CN103433916B

CN103433916B - 二自由度等径球面纯滚并联转动机构

Info

Publication number: CN103433916B
Application number: CN201310337873.7A
Authority: CN
Inventors: 吴钪; 于靖军; 宗光华
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: CN103433916A

Abstract

本发明公开了一种二自由度等径球面纯滚并联转动机构，涉及机器人、精密仪器和设备以及机械制造技术领域。所述机构主要由运动平台、固定基座和运动支链构成，可以实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚并联转动。所述运动平台和固定基座间通过运动副连接三个以上运动支链，每个运动支链包含两个以上连杆；每个运动支链均为对称结构，包含两个或多个运动副，形成4个以上自由度。本发明提供的转动机构，运动平台工作空间大；结构紧凑；刚度大；机构不含冗余约束，运动支链间无相互内应力，精度稳定性高；结构简单，便于安装。这些优点使该转动机构在高性能指向装置领域会有广泛的应用。

Description

二自由度等径球面纯滚并联转动机构

技术领域

本发明涉及机器人、精密仪器和设备以及机械制造技术领域，具体涉及一种二自由度等径球面纯滚并联转动机构。

背景技术

二自由度转动机构已经在机械制造、汽车工业制造、航空航天制造、机器人等领域得到了广泛应用，包括机床主轴、汽车联轴节、航空指向平台等领域。随着技术发展，机构末端负载越来越大，传统二自由度转动机构已经不易满足设计要求；而二自由度并联转动机构因其具有刚度大、精度高、承载能力强、运动惯量小等特点，越来越受到关注并得到广泛应用。典型如，G.R.Dunlop基于三自由度多铰链并联机构专利(US4651589)设计了具有两个转动自由度的并联雷达追踪器(CanterburySatelliteTracker)；专利US5893296及WO99/21070公开了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；专利US7478576及US7472622均公开了一种三支链的二自由度并联转动机构。已公开的机构多为具有冗余约束的并联机构，机构的支链间有随平台姿态变化且不稳定的装配应力，在高速运动过程中，动态性能不好，精度稳定性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种二自由度等径球面纯滚并联转动机构，该类机构主要由运动平台、固定基座和运动支链构成，可以实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚并联转动。所述运动平台和固定基座间包含三个以上运动支链，每个运动支链包含两个以上连杆；每个运动支链均为对称结构，包含两个或多个运动副，形成4个以上自由度；每个运动支链的输入端通过运动副与固定基座相连，每个运动支链的输出端通过运动副与运动平台相连；各个运动支链间相对位置可以是关于中心对称的，如此，机构既美观且各运动支链间承载力均衡，应用寿命长。

本发明所述二自由度等径球面纯滚并联转动机构，所述每个运动支链关于对称面II对称，实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚并联转动；所述等径球面是指：假设A点与B点的连线的中点为C点，分别以A点和B点为球心，AC或BC为半径做球，两个球的公切面为对称面II；

所述A点由如下关系确定：当各运动支链与运动平台相连的运动副轴线共面时，A点位于各运动支链与运动平台相连的运动副轴线所形成的面中心；当各运动支链与运动平台相连的运动副轴线交于一公共点时，A点位于该公共点处；

所述B点由如下关系确定：当各运动支链与固定基座相连的运动副轴线共面时，B点位于各运动支链与固定基座相连的运动副轴线所形成的面中心；当各运动支链与固定基座相连的运动副轴线交于一公共点时，B点位于该公共点处。

该二自由度等径球面纯滚并联转动机构仅具有两个转动自由度，但具有多个驱动运动支链，可以实现冗余驱动，以保证在高负载情形下的输入力矩不足。具体实施时可以在每个运动支链与固定基座的连接运动副上安装驱动电机，负载低时只需其中两个驱动电机工作并输出力矩，其余剩下的驱动电机仅作位置随动；负载大时，所有驱动电机均参与工作并输出力矩，以确保在瞬时有足够的转动力矩驱动负载转动。

本发明提供的转动机构具有以下优点：

（1）运动平台工作空间大（一般为±60°，最大可达±90°）；（2）结构紧凑；（3）刚度大；（4）机构不含冗余约束，运动支链间无相互内应力，精度稳定性高；（5）结构简单，便于安装。这些优点使该转动机构在高性能指向装置领域会有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构整体结构示意图；

