CN105538301B - 单自由度移动多环对称耦合机构 - Google Patents

单自由度移动多环对称耦合机构 Download PDF

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Abstract

单自由度移动多环对称耦合机构，根据空间多面体ABCDA’的所有棱边和顶点的几何结构特点，用九个杆组连接两个正三角形构件和三个正四边形构件得到耦合机构。每个正三角形构件上的三个转动副轴线均位于三角形平面内，且相邻轴线之间的夹角均为60°。每个正四边形构件的四个转动副轴线均位于构件本身所在平面内，且相邻转动副轴线相互垂直，对边轴线相互平行。每个杆组由两个二副杆串联得到，所述二副杆均为结构相同的同一类连接杆件，每个二副杆包含的两个连接运动副均为转动副，并且这两个转动副轴线相平行。该机构具有刚度大，承载能力强，运动平稳，结构简单，装配和维修方便的特点，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。

Description

单自由度移动多环对称耦合机构
技术领域
本发明是一种对称耦合机构，涉及机构学应用技术领域，尤其涉及了一种具有单自由度移动的机器人执行机构。
背景技术
随着机构由简单向复杂、平面向空间、单环向多环的不断发展，机构创新始终是机器装备创新的关键和研究热点。在一些高强度、重载场合，用工业机械臂代替人力劳动的现象十分普遍。这些场合往往要求机械臂的执行机构强度高，结构简单，成本低，维修方便，并且末端执行构件运动平稳，容易控制的特点。现有的并联机构具有承载能力强，刚度大，惯性低等优点，但是工作空间有限；串联机构工作空间大，结构简单灵巧，但强度低，不适用于重载场合；混联机构将串联与并联机构进行有效的复合，同时突破各自结构的缺点，但是混联机构的机架和末端执行器间的连接通常是以在并联机构上添加一个连接上下平台的串联机械手的形式存在，这就使整个机构获得较大工作空间的同时，自身的体积不够灵巧轻便，这给机构的装配，运输以及执行带来不便。
发明内容
基于以上背景，本发明提供了一种可作为移动机器人执行机构的单自由度移动对称耦合机构，该机构具有刚度大，承载能力强，运动平稳，结构简单，装配和维修方便的特点，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
为实现上述目的，本发明基于正多面体结构组成框架的特点，采用一种具有单自由度移动对称耦合机构的技术方案。根据组成正多面体几何要素的特点，选择两个结构尺寸完全相同的正四面体ABCD和A’B’C’D’，选择将这两个正四面体各自包含的正三角形面BCD和B’C’D’重合，得到新的空间多面体ABCDA’或A B’C’D’A’，其中B与B’重合、C与C’重合、D与D’重合。用三个正四边形构件分别代替B’、C’和D’，用正三角形构件代替A和A’，用九个两杆三转动副杆组代替空间多面体的九条棱边，下述方案的两杆三转动副杆组简称为杆组；根据空间多面体ABCDA’的所有棱边和顶点的几何结构特点，用九个杆组连接两个正三角形构件和三个正四边形构件得到耦合机构。每个正三角形构件上的三个转动副轴线均位于三角形平面内，且相邻轴线之间的夹角均为60°。每个正四边形构件的四个转动副轴线均位于构件本身所在平面内，且相邻转动副轴线相互垂直，对边轴线相互平行。每个杆组由两个二副杆串联得到，所述二副杆均为结构相同的同一类连接杆件，每个二副杆包含的两个连接运动副均为转动副，并且这两个转动副轴线相平行。
该机构包括机架(N1)、动平台(N5)以及连接机架与动平台的三条分支和三个耦合杆组。三个分支包括第一分支、第二分支、第三分支。三个耦合杆组包括第一耦合杆组、第二耦合杆组、第三耦合杆组。每个耦合杆组与其中两个分支连接，三个分支和三个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每个分支中连接耦合杆组的三个正四边形构件均定义为节点构件，分别为第一节点构件(N4)、第二节点构件(N2)和第三节点构件(N3)。
