CN208409864U - 一种部分解耦的二自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种部分解耦的二自由度并联机构，包括静平台、动平台及第一运动支链、第二运动支链；第一运动支链包括第一转动副，静平台通过第一转动副与第一弧形连杆的一端转动连接；第二运动支链包括第二转动副,在静平台上设有支架，支架通过第二转动副与第二弧形连杆的一端转动连接，第二弧形连杆的另一端与第三弧形连杆的一端转动连接；在动平台的侧面装有互为90°夹角布置的第一销轴和第二销轴；第一弧形连杆的另一端与第一销轴转动连接；第三弧形连杆的另一端与第二销轴转动连接；本实用新型结构简单、运行平稳、灵活度高，两个转动自由度彼此之间的部分解耦，可应用于虚拟机床、航空模拟设备和工业机器人以及医疗外科设备等领域。

Description

一种部分解耦的二自由度并联机构

技术领域

本实用新型涉及一种并联机构，尤其是一种部分解耦的二自由度并联机构。

背景技术

自1938年首次提出并联机构以来，因其具较大刚度、较强的承载能力、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等特点,并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。

目前，常见的有2自由度、3自由度、4自由度、5自由度、6自由度并联机构。这些并联机构的各驱动单元耦合，即并联机器人整体输出平台沿任意一个方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这将导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。因而，如何实现并联机构的解耦，以简化其控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富于挑战性的课题。

为了清楚描述并联机构解耦的问题，首先说明如下概念的定义：

解耦：如果并联机构在某方向的平动或者转动仅依赖一个方向驱动单元动作，则称之为解耦；

无条件解耦：如果并联机器人在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦；

有条件解耦：如果并联机器人在任意位置或者特定姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦(也称部分解耦)；

瞬时解耦：如果并联机器人仅在特定位置或者特定姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦。

目前，在并联机构解耦研究方面已经取得了众多的成果，但是这些成果也相应地存在一些问题，具体如下：

专利文献CN1775487提出了二自由度解耦球面并联机构，但因运动支链的平行四边形机构由移动副代替，限制了机构的转动范围；

专利文献CN2762940公开一种球面三自由度并联机构，该并联机构可实现一个轴方向的360度转动，但三个方向转动完全耦合，即不能解耦；

专利文献CN202162805U提出的具有三自由度的球面转动并联机构，能实现三自由度解耦，但其支链内部含有胡克铰链限制了机构的转动范围；

专利文献CN104308833A提出的解耦型两转动并联机构仅实现半球转动；

专利文献CN102126212A提出的一类运动解耦两转动机构，但支链内部所含有的虎克铰链限制了机构的转动范围；

专利文献CN1803410A提出的二自由度解耦球面并联机构，能实现二自由度无条件解耦，但当动平台承受一定的静载荷时，动平台绕转动副旋转，由于转动副摩擦圆的影响，限制了动平台的工作空间；虽然提出了两种偏置方法能实现工作空间的扩大，但仍不能使得动平台具有全球面工作空间；

专利文献CN106426109A提出了一种可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，能实现二自由度无条件下的转动自由度解耦，该并联机构其中一个方向的转动采用连杆销轴的方式来实现的，导致动平台在该方向旋转的过程中，相关连杆的回转半径较大，而其另外动平台的回转中心点不是两个旋转副轴线的交点，这样限制其在精密定位中的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是要针对现有技术所存在的不足之处，提供一种部分解耦的二自由度并联机构，这种并联机构结构简单、运行平稳、灵活度高，实现了两个转动自由度彼此之间的部分解耦。

本实用新型的具体方案是：一种部分解耦的二自由度并联机构，包括静平台、动平台及分别连接在动、静平台之间的第一运动支链和第二运动支链；其特征是：

所述第一运动支链包括第一转动副，所述静平台通过第一转动副与第一弧形连杆的一端转动连接，其中第一弧形连杆由两个同弧心布置的第一弧形杆和第二弧形杆以相对滑动连接的方式连接为一体；

所述第二运动支链包括第二转动副,在静平台上设有支架，支架通过第二转动副与第二弧形连杆的一端转动连接，第二弧形连杆的另一端与第三弧形连杆的一端转动连接；

所述动平台的侧面装有互为90°夹角布置的第一销轴和第二销轴；所述第一弧形连杆的另一端与第一销轴转动连接；所述第三弧形连杆的另一端与第二销轴转动连接；

所述第一转动副和第二转动副的中轴线相互垂直且汇交于动平台的几何中心处；所述第一弧形连杆、第二弧形连杆和第三弧形连杆的弧心均与动平台的几何中心相重合。

本实用新型中所述动平台呈圆环形结构、圆形结构或正多边形结构。

本实用新型中所述第一转动副和第二转动副均选用步进电机作为输入驱动。

本实用新型中所述第一弧形杆中设有沿其弧形边布置的空腔；所述第二弧形杆相对于第一转动副的一端插装于所述空腔中。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型结构简单，其动平台运行平稳、可靠；

(2)本实用新型中所述的动平台具有两个转动自由度，且彼此之间部分解耦；

(3)本实用新型运行的灵活度高，可应用于虚拟机床、航空模拟设备和工业机器人以及医疗外科设备等领域。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中第一弧形杆与第二弧形杆的安装结构示意图。