图2为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构中运动支链对称结构示意图；

图3为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第一实施例结构示意图；

图4为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第二实施例结构示意图；

图5为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第三实施例结构示意图；

图6为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第四实施例结构示意图；

图7为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第五实施例结构示意图；

图8为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第六实施例结构示意图；

图9为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第七实施例结构示意图；

图10为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第八实施例结构示意图；

图11为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第九实施例结构示意图；

图12为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第十实施例结构示意图；

图13为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第十一实施例结构示意图；

图14为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第十二实施例结构示意图；

图15为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第十三实施例结构示意图；

图16为本发明二自由度等径球面纯滚并联转动机构第十四实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

在所有实施例中，所述R_i表示一个转动副，P_i表示一个移动副，U_i表示一个含有两个相交转动轴线的万向节副，C_i表示一个圆柱副，Pa_i表示一个由四个转动副构成的平行四杆副，S_i表示一个球副，i为自然数。

本发明提供的二自由度等径球面纯滚并联转动机构，如图1所示，包括运动平台1、固定基座2、第一运动支链3、第二运动支链4、第三运动支链5；运动平台1与固定基座2通过运动副分别与第一运动支链3、第二运动支链4、第三运动支链5的两端相连。第一运动支链3、第二运动支链4、第三运动支链5（还可以包括第四运动支链6等更多的运动支链）可以是结构相同的运动支链，也可以仅部分运动支链结构相同。相同的运动支链间也可以有不同的结构尺寸，只要满足一定的条件即可。固定基座2可以安装在机床等设备的运动末端上或者执行机构上，运动平台1则安装旋转刀头或者目标传感器，如此，运动平台1可以实现相对与固定基座2的±60°，最大可达±90°的工作空间，即可以实现机械加工或者目标跟踪及检测等应用。

所述运动支链结构需要满足的条件为：每个运动支链中存在一个对称面II，运动支链中的运动副均关于该对称面II上下对称，如图2所示，转动副R₃与R₂的轴线延长线的交点D，转动副R₁与R₂的轴线延长线的交点E，转动副R₃与R₁的轴线的延长线的交点F，三个交点组成一个平面等腰三角形DEF，其中：D点为顶点，腰长DE等于腰长DF；穿过D点和C点且以底边EF为法线的垂直平分面称为对称面II。在运动平台1与固定基座2之间，所有运动支链的对称面II相互重合，构成一个公共的对称面。

所述的运动支链与运动平台1或者固定基座2之间的连接关系可以是转动副、移动副、万向节副或者圆柱副；也可以采用相同的运动副进行连接，以简化结构，节约制造成本。

所述的运动支链与运动平台1可以实现绕固定基座2的二自由度等径球面纯滚运动，如图1所示，A点和B点为两个半球的球心，C点为两个半球的接触点；运动平台1所在的半球的球心为A点，半径为A点与C点的距离L_AC；固定基座2所在的半球的球心为B点，半径为B点与C点的距离L_BC；且L_AC=L_BC；平面II为两个接触半球的过C点公切面，称为对称面II。本发明提供的二自由度等径球面纯滚并联转动机构在运动时，运动平台1就像固定在半球A上，固定基座2就像固定在半球B上，两个半球球面做无滑移的纯滚运动，两个半球接触点为C点，因此形成了运动平台1相对于固定基座2的等径球面纯滚并联转动。

所述球心A点由如下关系确定：当各运动支链与运动平台1相连的运动副轴线或中心共面时，A点位于各运动支链与运动平台1相连的运动副轴线或中心所形成的面中心；当各运动支链与运动平台1相连的运动副轴线交于一公共点时，A点位于该公共点处。

