CN100553898C - 一种二自由度空间并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二维定向空间并联机构。它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个运动副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过运动副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过运动副连接，连杆的另一端与定平台通过运动副连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。本发明具有小体积、高刚度、高精度、运动方式明确等特点。
Description
(一)技术领域
本发明属于机器人和机械制造领域，具体涉及一种二自由度空间并联机构。
(二)背景技术
近年来，空间并联机器人已经引起了国内外学者的广泛兴趣，与串联机器人相比，并联机器人具有刚度大、负载自重比高，位置误差不积累等特点，在多自由度机器人设计、高精度数控加工、高承载强度条件下得到广泛应用。最早的空间六自由度并联机器人是基于Stewart于1965年提出的6-SPS机构。为丰富和发展并联机器人的结构形式，许多研究机构的学者开始有益的工作。六自由度并联机器人机构是最为理想的机构，但该种类型机构存在如工作空间小、；灵活性不高、运动学正解不封闭、尺寸综合困难等缺点，并且制造成本高。与六自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有结构简单、工作空间较大、设计与控制比较简单等优点，因此在机器人的发展中提出了使用便宜、简单的各种少自由度并联机器人。
在多关节型机器人的设计过程中，多自由度关节结构设计是一个重要环节，在传统的串联结构中，其多自由度关节旋转轴很难交于一点；即使能交于一点，其关节的体积重量都大大增加。而通过采用少自由度并联机构代替串联形式，则容易设计成多自由度关节旋转轴交于一点。现有的定向并联机构中以三自由度转动的并联机构为主，如Hayward在1993年提出的并联机构、Cheng在1995年提出的并联机构等。而实现二维空间定向运动的并联机构较少，如专利号200310115537.4的一种二自由度转动并联机器人机构，但其体积较大、实用性较差，很难适应小的多自由度关节的机械臂或机械腿设计。现多数而自由度并联机构主要实现二维平面定位运动，如专利号为01277647.5的一种二自由度平动并联机器人机构。
综上所述，目前实现小体积的二维空间定向运动的并联机构较少，需要设计一个具有工作空间范围较大、体积与重量相对较小，同时便于机构的控制的二自由度空间并联机构，将会在多自由度机械臂或机械腿等方面得到广泛应用，具有重要的实用化价值。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够绕一点旋转的具有作业转角空间大、体积小、刚度强、精度高、运动方式明确、运动学正反解简单等特点的二维定向空间并联机构。
本发明的目的是这样实现的：它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个运动副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过运动副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过运动副连接，连杆的另一端与定平台通过运动副连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、所述的动平台上的运动副是移动副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是球面副，所述的连杆与定平台之间的运动副是球面副。
2、所述的动平台上的运动副是移动副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是球面副，所述的连杆与定平台之间的运动副是虎克铰链。
3、所述的动平台上的运动副是移动副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是虎克铰链，所述的连杆与定平台之间的运动副是球面副。
4、所述的动平台上的运动副是圆柱副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是球面副，所述的连杆与定平台之间的运动副是球面副。
5、所述的动平台上的运动副是圆柱副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是球面副，所述的连杆与定平台之间的运动副是虎克铰链。
6、所述的动平台上的运动副是于圆柱副，所述的连杆与滑动杆之间的运动副是虎克铰链，所述的连杆与定平台之间的运动副是球面副。
本发明的工作原理为：通过滑动杆的相对于动平台的移动副方向的移动，带动连杆，实现动平台和定平台之间虎克铰链的二自由度空间定向转动。
本发明的有益优点有：
1、本发明的并联机构可实现绕一点的二维定向转动；
2、本发明的并联机构运动学正、反解简单；
3、本发明的并联机构的转向运动通过滑动杆的伸缩移动实现两个方向的定向转动，具有一定的刚度和运动精度；
4、本发明的并联机构比串联二自由度机构具有更高的负载能力，相比其他二自由度并联机构具有较小的体积；
5、本发明的并联机构在需要二自由度空间运动的作业中有着重要的广泛应用前景。
(四)附图说明
图1是本发明的第一种实施方案的机构示意图；
