CN102179807A - 可变自由度的并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可变自由度的并联机构，它包括固定平台和设置在固定平台上方的动平台，在固定平台和动平台之间均匀的连接有三条结构相同的运动链，每条运动链包括圆柱副连杆I，圆柱副连杆I的一端与圆柱副连杆II的一端通过圆柱副相连，圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端分别设置有一个可变构型虎克铰，两个可变构型虎克铰的环形件的外环侧壁分别与圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端固定相连，两个可变构型虎克铰的U形件连杆分别与固定平台和动平台固定相连。本发明的运动支链具有4、5、6自由度并在这三种自由度间任意改变的能力。并且本机构具有按任意两个1到6的数字之间改变自由度的能力。

Description

可变自由度的并联机构

技术领域

本发明涉及可用于基于串、并联机构的医疗机器人，仿生机器人，类人机器人，虚拟轴机床及其它需要变构型的机器人或机械设备的虎克铰，属于机器人机构研究领域，具体涉及一种可变自由度的并联机构。

背景技术

并联机构是由多个并行链构成的闭环运动***，即由多个运动链的一端同时与一个具有多个自由度的终端操作器相连而构成。并联机构始于Stewart-Gough并联平台，随后，由于其特有的优点，Hunt进一步将它推广为并联机器人机构。在此之后，许多机构学研究者都倡议使用这种并联机构。并联机构具有以下优点：较高的刚度重量比，刚度较大，结构稳定；较高的载荷重量比；误差小，精度高；容易实现高速运动；在位置求解上，正解困难反解却非常容易。并联机器人是机、电、计算机相结合的产物，其应用几乎涉及现代尖端技术的各个领域。如机器人、虚拟轴机床、运载工具模拟器、六维微调机构、空间位姿测量机、六维力矩测量器等。

目前，并联机构大多仍是以Stewart-Gough并联平台为基础的传统的并联机构，即由具有固定运动形式的运动链组成的具有固定构型和自由度的并联机构。虽然其结构形式和驱动方式在不断的变化，但其机构构型和自由度均不能变化。为了适应工业生产的多样化及社会需求的快速变化，具有可变构型和可变自由度的机器人在现代化及自动化的工业生产中已经成为一个重要的研究方向，如基于并联机构的虚拟轴机床制造***，随着个性化零件需求的增多，需要不断调整其构型和驱动自由度以节省能源。因此，目前急需开发一种具有可变自由度能力的并联机构，可以保持其优点并改变传统机构组装后具有固定的构型和自由度的情况，以适应现代化需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有随环境变化构型和自由度能力的可变自由度的并联机构。

本发明的可变自由度的并联机构，它包括固定平台和设置在所述的固定平台上方的动平台，在所述的固定平台和动平台之间均匀的连接有三条结构相同的运动链，每条运动链包括圆柱副连杆I，所述的圆柱副连杆I的一端与圆柱副连杆II的一端通过圆柱副相连，所述的圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端分别设置有一个可变构型虎克铰，每一个可变构型虎克铰包括带有长短轴的十字形连接件，一个U形件的两个顶部开口端各自通过轴承转动副与所述的带有长短轴的十字形连接件的长轴的两端分别转动相连，在所述的U形件的底部中间固定连接有一个U形件连杆，它还包括环形件，两个滑块各自通过滑块轴承转动副与所述的带有长短轴的十字形连接件的短轴的两端转动相连，所述的两滑块通过连接件能够固定连接在所述的环形件的内环侧壁任意位置上，两个可变构型虎克铰的环形件的外环侧壁分别与圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端固定相连，两个可变构型虎克铰的U形件连杆分别与固定平台和动平台固定相连。