所述球心B点由如下关系确定：当各运动支链与固定基座2相连的运动副轴线或中心共面时，B点位于各运动支链与固定基座2相连的运动副轴线或中心所形成的面中心；当各运动支链与固定基座2相连的运动副轴线交于一公共点时，B点位于该公共点处。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例一如图3所示，包括运动平台101、固定基座102、第一运动支链103、第二运动支链104和第三运动支链105；运动平台101上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链构成三个转动副R₄、R₆和R₈，三个转动副轴线交于一公共点；固定基座102上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链构成三个转动副R₁、R₅和R₇，三个转动副轴线交于一公共点；第一运动支链103由三个连杆组成，包含有四个转动副，依次为R₁、R₂、R₃和R₄，转动副R₁和R₂构成下连杆，转动副R₂和R₃构成中连杆，R₃和R₄构成上连杆；R₁和固定基座102相连，R₄和运动平台101相连，转动副R₁和转动副R₂位于中连杆的两侧；第二运动支链104由两个连杆组成，包含三个运动副，依次为R₅、S₁和R₆，转动副R₅和球副S₁构成下连杆，转动副R₆和球副S₁构成上连杆，转动副R₅与固定基座102相连，转动副R₆与运动平台101相连，转动副R₅和转动副R₆位于球副S₁的两端；第三运动支链105由两个连杆组成，包含三个运动副，依次为R₇、S₂和R₈，转动副R₇和球副S₂构成下连杆，转动副R₈和球副S₂构成上连杆，转动副R₇与固定基座102相连，转动副R₈与运动平台101相连，转动副R₇和转动副R₈位于球副S₂的两端；其中，第一运动支链103中转动副R₂和转动副R₃的轴线交点，第二运动支链104中球副S₁的中心点以及第三运动支链105中球副S₂的中心点形成对称面II；

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例二如图4所示，包括运动平台201、固定基座202、第一运动支链203、第二运动支链204和第三运动支链205；运动平台201上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链构成三个转动副R₄、R₆和R₈，三个转动副轴线共面且两两相交；固定基座202上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链构成三个转动副R₁、R₅和R₇，三个转动副轴线共面且两两相交；第一运动支链203由三个连杆组成，包含有四个转动副，依次为R₁、R₂、R₃和R₄，转动副R₁和R₂构成下连杆，R₂和R₃构成中连杆，R₃和R₄构成上连杆；R₁和固定基座202相连，R₄和运动平台201相连；第二运动支链204由两个连杆组成，包含三个运动副，依次为R₅、S₁和R₆，转动副R₅和球副S₁构成下连杆，转动副R₆和球副S₁构成上连杆，转动副R₅与固定基座202相连，转动副R₆与运动平台201相连；第三运动支链205由两个连杆组成，包含三个运动副，依次为R₇、S₂和R₈，转动副R₇和球副S₂构成下连杆，转动副R₈和球副S₂构成上连杆，转动副R₇与固定基座202相连，转动副R₈与运动平台201相连；其中，第一运动支链203中转动副R₂和转动副R₃的轴线交点，第二运动支链204中球副S₁的中心点以及第三运动支链205中球副S₂的中心点形成对称面II；

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例三如图5所示，包括运动平台301、固定基座302、第一运动支链303、第二运动支链304、第三运动支链305和第四运动支链306；运动平台301上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链303、第二运动支链304、第三运动支链305）构成三个转动副R₂、R₄和R₆，三个转动副轴线共面且两两相交；固定基座302上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链303、第二运动支链304、第三运动支链305）构成三个转动副R₁、R₃和R₅，三个转动副轴线共面且两两相交；第一运动支链303、第二运动支链304以及第三运动支链305结构相似，均由两个连杆组成，但运动支链中连杆的长度可以依据具体应用背景选择不同尺寸；以第一运动支链303为例，包含有三个运动副，依次为R₁、S₂和R₂，转动副R₁和球副S₂构成下连杆，转动副R₂和球副S₂构成上连杆，转动副R₁与固定基座302相连，转动副R₂与运动平台301相连；第四运动支链306为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个运动副，依次为U₁和S₁；万向节副U₁和固定基座302相连，且万向节副U₁中心位于R₁、R₃和R₅轴线构成的平面上，球副S₁和运动平台301相连，且球副S₁中心位于R₂、R₄和R₆轴线构成的平面上；其中，第一运动支链303中球副S₂的中心点，第二运动支链304中球副S₃的中心点以及第三运动支链305中球副S₄的中心点形成对称面II；

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例四如图6所示，包括运动平台401、固定基座402、第一运动支链403、第二运动支链404、第三运动支链405和第四运动支链406；运动平台401上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链403、第二运动支链404、第三运动支链405）构成三个转动副R₂、R₄和R₆，三个转动副轴线交于一公共点；固定基座402上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链403、第二运动支链404、第三运动支链405）构成三个转动副R₁、R₃和R₅，三个转动副轴线交于一公共点；第一运动支链403、第二运动支链404以及第三运动支链405结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链403为例，包含有三个运动副，依次为R₁、S₂和R₂，转动副R₁和球副S₂构成下连杆，转动副R₂和球副S₂构成上连杆，转动副R₁与固定基座402相连，转动副R₂与运动平台401相连，转动副R₁和转动副R₂位于球副S₂的两端；第四运动支链406为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个运动副，依次为U₁和S₁；万向节副U₁和固定基座402相连，且中心位于R₁、R₃和R₅轴线的公共交点上，球副S₁和运动平台401相连，且中心位于R₂、R₄和R₆轴线的公共交点上；其中，第一运动支链403中球副S₂的中心点，第二运动支链404中球副S₃的中心点以及第三运动支链405中球副S₄的中心点形成对称面II；