图中：1—静平台，2—动平台，3—第一转动副，4—第一弧形连杆，4a—第一弧形杆，4b—第二弧形杆，5—第二转动副，6—支架，7—第二弧形连杆，8—第三弧形连杆，9—第一销轴，10—第二销轴，11—空腔，12—滑动触头，13—限位沿口。

具体实施方式

参见图1，一种部分解耦的二自由度并联机构，包括静平台1、动平台2及分别连接静平台1和动平台2之间的第一运动支链和第二运动支链；

所述第一运动支链包括第一转动副3，所述静平台1通过第一转动副3与第一弧形连杆4的一端转动连接，其中第一弧形连杆4由两个同弧心布置的第一弧形杆4a和第二弧形杆4b以相对滑动连接的方式连接为一体；

所述第二运动支链包括第二转动副5,在静平台1上设有支架6，支架6通过第二转动副5与第二弧形连杆7的一端转动连接，第二弧形连杆7的另一端与第三弧形连杆8的一端转动连接；

所述动平台2的侧面装有互为90°夹角布置的第一销轴9和第二销轴10；所述第一弧形连杆4的另一端与第一销轴9转动连接；所述第三弧形连杆8的另一端与第二销轴10转动连接；

所述第一转动副3和第二转动副5的中轴线相互垂直且汇交于动平台2的几何中心处；所述第一弧形连杆4、第二弧形连杆7和第三弧形连杆8的弧心均与动平台2的几何中心相重合。

本实施例中所述动平台2呈圆环形结构,所述动平台2也可根据实际需求设计呈圆形结构或正多边形结构。

本实施例中所述第一转动副3和第二转动副5均选用步进电机作为输入驱动。

本实施例中所述第一弧形杆4a中设有沿其弧形边布置的空腔11；所述第二弧形杆4b相对于第一转动副3的一端插装于所述空腔11中，并在该端头设有与所述空腔11相匹配的滑动触头12，在第一弧形杆4a的端部设有用于防止第二弧形杆4b上的滑动触头12从其空腔11内脱离的限位沿口13，参见图2。应当指出的是，也可以将所述空腔11设置于第二弧形杆4b上，所述第一弧形杆4a的一端插装于第二弧形杆4b上的空腔11内，以实现第一弧形杆4a和第二弧形杆4b以相对滑动连接的方式连接为一体。

本实施例中，由第一运动支链和第二运动支链牵引动平台2以其几何中心作两个自由度的运行原理如下：

给予第一运动支链中的第一转动副3输入动力驱动，第一弧形连杆4将以第一转动副3所在的竖直轴为轴心作回转运动，进而使得第一弧形杆4a沿着第二弧形杆4b作往复运动；另外，给予第二运动支链中的第二转动副5输入动力驱动，第二弧形连杆7将以第二转动副5所在的水平轴为轴心作回转运动，并且第二弧形连杆7将带动一端与其转动连接的第三弧形连杆8一起作回转运动；进而，动平台2将在第一弧形连杆4和第三弧形连杆8共同牵引下，实现其绕自身中心作两个自由度的运动。

当锁定第一转动副3，只选择第二转动副5进行驱动时，动平台2仅仅能够实现过平台中心的一条轴线做转动运动；当锁定第二转动副5，只选择第一转动副3进行驱动时，动平台2也是仅能够实现过平台中心的一条轴线做转动运动；且当动平台2与静平台1平行时，只需驱动静平台1上的第一转动副3，实现动平台2绕第一转动副3的竖直中轴线转动。此时，该运动与支架6上的第二转动副5无关，因此，此时动平台2的运动状态部分解耦。

Claims (4)

1.一种部分解耦的二自由度并联机构，包括静平台、动平台及分别连接在动、静平台之间的第一运动支链和第二运动支链；其特征是：

所述第一运动支链包括第一转动副，所述静平台通过第一转动副与第一弧形连杆的一端转动连接，其中第一弧形连杆由两个同弧心布置的第一弧形杆和第二弧形杆以相对滑动连接的方式连接为一体；

所述第二运动支链包括第二转动副,在静平台上设有支架，支架通过第二转动副与第二弧形连杆的一端转动连接，第二弧形连杆的另一端与第三弧形连杆的一端转动连接；

所述动平台的侧面装有互为90°夹角布置的第一销轴和第二销轴；所述第一弧形连杆的另一端与第一销轴转动连接；所述第三弧形连杆的另一端与第二销轴转动连接；

所述第一转动副和第二转动副的中轴线相互垂直且汇交于动平台的几何中心处；所述第一弧形连杆、第二弧形连杆和第三弧形连杆的弧心均与动平台的几何中心相重合。

2.根据权利要求1所述的一种部分解耦的二自由度并联机构，其特征是：所述动平台呈圆环形结构、圆形结构或正多边形结构。

3.根据权利要求1所述的一种部分解耦的二自由度并联机构，其特征是：所述第一转动副和第二转动副均选用步进电机作为输入驱动。

4.根据权利要求1所述的一种部分解耦的二自由度并联机构，其特征是：所述第一弧形杆中设有沿其弧形边布置的空腔；所述第二弧形杆相对于第一转动副的一端插装于所述空腔中。