图2是本发明的第二种实施方案的机构示意图；
图3是本发明的第三种实施方案的机构示意图；
图4是本发明的第四种实施方案的机构示意图；
图5是本发明的第五种实施方案的机构示意图；
图6是本发明的第六种实施方案的机构示意图；
图7是本发明的第一种实施方案的左视图；
图8是本发明的第一种实施方案的正视图；
图9是本发明的第一种实施方案的右视图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
结合图1，本实施例包括定平台1、虎克铰链2、动平台3、滑动杆4和5、移动副6和9、连杆8和11、以及球面副6、10、12、13，垂直杆14和15，动平台3上设置有两个移动副6和9，并通过三个分支与定平台1连接；其中三个分支中两个分支结构相同，两个相同的结构分支的一个分支包括一个滑动杆4和一个连杆8，滑动杆4与动平台3通过移动副6连接，连杆8一头和滑动杆4一头通过球面副7连接，连杆8的另一头与定平台1通过球面副13连接；两个相同的结构分支的另一个分支包括一个滑动杆5和一个连杆11，滑动杆5与动平台3通过移动副9连接，连杆11一头和滑动杆5一头通过球面副10连接，连杆11的另一头与定平台1通过球面副12连接；第三个分支包括垂直杆14和15，垂直杆14一端与定平台1固连且与定平台1保持垂直，垂直杆15一端与动平台3固连且与动平台3保持垂直，垂直杆14的另一端与垂直杆15另一端通过虎克铰链2连接。
设机构初始状态时，动平台3和定平台1平行且与定坐标系的Z轴垂直，虎克铰链2的两个旋转轴分别与定坐标系的X轴和Y轴平行，移动副6和9的轴线与定坐标系的Z轴平行，两个相同结构的分支相对于经过虎克铰链2中心点且平行于YOZ平面的平面对称分布。
实施例2：
结合图2，本实施例将实施例1中的连杆8和11与定平台1之间连接的球面副12和13换成虎克铰链17和16，其它结构和实施例1相同。
实施例3：
结合图3，本实施例将实施例1中的连杆8和11与滑动杆4和5之间连接的球面副7和10换成虎克铰链18和19，其它结构和实施例1相同。
实施例4：
结合图4，本实施例将实施例1中的动平台3与滑动杆4和5之间连接的移动副6和9换成圆柱副20和21，其它结构和实施例1相同。
实施例5：
结合图5，本实施例将实施例2中的动平台3与滑动杆4和5之间连接的移动副6和9换成圆柱副20和21，其它结构和实施例2相同。
实施例6：
结合图6，本实施例将实施例3中的动平台3与滑动杆4和5之间连接的移动副6和9换成圆柱副20和21，其它结构和实施例3相同。
Claims (6)
1、一种二自由度空间并联机构，它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个移动副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过所述移动副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过球面副连接，连杆的另一端与定平台通过球面副连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
2、一种二自由度空间并联机构，它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个移动副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过所述移动副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过球面副连接，连杆的另一端与定平台通过虎克铰链连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
3、一种二自由度空间并联机构，它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个移动副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过所述移动副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过虎克铰链连接，连杆的另一端与定平台通过球面副连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
4、一种二自由度空间并联机构，它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个圆柱副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过所述圆柱副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过球面副连接，连杆的另一端与定平台通过球面副连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
5、一种二自由度空间并联机构，它包括定平台、动平台和连接定平台和动平台的分支，其特征在于：所述的连接定平台和动平台分支有3个；动平台上设置有两个圆柱副，其中两个分支的结构相同，它们都包括滑动杆和连杆，滑动杆通过所述圆柱副与动平台相连，连杆的一端和滑动杆的一端通过球面副连接，连杆的另一端与定平台通过虎克铰链连接；另一个分支包括两根垂直杆，一根垂直杆的一端与定平台固连并与定平台垂直，另一根垂直杆的一端与动平台固连且与动平台垂直，两根垂直杆之间通过虎克铰链连接。
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