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例五如图7所示，包括运动平台501、固定基座502、第一运动支链503、第二运动支链504、第三运动支链505和第四运动支链506；运动平台501上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链503、第二运动支链504、第三运动支链505）构成三个圆柱副C₂、C₆和C₄，三个圆柱副轴线交于一公共点；固定基座502上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链503、第二运动支链504、第三运动支链505）构成三个圆柱副C₁、C₅和C₃，三个圆柱副轴线交于一公共点；第一运动支链503、第二运动支链504以及第三运动支链505结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链503为例，包含有三个运动副，依次为C₁、R₁和C₂，转动副R₁和圆柱副C₁构成下连杆，转动副R₁和圆柱副C₂构成上连杆，圆柱副C₁与固定基座502相连，圆柱副C₂与运动平台501相连，圆柱副C₁和圆柱副C₂轴线共面且与转动副R₁交于一公共点；第四运动支链506为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座502相连，球副S₂和运动平台501相连；其中，第一运动支链503中转动副R₁的轴线，第二运动支链504中转动副R₂的轴线以及第三运动支链505中转动副R₃的轴线共面且形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例六如图8所示，包括运动平台601、固定基座602、第一运动支链603、第二运动支链604、第三运动支链605和第四运动支链606；运动平台601上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链603、第二运动支链604、第三运动支链605）构成三个圆柱副C₂、C₆和C₄，三个圆柱副轴线交于一公共点；固定基座602上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链603、第二运动支链604、第三运动支链605）构成三个圆柱副C₁、C₅和C₃，三个圆柱副轴线交于一公共点；第一运动支链603、第二运动支链604以及第三运动支链605结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链603为例，包含有三个运动副，依次为C₁、S₃和C₂，球副S₃和圆柱副C₁构成下连杆，球副S₃和圆柱副C₂构成上连杆，圆柱副C₁与固定基座602相连，圆柱副C₂与运动平台601相连，圆柱副C₁和圆柱副C₂轴线共面且交于球副S₃的中心点；第四运动支链606为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座602相连，球副S₂和运动平台601相连；其中，第一运动支链603中球副S₃的中心点，第二运动支链604中球副S₅的中心点以及第三运动支链605中球副S₄的中心点形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例七如图9所示，包括运动平台701、固定基座702、第一运动支链703、第二运动支链704、第三运动支链705和第四运动支链706；运动平台701上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链703、第二运动支链704、第三运动支链705）构成三个移动副P₂、P₆和P₄，三个移动副轴线交于一公共点；固定基座702上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链703、第二运动支链704、第三运动支链705）构成三个移动副P₁、P₅和P₃，三个移动副轴线交于一公共点；第一运动支链703、第二运动支链704以及第三运动支链705结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链703为例，包含有三个运动副，依次为P₁、S₃和P₂，球副S₃和移动副P₁构成下连杆，球副S₃和移动副P₂构成上连杆，移动副P₁与固定基座702相连，移动副P₂与运动平台701相连，移动副P₁和移动副P₂轴线共面且交于球副S₃的中心点；第四运动支链706为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座702相连，球副S₂和运动平台701相连；其中，第一运动支链703中球副S₃的中心点，第二运动支链704中球副S₅的中心点以及第三运动支链705中球副S₄的中心点形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例八如图10所示，包括运动平台801、固定基座802、第一运动支链803、第二运动支链804、第三运动支链805和第四运动支链806；运动平台801上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链803、第二运动支链804、第三运动支链805）构成三个转动副R₃、R₉和R₆，三个转动副轴线交于一公共点；固定基座802上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链803、第二运动支链804、第三运动支链805）构成三个转动副R₁、R₇和R₄，三个转动副轴线交于一公共点；第一运动支链803、第二运动支链804以及第三运动支链805结构相似，均由四个连杆组成；以第一运动支链803为例，包含有五个运动副，依次为R₁、P₁、R₂、P₂和R₃，转动副R₁和移动副P₁构成下连杆，转动副R₂和移动副P₁构成中连杆一，转动副R₂和移动副P₂构成中连杆二，转动副R₃和移动副P₂构成上连杆，转动副R₁与固定基座802相连，转动副R₃与运动平台801相连，移动副P₁和移动副P₂轴线共面且与转动副R₂交于一公共点；第四运动支链806为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座802相连，球副S₂和运动平台801相连；其中，第一运动支链803中转动副R₂的轴线，第二运动支链804中转动副R₈的轴线以及第三运动支链805中转动副R₅的轴线共面且形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例九如图11所示，包括运动平台901、固定基座902、第一运动支链903、第二运动支链904、第三运动支链905和第四运动支链906；运动平台901上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链903、第二运动支链904、第三运动支链905）构成三个圆柱副C₁、C₃和C₂，三个圆柱副轴线交于一公共点；固定基座902上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链903、第二运动支链904、第三运动支链905）构成三个移动副P₁、P₃和P₂，三个移动副轴线交于一公共点；第一运动支链903、第二运动支链904以及第三运动支链905结