CN103286772A - 一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构 - Google Patents

Abstract

一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，包括并联机构部分和串联机构部分；并联机构部分包括固定平台、动平台、以及连接这两个平台的三个支链，其中中部的连接支链为伺服电机驱动的伸缩杆部件，两侧的连接支链构成相同，为伺服电机通过曲柄、连杆驱动连接动平台；串联机构部分包括动平台、偏航电机、弯刀部件、滚转电机、尾杆，偏航电机固定安装于动平台上，弯刀部件固定在偏航电机输出轴上，弯刀部件另一端固定安装滚转电机，尾杆与滚转电机轴固定连接。本发明控制5个驱动电机协调运动，使物体质心（或其他希望作为虚拟转动中心的点）始终保持固定（只需始终保持该点的线位移为零），从而实现保持物体质心位置不变的同时，物体的3个空间姿态角能够获得需要的运动。

Description

一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构

技术领域

本发明涉及一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，主要是能够导引物体绕虚拟中心实现三维转动的机构。

背景技术

随着机构应用的日益成熟，对机构灵活性的要求越来越高。由于串联机构本身刚度、承载能力以及并联机构本身工作空间的限制，单纯的串联机构或并联机构已无法适应灵活性要求较高、能够导引物体绕虚拟中心转动的应用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，该机构实现了物体在其导引下能够绕虚拟中心进行三维转动，以解决机构在限制条件下导引物体进行复杂运动，保证物体能够有足够大的运动范围，并且使得物体在机构的导引下其质心位置保持不变的特性，从而实现了机构结构简化、性能优化的要求；本发明具有工作空间大、刚度较高、结构简单、成本低、容易实施的特点，克服了单纯采用串联机构或并联机构的不足。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，所述混联机构包括并联机构部分和串联机构部分；

并联机构包括水平设置的固定平台和固定平台上方的动平台，固定平台与动平台之间设有并列设置的三个支链；其中一个支链包括驱动杆、伺服电机和电动缸，驱动杆倾斜设置且驱动杆两端分别通过单自由度转动关节与动平台和固定平台连接，伺服电机驱动电动缸实现驱动杆的伸缩；另外两个支链结构相同且两个支链分别设置在驱动杆两侧，包括伺服电机、曲柄和连杆，伺服电机固定安装在固定平台上且其电机轴上固定安装曲柄，伺服电机通过曲柄、连杆驱动连接动平台，曲柄与连杆、连杆与动平台之间均通过单自由度转动关节连接；单自由度转动关节、伺服电机轴线均水平设置；

串联结构包括偏航电机、弯刀装置、滚转电机和尾杆，偏航电机固定安装在动平台上，偏航电机轴线与动平台垂直设置，弯刀装置一端固定安装在偏航电机的电机轴上，弯刀装置另一端固定安装滚转电机，滚转电机的电机轴上固定安装尾杆，滚转电机的电机轴倾斜设置。

本发明一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，包括并联机构部分和串联机构部分。

并联机构部分包括固定平台、动平台、以及连接这两个平台的三个支链。其中中部的连接支链为伺服电机驱动的伸缩杆部件（伺服电机驱动电动缸实现杆的伸缩），伸缩杆的两端分别与动平台及固定平台以轴线平行的单自由度转动关节相连。伺服电机与电动缸安装在一起作为一个伸缩杆部件的实物外形，在电机的驱动下，整个长度可以伸缩，两端可以用转动关节与其他物体连接，现在已经是一种成熟的单元部件，可以非常方便购买或定制。两侧的连接支链构成相同，包括伺服电机、曲柄、转动关节、连杆、转动关节，伺服电机固定安装于固定平台，曲柄固定安装于伺服电机输出轴，曲柄另一端用转动关节与连杆相连接，连杆另一端用转动关节与动平台相连。这两个支链中的伺服电机轴线、转动关节轴线、以及上述伸缩杆两端的转动关节轴线都平行。在三个电机驱动下，动平台可以在与上述轴线垂直的平面内做3个自由度的运动。

