CN103217986A - 具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，包括有固定基座、运动平台和运动支链；其中，运动支链又包括两种不同类型的运动支链；数目不同、类型不同的运动支链和固定基座及运动平台可以组成十二种具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构；每种机构可以实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚转动；每种并联机构各运动支链间相对位置可依据具体使用要求采用非对称布置。本发明的优点为：机构刚度大、承载能力强，结构种类多，每种结构均可实现二自由度等径球面纯滚转动，机构中只含转动副，结构简单，易于制造，传感器等附件安装方便。

Description

具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构

技术领域

本发明涉及一种具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，属于机器人、精密仪器和设备以及机械制造领域。

背景技术

并联机构自出现以来，因其具有刚度大、精度高、承载能力强、运动惯量小等特点，广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。在并联机构的应用中，少自由度并联机构应用最广，尤其在机器人关节、空间指向及对接装置、负载模拟仿真设备等领域具有相当高的应用价值。如：公开号为US4651589中公开的基于三自由度多铰链并联机构专利，被成功用作具有两个转动自由度的并联雷达追踪器(Canterbury SatelliteTracker)；公开号为US5893296与公开号为WO99/21070中公开的一种四支链的二自由度并联转动机构，并被成功用作娱乐喷泉等装置；公开号为US7478576与公开号为US7472622中公开的一种三支链的二自由度并联转动机构。

在一类特殊的应用场合，如，空间追踪及指向装置对机构所占据的空间有较强的限制，要求机构既要有较大的运动范围又要有较强的承载能力，普通的并联转动机构不易满足设计要求。具有球面纯滚性质的并联转动机构既具有常规并联机构刚度大、承载能力强等特点，又能实现较大的运动范围，在此类场合具有很好的应用价值。目前，国内尚无此类机构的相关研究成果；国外在此类机构的研究及应用过程了虽已取得了不错的成果，但新构型很少，不易推广应用；已有的机构中运动平台和基座均是平面型，不利于对运动空间进行规划设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具有等径球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，可实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚转动。且具有安装传感器、线缆等附件的空间，使本发明并联转动机构在应用时运动范围大且占据空间小，具有很好的包容性；同时本发明并联转动机构还具有较大的刚度、较强的承载能力，可以广泛应用于机器人手腕、空间指向及对准装置、医疗手术装置、娱乐设施等领域。

所述球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，包括固定基座、运动平台和运动支链；

所述固定基座为至少三个一端相交于N点的定轴构成的一体结构，各个定轴的另一端具有转动副连接轴，且各个定轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，0＜θ≤90°，由此使各个定轴向上倾斜设置。

所述运动平台为至少三个一端相交于M点的动轴构成的一体结构，各个动轴的另一端具有转动副连接端，且各个动轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，由此使各个动轴向下倾斜设置。

固定基座中的定轴与运动平台中的动轴间通过至少三个运动支链相连；所述运动支链包括上连杆、中连杆和下连杆；上连杆与下连杆一端开有贯穿前后两侧的转动副连接孔，另一端外侧具有转动副连接轴；中连杆两端均向前侧或后侧弯折，两端均开有贯穿前后两侧的转动副连接孔；上述上连杆与下连杆均位于中连杆的前侧或后侧；其中，上连杆一端转动副连接孔与运动基座上动轴的转动副连接端连接，形成转动副；上连杆另一端转动副连接轴与中连杆一端的转动副连接孔连接，形成转动副；下连杆一端转动副连接孔与固定基座上定轴的转动副连接端相连接，形成转动副；下连杆另一端转动副连接轴与中连杆另一端的转动副连接孔连接，形成转动副。

上述结构满足以下三点：

1、上连杆和运动平台间的转动副转动轴线，与上连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点B；

2、下连杆和固定基座间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点C；

3、上连杆和中连杆间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点A。

同时运动支链还需满足A、B和C三点构成的三角形ABC为A、B间距离与A、C间距离相等的等腰三角形；且在运动支链与固定基座、运动平台连接后：点B与点M重合，点C与点N重合。