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链903为例，包含有三个运动副，依次为P₁、S₃和C₁，球副S₃和移动副P₁构成下连杆，球副S₃和圆柱副C₁构成上连杆，移动副P₁与固定基座902相连，圆柱副C₁与运动平台901相连，移动副P₁和圆柱副C₁轴线共面且交于球副S₃的中心点；第四运动支链906为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座902相连，球副S₂和运动平台901相连；其中，第一运动支链903中球副S₃的中心点，第二运动支链904中球副S₅的中心点以及第三运动支链905中球副S₄的中心点形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例十如图12所示，包括运动平台1001、固定基座1002、第一运动支链1003、第二运动支链1004、第三运动支链1005和第四运动支链1006；运动平台1001上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1003、第二运动支链1004、第三运动支链1005）构成三个圆柱副C₁、C₃和C₂，三个圆柱副轴线交于一公共点；固定基座1002上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1003、第二运动支链1004、第三运动支链1005）构成三个移动副P₁、P₃和P₂，三个移动副轴线交于一公共点；第一运动支链1003、第二运动支链1004以及第三运动支链1005结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链1003为例，包含有三个运动副，依次为P₁、U₁和C₁，万向节副U₁和移动副P₁构成下连杆，万向节副U₁和圆柱副C₁构成上连杆，移动副P₁与固定基座1002相连，圆柱副C₁与运动平台1001相连，移动副P₁和圆柱副C₁轴线共面且交于万向节副U₁的中心点；第四运动支链1006为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座1002相连，球副S₂和运动平台1001相连；其中，第一运动支链1003中万向节副U₁的中心点，第二运动支链1004中万向节副U₃的中心点以及第三运动支链1005中万向节副U₂的中心点形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例十一如图13所示，包括运动平台1101、固定基座1102、第一运动支链1103、第二运动支链1104、第三运动支链1105和第四运动支链1106；运动平台1101上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1103、第二运动支链1104、第三运动支链1105）构成三个移动副P₂、P₆和P₄，三个移动副轴线交于一公共点；固定基座1102上设有三个移动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1103、第二运动支链1104、第三运动支链1105）构成三个移动副P₁、P₅和P₃，三个移动副轴线交于一公共点；第一运动支链1103、第二运动支链1104以及第三运动支链1105结构相似，均由四个连杆组成；以第一运动支链1103为例，包含有五个运动副，依次为P₁、R₁、R₂、R₃和P₂，转动副R₁和移动副P₁构成下连杆，转动球副R₂和转动副R₁构成中连杆一，转动副R₂和转动副R₃构成中连杆二，转动副R₃和移动副P₂构成上连杆，转动副R₁、R₂和R₃的轴线交于R₂轴线上一公共点，移动副P₁与固定基座1102相连，移动副P₂与运动平台1101相连，移动副P₁和移动副P₂轴线共面且交于转动副R₁、R₂和R₃轴线的公共点；第四运动支链1106为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座1102相连，球副S₂和运动平台1101相连；其中，第一运动支链1103中转动副R₂的轴线，第二运动支链1104中转动副R₈的轴线以及第三运动支链1105中转动副R₅的轴线形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例十二如图14所示，包括运动平台1201、固定基座1202、第一运动支链1203、第二运动支链1204、第三运动支链1205和第四运动支链1206；运动平台1201上设有三个万向节副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1203、第二运动支链1204、第三运动支链1205）构成三个万向节副U₂、U₆和U₄；固定基座1202上设有三个万向节副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1203、第二运动支链1204、第三运动支链1205）构成三个万向节副U₁、U₅和U₃；第一运动支链1203、第二运动支链1204以及第三运动支链1205结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链1203为例，包含有三个运动副，依次为U₁、R₁和U₂，转动副R₁和万向节副U₁构成下连杆，转动副R₁和万向节副U₂构成上连杆，万向节副U₁与固定基座1202相连，万向节副U₂与运动平台1201相连；第四运动支链1206为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座1202相连，球副S₂和运动平台1201相连；其中，第一运动支链1203中转动副R₁的轴线，第二运动支链1204中转动副R₃的轴线以及第三运动支链1205中转动副R₂的轴线形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例十三如图15所示，包括运动平台1301、固定基座1302、第一运动支链1303、第二运动支链1304、第三运动支链1305和第四运动支链1306；运动平台1301上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1303、第二运动支链1304、第三运动支链1305）构成三个圆柱副C₂、C₆和C₄，三个圆柱副轴线交于一公共点；固定基座1302上设有三个圆柱副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1303、第二运动支链1304、第三运动支链1305）构成三个圆柱副C₁、C₅和C₃，三个圆柱副轴线交于一公共点；第一运动支链1303、第二运动支链1304以及第三运动支链1305结构相似，均由两个连杆组成；以第一运动支链1303为例，包含有三个运动副，依次为C₁、U₁和C₂，万向节副U₁和圆柱副C₁构成下连杆，万向节副U₁和圆柱副C₂构成上连杆，圆柱副C₁与固定基座1302相连，圆柱副C₂与运动平台1301相连，圆柱副C₁和圆柱副C₂轴线共面且交于万向节副U₁的中心点；第四运动支链1306为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座1302相连，球副S₂和运动平台1301相连；其中，第一运动支链1303中万向节副U₁的中心点，第二运动支链1304中万向节副U₃的中心点以及第三运动支链1305中万向节副U₂的中心点形成对称面II。

