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CN109333510B - 一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构 - Google Patents

一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，包括静平台、动平台、连接静/动平台的复杂支链和简单支链；复杂支链由支链Ⅰ、Ⅱ并联再串联转动副Ⅳ；支链Ⅰ包括转动副Ⅰ、移动副Ⅰ，末端与动平台铰接；支链Ⅱ包括转动副Ⅱ、移动副Ⅱ，末端与动平台铰接；转动副Ⅰ、Ⅱ轴线平行，并同时绕转动副Ⅳ轴线转动；简单支链包括虎克副、移动副Ⅲ，末端固连在动平台上；组成虎克副的其中一个转动副轴线与转动副Ⅳ轴线平行；移动副Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为主动输入，动平台产生垂直于静平台的移动和分别绕转动副Ⅰ、转动副Ⅳ轴线的转动。本发明结构简单，制造成本低且耦合度为零，有利于机构的运动学特别是位置正解分析，有利于机构运行位置的实时控制。

Description

一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构
技术领域
本发明涉及并联机构，特别涉及一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，为机器人执行器和机构型综合提供一个新的一平移两转动构型。
背景技术
近年来，具有一平移两转动输出的球坐标型并联机构得到广泛应用，其中最成功的就是由Neumann于1988年发明的Tricept五自由度混联机器人 (US4732525)。该混联机器人由一平移两转动并联机构串联两个转动副，具有良好的静/动态性能、工作空间/机座体积比大及构型可重构等特点。但并联主体结构耦合度较高，结构复杂，机构铰链数目和构件数目过多，导致其制造成本高、工艺复杂。黄田教授于2008年发明的TriVariant-A(CN100446940C)简化了并联机构的整体结构，但其位置正解无法得到解析解。又于2015年开发的Trimule (CN104985596B)实现了机构的耦合度降低，但结构上又增加了支链，提高了制造成本。
具有一平移两转动输出、结构简单的并联机构还不多，特别是零耦合机构更是少之又少，因此要提出新型的球坐标型零耦合并联机构。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，为机器人执行器提供一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，优化同类机构存在的不足，另外，为机构型综合提供新型的一平移两转动输出的结构单元。
本发明所采用的技术方案是：一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，包括静平台、动平台、以及连接所述静平台和所述动平台的运动链，所述运动链包括均具有一平移两转动输出的复杂支链和简单支链；
所述复杂支链包括支链Ⅰ、支链Ⅱ和转动副Ⅳ，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面，并并联连接于所述静平台和所述动平台之间，所述转动副Ⅳ串联连接在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台连接；所述支链Ⅰ由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅰ、移动副Ⅰ和运动副Ⅰ，所述运动副Ⅰ实现所述支链Ⅰ与所述动平台铰接并使得所述支链Ⅰ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅰ转动；所述支链Ⅱ由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅱ、移动副Ⅱ和运动副Ⅱ，所述运动副Ⅱ实现所述支链Ⅱ与所述动平台铰接并使得所述支链Ⅱ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅱ转动；所述转动副Ⅰ与所述转动副Ⅱ轴线平行，并与所述转动副Ⅳ轴线垂直，且同时绕所述转动副Ⅳ轴线转动；
所述简单支链包括虎克副和移动副Ⅲ，所述虎克副包括轴线垂直的转动副Ⅲ和转动副Ⅲ`，所述转动副Ⅲ轴线与所述转动副Ⅳ轴线平行；所述简单支链的一端通过所述虎克副与所述静平台铰接、另一端与所述动平台固定连接；
所述移动副Ⅰ、移动副Ⅱ、移动副Ⅲ为主动输入，所述动平台产生垂直于所述静平台的移动和分别绕所述转动副Ⅰ、转动副Ⅳ轴线的转动。
进一步的，所述运动副Ⅰ和所述运动副Ⅱ均采用球副。
进一步的，所述运动副Ⅰ和所述运动副Ⅱ均采用轴线与所述转动副Ⅰ、转动副Ⅱ轴线平行的转动副。
进一步的，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ平行布置。
进一步的，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ相交布置。
本发明的有益效果是：本发明与同类一平移两转动球坐标型并联机构相比，结构简单，制造成本低且耦合度为零，不仅有利于机构的运动学特别是位置正解分析，而且有利于机构运行位置的实时控制。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是整体结构中复杂支链示意图。
附图标注：0-静平台，1-动平台，2、3、4、5、6、7-构件，R1-转动副Ⅰ， R2-转动副Ⅱ，R3-转动副Ⅲ，R`3-转动副Ⅲ`，R12-转动副Ⅳ，U3-虎克副，P1-移动副Ⅰ，P2-移动副Ⅱ，P3-移动副Ⅲ，S1-球副Ⅰ，S2-球副Ⅱ。
O-动平台输出点；H-复杂支链输出点。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1和图2所示，一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，包括静平台0、动平台1、以及连接所述静平台0和所述动平台1的复杂支链和简单支链。
