CN107553472B - 一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构 - Google Patents

Abstract

一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，包括静平台、中间平台、末端操作手以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台直接相连；第一分支运动链为恰约束运动链，第一分支运动链与静平台之间的转动轴线、第二分支运动链中连杆机构与静平台之间的转动轴线、第三分支运动链中连杆机构与静平台之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链与静平台之间的转动轴线平行于第一分支运动链与静平台之间的转动轴线；第二分支运动链、第三分支运动链和第四分支运动链分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手在空间内的二维移动和一维转动。本发明解决了普通并联机构耦合性强，运动学计算复杂，路径规划困难等问题。

Description

一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构

技术领域

本发明涉及到机器人机构、并联运动机床以及航空航天领域，特别是一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构。

背景技术

并联机构即通过两个或两个以上的并行分支运动链连接动平台与静平台所构成的一种闭环系统。与传统的串联机构相比，并联机构具有结构简单、承载能力强、力学性能好等特点。并联机构按照自由度的不同可分为六自由度并联机构和少自由度并联机构。相比于六自由度并联机构，少自由度并联机构结构更加简单、成本更低，因此在满足工作要求的前提下，选择少自由度并联机构可获得更优的效益。正是因为并联机构的一系列突出优势，现如今并联机构已经成为国际机构学的研究热点之一，并且被广泛应用于医疗仪器、航空航天、运动模拟器等众多现代尖端技术领域。

就目前来说，我国已经有部分学者提出三自由度的并联机构，特别是在两移动一转动方面有了一定的研究进展，并申请了专利，如申请号为2013105491753、2014101978670等专利。然而对于大多数的并联机构来说仍然存在这机构复杂、耦合性强等问题，使得机构的动力学求解复杂、控制与路径规划设计困难、在一定程度上阻碍了并联机构的发展和应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，以解决已有机构存在的耦合性强、控制设计复杂等诸多问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，包括静平台、中间平台、末端操作手以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台直接相连；

第一分支运动链为两根连杆转动连接组成的恰约束运动链，第一分支运动链两端分别与静平台和中间平台转动连接，所述连杆之间的转动轴线、第一分支运动链两端的转动轴线相互平行且垂直于中间平台的平面；

第二分支运动链和第三分支运动链均包括连杆机构，在同一分支运动链中，连杆机构两端分别和静平台以及中间平台转动连接，并且连杆机构两端的转动轴线相互平行，且平行于中间平台的平面；

在第二分支运动链中，连杆机构由第三连杆Ⅰ和第四连杆Ⅰ通过第二转动副Ⅱ转动连接而成，第二转动副Ⅱ的转动轴线与连杆机构两端的转动轴线平行；

在第三分支运动链中，连杆机构由第三连杆Ⅱ和第四连杆Ⅱ通过第二转动副Ⅲ转动连接而成，第二转动副Ⅲ的转动轴线与连杆机构两端的转动轴线平行；

第四分支运动链一端与静平台转动连接，其转动轴线垂直于中间平台，另一端与所述的末端操作手连接；末端操作手与中间平台之间转动连接，其转动轴线和第一分支运动链与中间平台之间的转动轴线相平行；

所述第一分支运动链与静平台之间的转动轴线、第二分支运动链中连杆机构与静平台之间的转动轴线、第三分支运动链中连杆机构与静平台之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链与静平台之间的转动轴线平行于第一分支运动链与静平台之间的转动轴线；

第二分支运动链、第三分支运动链和第四分支运动链分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手在空间内的二维移动和一维转动。

优选的，所述的第一分支运动链中的两根连杆分别为第一连杆、第二连杆，第一连杆通过第一转动副Ⅰ与静平台连接，第二连杆通过第二转动副Ⅰ与第一连杆连接、通过第三转动副Ⅰ与中间平台连接，第一转动副Ⅰ、第二转动副Ⅰ和第三转动副Ⅰ的轴线相互平行且垂直于中间平台的平面。