本发明的二自由度等径球面纯滚并联转动机构的实施例十四如图16所示，包括运动平台1401、固定基座1402、第一运动支链1403、第二运动支链1404、第三运动支链1405和第四运动支链1406；运动平台1401上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1403、第二运动支链1404、第三运动支链1405）构成三个转动副R₃、R₉和R₆，三个转动副轴线交于一公共点；固定基座1402上设有三个转动副连接端，分别和三个运动支链（第一运动支链1403、第二运动支链1404、第三运动支链1405）构成三个转动副R₁、R₇和R₄，三个转动副轴线交于一公共点；第一运动支链1403、第二运动支链1404以及第三运动支链1405结构相似，均由四个连杆组成；以第一运动支链1403为例，包含有五个运动副，依次为R₁、Pa₁、R₂、Pa₂和R₃，转动副R₁和平行四杆副Pa₁构成下连杆，转动副R₂和平行四杆副Pa₁构成中连杆一，转动副R₂和平行四杆副Pa₂构成中连杆二，转动副R₃和平行四杆副Pa₂构成上连杆，转动副R₁与固定基座1402相连，转动副R₃与运动平台1401相连，平行四杆副Pa₁和平行四杆副Pa₂轴线共面且与转动副R₂交于一公共点；第四运动支链1406为中心支链，仅由一个连杆组成，包含两个球副，依次为S₁和S₂；球副S₁和固定基座1402相连，球副S₂和运动平台1401相连；其中，第一运动支链1403中转动副R₂的轴线，第二运动支链1404中转动副R₈的轴线以及第三运动支链1405中转动副R₅的轴线形成对称面II。

