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CN103381602A - 一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构 - Google Patents

一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构 Download PDF

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CN103381602A CN2013102879273A CN201310287927A CN103381602A CN 103381602 A CN103381602 A CN 103381602A CN 2013102879273 A CN2013102879273 A CN 2013102879273A CN 201310287927 A CN201310287927 A CN 201310287927A CN 103381602 A CN103381602 A CN 103381602A
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苏永林
胡志涛
张超
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Abstract

一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构，其包括定平台、动平台以及连接定平台和动平台的三个分支，其中，分支一由一个移动副和三个转动副以及连接它们的三个连杆组成；分支二由四个转动副和连接它们的三个连杆组成；分支三由五个转动副与连接它们的四个连杆组成，分支一通过移动副和转动副分别与定平台和动平台连接；分支二分别通过两个转动副与定平台和动平台连接；分支三分别通过两个转动副与定平台和动平台连接。本发明结构简单，制造成本低，能够实现动平台两个移动和一个转动完全解耦，具有易于控制、反应速度快和承载力强的优点，可用于快速分拣机、医疗器械、振动筛分机、喷涂机器人和虚轴数控机床中。

Description

一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构
技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种空间并联机构。
背景技术
与串联机构在结构和性能上形成互补关系的并联机构，具有承载力大、刚度高、运动速度快、累积误差小、动力学性能好等优点，故其在运动模拟器、力传感器、卫星天线、医疗器械和食品包装中得到了广泛应用。
由于结构的限制，并联机构有很多问题都没有很好解决，如运动耦合性强、工作空间小、运动学正解复杂、传动特性差等问题。就目前的三自由度并联机构来说，很多都存在着强耦合性这一并联机构的突出特点。并联机构强耦合性的存在使得机构在机构设计、计算分析和运动控制等方面存在着诸多问题。因此，为简化并联机构的控制过程，提高并联机构的解耦性已经成为机构学研究领域的热点问题。
在三自由度并联机构研究中，对于两移一转三自由度并联机构的解耦性研究取得一些进展，例如，中国专利文献CN1651188A提出了一种两平移一转动虚轴数控机床及并联机器人机构，该机构具有正反解求解容易，输入-输出控制解耦的优点；中国专利文献CN102688853A提出了一种三自由度并联机构茶叶筛分机，该机构的三条振动链互不干涉，完全解耦，提高了茶叶的筛分效率。此外，中国专利文献CN102922310A也提出了一种2T1R三自由度空间并联机构。上述发明机构虽然能实现两移一转运动，但是解耦性没有很好解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于控制、速度高的完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构。
本发明包括定平台、动平台以及连接这两个平台的三个分支，每个分支的结构各不相同：分支一由一个移动副和三个转动副以及连接它们的三个连杆组成；分支二由四个转动副和连接它们的三个连杆组成；分支三由五个转动副和连接它们的四个连杆组成。
其中，分支一中的第一连杆的一端通过移动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与动平台连接；分支二中的第一连杆通过转动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与动平台连接；分支三中的第一连杆的一端通过转动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与第四连杆的一端连接，该第四连杆的另一端通过转动副与动平台连接。
在分支一中，移动副的移动方向和三个转动副的轴线平行；在分支二中，除与定平台连接的转动副外，其它三个转动副的轴线平行，且与和定平台连接的转动副的轴线垂直；在分支三中，分别与定平台和动平台连接的两个转动副的轴线平行，另外的三个转动副的轴线平行，且与和定平台和动平台连接的两个转动副的轴线垂直。
上述三个分支分别与定平台连接的一个移动副和两个转动副为各分支的输入运动副，移动副的移动方向和两个转动副的轴线平行，且均平行于定平台。分支一和分支三与动平台连接的转动副的轴线，始终与动平台平行，分支二与动平台连接的转动副的轴线垂直于动平台。
