CN106426109B - 可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，包括机座（1）和动平台（4）以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链；其特征在于所述第一运动支链包括移动副(20)，旋转轴线相互平行的旋转副(22)、旋转副(24)、旋转副(25)、旋转副(27)、旋转副(28)，以及连接移动副(20)和旋转副(22)的连杆(21)，连接旋转副(22)和旋转副(24)的连杆(23)，连接旋转副(25)和旋转副(27)的连杆(26)，连接旋转副(25)和旋转副(28)的连杆(29)；其中旋转副(24)设置在连杆(29)上，旋转副(27)与动平台(4)连接；所述连杆(21)的上端与所述的旋转副(22)连接，并且所述的移动副(20)的滑动轴线与所述的旋转副(22)的旋转轴线垂直相交。该机构满足二自由度下无条件解耦，能实现全球面的工作空间。
Description
技术领域
本发明涉及机械学领域的并联机构，具体为一种可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构。
背景技术
球面并联机构广泛应用于机器人关节、雷达天线调姿、摄像机定位、数控机床及微操作器等领域。与串联结构的球面转动机构相比，并联球面转动机构的刚度大、运动相应快、单位体积承受载荷大，特别适用于机器人的腕、肩、腰部关节。但球面并联机构强耦合性的存在使得球面并联机构在构型、分析计算以及机构控制方面存在诸多困难，一定程度上限制了球面并联机构的应用。且上述应用领域均要求球面并联机构转动角度大,运动灵活,易于装配等优点。
目前，在球面并联机构研究方面已有一些成果，文献[杭鲁滨，王彦，吴俊等。基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究[J].机械工程学报，2005，Vol.41，No.9:pp28-32]，提出的3-RRR球面转动机构只能实现部分解耦；美国专利US005966991A提出的二自由度球面机构也只能在初始位置瞬时解耦，而其他位置不能解耦；中国专利CN1775487A提出了二自由度解耦球面并联机构，但因运动支链的平行四边形机构由移动副代替，限制了机构的转动范围；专利CN2762940公开一种球面三自由度并联机构，该并联机构可实现一个轴方向的360度转动，但三个转动完全耦合，即不能解耦；专利CN202162805U提出的具有三自由度的球面转动并联机构，能实现三自由度解耦，但其单支链内部含有虎克铰链限制了机构的转动范围；专利CN104308833A提出的解耦型两转动并联机构仅可实现半球转动；专利CN104889976A提出的一种三转动解耦球面并联机器人机构，能实现三个转动方向的完全解耦，但其运动支链限制了动平台的工作空间，即不能实现全球面工作空间。专利CN102126212A提出的一类运动解耦两转动机构，但支链内部所含有的虎克铰链限制了机构的转动范围。专利CN1803410A提出的二自由度解耦球面并联机构，能够实现二自由度无条件解耦，但当动平台承受一定静载荷时，动平台绕转动副旋转，由于转动副摩擦圆的影响，限制了动平台的工作空间，虽提出两种偏置方法能实现工作空间的扩大，但仍不能使得动平台具有全球面工作空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，它可以满足二自由度下无条件解耦，能实现全球面的工作空间，工作范围更广，且具有结构简单、控制和标定容易、精度高等特点。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，包括机座(1)和动平台(4)以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链；其特征在于所述第一运动支链包括移动副(20)，旋转轴线相互平行的旋转副(22)、旋转副(24)、旋转副(25)、旋转副(27)、旋转副(28)，以及连接移动副(20)和旋转副(22)的连杆(21)，连接旋转副(22)和旋转副(24)的连杆(23)，连接旋转副(25)和旋转副(27)的连杆(26)，连接旋转副(25)和旋转副(28)的连杆(29)；其中旋转副(24)设置在连杆(29)上，旋转副(27)与动平台(4)连接；所述连杆(21)的上端与所述的旋转副(22)连接，并且所述的移动副(20)的滑动轴线与所述的旋转副(22)的旋转轴线垂直相交；
所述第二运动支链包括旋转轴线相互垂直相交的机座旋转副(31)和动平台旋转副(32)，及连接机座旋转副(31)和动平台旋转副(32)的连杆(33)；所述机座旋转副(31)安装在机座上；连杆(21)的下端通过机座旋转副(31)的中心，且连杆(21)能在机座旋转副(31)的带动下一起转动；动平台旋转副(32)安装在动平台上，且动平台旋转副(32)通过连杆(34)与第一运动支链的旋转副(28)连接，第一运动支链的旋转副(27)、旋转副(28)和第二运动支链的动平台旋转副(32)的旋转轴线相互平行。
