CN105881509B - 具有单自由度移动的双正四面体叠加对称耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有单自由度移动的双正四面体叠加对称耦合机构，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，选择将这两个正四面体各自包含的正三角形面重合，得到新的空间多面体。该机构分支结构简单并且对称，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，将正三角形构件形式的基座和动平台用一种正四边形节点构件和二副杆构件耦合连接得到，整个机构以连接基座和动平台的几何中心的直线为对称轴，前期装配和后期维修简单方便具有良好的应用前景。

Description

具有单自由度移动的双正四面体叠加对称耦合机构

技术领域

本发明基于两个正四面体叠加的多面体的对称结构发展的一种具有单自由度移动的多环耦合机构，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的双正四面体叠加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即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重合点B’、C’和D’，用两个正三角形构件代替A和A’，用六个含有两个转动副的连杆代替空间多面体的六条棱边AB、AC、AD、A’B’、A’C’和A’D’，下述方案的含有两个转动副的连杆简称为连杆，用三个两杆三转动副杆组代替重合的棱边BC或B’C’，CD或C’D’以及BD或B’D’，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，用六个连杆和三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；每个杆组由两个连杆串联得到，所述连杆均为包含两个连接转动副的连接杆件，并且这两个转动副轴线相平行；

该机构包括机架D1、动平台M1以及连接机架与动平台的三条分支和三个耦合杆组；三条分支包括第一分支、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条分支连接，三条分支和三个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每条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N1、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R1、第一节点构件的第一转动副R11、第一节点构件的第四转动副R14、动平台第一转动副R41；机架的第一转动副R1与第一节点构件的第一转动副R11通过第一连杆L1连接，第一节点构件的第四转动副R14与动平台第一转动副R41通过第二连杆L2连接；

第二分支包括机架的第二转动副R2、第二节点构件的第一转动副R21、第二节点构件的第四转动副R24、动平台第二转动副R42；机架的第二转动副R2与第二节点构件的第一转动副R21通过第三连杆L3连接，第二节点构件的第四转动副R24与动平台第二转动副R42通过第四连杆L4连接；

第三分支包括机架的第三转动副R3、第三节点构件的第一转动副R31、第三节点构件的第四转动副R34、动平台第三转动副R43；机架的第三转动副R3与第三节点构件的第一转动副R31通过第五连杆L5连接，第三节点构件的第四转动副R34与动平台第三转动副R43通过第六连杆L6连接。

选择正三角形构件M1为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副R41连接到动平台M1，第二分支通过动平台的第二转动副R42连接到动平台M1，第三分支通过动平台的第三转动副R43连接到动平台M1，所述三个分支并联到动平台M1上；另外，第一节点构件N1和第二节点构件N2之间通过第一耦合杆组G1耦合连接，第二节点构件N2和第三节点构件N3之间通过第二耦合杆组G2耦合连接，第三节点构件N3和第一节点构件N1之间通过第三耦合杆组G3耦合连接；其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链-R13-R4-R22-，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-R33-R6-R12-。

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，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，将正三角形构件形式的基座和动平台用一种正四边形节点构件和二副杆构件耦合连接得到，整个机构以连接基座和动平台的几何中心的直线为对称轴，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，该机构内部结构可以看作是由六个组成完全相同的环状结构拼接得到的网状结构，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，具有向心运动趋势，并且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叠加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AB’C’D’A’。

图2为基于空间多面体结构框架的单自由度移动六环对称耦合机构的示意图。

图中：D1、机架 N1、节点构件一 N2、节点构件二 N3、节点构件三 M1、动平台 R1、机架的第一转动副 R2、机架的第二转动副 R3、机架的第三转动副 R11、节点构件一的第一转动副 R12、节点构件一的第二转动副 R13、节点构件一的第三转动副 R14、节点构件一的第四转动副 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、动平台的第一转动副 R42、动平台的第二转动副 R43、动平台的第三转动副 L1、第一连杆L2、第二连杆 L3、第三连杆 L4、第四连杆 L5、第五连杆 L6、第六连杆 R4、第一耦合杆组G1中连接R13和R22的中间转动副 R5、第二耦合杆组G2中连接R23和R32的中间转动副 R6、第三耦合杆组G3中连接R33和R12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R1、第一节点构件的第一转动副R11、第一节点构件的第四转动副R14、动平台第一转动副R41；机架的第一转动副R1与第一节点构件的第一转动副R11通过第一连杆L1连接，第一节点构件的第四转动副R14与动平台第一转动副R41通过第二连杆L2连接；

