CN212385478U - 一种完全解耦两转动一移动并联机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种完全解耦两转动一移动并联机构，其具有三个自由度，即两个方向的转动和一个方向的移动，当第一分支运动链中的第一圆柱副作为主动副单独输入时，使动平台具有一个转动自由度；当第二分支运动链中的第一移动副作为主动副单独输入时，使动平台具有另一个转动自由度；当第一分支运动链与第三分支运动链中的第一、第二圆柱副的线性位移同时作为主动副输入，且输入位移相同时，动平台具有一个移动自由度。该并联机构的三条分支运动链之间运动具有特定关系，其速度雅可比矩阵为三角阵，具有完全解耦的运动学特性，通过三条分支运动链的布置关系，提高了并联机构的承载能力，使得其在机器人、机床、航空航天等领域具有良好的发展前景。

Description

一种完全解耦两转动一移动并联机构

技术领域

本实用新型涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种完全解耦两转动一移动并联机构。

背景技术

并联机构是通过两条及以上的分支链连接定平台和动平台，形成特殊的多闭环结构。并联机构作为一类新型机构，相对于传统的串联机构具有精度高、累计误差小、承载能力大、结构紧凑等特点。已经在工业机器人、并联机床、航空航天等高精尖技术的领域被广泛的应用。

少自由度并联机器人机构是指自由度在2到5之间的机器人机构，少自由度并联机器人机构和6自由度的相比，由于其具有较高的刚度、精度与承载能力等优点，近年来，它已成为机构学领域研究的热点之一，特别是两转一移三自由度并联机器人机构因其运动控制和轨迹规划易于实现等特点，在实际应用中，具有良好的应用前景。可应用于运动模拟器、坐标测量机、加工中心等。为此国内学者已研究设计出许多此类型机构，但是现有的大多数并联机器人机构仍然存在运动耦合性强，工作空间小，控制困难等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种完全解耦两转动一移动并联机构，以解决现有技术中存在的并联机构运动耦合性强、解耦性差及工作空间小等问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种完全解耦两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台和三条分支运动链，三条分支运动链分别为第一分支运动链、第二分支运动链和第三分支运动链，其中，

第一分支运动链包括一端连接至定平台的第一圆柱副、一端连接至动平台的万向铰以及设置在两者之间的第一转动副，第一转动副的两端分别通过第一连杆和第二连杆连接至第一圆柱副和万向铰，且第一圆柱副的轴线、第一转动副的轴线以及万向铰的内轴线三者间平行设置；

第二分支运动链包括通过连杆依次连接的第一移动副、第二转动副、第三转动副以及球副，第一移动副和球副的自由端分别连接至定平台和动平台，且第二转动副和第三转动副两者的轴线平行；

第三分支运动链包括通过连杆相连的第二圆柱副和第四转动副，第二圆柱副和第四转动副的自由端分别连接至定平台和动平台，且第二圆柱副与第四转动副两者的轴线位于同一平面内并相互垂直设置；

第一圆柱副、第二圆柱副和第一移动副均为动力输入端并分别连接有驱动电机。

进一步的，所述第二转动副的轴线、第四转动副的轴线以及万向铰的外轴线三者间平行设置。

进一步的，所述第一圆柱副的轴线和第二圆柱副的轴线平行设置，且两者的轴线均垂直于第四转动副的轴线。

进一步的，所述定平台上开设有与第一移动副相配合的圆弧形轨道，第二圆柱副的轴线垂直于该圆弧形轨道所在的平面并经过该圆弧形轨道的圆心。

进一步的，所述第四转动副位于动平台的中心，万向铰、第四转动副以及球副三者沿动平台的长度方向依次设置且三者分布在同一条直线上。

进一步的，所述第二转动副与第三转动副之间通过第四连杆相连，第二转动副和第三转动副的自由端分别通过第三连杆和第五连杆连接至第一移动副和球副。

进一步的，所述第二圆柱副与第四转动副之间通过第六连杆相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型有三个自由度，即两个方向的转动和一个方向的移动，当第一分支运动链中的第一圆柱副作为主动副单独输入时，使动平台具有一个转动自由度；当第二分支运动链中的第一移动副作为主动副单独输入时，使动平台具有另一个转动自由度；当第一分支运动链与第三分支运动链中的第一、第二圆柱副的线性位移同时作为主动副输入，且输入位移相同时，动平台具有一个移动自由度。该并联机构的三条分支运动链之间运动具有特定关系，其速度雅可比矩阵为三角阵，具有完全解耦的运动学特性，通过三条分支运动链的布置关系，提高了并联机构的承载能力，使得其在机器人、机床、航空航天等领域具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本实用新型一种完全解耦两转动一移动并联机构的整体结构示意图；

图2是万向铰、球副以及第四转动副在动平台上的分布示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种完全解耦两转动一移动并联机构，如图1所示，包括定平台10、动平台20，L1、L2、L3分别代表第一、第二和第三分支运动链。