第一分支包括机架的第一转动副(R11)、第一杆组(L1)、节点构件一的第一转动副(R41)、节点构件一的第四转动副(R44)、第七杆组(L7)、动平台第一转动副(R51)；第一杆组(L1)与机架(N1)通过机架的第一转动副(R11)连接，第一杆组(L1)与节点构件一(N4)通过节点构件一的第一转动副(R41)连接，第七杆组(L7)与节点构件一(N4)通过节点构件一的第四转动副(R44)连接；其中第一杆组(L1)的组成表示为简单串联运动链-R11-R1-R41-，第七杆组(L7)的组成表示为简单串联运动链-R44-R7-R51-。
第二分支包括机架的第二转动副(R12)、第二杆组(L2)、节点构件二的第二转动副(R22)、节点构件二的第四转动副(R24)、第八杆组(L8)、动平台第二转动副(R52)；第二杆组(L2)与机架(N1)通过机架的第二转动副(R12)连接，第二杆组(L2)与节点构件二(N2)通过节点构件二的第二转动副(R22)连接，第八杆组(L8)与节点构件二(N2)通过节点构件二的第四转动副(R24)连接；其中第二杆组(L2)的组成表示为简单串联运动链-R12-R2-R22-，第八杆组(L8)的组成表示为简单串联运动链-R24-R8-R52-。
第三分支包括机架的第三转动副(R13)、第三杆组(L3)、节点构件三的第三转动副(R33)、节点构件三的第四转动副(R34)、第九杆组(L9)、动平台第三转动副(R53)；第三杆组(L3)与机架(N1)通过机架的第三转动副(R13)连接，第三杆组(L3)与节点构件三(N3)通过节点构件三的第三转动副(R33)连接，第九杆组(L9)与节点构件三(N3)通过节点构件三的第四转动副(R34)连接；其中，第三杆组(L3)的组成表示为简单串联运动链-R13-R3-R33-，第九杆组(L9)的组成表示为简单串联运动链-R34-R9-R53-。
选择正三角形构件(N5)为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副(R51)连接到动平台(N5)，第二分支通过动平台的第二转动副(R52)连接到动平台(N5)，第三分支通过动平台的第三转动副(R53)连接到动平台(N5)，所述三个分支并联到动平台(N5)上。另外，第一分支节点构件一(N4)和第二分支节点构件二(N2)之间通过第一耦合杆组(M1)耦合连接，第二分支节点构件二(N2)和第三分支节点构件三(N3)之间通过第二耦合杆组(M2)耦合连接，第三分支节点构件三(N3)和第一分支节点构件一(N4)之间通过第三耦合杆组(M3)耦合连接。其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链(-R42-R4-R21-)，第二耦合杆组表示为简单运动运动链(-R23-R5-R32-)，第三耦合杆组表示为简单运动运动链(-R31-R6-R43-)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该机构分支结构简单并且对称，仅有两种形式的节点构件和二副杆构件装配得到，并且整个机构框架基于两个正四面体组合得到的空间多面体结构组成，前期装配和后期维修简单方便；
2、与实现同样运动性质的机构相比，该机构内部结构呈多环网状结构，兼备串并联机构的优点，具有承载力高，刚度大以及工作空间大等特点，适用于重载机械臂的执行机构；
3、该机构具有单自由度移动运动性质，做特定方向的伸缩运动，根据工作条件及环境需求伸展收拢，便于运输，能更好的适应特殊场合，有良好的应用前景。
附图说明
图1为将两个完全相同的正四面体组合得到的空间多面体结构示意图。
图中：A、B、C、D为一个正四面体的4个顶点，A’、B’、C’、D’为另一个正四面体的4个顶点，使B与B’重合、C与C’重合、D与D’重合得到新的空间多面体ABCDA’或A B’C’D’A’。
图2为基于空间多面体结构框架的单自由度移动多环对称耦合机构的示意图。