与现有技术相比，本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，所述的第一运动支链2单独驱动动平台4使得动平台4绕Y轴做旋转运动，与第二运动支链3单独驱动动平台4绕Z轴做旋转运动无关，因而可以实现无条件解耦；第一运动支链2驱动动平台绕Y轴转动，可实现动平台从-Z到Z的180转动范围，第二运动支链3驱动动平台绕Z轴转动，可实现动平台绕Z轴的360转动范围，因第一运动支链驱动动平台旋转的旋转轴线Y与第二运动支链驱动动平台旋转的旋转轴线Z在空间上垂直相交，因而动平台可实现全球面工作空间。
附图说明
图1为本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构一种实施例的结构示意图；
图2为本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构的第一运动支链2一种结构示意图；
图3为本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构的第二运动支链3一种结构示意图；
图4为本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构附加驱动装置的一种实施例的结构示意图。
图中，1机座，2第一运动支链，3第二运动支链，4动平台。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构(简称并联机构，参见图1-3)，包括机座1和动平台4以及分别固连在机座1和动平台4之间的第一运动支链2和第二运动支链3；所述第一运动支链2(参见图2)包括移动副20，旋转轴线相互平行的旋转副22、旋转副24、旋转副25、旋转副27、旋转副28，以及连接移动副20和旋转副22的连杆21，连接旋转副22和旋转副24的连杆23，连接旋转副25和旋转副27的连杆26，连接旋转副25和旋转副28的连杆29；其中旋转副24设置在连杆29上，旋转副27与动平台4连接；所述连杆21的上端与所述的旋转副22连接，并且所述的移动副20的滑动轴线与所述的旋转副22的旋转轴线垂直相交；
所述第二运动支链3(参见图3)包括旋转轴线相互垂直相交的机座旋转副31和动平台旋转副32，及连接机座旋转副31和动平台旋转副32的连杆33；所述机座旋转副31安装在机座1上；连杆21的下端通过机座旋转副31的中心，且连杆21能在机座旋转副31的带动下一起转动；动平台旋转副32安装在动平台4上，且动平台旋转副32通过连杆34与第一运动支链的旋转副28连接，第一运动支链的旋转副27、旋转副28和第二运动支链的动平台旋转副32的旋转轴线相互平行。
本发明中定义第一运动支链2驱动动平台旋转的旋转轴线为Y轴，第二运动支链驱动动平台旋转的旋转轴线为Z轴，二者在空间上垂直相交，第一运动支链2驱动动平台旋转的旋转轴线与动平台旋转副32的旋转轴线、动平台4自身的旋转轴线重合，第二运动支链驱动动平台旋转的旋转轴线与机座旋转副31的旋转轴线重合。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构中所述连杆21的横截面形状可以是能被机座旋转副31带动一起转动的任何形状。本发明连杆21的横截面形状可以为正方形，也可以是长方形、三角形、六边形、花键形等常用移动副滑动杆横截面形状。
本发明的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构中，在不影响所述并联机构自由度和工作空间的运动的情况下，所述的动平台4、机座1的结构形状可以是任意的，不受限定；同样，在不受所述第一和第二运动支链2和/或3作用情况下，所述连杆21、连杆23、连杆26、连杆29、连杆33的结构形状也不受限定。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构的工作原理是(参见图1)：所述第一运动支链2的移动副20为主驱动副，第二运动支链3的机座旋转副31为主驱动运动副。当单独驱动所述第一运动支链2的移动副20时，所述动平台4可绕动平台旋转副32的旋转轴线实现180(-Z～Z)转动范围，与第二运动支链3的驱动无关；当单独驱动第二运动支链3的机座旋转副31时，所述动平台4可绕其自身旋转轴线转动，动平台自身的旋转轴线为Z轴，此时动平台4能实现Z轴360°转动，与第一运动支链2的驱动无关。因此，动平台4绕Z轴转动和动平台4绕动平台旋转副32的旋转轴线转动是相互解耦的，并且是无条件解耦的；所述动平台4绕机座旋转副31的旋转轴线转动的转动范围，即绕Z轴转动360范围，与动平台4绕动平台旋转副32的轴线180转动范围，即绕Y轴转动180范围，因其旋转轴线在空间上垂直相交，因此可实现动平台4全球面工作空间。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构可以根据需要附加适当的驱动装置。