由此通过旋转上连杆会产生两种运动支链构型，具体为：

构型A运动支链：上连杆与下连杆位于中连杆左侧或右侧；

构型B运动支链：下连杆与下连杆分别位于中连杆左右两侧。

本发明的优点在于：

（1）本发明二自由度并联机构在运动平台和固定基座间可以设置多个运动支链，使机构具有较大的刚度和较强的承载能力；

（2）本发明二自由度并联机构能实现运动平台可以绕固定基座实现二自由度球面纯滚转动；

（3）本发明二自由度并联机构可在固定基座上方形成一个虚拟空间，可用于容纳传感器等附件；

（4）本发明二自由度并联机构中只含有转动副，结构简单，易于制造；

（5）本发明二自由度并联机构可以实现多种组合，可按照实际需求选择合适的机构进行应用。

附图说明

图1为本发明并联机构中固定基座结构示意图；

图2为本发明并联机构中运动平台结构示意图；

图3为本发明并联机构中构型A运动支链的结构示意图；

图4为本发明并联机构中构型B运动支链的结构示意图；

图5为本发明实施例1的结构示意图；

图6为本发明实施例2的结构示意图；

图7为本发明实施例3的结构示意图；

图8为本发明实施例4的结构示意图；

图9为本发明实施例5的结构示意图；

图10为本发明实施例6的结构示意图；

图11为本发明实施例7的结构示意图；

图12为本发明实施例8的结构示意图；

图13为本发明实施例9的结构示意图；

图14为本发明实施例10的结构示意图；

图15为本发明实施例11的结构示意图；

图16为本发明实施例12的结构示意图。

图中：

1-固定基座   2-运动平台  3-运动支链  101-定轴

201-动轴     301-下连杆  302-中连杆  303-上连杆

具体实施方式

下面将结合附图所示和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，包括固定基座1、运动平台2和运动支链3；固定基座1与运动平台2位于上下位置，并通过运动支链3相连；

所述固定基座1为至少三个一端相交于N点的定轴101构成的一体结构，如图1所示，各个定轴101的另一端具有转动副连接轴，且各个定轴101与过N点的竖直中心线夹角为θ，0＜θ≤90°，由此使各个定轴101向上倾斜设置。上述固定基座1底部位于N点处设计为定位面，可用来与外界固定面间的定位，或固定外部设备（传感器等附件）。

所述运动平台2为至少三个一端相交于M点的动轴201构成的一体结构，如图2所示，各个动轴201的另一端具有转动副连接端，且各个动轴201与过M点的竖直中心线夹角同样为θ，由此使各个动轴201向下倾斜设置。上述运动平台2顶部位于M点处设计为安装面，用来安装外部设备（传感器等附件）。

固定基座1中的定轴101与运动平台2中的动轴201间通过至少三个运动支链3相连，即固定基座1中至少有三个动轴201分别通过三个运动支链3与三个定轴101相连。如图3所示，所述运动支链3包括上连杆303、中连杆302和下连杆301；上连杆303与下连杆301均向内弯折，形成L型连杆结构，一端开有贯穿前后两侧的转动副连接孔，另一端外侧具有转动副连接轴；中连杆302两端均向前侧或后侧弯折，形成梯形连杆结构；中连杆302两端均具有贯穿前后两侧的转动副连接孔。上述上连杆303与下连杆301均位于中连杆302的前侧或后侧；其中，上连杆303一端转动副连接孔与运动基座上动轴201的转动副连接端连接，形成转动副；上连杆303另一端转动副连接轴与中连杆302一端的转动副连接孔连接，形成转动副；下连杆301一端转动副连接孔与固定基座1上定轴101的转动副连接端相连接，形成转动副；下连杆301另一端转动副连接轴与中连杆302另一端的转动副连接孔连接，形成转动副；中连杆302的弯折方向朝向连接后的二自由度并联转动机构整体外侧。

由此通过上述结构可满足以下三点：

1、上连杆303和运动平台2间的转动副转动轴线，与上连杆303和中连杆302间的转动副转动轴线共面且相交于点B；

2、下连杆301和固定基座1间的转动副转动轴线，与下连杆301和中连杆302间的转动副转动轴线共面且相交于点C；

3、上连杆303和中连杆302间的转动副转动轴线，与下连杆301和中连杆302间的转动副转动轴线共面且相交于点A。

同时运动支链3还需满足A、B和C三点构成的三角形ABC为A、B间距离与A、C间距离相等的等腰三角形；且在运动支链3连接后点B与点M重合，点C与点N重合。

受上述条件的约束，通过旋转上连杆303会产生两种运动支链3构型，具体为：

构型A运动支链3：上连杆303与下连杆301位于中连杆302左侧或右侧，如图3所示；

构型B运动支链3：下连杆303与下连杆301分别位于中连杆302左右两侧，如图4所示。

实践应用过程中，设置在固定基座1与运动平台2间的传感器结构会有所不同，主要包括扁平状和长柱状两类：扁平状传感器不需要很大的转动范围，但需要较大的容腔；长柱状传感器需要较大的转动范围，但所需容腔不大；因此在固定基座1的定位面与运动平台2的安装面间的位置具有两种情况，且针对这两种情况，分别采用上述运动支链3构型A与构型B，便可在稳固定位传感器的基础上，实现二自由度并联转动，具体为：

情况一：针对适合扁平状传感器的定位，固定基座1的定位面与运动平台2的安装面相对或同相设置，此时采用构型A运动支链3进行固定基座1与运动平台2间的连接；

情况二：针对长柱状传感器的定位，固定基座1的定位面与运动平台2的安装面反向设置，此时采用构型B运动支链3进行固定基座1与运动平台2间的连接；

本发明的具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，使运动平台2可实现绕固定基座1做二自由度等径球面纯滚转动，固定基座1与运动平台2间可形成一定的空间来安装传感器等附件。