图中：N1、机架 N4、节点构件一 N2、节点构件二 N3、节点构件三 N5、动平台 R11、机架的第一转动副 R12、机架的第二转动副 R13、机架的第三转动副 R21、节点构件二的第一转动副 R22、节点构件二的第二转动副 R23、节点构件二的第三转动副 R24、节点构件二的第四转动副 R31、节点构件三的第一转动副 R32、节点构件三的第二转动副 R33、节点构件三的第三转动副 R34、节点构件三的第四转动副 R41、节点构件一的第一转动副 R42、节点构件一的第二转动副 R43、节点构件一的第三转动副 R44、节点构件一的第四转动副R51、动平台的第一转动副 R52、动平台的第二转动副 R53、动平台的第三转动副 R1、杆组一(L1)中连接R11和R41的中间转动副 R2、杆组二(L2)中连接R12和R22的中间转动副 R3、杆组三(L3)中连接R13和R33的中间转动副 R4、耦合杆组一(M1)中连接R21和R42的中间转动副 R5、耦合杆组二(M2)中连接R23和R32的中间转动副 R6、耦合杆组三(M3)中连接R31和R43的中间转动副 R7、杆组七(L7)中连接R44和R51的中间转动副 R8、杆组八(L8)中连接R24和R52的中间转动副 R9、杆组九(L9)中连接R34和R53的中间转动副。
具体实施方式
如图2所示，第一分支包括机架的第一转动副(R11)、第一杆组(L1)、节点构件一的第一转动副(R41)、节点构件一的第四转动副(R44)、第七杆组(L7)、动平台第一转动副(R51)；第一杆组(L1)与机架(N1)通过机架的第一转动副(R11)连接，第一杆组(L1)与节点构件一(N4)通过节点构件一的第一转动副(R41)连接，第七杆组(L7)与节点构件一(N4)通过节点构件一的第四转动副(R44)连接；其中第一杆组(L1)的组成表示为简单串联运动链-R11-R1-R41-，第七杆组(L7)的组成表示为简单串联运动链-R44-R7-R51-。
第二分支包括机架的第二转动副(R12)、第二杆组(L2)、节点构件二的第二转动副(R22)、节点构件二的第四转动副(R24)、第八杆组(L8)、动平台第二转动副(R52)；第二杆组(L2)与机架(N1)通过机架的第二转动副(R12)连接，第二杆组(L2)与节点构件二(N2)通过节点构件二的第二转动副(R22)连接，第八杆组(L8)与节点构件二(N2)通过节点构件二的第四转动副(R24)连接；其中第二杆组(L2)的组成表示为简单串联运动链-R12-R2-R22-，第八杆组(L8)的组成表示为简单串联运动链-R24-R8-R52-。
第三分支包括机架的第三转动副(R13)、第三杆组(L3)、节点构件三的第三转动副(R33)、节点构件三的第四转动副(R34)、第九杆组(L9)、动平台第三转动副(R53)；第三杆组(L3)与机架(N1)通过机架的第三转动副(R13)连接，第三杆组(L3)与节点构件三(N3)通过节点构件三的第三转动副(R33)连接，第九杆组(L9)与节点构件三(N3)通过节点构件三的第四转动副(R34)连接；其中第三杆组(L3)的组成表示为简单串联运动链-R13-R3-R33-，第九杆组(L9)的组成表示为简单串联运动链-R34-R9-R53-。
选择正三角形构件(N5)为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副(R51)连接到动平台(N5)，第二分支通过动平台的第二转动副(R52)连接到动平台(N5)，第三分支通过动平台的第三转动副(R53)连接到动平台(N5)，所述三个分支并联到动平台(N5)上。另外，第一分支节点构件一(N4)和第二分支节点构件二(N2)之间通过第一耦合杆组(M1)耦合连接，第二分支节点构件二(N2)和第三分支节点构件三(N3)之间通过第二耦合杆组(M2)耦合连接，第三分支节点构件三(N3)和第一分支节点构件一(N4)之间通过第三耦合杆组(M3)耦合连接。其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链(-R42-R4-R21-)，第二耦合杆组表示为简单运动运动链(-R23-R5-R32-)，第三耦合杆组表示为简单运动运动链(-R31-R6-R43-)。

