CN113561157A - 两转两移四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两转两移四自由度并联机构，该并联机构包括定平台、动平台、第一分支、第二分支、第三分支和第四分支。四个分支连接动平台和定平台，每个分支中均设有移动副，四个移动副配合能驱动定平台进行空间运动。并联机构在工作空间中不存在奇异位置，运动连贯流畅，且本机构以四个移动副为驱动副，有较好的支撑刚性；基于该新型并联机构可用于机器人的腿足或机械臂等需多种运动自由度设备装置的驱动机构。

Description

两转两移四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种两转两移四自由度的并联机构。

背景技术

传统平面机械机构的运动自由度比较有限，在某些需要实现复杂运动的场合实现难度较高，比如多自由度的爬行机器人的腿足驱动机构，或者多自由度机械臂的驱动机构。并联式机构具有良好的运动自由度的支撑刚性，运动件惯量小，具有很好的应用空间。

发明内容

本发的目的在于提供一种结构合理，具有一定承载能力、运动性能较好的，可用于爬行机械腿结构或多自由度空间机械臂的两转两移并联驱动机构。

本发明的方案为提供一种两转两移四自由度并联机构，包括定平台、动平台、第一分支、第二分支、第三分支和第四分支，动平台与定平台通过四个并联的分支相连，四个分支中均设有移动副作为动力源；所述第一分支为SPU构型，其包括第一球副、第一移动杆组和第一万向铰链，所述定平台、第一球副、第一移动杆组、第一万向铰链和动平台依次相连，第一球副的中心和第一万向铰链的中心均位于第一移动杆组的轴线上；所述第二分支和第三分支均为SPR构型，第二分支包括第二球副、第二移动杆组和第二转动副，第二转动副的轴线与第二移动杆组的轴线相互垂直，所述第二移动杆组的两端通过第二球副、第二转动副分别与定平台、动平台相连，所述第三分支其包括第三球副、第三移动杆组和第三转动副，第三转动副的轴线与第三移动杆组的轴线相互垂直，所述第三移动杆组两端通过第三球副、第三转动副分别与定平台、动平台相连，第二转动副与第三转动副组成复合铰链；所述第四分支为UPR构型，其包括第四万向铰链、第四移动杆组和第四转动副，所述定平台、第四万向铰链、第四移动杆组、第四转动副和动平台依次相连，第四转动副的轴线与第四移动杆组的轴线相互垂直，第四万向铰的第二转轴轴线与第四转动副轴线平行；所述第四万向铰链的第一转轴的轴线l₂穿过第三球副和第一球副的中心，第二分支、第三分支、第四分支与转动轴线l₂位于同一平面内，在第一移动杆组的驱动下，动平台能绕轴线l₂转动。

优选地，所述第一万向铰链的第一转轴、第二转动副和第三转动副的轴线均重合，设为l₃，轴线l₃与轴线l₂相互垂直。

优选地，所述轴线l₃平行于第四转动副轴线。

优选地，所述轴线l₁经过第一球副的中心和第二球副的中心，且轴线l₂垂直于轴线l₁。

优选地，所述第四万向铰中第二转轴的轴线与第四转动副的轴线平行。

优选地，当第三分支通过球副与定平台相连时，并联机构的整体运动自由度不变。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)并联机构结构简单，具有两个转动自由度和两个移动自由度，动平台末端能以多个姿态到达其工作空间中的任一点，用于机械臂的驱动更加灵活；

2)在动平台末端的工作空间中不存在奇异位置能够使机构的有效工作空间连续，机构运动连贯流畅；

3)该机构以移动副为驱动副，有较好的支撑刚性，相对于转动副为驱动副的机构有更高的承载能力。

4)该机构动平台可实现z轴的移动，该机构机械腿或机械臂进行伸缩运动，能极大增加机构的工作空间。

附图说明

图1为本发明两转两移四自由度的并联机构的示意图；

图2为并联机构实施例1的立体示意图；

图3为第一分支的立体示意图；

图4为第二分支的立体示意图；

图5为第三分支的立体示意图；

图6为第四分支的立体示意图；

图7为机械腿驱动机构实施例2的立体示意图；

图8为实施例2的第三分支的立体示意图；

附图标记：

01第一分支、02第二分支、03第三分支、04第四分支、05定平台、06动平台；

011第一球副、012第一移动杆组、013第一万向铰链、021第二球副、022第二移动杆组、023销轴、031第三球副、032固定长杆、033销孔、041第四万向铰链、042第三移动杆组、043第四转动副；