串联机构部分包括动平台（也就是上述并联机构中的动平台）、偏航电机、弯刀部件、滚转电机、尾杆，偏航电机固定安装于动平台上，该电机轴线垂直于动平台平面，弯刀部件固定在偏航电机输出轴上，弯刀部件另一端固定安装滚转电机，滚转电机轴线与偏航电机轴线成一定角度(如：90°)，并且与上述并联机构中所有轴线均不在一个平面，尾杆与滚转电机轴固定连接，滚转电机可以驱动尾杆绕滚转电机轴线转动，偏航电机可以驱动弯刀部件、尾杆包括滚转电机等一起绕偏航电机轴转动。

一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构组成及工作原理说明：

平面并联机构部分，总共有三个伺服电机驱动。上平台（动平台）与下平台（固定平台）由三个分支相连，其中一个分支为伸缩杆即驱动杆，伸缩杆的两端分别与动平台及固定平台以轴线平行的单自由度转动关节相连，伺服电机驱动电动缸实现杆的伸缩。另外两个分支均为曲柄与连杆构成的支链，曲柄与连杆用单自由度转动关节相连，曲柄的另一端固定在电机轴上，电机固定安装于下平台，连杆的另一端与动平台用单自由度转动关节相连，所有转动关节轴线及两个驱动曲柄的伺服电机轴线均平行。在三个伺服电机驱动下，动平台可以在与上述轴线垂直的平面内做3个自由度的运动。

串联机构部分，共有两个伺服电机驱动。上平台与尾杆由两个单自由度转动关节串联组成的支链相连，具体为：上平台上固定安装偏航电机，该电机轴线垂直于上平台平面，偏航电机轴直接与弯刀部件（弯刀装置）连接，弯刀部件另一端固定安装滚转电机，滚转电机轴与尾杆固定相连，滚转电机轴线与上述所有轴线均不在一个平面，滚转电机可以驱动尾杆绕滚转电机轴线转动，偏航电机可以驱动弯刀部件、尾杆包括滚转电机等一起绕偏航电机轴转动。

整个机构的自由度为5，有5个驱动电机，固定于尾杆上的被导引物体可实现5个自由度的运动。控制5个驱动电机协调运动，使物体质心（或其他希望作为虚拟转动中心的点）在平面并联机构所在平面始终保持固定（始终保持该点的线位移为零），从而实现保持物体质心位置不变的同时，物体的3个空间姿态角能够获得需要的运动。

本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的动力分别是由电动机、伺服电机、偏航电机、滚转电机所提供的。物体在机构的导引下绕虚拟中心转动，所能实现的运动分别为俯仰运动、偏航运动和滚转运动。

首先将底座（固定平台）固定，固定在底座上的伺服电机驱动曲柄进行运转，曲柄在运转的同时曲柄带动连杆进行转动，与此同时伺服电机驱动电动缸的驱动杆沿缸筒进行移动，然后动平台依靠连杆、驱动杆之间的转动副进行转动，实现物体的俯仰运动。

偏航电机通过电机轴驱动相对动平台转动的转动关节，使串联部分即弯刀装置、弯刀支撑部件和尾杆，在偏航电机的作用下绕电机轴进行转动，从而实现物体的偏航运动。

滚转电机的电机轴绕弯刀支撑部件进行旋转并驱动尾杆，使得物体绕尾杆进行旋转，从而实现物体的滚转运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明提出了一种基于串联机构和并联机构能导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，利用三自由度平面并联机构和串联的两自由度转动装置，实现物体绕虚拟中心进行三自由度转动，其并联机构部分是由动平台、驱动杆、电动缸、连杆、曲柄、伺服电机、电机和底座组成，其中两条支链具有相同的结构形式，其由电机、曲柄、连杆组成，另一支链由伺服电机、电动缸、驱动杆组成；其串联机构部分是由偏航电机、滚转电机、相对动平台转动的转动关节、弯刀装置、弯刀支撑部件、尾杆组成。第一支链、第二支链和第三支链的顶端和低端分别与动平台和底座之间以转动副连接。本发明机构其运动形式新颖，兼顾了串联机构和并联机构各自的优点，降低了其各自本身不利因素的影响性，并且实现了导引物体绕虚拟中心进行转动。

第二，本发明利用三自由度平面并联机构和两自由度转动的串联装置，实现了导引物体绕虚拟中心转动，即使物体绕某固定点的做三维转动。

第三，本发明采用了串联机构和并联机构的相互结合的方法，降低了串联机构本身刚度、承载能力以及并联机构本身工作空间的限制性，从而弥补了串联机构和并联机构本身的不足，并充分发挥了串联机构和并联机构的各自的优点。