优选的，所述的第三连杆Ⅰ通过第一圆柱副Ⅰ与静平台连接，第四连杆Ⅰ通过第三转动副Ⅱ与中间平台连接，第一圆柱副Ⅰ、第二转动副Ⅱ和第三转动副Ⅱ的轴线与中间平台的平面平行。

优选的，所述的第三连杆Ⅱ通过第一圆柱副Ⅱ与静平台连接，第四连杆Ⅱ通过第三转动副Ⅲ与中间平台连接，第一圆柱副Ⅱ、第二转动副Ⅲ和第三转动副Ⅲ的轴线与中间平台的平面平行。

优选的，所述的第四分支运动链包括第一转动副Ⅱ、第二万向铰、第三移动副、第四万向铰以及第五连杆、第六连杆和第七连杆，第五连杆通过第一转动副Ⅱ和静平台连接、通过第二万向铰和第六连杆连接，第七连杆通过第三移动副和第六连杆连接、通过第四万向铰和所述的末端操作手连接，并且第一转动副Ⅱ的轴线垂直于中间平台的平面；末端操作手通过独立转动副与中间平台连接，独立转动副的轴线垂直于中间平台。

优选的，所述的动力机构为伺服电机。

优选的，所述的中间平台整体外形为长方体，第一分支运动链、第二分支运动链、第三分支运动链分别连接在中间平台三个相邻的侧面上，且这三条分支运动链和中间平台之间的转动轴线之间相互垂直。

优选的，所述独立转动副安装在中间平台的中心。

本发明的有益效果是：本发明是一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构。该机构可实现二维移动和一维转动，其速度雅可比矩阵为单位阵，因此机构平台的输出运动与主动副的输入运动呈一一对应的线性映射关系，从而大大减小了各运动链之间的相互影响，解决了普通并联机构耦合性强，运动学计算复杂，路径规划困难等问题。本发明所提出的并联机构结构简单紧凑，具有良好的稳定性和刚度。在并联运动机床、3-D打印机和工业机器人领域有着良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中标记：10、静平台，20、中间平台，30、末端操作手；

L1、第一分支运动链，R11、第一转动副Ⅰ，R12、第二转动副Ⅰ，R13、第三转动副Ⅰ，1-1第一连杆、1-2、第二连杆；

L2、第二分支运动链，C21、第一圆柱副Ⅰ，R22、第二转动副Ⅱ，R23、第三转动副Ⅱ，2-1、第三连杆Ⅰ，2-2、第四连杆Ⅰ；

L3、第三分支运动链，C31、第一圆柱副Ⅱ，R32、第二转动副Ⅲ，R33第三转动副Ⅲ，3-1、第三连杆Ⅱ，3-2、第四连杆Ⅱ；

L4、第四分支运动链，R41、第一转动副Ⅱ，U42、第二万向铰，U44、第四万向铰，4-1、第五连杆，4-2、第六连杆，4-3、第七连杆；

R50、独立转动副。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步说明。

一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，如图1所示，其中10为静平台、20为中间平台、30为末端操作手，L1、L2、L3、L4分别代表四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台10直接相连，所述的静平台10可以为同一机构的同一部位或者是同一机构的不同部位，也可以是不同的机构，所述的中间平台20为长方体形。

第一分支运动链L1包括第一转动副ⅠR11、第二转动副ⅠR12、第三转动副ⅠR13和第一连杆1-1及第二连杆1-2，所述第一连杆1-1通过第一转动副ⅠR11与静平台10相连接，通过第二转动副ⅠR12与第二连杆1-2相连接，第二连杆1-2通过第三转动副ⅠR13与中间平台20相连接，其中第一转动副ⅠR11、第二转动副ⅠR12和第三转动副ⅠR13的轴线相互平行且垂直于中间平台20。