所述复杂支链包括支链Ⅰ、支链Ⅱ和转动副ⅣR12。所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面，可以平行布置、也可以相交布置；所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ并联连接于所述静平台0和所述动平台1之间；所述转动副ⅣR12串联连接在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台0连接。所述支链Ⅰ由所述静平台0 至所述动平台1依次包括相互连接的转动副ⅠR1、移动副ⅠP1和运动副Ⅰ，所述运动副Ⅰ实现所述支链Ⅰ与所述动平台1铰接并使得所述支链Ⅰ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅰ转动；所述运动副Ⅰ采用球副ⅠS1或采用轴线与所述转动副ⅠR1轴线平行的转动副，当所述运动副Ⅰ采用球副ⅠS1时，所述支链Ⅰ即为R-P-S支链，当所述运动副Ⅰ采用轴线与所述转动副ⅠR1轴线平行的转动副时，所述支链Ⅰ即为R-P-R支链。所述支链Ⅱ由所述静平台0至所述动平台1依次包括相互连接的转动副ⅡR2、移动副ⅡP2和运动副Ⅱ，所述运动副Ⅱ实现所述支链Ⅱ与所述动平台1铰接并使得所述支链Ⅱ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅱ转动；所述运动副Ⅱ采用球副ⅡS2或采用轴线与所述转动副ⅡR2轴线平行的转动副，当所述运动副Ⅱ采用球副ⅡS2时，所述支链Ⅱ即为R-P-S支链，当所述运动副Ⅱ采用轴线与所述转动副ⅡR2轴线平行的转动副时，所述支链Ⅱ即为R-P-R支链。所述转动副ⅠR1与所述转动副Ⅱ R2轴线平行，并且，所述转动副ⅠR1、所述转动副ⅡR2轴线与所述转动副ⅣR12轴线垂直；所述转动副ⅠR1与所述转动副ⅡR2同时绕所述转动副ⅣR12轴线转动。
所述简单支链为U-P支链，包括虎克副U3和移动副ⅢP3，所述虎克副U3包括轴线垂直的转动副ⅢR3和转动副Ⅲ`R`3，所述转动副ⅢR3轴线与所述转动副ⅣR12轴线平行；所述简单支链的一端通过所述虎克副U3与所述静平台0铰接、另一端与所述动平台1固定连接，限制所述动平台1的自由度。
所述移动副ⅠP1、移动副ⅡP2、移动副ⅢP3为主动输入，所述动平台1产生垂直于所述静平台0的移动和分别绕所述转动副ⅠR1、转动副ⅣR12轴线的转动。
连接所述静平台0和所述动平台1的所述复杂支链和所述简单支链均具有一平移两转动输出，且机构耦合度为零。图2中，H点为所述复杂支链的输出点， H点输出的运动即为一平移两转动。图1中，O点为所述动平台1的输出点。机构动平台1产生垂直于静平台0的移动和分别绕转动副ⅠR1、转动副ⅣR12轴线的转动，且耦合度为零。
其中，构件2的一端与转动副ⅠR1连接，构件2与构件3由移动副ⅠP1连接，构件3另一端由球副ⅠS1(或轴线与转动副ⅠR1轴线平行的转动副)与动平台1连接；构件4的一端与转动副ⅡR2连接，构件4与构件5由移动副ⅡP2连接，构件5另一端由球副ⅡS2(或轴线与转动副ⅡR2轴线平行的转动副)与动平台1连接；构件6的一端与虎克副U3连接，构件6与构件7由移动副ⅢP3连接，构件7另一端与动平台1固接。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，包括静平台、动平台、以及连接所述静平台和所述动平台的运动链，其特征在于，所述运动链包括均具有一平移两转动输出的复杂支链和简单支链；
所述复杂支链包括支链Ⅰ、支链Ⅱ和转动副Ⅳ，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面，并并联连接于所述静平台和所述动平台之间，所述转动副Ⅳ串联连接在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台连接；所述支链Ⅰ由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅰ、移动副Ⅰ和运动副Ⅰ，所述运动副Ⅰ实现所述支链Ⅰ与所述动平台铰接并使得所述支链Ⅰ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅰ转动；所述支链Ⅱ由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅱ、移动副Ⅱ和运动副Ⅱ，所述运动副Ⅱ实现所述支链Ⅱ与所述动平台铰接并使得所述支链Ⅱ在所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ共面平面内绕所述运动副Ⅱ转动；所述转动副Ⅰ与所述转动副Ⅱ轴线平行，并与所述转动副Ⅳ轴线垂直，且同时绕所述转动副Ⅳ轴线转动；
所述简单支链包括虎克副和移动副Ⅲ，所述虎克副包括轴线垂直的转动副Ⅲ和转动副Ⅲ`，所述转动副Ⅲ轴线与所述转动副Ⅳ轴线平行；所述简单支链的一端通过所述虎克副与所述静平台铰接、另一端与所述动平台固定连接；
所述移动副Ⅰ、移动副Ⅱ、移动副Ⅲ为主动输入，所述动平台产生垂直于所述静平台的移动和分别绕所述转动副Ⅰ、转动副Ⅳ轴线的转动。
2.根据权利要求1所述的一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，其特征在于，所述运动副Ⅰ和所述运动副Ⅱ均采用球副。
3.根据权利要求1所述的一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，其特征在于，所述运动副Ⅰ和所述运动副Ⅱ均采用轴线与所述转动副Ⅰ、转动副Ⅱ轴线平行的转动副。
4.根据权利要求1所述的一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，其特征在于，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ平行布置。
5.根据权利要求1所述的一种一平移两转动球坐标型零耦合并联机构，其特征在于，所述支链Ⅰ和所述支链Ⅱ相交布置。
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