上述实施例三和实施例四的第四运动支链也可以采用两端均为球副S的中心运动支链；

上述实施例五、实施例六、实施例七、实施例八、实施例九、实施例十、实施例十一、实施例十二、实施例十三和实施例十四的第四运动支链也可以采用一端为球副S，另一端为万向节副U的中心运动支链；

上述实施例六、实施例九和实施例十三中运动支链含有冗余自由度，有利于并联机构的安装及装配；

上述实施例中相似的运动支链可以有不相同的连杆尺寸，只要满足同一运动支链中连杆尺寸关于对称面对称条件即可；

上述实施例中每个运动支链均含有一个对称面，且每个实施例中的各个运动支链对称面相互重合。

Claims

1.二自由度等径球面纯滚并联转动机构，其特征在于：所述机构由运动平台、固定基座和运动支链构成，所述运动平台和固定基座间通过运动副连接三个以上运动支链，所述每个运动支链关于对称面II对称，实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚并联转动；所述等径球面是指：假设A点与B点的连线的中点为C点，分别以A点和B点为球心，AC或BC为半径做球，两个球的公切面为对称面II；

所述B点由如下关系确定：当各运动支链与固定基座相连的运动副轴线共面时，B点位于各运动支链与固定基座相连的运动副轴线所形成的面中心；当各运动支链与固定基座相连的运动副轴线交于一公共点时，B点位于该公共点处；

所述每个运动支链包含两个以上连杆，包含三个以上运动副，形成4个以上自由度；

所述机构还包括一个中心支链，所述中心支链为通过运动副连接在A点与B点之间的连杆，所述运动副为球副或者万向节副；

在每个运动支链与固定基座的连接运动副上安装驱动电机；

所述运动支链与运动平台或者固定基座之间的运动副为转动副、移动副、万向节副或者圆柱副中的一种以上；

所述三个以上运动支链之间为中心对称结构；

所述三个以上运动支链由一种以上下述的运动支链组合而成，具体为：

第一种，运动支链由三个连杆组成，包含有四个转动副，依次为R₁、R₂、R₃和R₄，转动副R₁和R₂构成下连杆，转动副R₂和R₃构成中连杆，R₃和R₄构成上连杆；

第二种，运动支链由两个连杆组成，包含三个运动副，依次为R₁、S₁和R₂，转动副R₁和球副S₁构成下连杆，转动副R₂和球副S₁构成上连杆；

第三种，运动支链由两个连杆组成，包含有三个运动副，依次为C₁、R₁和C₂，转动副R₁和圆柱副C₁构成下连杆，转动副R₁和圆柱副C₂构成上连杆；

第四种，运动支链由两个连杆组成，包含有三个运动副，依次为C₁、S₁和C₂，球副S₁和圆柱副C₁构成下连杆，球副S₁和圆柱副C₂构成上连杆；

第五种，运动支链由两个连杆组成，包含有三个运动副，依次为P₁、S₁和P₂，球副S₁和移动副P₁构成下连杆，球副S₁和移动副P₂构成上连杆；

第六种，运动支链由四个连杆组成，包含有五个运动副，依次为R₁、P₁、R₂、P₂和R₃，转动副R₁和移动副P₁构成下连杆，转动副R₂和移动副P₁构成中连杆一，转动副R₂和移动副P₂构成中连杆二，转动副R₃和移动副P₂构成上连杆；

第七种，运动支链由四个连杆组成，包含有五个运动副，依次为P₁、R₁、R₂、R₃和P₂，转动副R₁和移动副P₁构成下连杆，转动球副R₂和转动副R₁构成中连杆一，转动副R₂和转动副R₃构成中连杆二，转动副R₃和移动副P₂构成上连杆；

第八种，构成机构的运动支链由两个连杆组成，包含有三个运动副，依次为U₁、R₁和U₂，转动副R₁和万向节副U₁构成下连杆，转动副R₁和万向节副U₂构成上连杆；

第九种，运动支链由两个连杆组成，包含有三个运动副，依次为C₁、U₁和C₂，万向节副U₁和圆柱副C₁构成下连杆，万向节副U₁和圆柱副C₂构成上连杆；

第十种，运动支链由四个连杆组成，包含有五个运动副，依次为R₁、Pa₁、R₂、Pa₂和R₃，转动副R₁和平行四杆副Pa₁构成下连杆，转动副R₂和平行四杆副Pa₁构成中连杆一，转动副R₂和平行四杆副Pa₂构成中连杆二，转动副R₃和平行四杆副Pa₂构成上连杆；

所述R_i表示一个转动副，P_i表示一个移动副，U_i表示一个含有两个相交转动轴线的万向节副，C_i表示一个圆柱副，Pa_i表示一个由四个转动副构成的平行四杆副，S_i表示一个球副，i为自然数。