第四，本发明具有运动空间大，机构自由度少，结构简单，成本低、容易实施的特点。

第五，本发明提出了一种能够导引导引物体绕虚拟中心做三维定点转动的机构，此机构兼顾了串联机构和并联机构的优点，并且保证了物体在机构的导引下能够进行复杂的运动。目前国内对于该类结构的开发尚属空白，本发明专利就是针对一种导引物体实现复杂运动的混联机构进行研制，在一定程度上对此方面的空缺做以填补，这对于该类机构在生活中的推广使用和今后的改型设计有着非常重要的意义。

附图说明

图1 是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的实体模型图；

图2是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的机构简图；

图3 是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的运行流程图；

图4 是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的俯仰运动的运行原理图；

图5是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的偏航运动的运行原理图；

图6是本发明导引物体绕虚拟中心转动的混联机构的滚转运动的运行原理图；

其中：1滚转电机、2弯刀装置、3偏航电机、4驱动杆、5电动缸、6连杆、7单自由度转动关节、8曲柄、9伺服电机、10固定平台、11动平台、12尾杆。

具体实施方式

如图2、3、4、5、6所示，一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构包括并联机构和串联机构。

并联机构包括水平设置的固定平台10和固定平台10上方的动平台11，固定平台10与动平台11之间设有并列设置的三个支链。其中一个支链包括驱动杆4、伺服电机9和电动缸5，驱动杆4倾斜设置且驱动杆两端分别通过单自由度转动关节7与动平台11和固定平台10连接，伺服电机9驱动电动缸5实现驱动杆4的伸缩。另外两个支链结构相同且两个支链分别设置在驱动杆4两侧，包括伺服电机9、曲柄8和连杆6，伺服电机9固定安装在固定平台10上且其电机轴上固定安装曲柄8，伺服电机9通过曲柄8、连杆6驱动连接动平台11，曲柄8与连杆6、连杆6与动平台11之间均通过单自由度转动关节7连接；单自由度转动关节7、伺服电机轴线均水平设置。

串联结构包括偏航电机3、弯刀装置2、滚转电机1和尾杆12，偏航电机3固定安装在动平台11上，偏航电机轴线3与动平台垂直设置，弯刀装置2一端固定安装在偏航电机3的电机轴上，弯刀装置2另一端固定安装滚转电机1，滚转电机1的电机轴上固定安装尾杆12，滚转电机1的电机轴倾斜设置。

一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构组成及工作原理说明（参照图2）：

平面并联机构部分，总共有三个伺服电机驱动。上平台（动平台）与下平台（固定平台）由三个分支相连，其中一个分支为伸缩杆即驱动杆，伸缩杆的两端分别与动平台及固定平台以轴线平行的单自由度转动关节相连，伺服电机驱动电动缸实现杆的伸缩。另外两个分支均为曲柄与连杆构成的支链，曲柄与连杆用单自由度转动关节相连，曲柄的另一端固定在电机轴上，电机固定安装于下平台，连杆的另一端与动平台用单自由度转动关节相连，所有转动关节轴线及两个驱动曲柄的伺服电机轴线均平行。在三个伺服电机驱动下，动平台可以在与上述轴线垂直的平面内做3个自由度的运动。

串联机构部分，共有两个伺服电机驱动。上平台与尾杆由两个单自由度转动关节串联组成的支链相连，具体为：上平台上固定安装偏航电机，该电机轴线垂直于上平台平面，偏航电机轴直接与弯刀部件（弯刀装置）连接，弯刀部件另一端固定安装滚转电机，滚转电机轴与尾杆固定相连，滚转电机轴线与上述所有轴线均不在一个平面，滚转电机可以驱动尾杆绕滚转电机轴线转动，偏航电机可以驱动弯刀部件、尾杆包括滚转电机等一起绕偏航电机轴转动。

整个机构的自由度为5，有5个驱动关节，固定于尾杆上的被导引物体可实现5个自由度的运动。控制5个主动关节协调运动，使物体质心（或其他希望作为虚拟转动中心的点）在平面并联机构所在平面始终保持固定（始终保持该点的线位移为零），从而实现保持物体质心位置不变的同时，物体的3个空间姿态角能够获得需要的运动。