第一分支运动链L1包括第一圆柱副C11、第一转动副R12和万向铰U13，第一圆柱副C11的一端和万向铰U13的一端分别与定平台10和动平台20直接相连，第一转动副R12则分别通过第一连杆1-1和第二连杆1-2与第一圆柱副C11和万向铰U13的另一端相连。其中，第一圆柱副C11的轴线、第一转动副R12的轴线以及万向铰U13中与第二连杆1-2相连的轴线即内轴线相互平行。

第二分支运动链L2包括第一移动副P21、第二转动副R22、第三转动副R23和球副S24。第一移动副P21和球副S24分别与定平台10和动平台20直接相连，第二转动副R22分别通过第三连杆2-1和第四连杆2-2与第一移动副P21和第三转动副R23相连，第三转动副R23通过第五连杆2-3与球副S24相连。其中，第二转动副R22与第三转动副R23的轴线平行。

第三分支运动链L3包括第二圆柱副C31和第四转动副R32。第二圆柱副C31和第四转动副R32分别与定平台10和动平台20相连，第四转动副R32通过第六连杆3-1和第二圆柱副C31相连。其中，第二圆柱副C31的轴线与第四转动副R32的轴线在同一平面内且相互垂直。

进一步优化本方案，第二分支运动链L2中的两个转动副的轴线、第三分支运动链L3中的第四转动副R32的轴线和与动平台20相连的万向铰U13的轴线即外轴线，均相互平行设置。

进一步优化本方案，第一圆柱副C11的轴线和第二圆柱副C31的轴线平行，并同时垂直于第三分支运动链L3中的第四转动副R32的轴线。

进一步优化本方案，第二分支运动链L2中的第一移动副P21沿圆弧形轨道进行移动，且第三分支运动链L3中的第二圆柱副C31的轴线垂直于圆弧形轨道所在平面并经过圆弧形轨道的圆心。

进一步优化本方案，如图2所示，第一分支运动链L1中的万向铰U13、第二分支运动链L2中的球副S24分布在动平台20的两侧，第三分支运动链L3中的第四转动副R32位于动平台20的中心，并且三者分布在同一条直线上。

本实施例中，分别选取三条分支运动链中与定平台10相连的运动副作为主动副，其中第一分支运动链L1中的第一圆柱副C11和第三分支运动链L3中的第二圆柱副C31均以线性位移作为主输入。

本实用新型的控制原理如下：通过伺服电机驱动主动副，并通过三条分支运动链对动平台20提供动力。其中，第一驱动电机通过驱动第一分支运动链L1中的第一圆柱副C11，使得动平台20绕第三分支运动链L3中的第四转动副R32的轴线方向进行转动；第二驱动电机驱动第二分支运动链L2中的第一移动副P21，使得动平台20绕第三分支运动链L3中的第二圆柱副C31的轴线方向进行转动，第一驱动电机和第三驱动电机分别驱动第一分支运动链L1中的第一圆柱副C11与第三分支运动链L3中的第二圆柱副C31，使得动平台20沿第三分支运动链L3中的第二圆柱副C31的轴线方向进行移动，从而实现该并联机构在空间内的两转动一移动三个自由度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种完全解耦两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台和三条分支运动链，其特征在于：三条分支运动链分别为第一分支运动链、第二分支运动链和第三分支运动链，其中，

第一分支运动链包括一端连接至定平台的第一圆柱副、一端连接至动平台的万向铰以及设置在两者之间的第一转动副，第一转动副的两端分别通过第一连杆和第二连杆连接至第一圆柱副和万向铰，且第一圆柱副的轴线、第一转动副的轴线以及万向铰的内轴线三者间平行设置；

第二分支运动链包括通过连杆依次连接的第一移动副、第二转动副、第三转动副以及球副，第一移动副和球副的自由端分别连接至定平台和动平台，且第二转动副和第三转动副两者的轴线平行；

第三分支运动链包括通过连杆相连的第二圆柱副和第四转动副，第二圆柱副和第四转动副的自由端分别连接至定平台和动平台，且第二圆柱副与第四转动副两者的轴线位于同一平面内并相互垂直设置；

第一圆柱副、第二圆柱副和第一移动副均为动力输入端并分别连接有驱动电机。

2.根据权利要求1所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述第二转动副的轴线、第四转动副的轴线以及万向铰的外轴线三者间平行设置。

3.根据权利要求2所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述第一圆柱副的轴线和第二圆柱副的轴线平行设置，且两者的轴线均垂直于第四转动副的轴线。

4.根据权利要求3所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述定平台上开设有与第一移动副相配合的圆弧形轨道，第二圆柱副的轴线垂直于该圆弧形轨道所在的平面并经过该圆弧形轨道的圆心。

5.根据权利要求4所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述第四转动副位于动平台的中心，万向铰、第四转动副以及球副三者沿动平台的长度方向依次设置且三者分布在同一条直线上。

6.根据权利要求1所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述第二转动副与第三转动副之间通过第四连杆相连，第二转动副和第三转动副的自由端分别通过第三连杆和第五连杆连接至第一移动副和球副。

7.根据权利要求1所述的一种完全解耦两转动一移动并联机构，其特征在于：所述第二圆柱副与第四转动副之间通过第六连杆相连。

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