第二分支运动链L2包含有第三连杆Ⅰ2-1、第四连杆Ⅰ2-2和第一圆柱副ⅠC21、第二转动副ⅡR22、第三转动副ⅡR23，所述第三连杆Ⅰ2-1通过第一圆柱副ⅠC21和静平台10相连接，通过第二转动副ⅡR22与第四连杆Ⅰ2-2相连，第四连杆Ⅰ2-2通过第三转动副ⅡR23与中间平台20相连；其中，第一圆柱副ⅠC21、第二转动副ⅡR22、第三转动副ⅡR23的轴线与中间平台20平行。

第三分支运动链L3包含第三连杆Ⅱ3-1、第四连杆Ⅱ3-2和第一圆柱副ⅡC31、第二转动副ⅢR32、第三转动副ⅢR33，所述第三连杆Ⅱ3-1通过第一圆柱副ⅡC31和静平台10相连接，通过第二转动副ⅢR32与第四连杆Ⅱ3-2相连，第四连杆Ⅱ3-2通过第三转动副ⅢR33与中间平台20相连；其中，第一圆柱副ⅡC31、第二转动副ⅢR32、第三转动副ⅢR33的轴线与中间平台20平行。

第四分支运动链L4包含第五连杆4-1、第六连杆4-2、第七连杆4-3和第一转动副ⅡR41、第二万向铰U42、第三移动副、第四万向铰U44，所述第五连杆4-1通过第一转动副ⅡR41与静平台10相连接，通过第二万向铰U42与第六连杆4-2连接，第六连杆4-2通过第三移动副与第七连杆4-3相连，第六连杆4-2和第七连杆4-3之间通过第三移动副实现伸缩运动，第七连杆4-3通过第四万向铰U44与末端操作手30相连接，末端操作手30通过一个独立转动副R50与中间平台20相连，其中第一转动副ⅡR41的轴线垂直于中间平台20的平面。

所述的第一分支运动链L1的第一转动副ⅠR11的轴线、第二分支运动链L2的第一圆柱副ⅠC21的轴线和第三分支运动链L3的第一圆柱副ⅡC31的轴线两两垂直，在空间内呈正交分布，第四分支运动链L4的第一转动副ⅡR41的轴线平行于第一分支运动链L1的第一转动副ⅠR11的轴线。

所述的中间平台20整体外形为一个长方体，第一分支运动链L1第三转动副ⅠR13、第二分支运动链L2第三转动副ⅡR23和第三分支运动链L3第三转动副ⅢR33分别安装于中间平台20的三个侧面，且这三个转动副轴线相互垂直，所述的独立转动副R50也安装在中间平台20上，其轴线垂直于中间平台20的平面。

第一分支运动链L1为恰约束运动链，不包含主动副，第二分支运动链L2的主动副为其第一圆柱副ⅠC21，第三分支运动链L3的主动副为其第一圆柱副ⅡC31，第四分支运动链L4的主动副为其第一转动副ⅡR41。

本发明通过伺服电机驱动主动副，并通过分支运动链对末端操作手30提供动力。由于第一分支运动链L1不含有主动副，因而只起到在水平面内为机构提供一个约束作用，电机通过第二分支运动链L2和第三分支运动链L3给予中间平台20在水平方向上以动力，从而带动末端操作手30在水平方向上进行移动，通过第四分支运动链L4带动末端操作手30在竖直方向内进行转动，从而实现该并联机构在空间内的二维移动和一维转动。

Claims (8)

1.一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，包括静平台（10）、中间平台（20）、末端操作手（30）以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台（10）直接相连，其特征在于：第一分支运动链（L1）为两根连杆转动连接组成的恰约束运动链，第一分支运动链（L1）两端分别与静平台（10）和中间平台（20）转动连接，所述连杆之间的转动轴线、第一分支运动链（L1）两端的转动轴线相互平行且垂直于中间平台（20）的平面；

第二分支运动链（L2）和第三分支运动链（L3）均包括连杆机构，在同一分支运动链中，连杆机构两端分别和静平台（10）以及中间平台（20）转动连接，并且连杆机构两端的转动轴线相互平行，且平行于中间平台（20）的平面；