与现有并联机器人机构相比，本发明提出的具有可变自由度的并联机构具有以下有益效果：

1.本发明通过引入可变构型虎克铰与圆柱副的特别装配，使得该并联机构的运动支链具有4、5、6自由度并在这三种自由度间任意改变的能力。

2.本发明通过引入可变构型虎克铰与圆柱副的特别装配的运动链，使得该机构具有按任意两个1到6的数字之间改变自由度的能力。

3.本发明通过引入可变构型虎克铰与圆柱副的特别装配的运动链，使得该机构具有以不同的调节构型实现任一小于6的自由度的能力。

4.本发明通过引入可变构型虎克铰，可以在保持机构自由度的同时改变并联机构的工作空间以适应不同的环境需求。

5.本发明专利对运动支链的几何装配保持了传统并联机构的所有优点。

6.本发明对于运动支链的对称分布给机构通过几何约束改变自由度提供了条件，同时也保持了传统对称并联机构的工作空间及其它运动特性对称的优点。

附图说明

图1为本发明的一种具有可变自由度的并联机构的总体结构示意图，此时机构具有6自由度；

图2为本发明的一种具有可变自由度的并联机构的各组成部分的示意图；

图3为本发明运动支链的各组成部分及6自由度构型的示意图；

图4-1、4-2和4-3为本发明运动支链具有5，4自由度时的不同构型；

图5、6、7、8、9和10为本发明可变自由度的并联机构具有5到1自由度的不同构型；

图11为图1中所示的可变构型虎克铰的总体结构示意图；

图12为图11中所示的虎克铰的各组成部分的示意图；

图13-1-13-2为图11中所示的虎克铰的两旋转自由度的运动形式；

图14为图11中所示的虎克铰的滑块沿环形件内槽转动改变旋转轴线的相对位置的运动形式；

图15-16为图11中所示的虎克铰的所特有的几种典型的构型形式。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

本发明基于变胞机构原理。

图1、图2分别为本发明一种可变自由度并联机构的总体结构示意图和各组成部分的示意图。本发明由固定平台1、运动链I2、运动链II3、运动链III4、动平台5等组成。

可变自由度的并联机构，它包括固定平台1和设置在所述的固定平台上方的动平台5，在所述的固定平台和动平台之间均匀的连接有三条结构相同的运动链(包括运动链I2、运动链II3和运动链III4)，每条运动链包括圆柱副连杆I1003，所述的圆柱副连杆I1003的一端与圆柱副连杆II1004的一端通过圆柱副相连，所述的圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端分别设置有一个可变构型虎克铰(包括可变构型虎克铰I101和可变构型虎克铰II102)，每一个可变构型虎克铰包括带有长短轴的十字形连接件112，一个U形件1001、1006的两个顶部开口端各自通过轴承转动副(U形件轴承201，轴承上通过轴承盖固定螺钉103设置有轴承盖1102)与所述的带有长短轴的十字形连接件的长轴的两端分别转动相连，在所述的U形件的底部中间固定连接有一个U形件连杆1101，它还包括环形件1002、1005，两个滑块113各自通过滑块轴承转动副301与所述的带有长短轴的十字形连接件112的短轴的两端转动相连，所述的两滑块通过连接件能够固定连接在所述的环形件的内环侧壁任意位置上，两个可变构型虎克铰的环形件的外环侧壁可以通过固定连接在环形件上的环形件连杆402分别与圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端固定相连或者两个可变构型虎克铰的环形件的外环侧壁可以分别直接与圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端固定相连。两个可变构型虎克铰(包括可变构型虎克铰I101和可变构型虎克铰II102)的U形件连杆分别与固定平台和动平台固定相连。

在使用中为了保持清洁，可变构型虎克铰的环形件可以通过端盖固定螺钉501与环形件端盖115固定连接。

优选的在所述的环形件的内环侧壁上沿其圆周方向上开有环形凹槽401，所述的两滑块113可以沿环形凹槽滑动并通过连接件能够固定连接在所述的环形凹槽内任意位置。这样可以使滑块位置调整方便，定位准确。环形件的环形凹槽与滑块构成以带有长短轴的十字形连接件的长轴为中心的转动副，滑块通过滑块固定螺栓502及滑块上的定位孔与环形件上的定位孔固定，从而固定滑块在环形件的环形凹槽中的位置。

图3为本发明的由可变构型虎克铰和圆柱副组成的运动链示意图。由于本发明的三条链的结构相同，因此图3所示为一个通用的运动链形式，对本发明的三条链均适用。运动链由可变构型虎克铰I101、圆柱副连杆I1003、圆柱副连杆II1004、可变构型虎克铰II102等组成。可变构型虎克铰I101的U形件1001与固定平台1固定连接。可变构型虎克铰I101的环形件1002与圆柱副连杆I1003的一端固定连接。圆柱副连杆I1003的另一端通过圆柱副与圆柱副连杆II1004的一端连接。圆柱副连杆II1004的另一端与可变构型虎克铰II102的环形件1005固定连接。可变构型虎克铰II102的U形件1006与动平台5固定连接。

