CN104626100B - 一种含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构 - Google Patents

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一种含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构，它包括动平台、机座、上横轴、下横轴、2个RPR(转动副-移动副-转动副)型直线驱动分支、1个SPS(球副-移动副-球副)型直线驱动分支和1个SP(球副-移动副)型中间直线被动分支。上、下横轴分别与动平台和机座转动副联接，2个RPR型分支上、下端分别与上、下横轴两端转动副联接，4个转动副轴线相互平行，构成1个平面闭环双驱动支链；SPS型分支上、下端分别与机座和动平台球副联接；SP型分支的圆柱杆上端与动平台垂直固连，圆柱杆中部与球体中心孔滑动配合，球体与机座中心球副联接。本发明结构简单、承载力大、刚度高，圆柱杆下端与不同工具联接，可构造多种装备。

Description

一种含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构
技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种并联机构。
背景技术
近20年来三自由度并联机构一直成为国内外机器人领域研究的热点和前沿。目前瑞典的(含UP被动分支)3SPS+UP型，德国的(含4U平行子链)Delta型，Tsai的三平动3UPU型，Hunt的3RPS型，黄田的2SPS+UP型和3PRS型，燕山大学路懿的3SPR型等一些三自由度并联机构已成功用于制造并联机床，医疗设备，微机电设备，多维力并联传感器等。近年来有关三自由度并联机构的中国授权发明专利如下：CN101844307A公布了一种驱动冗余三自由度并联机构；CN102069393A公布了用于虚轴机床和机器人的三自由度并联机构；CN102366896A公布了一种具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构；CN102380771A公布了高刚度冗余驱动三自由度并联机构；CN102366896B公布了具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构。以上公布的机构包括三个驱动分支，无中间被动分支。CN101025247公布一种运动解耦的空间三自由度并联机构；CN101791804A公布一种对称两转一移三自由度并联机构；上述两机构包括三个空间分支。CN102962848A公开一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，该机构无平面分支。
上述三自由度并联机构各具特色，但没有将其用于制造直升机螺旋桨驱动装置、舰船螺旋桨驱动装置、炼钢扒渣机、采矿装备和修牙机器人的。如何利用三自由度并联机构就可实现直升机螺旋桨驱动主轴相对机身灵活快速转摆和伸缩运动，并承受大变化载荷；实现炼钢扒钢渣爪在盛钢桶开口处灵活快速转摆和伸缩除渣运动，并承受大变化载荷；实现修牙机器人的磨具在人的口腔处灵活、快速、精确转摆和伸缩。
发明内容：
本发明目的在于提供一种结构简单、输出杆转摆与伸缩运动灵活、工作空间大、刚度高、控制简单的含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构。
本发明包括动平台、机座、上横轴、下横轴、2个结构相同的RPR(转动副-移动副-转动副)型直线驱动分支、1个SPS(球副-移动副-球副)型直线驱动分支和1个SP(球副-移动副)型中间直线被动分支。其中，2个RPR型直线驱动分支在动平台与机座之间呈平面对称布置，并与SPS型直线驱动分支在动平台与机座之间呈圆周均布；SP型直线被动分支位于动平台与机座正中间。下横轴与机座的一侧转动联接，上横轴与机座同一侧的动平台的一侧转动联接。每个RPR型直线驱动分支包括上端转动副、中间移动副电动缸和下端转动副；2个RPR型分支的上端分别通过转动副与上横轴两端联接，其轴线相互平行，2个RPR型分支的下端分别通过转动副与下横轴两端联接，其轴线与上端转动副轴线平行；2个RPR型分支与上、下横轴构成一个平面闭环双驱动支链，其中的4个转动副轴线相互平行。SPS型直线分支包括上端球副、中间移动副电动缸和下端球副，其上、下端球副分别与动平台和机座联接。SP型直线分支包括圆柱杆和球套，圆柱杆的一端与动平台垂直固连，该圆柱杆的另一端穿过通过球套设在机座中心的球体的中心孔为自由端，圆柱杆中部与球套中心孔滑动配合，其圆柱杆的自由端能够与不同工具联接，可构造多种装备。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明机构拓扑图与已有的三自由度并联机构的拓扑图非同构，所以本发明拓扑图所得机构一定与已有三自由度并联机构有本质区别。
2、平面双驱动分支中的运动副都是转动副和移动副，具有承载拉和压力大的优势，可以通过预紧方式消除转动副间隙，提高运动精度。
3、中间分支可以有效消除现有三自由度并联机构的结构耦合导致的自微动。
4、整体结构简单，相对机座承载力大、刚度高，输出圆柱杆以三自由度形式实现既伸缩又可摇摆的复合运动，灵活性好，工作空间大。
5、输出杆末端能够和不同工具联接，能够满足升机螺旋桨、舰船螺旋桨、钢渣扒渣手爪、采矿钻头、铣削刀具、修牙磨具、手术刀和缝合针等三自由度伸缩和摇摆复合变化运动的要求，易于提高其运动灵活性能，有助于改善其运动受力状态。
6、所有驱动与控制单元都位于机座板的另一侧，易于人机相互安全防护。
附图说明
图1是本发明的立体示意简图。
图2是本发明的机构拓扑图。
图中：1-机座、2-动平台、3-下横轴、4-上横轴、5-RPR型直线驱动分支、6-SPS型直线驱动分支、7-圆柱杆、8-球体、9-螺旋桨。
具体实施方式
在图1所示的含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构示意图中，2个结构相同的RPR型直线驱动分支5在动平台2与机座1之间呈平面对称布置，并与SPS型直线驱动分支6在动平台与机座之间呈圆周均布；SP型直线被动分支位于动平台与机座正中间。下横轴3与机座的一侧转动联接，上横轴4与机座同一侧的动平台的一侧转动联接。每个RPR型直线驱动分支包括上端转动副、中间移动副电动缸和下端转动副；2个RPR型分支的上端分别通过转动副与上横轴两端联接，其轴线相互平行，2个RPR型分支的下端分别通过转动副与下横轴两端联接，其轴线与上端转动副轴线平行；2个RPR型分支与上、下横轴构成一个平面闭环双驱动支链，其中的4个转动副轴线相互平行。SPS型直线分支包括上端球副、中间移动副电动缸和下端球副，其上、下端球副分别与动平台和机座联接。SP型直线分支中的圆柱杆7的一端与动平台垂直固连，该圆柱杆另一端穿过通过球套设在机座中心的球体8的中心孔为自由端，圆柱杆中部与球套中心孔滑动配合，其圆柱杆的自由端能够与螺旋桨9联接，可构成直升机或舰船驱动装备。
本发明机构拓扑图包括4个三副杆，4个支链和13个两副杆，如图2所示。4个三副杆分别对应上平台，机座，上横轴和下横轴；含(2，3，6)个两副杆的支链分别对应(RPR，SP，SPS)型直线驱动分支。

