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CN109531552B - 一种二自由度纯转动并联机构 - Google Patents

一种二自由度纯转动并联机构 Download PDF

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CN109531552B
CN109531552B CN201910065084.XA CN201910065084A CN109531552B CN 109531552 B CN109531552 B CN 109531552B CN 201910065084 A CN201910065084 A CN 201910065084A CN 109531552 B CN109531552 B CN 109531552B
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张彦斌
王科明
许泽华
刘华峰
陈子豪
张晓洋
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Henan University of Science and Technology
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Henan University of Science and Technology
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0072—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics of the hybrid type, i.e. having different kinematics chains

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
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  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

本发明设计的一种二自由度纯转动并联机构，由动平台、定平台以及连接两平台的两条分支运动链组成。第一分支运动链为混合运动链，由第一圆柱副、第一移动副和第一万向铰构成的单开链与第一转动副形成的闭回路后再串联第二转动副而成，其控制了动平台的一个转动自由度；第二分支运动链为单开链，由第二圆柱副、第二移动副和第二万向铰构成，其控制着动平台的另一个转动自由度。由于该机构的速度雅可比矩阵为对角阵，因此机构动平台的输出速度与主动关节的输入速度之间呈一一对应的控制关系，解决了一般并联机构的运动学解耦性差，控制设计困难的问题。

Description

一种二自由度纯转动并联机构
技术领域
本发明涉及机器人空间机构领域，尤其涉及到一种二自由度纯转动并联机构。
背景技术
相对于串联机构，并联机构具有结构紧凑、刚度大、承载能力强、精度高、累计误差小等优点，被广泛应用于各领域。并联机构可分为六自由度并联机构和少自由度并联机构，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，加工制造成本较低，工作空间大等优点，其中二自由度纯转动并联机构是少自由度并联机构一个重要分支，在医疗器械、摄像机、望远镜定位、天线以及太阳能电池板等需要位姿调整的领域具有非常大的应用前景。然而，目前大多数的两转动并联机构都存在由耦合性强所导致的轨迹规划困难和不易控制等缺点，如申请号为CN201610305762.1一种存在两条连续转动轴线的二自由度转动并联机构的中国发明专利和申请号为CN201310605981.8 一种四分支无汇交点二自由度转动并联机构的中国发明专利。因此，设计一种解耦性好、控制简单的二自由度纯转动并联机构是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是设计一种二自由度纯转动全解耦并联机构，解决现有两转动并联机构的耦合性强，控制困难等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种二自由度纯转动并联机构，包括动平台、定平台以及连接两平台的第一分支运动链和第二分支运动链，第一分支运动链为混合运动链，第二分支运动链为单开链；
第一分支运动链由闭回路结构和第二转动副串联而成，所述闭回路结构由一个第一圆柱副、一个第一移动副和一个第一万向铰构成的单开链结构与一个第一转动副形成，以实现动平台绕第一转动副轴线做翻转运动；所述第一圆柱副和第一转动副均安装在所述定平台上，第一圆柱副的轴线为竖直方向，且第一转动副的转动轴线为水平方向；所述第一移动副分别通过第一连杆和第二连杆与第一圆柱副以及第一万向铰的一端连接，第一万向铰的另一端、第一转动副和第二转动副分别安装在T形连杆的端部；所述第一万向铰具有两个相垂直的转动轴线，与第二连杆相连的第一万向铰的转动轴线与第一圆柱副的轴线平行且垂直于移动副的移动轴线，与T形连杆相连的第一万向铰的转动轴线和第一转动副的转动轴线平行且垂直于第二转动副的转动轴线，第二转动副安装在所述的动平台上；
第二分支运动链由一个第二圆柱副、一个第二移动副和一个第二万向铰组成，所述第二圆柱副安装在所述定平台上，且第二圆柱副的轴线和第一转动副的转动轴线平行，且同时垂直于第一圆柱副的轴线，所述第二万向铰安装在所述动平台上，并具有两个相垂直的转动轴线，第二移动副分别通过第三连杆和第四连杆连接第二圆柱副和第二万向铰，与第四连杆相连的第二万向铰转动轴线平行于第二圆柱副的轴线且与第二移动副的移动轴线垂直，与动平台相连的第二万向铰转动轴线平行于第二转动副的转动轴线，以实现动平台绕第二转动副的转动轴线做翻转运动。
所述第一分支运动链中的第一圆柱副以及所述第二分支运动链中的第二圆柱副为主动副，且以两圆柱副的线性输入为机构的主动输入。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一条分支运动链控制了动平台的一个转动自由度，另一条分支运动链控制动平台另一个转动自由度，该机构的速度雅克比矩阵为对角阵，因此机构平台的输出速度与主动关节的输入速度之间存在一一对应的控制关系，大大减少了各分支运动链之间的相互影响，解决了普通并联机构存在的解耦性差、工作空间小、控制难度大等问题。在工业机器人、并联机床、航空航天等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：1、定平台，2、动平台，L1、第一分支运动链，L2、第二分支运动链，C1、第一圆柱副，C2、第二圆柱副，P1、第一移动副，P2、第二移动副，Ⅰ-1、第一连杆，Ⅰ-2、第二连杆，Ⅰ- 3、T形连杆，U1、第一万向铰，U2、第二万向铰，R1、第一转动副，R2、第二转动副，Ⅱ-1、第三连杆，Ⅱ-2、第四连杆。
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。
本发明的二自由度纯转动并联机构由定平台1、动平台2以及连接两平台之间的两条分支运动链L1、L2组成。其中，第一分支运动链L1为混合运动链，由一个第一圆柱副C1、一个第一移动副P1和一个第一万向铰U1构成的单开链与第一转动副R1形成的闭回路并串联第二转动副R2而成，其中第一移动副P1分别通过第一连杆Ⅰ-1和第二连杆Ⅰ-2与第一圆柱副C1和第一万向铰U1的一端相连，第一万向铰U1的另一端、第一转动副R1和第二转动副R2同时与T形连杆Ⅰ-3相连，可控制动平台2绕第一分支运动链L1的第一转动副R1的转动轴线做翻转运动。
此外，第一分支运动链L1中的第一圆柱副C1的轴线与第一万向铰U1中和第二连杆Ⅰ-2相连的转动轴线U1-1平行且垂直于第一移动副P1的移动轴线，第一转动副R1的转动轴线与第一万向铰U1中和T形连杆Ⅰ-3相连的转动轴线U1-2平行且垂直于第二转动副R2的转动轴线，而第一万向铰U1中的转动轴线U1-1和转动轴线U1-2相互垂直。
第二分支运动链L2为单开链，由一个第二圆柱副C2、一个第二移动副P2和一个第二万向铰U2组成，可控制动平台2绕第一分支运动链L1的第二转动副R2的转动轴线做翻转运动，其中第二移动副P2分别通过第三连杆Ⅱ-1和第四连杆Ⅱ-2与第二圆柱副C2和第二万向铰U2相连，第二圆柱副C2的轴线与第二万向铰U2中和第四连杆Ⅱ-2相连的转动轴线U2-1平行且垂直于第二移动副P2的移动轴线。
所述第一分支运动链L1中的第一圆柱副C1、第一转动副R1和第二分支运动链L2中的第二圆柱副C2安装于定平台1上，而第一圆柱副C1的轴线为竖直轴线，第一转动副R1的转动轴线与第二圆柱副C2的轴线为水平轴线，第二分支运动链L2中的第二圆柱副C2的轴线与第一分支运动链L1中的第一转动副R1的转动轴线平行，且同时垂直于第一分支运动链L1中的第一圆柱副C1的轴线。第一分支运动链L1中的第二转动副R2与第二分支运动链L2中第二万向铰U2安装于机构动平台2上，且第一分支运动链L1中的第二转动副R2的转动轴线平行于所述第二万向铰U2中与动平台2相连的转动轴线U2-2。
另外，第一分支运动链L1与第二分支运动链L2中的第一圆柱副C1以及第二圆柱副C2为主动副，且以两圆柱副C1、C2的线性输入为机构的主动输入。