实施例：

下述各个实施例的每个并联转动机构中固定基座1和运动平台2之间的运动支链3相同，同为构型A运动支链3或者构型B运动支链3；由此本发明具有以下12种典型结构，分别对12种结构进行说明：

实施例1：

如图5所示，二自由度并联转动机构包括固定基座1、运动平台2和构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均具有三个对称分布的转动副连接轴；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面相对设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例2：

如图6所示，包括固定基座1、运动平台2和三个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有三个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面反向设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例3：

如图7所示，包括固定基座1、运动平台2和三个构型B运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有三个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面同向设置；每个构型B运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例4：

如图8所示，包括固定基座1、运动平台2和四个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有四个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面相对设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例5：

如图9所示，包括固定基座1、运动平台2和四个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有四个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面反向设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例6：

如图10所示，包括固定基座1、运动平台2和个构型B运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有四个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面同向设置；每个构型B运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例7：

如图11所示，包括固定基座1、运动平台2和六个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有六个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面相对设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例8：

如图12所示，包括固定基座1、运动平台2和六个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有六个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面反向设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例9：

如图13所示，包括固定基座1、运动平台2和六个构型B运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有六个对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面同向设置；每个构型B运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例10：

如图14所示，包括固定基座1、运动平台2和三个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有三个非对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面相对设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例11：

如图15所示，包括固定基座1、运动平台2和三个构型A运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有三个非对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面反向设置；每个构型A运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

实施例12：

如图16所示，包括固定基座1、运动平台2和三个构型B运动支链3；固定基座1和运动平台2均含有三个非对称分布的转动副连接端；固定基座1中定位面与运动平台2中安装面同向设置；每个构型B运动支链3中上连杆303的转动副连接孔与运动平台2上的转动副连接轴连接，形成转动副；下连杆301的转动副连接孔与固定基座1上的转动副连接轴连接，形成转动副。

上述固定基座11中的定轴101夹角θ和运动平台2中的动轴201夹角θ均等于90度时，实施例1与实施例2结构等同，实施例4与实施例5结构等同，实施例7与实施例8结构等同，实施例10与实施例11结构等同。

Claims (6)

1.具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：包括固定基座、运动平台和运动支链；

所述固定基座为至少三个一端相交于N点的定轴构成的一体结构，各个定轴的另一端具有转动副连接轴，且各个定轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，0＜θ≤90°，由此使各个定轴向上倾斜设置；

所述运动平台为至少三个一端相交于M点的动轴构成的一体结构，各个动轴的另一端具有转动副连接端，且各个动轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，由此使各个动轴向下倾斜设置；

固定基座中的定轴与运动平台中的动轴间通过至少三个运动支链相连；所述运动支链包括上连杆、中连杆和下连杆；上连杆与下连杆一端开有贯穿前后两侧的转动副连接孔，另一端外侧具有转动副连接轴；中连杆两端均向前侧或后侧弯折，两端均开有贯穿前后两侧的转动副连接孔；上述上连杆与下连杆均位于中连杆的前侧或后侧；其中，上连杆一端转动副连接孔与运动基座上动轴的转动副连接端连接，形成转动副；上连杆另一端转动副连接轴与中连杆一端的转动副连接孔连接，形成转动副；下连杆一端转动副连接孔与固定基座上定轴的转动副连接端相连接，形成转动副；下连杆另一端转动副连接轴与中连杆另一端的转动副连接孔连接，形成转动副；上述结构满足以下三点：

1）、上连杆和运动平台间的转动副转动轴线，与上连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点B；

2）、下连杆和固定基座间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点C；

3）、上连杆和中连杆间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点A；

同时运动支链还需满足A、B和C三点构成的三角形ABC为A、B间距离与A、C间距离相等的等腰三角形；且在运动支链与固定基座、运动平台连接后点B与点M重合，点C与点N重合；

由此通过旋转上连杆会产生两种运动支链构型，具体为：

构型A运动支链：上连杆与下连杆位于中连杆左侧或右侧；

构型B运动支链：下连杆与下连杆分别位于中连杆左右两侧。

2.如权利要求1所述具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：所述上连杆与下连杆均向内弯折，形成L型连杆结构。

3.如权利要求1所述具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：所述固定基座底部位于N点处设计为定位面；运动平台顶部位于M点处设计为安装面。

4.如权利要求1所述具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：所述固定基座和运动平台之间的运动支链相同，同为构型A运动支链或者构型B运动支链。

5.如权利要求1或2所述具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：所述固定基座的定位面与运动平台的安装面相对或同相设置，此时采用构型A运动支链进行固定基座与运动平台间的连接。

6.如权利要求1或2所述具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，其特征在于：所述固定基座的定位面与运动平台的安装面反向设置，此时采用构型B运动支链进行固定基座与运动平台间的连接。

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