上述分支一中，第一连杆在移动副的驱动下发生移动，并带动第二连杆发生移动，第二连杆又带动第三连杆发生移动，最终经第三连杆的移动带动动平台发生移动；分支二中，第一连杆在第一转动副驱动下发生转动，并带动第二连杆发生转动，第二连杆又带动第三连杆发生转动，最终经第三连杆的转动带动动平台发生转动；分支三中，第一连杆在第一转动副的驱动下发生转动，并带动第二连杆发生转动，最终带动第四连杆发生转动，动平台在第四连杆的带动下发生移动；且这三个方向的两个移动和一个转动运动是无条件解耦的，互不干涉。
上述分支一中与定平台连接的移动副和最近的第一个转动副能够用一个与转动副轴线平行的圆柱副代替；上述分支二中与定平台连接最近的两个转动副能够用虎克铰代替；上述分支三中与定平台连接最近的两个转动副和与动平台连接最近的两个转动副，能够分别用两个虎克铰代替。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、结构简单，运动副均为低副，可以降低制造成本；
2、实现了空间两个移动自由度和一个转动自由度完全解耦，不仅使机构的控制和正反解极为容易，而且降低了机构的轨迹规划的难度；
3、所有输入运动副全部与定平台相连，这样减少了杆件的负载，具有良好的运动性和较高的反应速度。本发明可广泛应用于快速分拣机、医疗器械、振动筛分机、喷涂机器人和虚轴数控机床中。
附图说明
图1是本发明的立体示意简图。
具体实施方式
在图1所示的完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构示意图中，分支一1中的第一连杆3的一端通过移动副2与定平台10连接，该第一连杆的另一端通过转动副4与第二连杆5的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副6与第三连杆7的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副8与动平台9连接；分支二11中的第一连杆13通过转动副12与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副14与第二连杆15的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副16与第三连杆17的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副18与动平台连接；分支三19中的第一连杆21的一端通过转动副20与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副22与第二连杆23的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副24与第三连杆25的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副26与第四连杆27的一端连接，该第四连杆的另一端通过转动副28与动平台连接。
分支一中，移动副2的移动方向和第一转动副4、第二转动副6、第三转动副8的轴线平行，且与第一连杆3、第二连杆5和第三连杆7的轴线垂直；分支二中，第二转动副14、第三转动副16和第四转动副18的轴线平行，且与第一转动副12的轴线垂直。第一连杆13的轴线一端与第一转动副12的轴线垂直，另一端与第二转动副14的轴线重合。第二连杆15和第三连杆17都为直角连杆，它们的连杆轴线的一端分别与第二转动副14和第三转动副16的轴线垂直，另一端分别与第三转动副16和第四转动副18的轴线重合；分支三中，第一转动副20和第五转动副28的轴线平行，第二转动副22、第三转动副24和第四转动副26的轴线平行，并与第一转动副20和第五转动副28的轴线垂直。另外第一连杆21、第二连杆23、第三连杆25和第四连杆27的轴线与该分支中转动副的轴线垂直。三个分支中的第一个运动副为输入副，并且三个输入副中移动输入副的移动方向和两个转动输入副的的轴线平行。

Claims (2)

1.一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构，其包括定平台、动平台以及连接这两个平台的三个分支，其特征在于：其分支一中的第一连杆的一端通过移动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与动平台连接；分支二中的第一连杆通过转动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与动平台连接；分支三中的第一连杆的一端通过转动副与定平台连接，该第一连杆的另一端通过转动副与第二连杆的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副与第三连杆的一端连接，该第三连杆的另一端通过转动副与第四连杆的一端连接，该第四连杆的另一端通过转动副与动平台连接；在分支一中，移动副的移动方向和三个转动副的轴线平行；在分支二中，除与定平台连接的转动副外，其它三个转动副的轴线平行，且与和定平台连接的转动副的轴线垂直；在分支三中，分别与定平台和动平台连接的两个转动副的轴线平行，另外的三个转动副的轴线平行，且与和定平台和动平台连接的两个转动副的轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种完全解耦的两移一转三自由度空间并联机构，其特征在于：上述分支一中与定平台连接的移动副和最近的第一个转动副能够用一个与转动副轴线平行的圆柱副代替；上述分支二中与定平台连接最近的两个转动副能够用虎克铰代替；上述分支三中与定平台连接最近的两个转动副和与动平台连接最近的两个转动副能够分别用两个虎克铰代替。
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