0131第一万向铰链的第一转轴、0231第二万向铰链的第一转轴、0311第三万向铰链的第一转轴、0312第三万向铰链的第二转轴、0411第四万向铰链的第一转轴、0412第四万向铰链的第二转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明的两转两移的并联机构，包括定平台05、动平台06、第一分支01、第二分支02、第三分支03和第四分支04。其中，如附图3所示，第一分支01为SPU构型，此分支的构型不对动平台的空间自由度运动产生任何约束，第一分支01包括第一球副011、第一移动杆组012和第一万向铰链013，第一移动杆组012的两端通过第一球副011、第一万向铰链013分别与定平台05、动平台06相连。如附图4和附图5所示，第二分支02和第三分支03构型相同，为SPR构型，此两个分支约束动平台06的沿x轴的移动自由度，第二分支02包括第二球副021、第二移动杆组022和销轴023，第二移动杆组022的两端通过第二球副021、销轴023分别与定平台05、动平台06相连，第三分支03包括第三球副031、第三移动杆组032和销孔033，第三移动杆组032的两端通过第三球副031、销孔033分别与定平台05、动平台06相连；如附图6所示，第四分支04为UPR构型，其包括第四万向铰链041、第四移动杆组042和第四转动副043，第四移动杆组042的两端通过第四万向铰链041、第四转动副043分别与定平台05、动平台06相连，该分支约束动平台06的沿x轴的移动和绕z轴的转动自由度，第四万向铰链的第二转轴0432与第四转动副轴线平行。

通过综合四个分支对动平台进行约束，使该并联机构的自由度为两转一移，如图1的坐标系所示，动平台相对于定平台可绕X轴转动、Y轴转动和沿Y轴方向和沿Z轴方向的移动自由度。

第一球副011的中心和第一万向铰链013的中心均位于第一移动杆组012的轴线上，第二球副021的中心位于第二移动杆组022的轴线上，第三球副031的中心位于第三移动杆组032的轴线上，第四万向铰链041的中心和转动副043的中心均位于第四移动杆组042的轴线上。

第四万向铰链的第一转轴0411的轴线l₂穿过第三球副031的中心和第一球副011的中心，第二分支02、第三分支03和第四分支04与转动轴线l₂位于同一平面内，在第一移动杆组012和第二移动杆组022的驱动下，动平台06能绕轴线l₂转动；第一万向铰链的第一转轴0131、销轴023和销孔033的轴线均重合，设为l₃，并且l₃和第四转动副043的轴线平行，使第一分支01、第二分支02和第三分支03的移动杆组固定不动时，仅靠第四移动杆组042可驱动的动平台06绕轴线l₃进行转动。轴线l₂与轴线l₃相互垂直，第一分支01在轴线l₁一侧，通过第一移动杆组012驱动可使动平台06绕轴线l₂转动。

对于实施例2，其相对于实施例1，将第三分支03与定平台05连接的运动副改为第三万向铰031，其结构如附图7与附图8所示，第三分支03的构型为UPR，修改后该分支约束动平台06的沿x轴的移动自由度和绕z轴的转动自由度。修改后第三万向铰的第一转轴031的转动轴线和轴线l₂重合。修改后实施例2的其他分支和分支的运动副安装结构和实施例1保持一致，四个分支对动平台06的空间自由度的综合约束效果完全一致，该并联机构的自由度仍然为两转一移，动平台06相对于定平台05可绕x轴转动、y轴转动和沿y轴方向和沿轴方向的移动自由度。

此实例相对于实施例1，其第三分支03和第四分支04均对动平台06的绕z轴的转动自由度产生约束，动平台06的整体刚性相对有所提高。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有而各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (5)

1.一种两转两移四自由度并联机构，包括定平台、动平台、第一分支、第二分支、第三分支和第四分支，其特征在于：

动平台与定平台通过四个并联的分支相连，四个分支中均设有移动副作为动力源；

所述第一分支为SPU构型，其包括第一球副、第一移动杆组和第一万向铰链，所述定平台、第一球副、第一移动杆组、第一万向铰链和动平台依次相连，第一球副的中心和第一万向铰链的中心均位于第一移动杆组的轴线上；

所述第二分支和第三分支均为SPR构型，第二分支包括第二球副、第二移动杆组和第二转动副，第二转动副的轴线与第二移动杆组的轴线相互垂直，所述第二移动杆组的两端通过第二球副、第二转动副分别与定平台、动平台相连，所述第三分支其包括第三球副、第三移动杆组和第三转动副，第三转动副的轴线与第三移动杆组的轴线相互垂直，所述第三移动杆组两端通过第三球副、第三转动副分别与定平台、动平台相连，第二转动副与第三转动副组成复合铰链；

所述第四分支为UPR构型，其包括第四万向铰链、第四移动杆组和第四转动副，所述定平台、第四万向铰链、第四移动杆组、第四转动副和动平台依次相连，第四转动副的轴线与第四移动杆组的轴线相互垂直；

所述第四万向铰链的第一转轴的轴线l₂穿过第三球副和第一球副的中心，第二分支、第三分支、第四分支与转动轴线l₂位于同一平面内，在第一移动杆组的驱动下，动平台能绕轴线l₂转动。

2.根据权利要求1所述的两转两移四自由度并联机构，其特征在于：所述第一万向铰链的第一转轴、第二转动副和第三转动副的轴线均重合，设为l₃，轴线l₃与第四转动副的轴线平行。

3.根据权利要求1所述的两转两移四自由度并联机构，其特征在于：所述轴线l₁经过第一球副的中心和第二球副的中心，且轴线l₂垂直于轴线l₁和轴线l₃。

4.根据权利要求1所述的两转两移四自由度并联机构，其特征在于：所述第四万向铰中第二转轴的轴线与第四转动副的轴线平行。

5.根据权利要求1所述的两转两移四自由度并联机构，其特征在于：当第三分支通过球副与定平台相连时，并联机构的整体运动自由度不变。

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