第二分支包括机架的第二转动副R2、第二节点构件的第一转动副R21、第二节点构件的第四转动副R24、动平台第二转动副R42；机架的第二转动副R2与第二节点构件的第一转动副R21通过第三连杆L3连接，第二节点构件的第四转动副R24与动平台第二转动副R42通过第四连杆L4连接；

第三分支包括机架的第三转动副R3、第三节点构件的第一转动副R31、第三节点构件的第四转动副R34、动平台第三转动副R43；机架的第三转动副R3与第三节点构件的第一转动副R31通过第五连杆L5连接，第三节点构件的第四转动副R34与动平台第三转动副R43通过第六连杆L6连接。

选择正三角形构件M1为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副R41连接到动平台M1，第二分支通过动平台的第二转动副R42连接到动平台M1，第三分支通过动平台的第三转动副R43连接到动平台M1，所述三个分支并联到动平台M1上；另外，第一节点构件N1和第二节点构件N2之间通过第一耦合杆组G1耦合连接，第二节点构件N2和第三节点构件N3之间通过第二耦合杆组G2耦合连接，第三节点构件N3和第一节点构件N1之间通过第三耦合杆组G3耦合连接；其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链-R13-R4-R22-，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-R33-R6-R12-。

Claims (2)

1.具有单自由度移动的双正四面体叠加对称耦合机构，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即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重合点B’、C’和D’，用两个正三角形构件代替A和A’，用六个含有两个转动副的连杆代替空间多面体的六条棱边AB、AC、AD、A’B’、A’C’和A’D’，下述方案的含有两个转动副的连杆简称为连杆，用三个两杆三转动副杆组代替重合的棱边BC或B’C’，CD或C’D’以及BD或B’D’，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，用六个连杆和三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；每个杆组由两个连杆串联得到，所述连杆均为包含两个连接转动副的连接杆件，并且这两个转动副轴线相平行；

该机构包括机架D1、动平台M1以及连接机架与动平台的三条分支和三个耦合杆组；三条分支包括第一分支、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条分支连接，三条分支和三个耦合杆组间隔连接形成网状耦合结构，将每条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N1、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R1、第一节点构件的第一转动副R11、第一节点构件的第四转动副R14、动平台第一转动副R41；机架的第一转动副R1与第一节点构件的第一转动副R11通过第一连杆L1连接，第一节点构件的第四转动副R14与动平台第一转动副R41通过第二连杆L2连接；

第二分支包括机架的第二转动副R2、第二节点构件的第一转动副R21、第二节点构件的第四转动副R24、动平台第二转动副R42；机架的第二转动副R2与第二节点构件的第一转动副R21通过第三连杆L3连接，第二节点构件的第四转动副R24与动平台第二转动副R42通过第四连杆L4连接；

第三分支包括机架的第三转动副R3、第三节点构件的第一转动副R31、第三节点构件的第四转动副R34、动平台第三转动副R43；机架的第三转动副R3与第三节点构件的第一转动副R31通过第五连杆L5连接，第三节点构件的第四转动副R34与动平台第三转动副R43通过第六连杆L6连接。

2.根据权利要求1所述的具有单自由度移动的双正四面体叠加对称耦合机构，其特征在于：选择正三角形构件M1为动平台，第一分支通过动平台的第一转动副R41连接到动平台M1，第二分支通过动平台的第二转动副R42连接到动平台M1，第三分支通过动平台的第三转动副R43连接到动平台M1，所述三个分支并联到动平台M1上；另外，第一节点构件N1和第二节点构件N2之间通过第一耦合杆组G1耦合连接，第二节点构件N2和第三节点构件N3之间通过第二耦合杆组G2耦合连接，第三节点构件N3和第一节点构件N1之间通过第三耦合杆组G3耦合连接；其中第一耦合杆组表示为简单运动运动链-R13-R4-R22-，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-R33-R6-R12-。