在第二分支运动链（L2）中，连杆机构由第三连杆Ⅰ（2-1）和第四连杆Ⅰ（2-2）通过第二转动副Ⅱ（R22）转动连接而成，第二转动副Ⅱ（R22）的转动轴线与连杆机构两端的转动轴线平行；

在第三分支运动链（L3）中，连杆机构由第三连杆Ⅱ（3-1）和第四连杆Ⅱ（3-2）通过第二转动副Ⅲ（R32）转动连接而成，第二转动副Ⅲ（R32）的转动轴线与连杆机构两端的转动轴线平行；

第四分支运动链（L4）一端与静平台（10）转动连接，其转动轴线垂直于中间平台（20），另一端与所述的末端操作手（30）连接；末端操作手（30）与中间平台（20）之间转动连接，其转动轴线和第一分支运动链（L1）与中间平台（20）之间的转动轴线相平行；

所述第一分支运动链（L1）与静平台（10）之间的转动轴线、第二分支运动链（L2）中连杆机构与静平台（10）之间的转动轴线、第三分支运动链（L3）中连杆机构与静平台（10）之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链（L4）与静平台（10）之间的转动轴线平行于第一分支运动链（L1）与静平台（10）之间的转动轴线；

第二分支运动链（L2）、第三分支运动链（L3）和第四分支运动链（L4）分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手（30）在空间内的二维移动和一维转动。

2.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的第一分支运动链（L1）中的两根连杆分别为第一连杆（1-1）、第二连杆（1-2），第一连杆（1-1）通过第一转动副Ⅰ（R11）与静平台（10）连接，第二连杆（1-2）通过第二转动副Ⅰ（R12）与第一连杆（1-1）连接、通过第三转动副Ⅰ（R13）与中间平台（20）连接，第一转动副Ⅰ（R11）、第二转动副Ⅰ（R12）和第三转动副Ⅰ（R13）的轴线相互平行且垂直于中间平台（20）的平面。

3.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的第三连杆Ⅰ（2-1）通过第一圆柱副Ⅰ（C21）与静平台（10）连接，第四连杆Ⅰ（2-2）通过第三转动副Ⅱ（R23）与中间平台（20）连接，第一圆柱副Ⅰ（C21）、第二转动副Ⅱ（R22）和第三转动副Ⅱ（R23）的轴线与中间平台（20）的平面平行。

4.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的第三连杆Ⅱ（3-1）通过第一圆柱副Ⅱ（C31）与静平台（10）连接，第四连杆Ⅱ（3-2）通过第三转动副Ⅲ（R33）与中间平台（20）连接，第一圆柱副Ⅱ（C31）、第二转动副Ⅲ（R32）和第三转动副Ⅲ（R33）的轴线与中间平台（20）的平面平行。

5.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的第四分支运动链（L4）包括第一转动副Ⅱ（R41）、第二万向铰（U42）、第三移动副、第四万向铰（U44）以及第五连杆（4-1）、第六连杆（4-2）和第七连杆（4-3），第五连杆（4-1）通过第一转动副Ⅱ（R41）和静平台（10）连接、通过第二万向铰（U42）和第六连杆（4-2）连接，第七连杆（4-3）通过第三移动副和第六连杆（4-2）连接、通过第四万向铰（U44）和所述的末端操作手（30）连接，并且第一转动副Ⅱ（R41）的轴线垂直于中间平台（20）的平面；末端操作手（30）通过独立转动副（R50）与中间平台（20）连接，独立转动副（R50）的轴线垂直于中间平台（20）。

6.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的动力机构为伺服电机。

7.根据权利要求1所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述的中间平台（20）整体外形为长方体，第一分支运动链（L1）、第二分支运动链（L2）、第三分支运动链（L3）分别连接在中间平台（20）三个相邻的侧面上，且这三条分支运动链和中间平台（20）之间的转动轴线之间相互垂直。

8.根据权利要求5所述的一种含有恰约束运动链的完全各向同性平面并联机构，其特征在于：所述独立转动副（R50）安装在中间平台（20）的中心。

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