Claims (1)

1.一种含平面分支和中间被动分支三自由度并联机构，主要包括动平台、机座、上横轴、下横轴、2个RPR型直线驱动分支、1个SPS型直线驱动分支和1个SP型中间直线被动分支，其特征在于：2个RPR型直线驱动分支在动平台与机座之间呈平面对称布置，并与SPS型直线驱动分支在动平台与机座之间呈圆周均布，SP型直线被动分支位于动平台与机座正中间，下横轴与机座的一侧转动联接，上横轴与机座同一侧的动平台的一侧转动联接；每个RPR型直线驱动分支包括上端转动副、中间移动副电动缸和下端转动副，2个RPR型直线驱动分支的上端分别通过转动副与上横轴两端联接，与上横轴连接的两个转动副的轴线相互平行，2个RPR型直线驱动分支的下端分别通过转动副与下横轴两端联接，与下横轴连接的两个转动副的轴线与上端转动副轴线平行；2个RPR型直线驱动分支与上、下横轴构成一个平面闭环双驱动支链；SPS型直线驱动分支包括上端球副、中间移动副电动缸和下端球副，其上、下端球副分别与动平台和机座联接；SP型直线驱动分支包括圆柱杆和球套，圆柱杆的一端与动平台垂直固连，该圆柱杆的另一端为自由端，该端穿过通过球套设在机座中心的球体的中心孔，圆柱杆中部与球套中心孔滑动配合，所述圆柱杆的自由端能够与不同工具联接，可构造多种装备。
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