图3所示，当运动链两端的两可变构型虎克铰I101和II102的环形件1002和1005的转动副轴线10021和10051均与连杆中间的圆柱副轴线不共线时，运动链具有6自由度(每个可变构型虎克铰具有两个自由度，圆柱副具有移动和转动两个自由度)。图4-1所示，在图3构型的基础上调节可变构型虎克铰I101的环形件1002的转动副轴线10021与连杆中间的圆柱副轴线共线时，运动链具有5自由度(可变构型虎克铰I101的沿带有长短轴的十字形连接件的短轴的自由度失去作用)。图4-2所示，在图3构型的基础上调节可变构型虎克铰II102的环形件1005的转动副轴线1005 1与连杆中间的圆柱副轴线共线时，运动链同样具有5自由度(可变构型虎克铰II102的沿带有长短轴的十字形连接件的短轴的自由度失去作用)。图4-3所示，当同时调节运动链两端的可变构型虎克铰I101和II102的环形件1002和1005的转动副轴线10021和10051与连杆中间的圆柱副轴线共线时，运动链具有4自由度(可变构型虎克铰II101和II102的沿带有长短轴的十字形连接件的短轴的自由度均失去作用)。

本发明可变自由度并联机构中，运动链I2、运动链II3、运动链III4对称分布，如图2所示，当三条运动链均处于图3所示的6自由度构型时，并联机构具有6个自由度(如图2所示坐标系oxyz，动平台5具有绕坐标轴x、y、z方向的三个转动和沿坐标轴x、y、z方向的三个平动的6个自由度，其中平动的自由度由平行于相应坐标轴的直线箭头表示，转动由绕相应坐标轴的旋转箭头表示。另外，坐标系oxyz的圆心o在固定平台1的几何中心，坐标轴x、y在固定平台1的平面内，且坐标轴x平行于运动链I2的可变构型虎克铰I101的带有长短轴的十字形连接件10021的长轴方向，坐标系oxyz的坐标轴z垂直于固定平台1的平面，以下图中坐标系的建立均按照此方式)。图5所示，在图1构型基础上，调节运动链I2到图4-I所示5自由度构型，并联机构具有5个自由度(动平台5具有绕坐标轴x、y、z方向的三个转动和沿坐标轴y、z方向的两个平动的5个自由度，其中沿运动链I2的可变构型虎克铰I101的带有长短轴的十字形连接件10021的长轴方向，即沿坐标轴x方向的移动被限制)。图6所示，在图5构型基础上，调节运动链II3到图4-1所示5自由度构型，并联机构具有4个自由度(动平台5具有绕坐标轴x、y、z方向的三个转动和沿坐标轴z方向的一个平动的4个自由度，其中沿坐标轴x、y方向的移动被限制)。图7所示，在图6构型基础上，调节运动链III4到图4-1所示5自由度构型，并联机构具有3个自由度(动平台5具有绕坐标轴x、y方向的两个转动和沿坐标轴z方向的一个平动的3个自由度，其中沿坐标轴z方向的转动和沿坐标轴x、y方向的移动被限制)。图8所示，在图7构型基础上，调节运动链I2到图4-3所示4自由度构型，并联机构具有2个自由度(动平台5具有绕坐标轴x、y方向的两个转动的2自由度，沿坐标轴z方向的转动和沿坐标轴x、y、z方向的移动被限制，但是当此机构处于动平台5与固定平台1平行且三个支链长度相等的状态时，动平台将增加一个沿坐标轴z方向的移动自由度而变为3自由度，此时机构可以沿坐标轴z方向做移动运动而保持其与固定平台1的平行状态，一旦动平台5旋转则转变回2旋转自由度，因此该机构的运动具有分叉现象，即一边是保持动平台5与固定平台1平行且三个支链长度相等的沿坐标轴z方向的移动运动，另一边是绕坐标轴x、y方向的两个转动运动)。图9所示，在图8构型基础上，调节运动链II3到图4-3所示4自由度构型，并联机构具有1个自由度(动平台5具有沿坐标轴z方向的移动的一个自由度，绕坐标轴x、y、z方向的三个转动及沿坐标轴x、y方向的移动被限制)。图10所示，在图9构型基础上，调节运动链III4到图4-3所示4自由度构型，并联机构仍具有1个自由度(该自由度与图9所示构型的自由度相同，即动平台5具有沿坐标轴z方向的移动的一个自由度，绕坐标轴x、y、z方向的三个转动及沿坐标轴x、y方向的移动被限制)。