Claims (2)

1.一种二自由度纯转动并联机构，其特征在于：包括动平台、定平台以及连接两平台的第一分支运动链和第二分支运动链，第一分支运动链为混合运动链，第二分支运动链为单开链；
第一分支运动链由闭回路结构和第二转动副串联而成，所述闭回路结构由一个第一圆柱副、一个第一移动副和一个第一万向铰构成的单开链结构与一个第一转动副形成，以实现动平台绕第一转动副轴线做翻转运动；所述第一圆柱副和第一转动副均安装在所述定平台上，第一圆柱副的轴线为竖直方向，且第一转动副的转动轴线为水平方向；所述第一移动副分别通过第一连杆和第二连杆与第一圆柱副以及第一万向铰的一端连接，第一万向铰的另一端、第一转动副和第二转动副分别安装在T形连杆的端部；所述第一万向铰具有两个相垂直的转动轴线，与第二连杆相连的第一万向铰的转动轴线与第一圆柱副的轴线平行且垂直于移动副的移动轴线，与T形连杆相连的第一万向铰的转动轴线和第一转动副的转动轴线平行且垂直于第二转动副的转动轴线，第二转动副安装在所述的动平台上；
第二分支运动链由一个第二圆柱副、一个第二移动副和一个第二万向铰组成，所述第二圆柱副安装在所述定平台上，且第二圆柱副的轴线和第一转动副的转动轴线平行，且同时垂直于第一圆柱副的轴线，所述第二万向铰安装在所述动平台上，并具有两个相垂直的转动轴线，第二移动副分别通过第三连杆和第四连杆连接第二圆柱副和第二万向铰，与第四连杆相连的第二万向铰转动轴线平行于第二圆柱副的轴线且与第二移动副的移动轴线垂直，与动平台相连的第二万向铰转动轴线平行于第二转动副的转动轴线，以实现动平台绕第二转动副的转动轴线做翻转运动。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度纯转动并联机构，其特征在于：所述第一分支运动链中的第一圆柱副以及所述第二分支运动链中的第二圆柱副为主动副，且以两圆柱副的线性输入为机构的主动输入。
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