本发明的动力分别是由电动机、伺服电机、偏航电机、滚转电机所提供的。物体在机构的导引下绕虚拟中心转动，所能实现的运动分别为俯仰运动、偏航运动和滚转运动，其工作原理的流程图和运行原理分别如图3和图4所示。 

首先将底座（固定平台）固定，固定在底座上电机驱动曲柄进行运转，曲柄在运转的同时，曲柄带动连杆进行转动；与此同时伺服电机驱动电动缸的驱动杆沿缸筒进行移动；然后动平台依靠连杆和驱动杆之间的转动副进行转动，实现物体的俯仰运动（见图4）。

偏航电机通过电机轴驱动相对动平台转动的转动关节，使串联部分即弯刀装置、弯刀支撑部件和尾杆，在偏航电机的作用下绕电机轴进行转动，从而实现物体的偏航运动（见图5）。

滚转电机的电机轴绕弯刀支撑部件进行旋转并驱动尾杆，使得物体绕尾杆进行旋转，从而实现物体的滚转运动（见图6）。

本发明的并联机构部分是由动平台、驱动杆、电动缸、连杆、曲柄、伺服电机、电机和底座组成，其中两条支链具有相同的结构形式，其由电机、曲柄、连杆组成，另一支链由伺服电机、电动缸、驱动杆组成。第一支链、第二支链和第三支链的顶端和低端分别与动平台和底座之间以转动副连接。本发明的串联机构部分是由偏航电机、滚转电机、相对动平台转动的转动关节、弯刀装置、弯刀支撑部件、尾杆组成。本发明利用三自由度平面并联机构和串联的两自由度转动装置，实现物体绕虚拟中心进行三自由度转动，实现了导引物体绕虚拟中心转动，即使物体绕某固定点的做三维转动。

本发明机构的运动形式新颖，兼顾了串联机构和并联机构各自的优点，降低了其各自本身不利因素的影响性，并且实现了导引物体绕虚拟中心进行转动。

本发明利用三自由度平面并联机构和两自由度转动的串联装置，采用串联机构和并联机构的相互结合的方法，降低了串联机构本身刚度、承载能力以及并联机构本身工作空间的限制性，从而弥补了串联机构和并联机构本身的不足，并充分发挥了串联机构和并联机构的各自的优点。

本发明提出了一种能够导引导引物体绕虚拟中心做三维定点转动的机构，此机构兼顾了串联机构和并联机构的优点，并且保证了物体在机构的导引下能够进行复杂的运动。目前国内对于该类结构的开发尚属空白，本发明专利就是针对一种导引物体实现复杂运动的混联机构进行研制，在一定程度上对此方面的空缺做以填补，这对于该类机构在生活中的推广使用和今后的改型设计有着非常重要的意义。

本发明具有运动空间大，机构自由度少，结构简单，成本低、容易实施的特点。

Claims (1)

1. 一种导引物体绕虚拟中心转动的混联机构，其特征是，所述混联机构包括并联机构和串联机构；

并联机构包括水平设置的固定平台（10）和固定平台（10）上方的动平台（11），固定平台（10）与动平台（11）之间设有并列设置的三个支链；其中一个支链包括驱动杆（4）、伺服电机（9）和电动缸（5），驱动杆（4）倾斜设置且驱动杆两端分别通过单自由度转动关节（7）与动平台（11）和固定平台（10）连接，伺服电机（9）驱动电动缸（5）实现驱动杆（4）的伸缩；另外两个支链结构相同且两个支链分别设置在驱动杆（4）两侧，包括伺服电机（9）、曲柄（8）和连杆（6），伺服电机（9）固定安装在固定平台（10）上且其电机轴上固定安装曲柄（8），伺服电机（9）通过曲柄（8）、连杆（6）驱动连接动平台（11），曲柄（8）与连杆（6）、连杆（6）与动平台（11）之间均通过单自由度转动关节（7）连接；单自由度转动关节（7）、伺服电机轴线均水平设置；

串联结构包括偏航电机（3）、弯刀装置（2）、滚转电机（1）和尾杆（12），偏航电机（3）固定安装在动平台（11）上，偏航电机轴线（3）与动平台垂直设置，弯刀装置（2）一端固定安装在偏航电机（3）的电机轴上，弯刀装置（2）另一端固定安装滚转电机（1），滚转电机（1）的电机轴上固定安装尾杆（12），滚转电机（1）的电机轴倾斜设置。

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