以上构型变换过程只是其中一种过程以演示该机构的使用方法以及自由度变化。如，类似图5所示，在图1构型基础上，调节运动链II3或III4到图4-1所示5自由度构型或调节运动链I2或II3或III4到图4-2所示5自由度构型，并联机构同样具有5自由度。在图1基础上，当调节运动链I2或II3或III4到图4-3所示4自由度构型，并联机构具有4自由度。由此，该并联机构个自由度构型将有数种调节方法，其中5自由度有6种实现构型，4自由度有15种构型，3自由度有20种构型，2自由度有15种构型，1自由度有7种构型。另外，该机构的自由度不需要一个自由度一个自由度调节，可以从6自由度一步到1自由度或任意两个1到6的自由度间转换。

本并联机构保持了传统并联机构的所有优点，可用于需要变自由度的机器人或机械设备的执行机构。在使用过程中，固定平台可以与基座相连，动平台可以与操作器如机械手、夹持器、加工刀具等相连。本发明机构的驱动可以选择每条链的圆柱副或连接在固定平台上的可变构型虎克铰的转动副，具体的驱动部分不属于本发明的范畴，在此不再赘述。

下面再结合图11-16对可变构型虎克铰的运动方式加以详细说明：

如图13-1、图13-2所示，当滑块113固定在环形件的环形凹槽401中的一个位置后，U形件连杆1101与环形件连杆402具有绕带有长短轴的十字形连接件112的长短轴转动的两自由度相对运动，环形件连杆402与带有长短轴的十字形连接件112的短轴具有固定的相对位置。如图14所示，当滑块113沿环形件的环形凹槽401旋转任意角度到另一个位置固定后，环形件连杆402与带有长短轴的十字形连接件112的短轴将会有新的相对位置，U形件连杆1101与环形件连杆402绕带有长短轴的十字形连接件112的长短轴转动的两自由度相对运动的工作空间也有所变化。

由此在传统的虎克铰的基础上，本发明通过增加一个带有环形凹槽的环形件与滑块113形成的转动副实现了带有环形凹槽的环形件的转动副轴线(带有长短轴的十字形连接件112的短轴)相对环形件连杆402任意调整的功能。当把该铰链通过U形件连杆1101和环形件连杆402装配到机器人机构中后，可以通过调整带有长短轴的十字形连接件112的短轴来改变铰链的带有环形凹槽的环形件的转动副轴线相对于环形件连杆402的方向，从而改变该铰链所在机构支链的几何约束状态及整个机构的自由度，使机构具有可变构型和变自由度的功能。

图15、图16所示为本发明的两个典型构型。其中图15所示，带有环形凹槽的环形件的转动副轴线(带有长短轴的十字形连接件112的短轴)与环形件连杆402互相垂直，此构型与传统虎克铰相似。图16所示，带有环形凹槽的环形件的转动副轴线(带有长短轴的十字形连接件112的短轴)与环形件连杆402共线，此为一特殊构型，传统虎克铰没有见过类似构型。本发明中，带有环形凹槽的环形件的转动副轴线(带有长短轴的十字形连接件112的短轴)与环形件连杆402可以成任意角度，如图14所示为一任意位置，因此，可以根据实际需要改变此位置。

Claims (2)

1.可变自由度的并联机构，它包括固定平台和设置在所述的固定平台上方的动平台，在所述的固定平台和动平台之间均匀的连接有三条结构相同的运动链，其特征在于：每条运动链包括圆柱副连杆I，所述的圆柱副连杆I的一端与圆柱副连杆II的一端通过圆柱副相连，所述的圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端分别设置有一个可变构型虎克铰，每一个可变构型虎克铰包括带有长短轴的十字形连接件，一个U形件的两个顶部开口端各自通过轴承转动副与所述的带有长短轴的十字形连接件的长轴的两端分别转动相连，在所述的U形件的底部中间固定连接有一个U形件连杆，它还包括环形件，两个滑块各自通过滑块轴承转动副与所述的带有长短轴的十字形连接件的短轴的两端转动相连，所述的两滑块通过连接件能够固定连接在所述的环形件的内环侧壁任意位置上，两个可变构型虎克铰的环形件的外环侧壁分别与圆柱副连杆I和圆柱副连杆II的另一端固定相连，两个可变构型虎克铰的U形件连杆分别与固定平台和动平台固定相连。

2.根据权利要求1所述的可变自由度的并联机构，其特征在于：在所述的环形件的内环侧壁上沿其圆周方向上开有环形凹槽，所述的两滑块能够沿环形凹槽滑动并通过连接件固定连接在所述的环形凹槽内任意位置。

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