副505与定平台1平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，当第三支链5中驱动第五转动副505时，第三支链5受到一个约束力限制，此时机构只具有2R1T运动模式；恢复至初始位形后，锁住第五转动副505而驱动其他驱动副，第三支链5受到一个约束力偶，此时机构只具有2T1R运动模式。本发明的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，具有高刚度、高灵巧性、工作空间范围大的优点，且运动学和动力学性能优良，无需重新组装即可实现两种模式的切换，提高了机构模式切换的便捷性。

其中，第五转动副505、第五移动副506以及一条第一支链3中的第一移动副306和第三转动副309为驱动副。为实现动平台2完全可控，机构采用四个驱动副进行冗余驱动，使得机构能够平稳的在两模式间切换，同样也提高了机构的刚度、驱动的稳定性。

具体地，定平台1和动平台2均为板状结构，方便与外部构件相连，将本发明的机构应用于具体生产中；此处还需说明的是，本发明中提及的关于垂直于定平台1或动平台2，均为垂直于定平台1或动平台2的面积较大侧面所在平面。

在本具体实施方式中，定平台1为正方形板状结构，动平台2为十字形板状结构，第二支链4、第三支链5以及两条第一支链3分别与动平台2的一端相连，在实际应用中，还可以根据实际生产需要设置定平台1和动平台2的形状。

更具体地，第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第四连杆304、第五连杆401、第六连杆402、第七连杆403、第八连杆501、第九连杆502以及第十连杆503的径向截面均为多边形，截面为多边形的连杆避免滑动过程中发生错位偏转，提高机构运动精度。

在本具体实施方式中，第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第四连杆304、第五连杆401、第六连杆402、第七连杆403、第八连杆501、第九连杆502以及第十连杆503均为方杆，降低制造难度，提高机构适应性。

本发明中的具有2T1R与2R1T两模式运动分岔并联机构，在初始位形动平台2与定平台1平行且第五转动副505与定平台1平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，当第三支链5中驱动第五转动副505时，第三支链5受到一个约束力限制，此时机构只具有2R1T运动模式；恢复至初始位形后，当锁住第五转动副505而驱动其他驱动副时，第三支链5受到一个约束力偶，此时机构只具有2T1R运动模式。为实现动平台2完全可控，机构采用四个驱动副进行冗余驱动，使得机构能够平稳的在两模式间切换，同样也提高了机构的刚度、驱动的稳定性。

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2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：包括定平台和动平台，所述定平台利用第一支链、第二支链以及第三支链与所述动平台相连；

所述第一支链包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆的底部通过第一转动副与所述定平台相连，所述第一连杆的顶部通过第一移动副与所述第二连杆的底部相连，所述第二连杆的顶部通过第二转动副与所述第三连杆的底部相连，所述第三连杆的顶部通过第二移动副与所述第四连杆的底部相连，所述第四连杆的顶部通过第三转动副与所述动平台相连；所述第一转动副的轴线平行于所述第二转动副的轴线，所述第一移动副的移动轴线平行于所述第一转动副的轴线，所述第二移动副的移动轴线平行于所述第三转动副的轴线，所述第一移动副的移动轴线垂直于所述第二移动副的移动轴线；

所述第二支链包括第五连杆、第六连杆和第七连杆，所述第五连杆的底部通过第一虎克铰与所述定平台相连，所述第五连杆的顶部通过第三移动副与所述第六连杆的底部相连，所述第六连杆的顶部通过第四移动副与所述第七连杆的底部相连，所述第七连杆的顶部通过第四转动副与所述动平台相连；所述第一虎克铰的其中一条轴线垂直于所述定平台，所述第二移动副的移动轴线、所述第三移动副的移动轴线、所述第四移动副的移动轴线两两相垂直；

所述第三支链包括第八连杆、第九连杆和第十连杆，所述第八连杆的底部通过第一圆柱副与所述定平台相连，所述第八连杆的顶部通过第五转动副与所述第九连杆的底部相连，所述第九连杆的顶部通过第五移动副与所述第十连杆的底部相连，所述第十连杆的顶部通过第六转动副与所述动平台相连；所述第一圆柱副的轴线平行于所述第六转动副的轴线，所述第一圆柱副的轴线平行于所述定平台，所述第一圆柱副的轴线、所述第五转动副的轴线、所述第五移动副的移动轴线两两相垂直；

所述第一支链的数量为两条，以所述第一虎克铰的轴线所在平面为基准面，两条所述第一支链对称设置于所述基准面的两侧，所述第二移动副的移动轴线垂直于所述基准面，所述第二支链和所述第三支链位于两条所述第一支链之间。

2.根据权利要求1所述的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：所述第五转动副、所述第五移动副以及一条所述第一支链中的所述第一移动副和所述第三转动副为驱动副。

3.根据权利要求1所述的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：所述定平台和所述动平台均为板状结构。

4.根据权利要求3所述的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：所述定平台为正方形板状结构，所述动平台为十字形板状结构，所述第二支链、所述第三支链以及两条所述第一支链分别与所述动平台的一端相连。

5.根据权利要求1所述的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆、所述第六连杆、所述第七连杆、所述第八连杆、所述第九连杆以及所述第十连杆的径向截面均为多边形。

6.根据权利要求5所述的具有2T1R与2R1T两模式的运动分岔并联机构，其特征在于：所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆、所述第六连杆、所述第七连杆、所述第八连杆、所述第九连杆以及所述第十连杆均为方杆。

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