本发明的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构附加驱动装置的一种实施例结构如下(参见图4)；设计在机座1下面通过支架安装一根丝杠32a,丝杠32a由安装在支架上的电机33a直接驱动；丝杠螺母31a安装在丝杠32a上，可沿丝杠32a的长度方向上下移动；丝杠螺母31a和一个旋转副30连接在一起，且旋转副30与机座旋转副31同轴；连杆21的下端穿过机座旋转副31的中心，并固连在旋转副30的旋转轴上；电机36安装在机座1上，且电机36的旋转轴线与机座旋转副31的旋转轴线平行；机座旋转副31与电机输出轴通过齿形带35连接传动。
本发明的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构附加驱动装置的工作过程如下；当电机36通过齿形带35驱动机座旋转副31转动时，动平台4在第二运动支链3的作用下可绕机座旋转副31的轴线，即绕Z轴实现360转动，且可以连续沿一个方向旋转而无干涉；当电机33a驱动丝杠32a旋转时，带动与丝杠32a连接的丝杆螺母31a连同与丝杆螺母31a安装在一起的旋转副30和连杆21上下运动，也即驱动移动副20上下滑动，进而驱动动平台4绕动平台旋转副32的轴线Y实现180(-Z～Z)转动范围。由于任一运动链(第一运动支链2或第二运动支链3)的单独驱动都可以使得动平台4仅绕相应的轴线旋转，而与另外一个运动支链(第二运动支链3或第一运动支链2)的驱动无关。因而动平台4沿机座旋转副31的旋转轴线的转动和动平台旋转副32的旋转轴线的转动是相互解耦的，并且是无条件解耦的；动平台4绕机座旋转副31的轴线360转动范围，即绕Z轴转动360范围与绕所述动平台4旋转副32的轴线180转动范围，即绕Y轴转动180范围，因旋转轴线在空间上垂直相交，因此可实现动平台4全球面工作空间。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构的突出优点是；结构简单，制造容易，维修方便。
本发明可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，由于运动是完全解耦的，因而可以简化机构的运动学模型，从而为可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构的精确控制和标定带来了可能和方便。
本发明的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，由于可实现全球面工作空间，因而弥补了球面并联机构工作范围受限的不足，加之解耦的实现，使得可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构具有一定的实际应用价值。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，包括机座(1)和动平台(4)以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链；其特征在于所述第一运动支链包括移动副(20)，旋转轴线相互平行的第一旋转副(22)、第二旋转副(24)、第三旋转副(25)、第四旋转副(27)、第五旋转副(28)，以及连接移动副(20)和第一旋转副(22)的第一连杆(21)，连接第一旋转副(22)和第二旋转副(24)的第二连杆(23)，连接第三旋转副(25)和第四旋转副(27)的第三连杆(26)，连接第三旋转副(25)和第五旋转副(28)的第四连杆(29)；其中第二旋转副(24)设置在第四连杆(29)上，第四旋转副(27)与动平台(4)连接；所述第一连杆(21)的上端与所述的第一旋转副(22)连接，并且所述的移动副(20)的滑动轴线与所述的第一旋转副(22)的旋转轴线垂直相交；
所述第二运动支链包括旋转轴线相互垂直相交的机座旋转副(31)和动平台旋转副(32)，及连接机座旋转副(31)和动平台旋转副(32)的第五连杆(33)；所述机座旋转副(31)安装在机座上；第一连杆(21)的下端通过机座旋转副(31)的中心，且第一连杆(21)能在机座旋转副(31)的带动下一起转动；动平台旋转副(32)安装在动平台上，且动平台旋转副(32)通过第六连杆(34)与第一运动支链的第五旋转副(28)连接，第一运动支链的第四旋转副(27)、第五旋转副(28)和第二运动支链的动平台旋转副(32)的旋转轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，其特征在于所述第一连杆(21)的横截面形状为正方形、长方形、三角形、六边形或花键形。
3.根据权利要求1所述的可实现全球面工作空间的解耦型二自由度并联机构，其特征在于该并联机构附加有驱动装置。
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