Claims (6)

1.单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：根据组成正多面体几何要素的特点，选择两个结构尺寸完全相同的正四面体ABCD和A’B’C’D’，选择将这两个正四面体各自包含的正三角形面BCD和B’C’D’重合，得到新的空间多面体ABCDA’或A B’C’D’A’，其中B与B’重合、C与C’重合、D与D’重合；用三个正四边形构件分别代替B’、C’和D’，用正三角形构件代替A和A’，用九个两杆三转动副杆组代替空间多面体的九条棱边，下述方案的两杆三转动副杆组简称为杆组；根据空间多面体ABCDA’的所有棱边和顶点的几何结构特点，用九个杆组连接两个正三角形构件和三个正四边形构件得到耦合机构；每个正三角形构件上的三个转动副轴线均位于三角形平面内，且相邻轴线之间的夹角均为60°；每个正四边形构件的四个转动副轴线均位于构件本身所在平面内，且相邻转动副轴线相互垂直，对边轴线相互平行；每个杆组由两个二副杆串联得到，所述二副杆均为结构相同的同一类连接杆件，每个二副杆包含的两个连接运动副均为转动副，并且这两个转动副轴线相平行。
2.根据权利要求1所述的单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：该机构包括机架N1、动平台N5以及连接机架与动平台的三条分支和三个耦合杆组；三个分支包括第一分支、第二分支、第三分支；三个耦合杆组包括第一耦合杆组、第二耦合杆组、第三耦合杆组；每个耦合杆组与其中两个分支连接，三个分支和三个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每个分支中连接耦合杆组的三个正四边形构件均定义为节点构件，分别为第一节点构件N4、第二节点构件N2和第三节点构件N3。
3.根据权利要求2所述的单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：第一分支包括机架的第一转动副R11、第一杆组L1、节点构件一的第一转动副R41、节点构件一的第四转动副R44、第七杆组L7、动平台第一转动副R51；第 一杆组L1与机架N1通过机架的第一转动副R11连接，第一杆组L1与节点构件一N4通过节点构件一的第一转动副R41连接，第七杆组L7与节点构件一N4通过节点构件一的第四转动副R44连接；其中第一杆组L1的组成表示为串联运动链：-R11-R1-R41-，其中，R1表示杆组一L1中连接R11和R41的中间转动副，第七杆组L7的组成表示为串联运动链：-R44-R7-R51-，其中，R7表示杆组七L7中连接R44和R51的中间转动副。
4.根据权利要求2所述的单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：第二分支包括机架的第二转动副R12、第二杆组L2、节点构件二的第二转动副R22、节点构件二的第四转动副R24、第八杆组L8、动平台第二转动副R52；第二杆组L2与机架N1通过机架的第二转动副R12连接，第二杆组L2与节点构件二N2通过节点构件二的第二转动副R22连接，第八杆组L8与节点构件二N2通过节点构件二的第四转动副R24连接；其中第二杆组L2的组成表示为串联运动链：-R12-R2-R22-，其中，R2表示杆组二L2中连接R12和R22的中间转动副；第八杆组L8的组成表示为串联运动链-R24-R8-R52-，其中，R8表示杆组八L8中连接R24和R52的中间转动副。
5.根据权利要求2所述的单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：第三分支包括机架的第三转动副R13、第三杆组L3、节点构件三的第三转动副R33、节点构件三的第四转动副R34、第九杆组L9、动平台第三转动副R53；第三杆组L3与机架N1通过机架的第三转动副R13连接，第三杆组L3与节点构件三N3通过节点构件三的第三转动副R33连接，第九杆组L9与节点构件三N3通过节点构件三的第四转动副R34连接；其中，第三杆组L3的组成表示为串联运动链：-R13-R3-R33-，其中，R3表示杆组三L3中连接R13和R33的中间转动副；第九杆组L9的组成表示为串联运动链：-R34-R9-R53-，其中，R9表示杆组九L9中连接R34和R53的中间转动副。
6.根据权利要求2所述的单自由度移动多环对称耦合机构，其特征在于：选择正三角形构件N5为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副R51连接到动平台N5，第二分支通过动平台的第二转动副R52连接到动平台N5，第三分支通过动平台的第三转动副R53连接到动平台N5，所述三个分支并联到动平台N5上；另外，第一分支节点构件一N4和第二分支节点构件二N2之间通过第一耦合杆组M1耦合连接，第二分支节点构件二N2和第三分支节点构件三N3之间通过第二耦合杆组M2耦合连接，第三分支节点构件三N3和第一分支节点构件一N4之间通过第三耦合杆组M3耦合连接；其中第一耦合杆组表示为运动链：-R42-R4-R21-，其中，R4表示耦合杆组一M1中连接R21和R42的中间转动副；第二耦合杆组表示为运动链：-R23-R5-R32-，其中，R5表示耦合杆组二M2中连接R23和R32的中间转动副；第三耦合杆组表示为运动链：-R31-R6-R43-，其中，R6表示耦合杆组三M3中连接R31和R43的中间转动副。
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