CN107584478A - 一种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，包括定平台、动平台以及连接两平台的三条支链，第一支链和第二支链结构相同，该两支链中的上连杆的一端通过球面副与动平台连接，另一端通过可转轴线转动副与下连杆的一端连接，下连杆的另一端通过移动副与定平台连接；第三支链中的上连杆的一端通过球面副与动平台连接，另一端通过移动副与中连杆的一端连接，中连杆的另一端通过转动副与下连杆的一端连接，下连杆的另一端通过移动副与定平台连接；第一支链和第二支链的可转轴线转动副，在变化中两轴线保持相互平行；第三支链的上连杆与中连杆连接的移动副，可根据需要用锁定装置锁定。本发明比同类机构的工作空间大，具有宽广的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机械机构技术领域，具体涉及一种可以实现两转一移的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构。
背景技术
从Steward机构在轮胎测试及飞行模拟器上的成功应用以来，并联机构以其运动精度高、响应速度快以及承载能力大等优点，在机器人、数控机床、工业振动筛、喷涂机器人以及卫星天线等领域得到了广泛应用。在实际应用中有相当数量的操作任务所要求的自由度数少于6，此时采用合适的少自由度并联机器人，可以有效地节省***设计、制造、控制和维护方面的成本。三自由度并联机构具有结构简单、运动学求解方便、控制容易、制造成本低等特点，是少自由度并联机器人中非常重要的一类。目前使用较多的是具有绕空间两个方向转动和沿一个方向移动的并联机构，如德国DS Technologie机床公司推出的以3-PRS并联机构为基础的Sprint Z3主轴头和Karl-Erik Neumann提出的采用2-UPR/SPR并联机构的Exechon机床等。但由于机构约束的限制，这类机构存在着工作空间小、适应能力差、机构综合难度大的问题，限制了其应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖、结构紧凑合理、使用操作便捷、实用性强、便于广泛推广使用的一种三自由度并联机构。本并联机构采用带有可转轴线转动副的第一支链和第二支链，以及上连杆与中连杆可以产生轴向移动的第三支链，可以实现三种模式的运动，比同类机构的工作空间更大，具有宽广的应用前景。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，包括定平台、动平台以及连接该两个平台的三条支链，所述三条支链中的第一支链和第二支链为相互对称对接结构，分别通过第一、第二支链上的一端的球面副与动平台连接，另一端通过设在定平台基座上的可转轴线转动副连接下连杆a，该下连杆a的另一端通过移动副与定平台连接；
三条支链中的第三支链相对于第一支链和第二支链垂直分布，第三支链的一端通过第三支链上的上连杆b的球面副与动平台连接，上连杆b通过移动副连接中连杆，该中连杆的另一端通过转动副与下连杆b的一端连接，下连杆b的另一端通过移动副与定平台连接；定平台通过三条支链驱动动平台实现二自由度转动和一自由度平动。
作为优选，所述定平台和动平台呈等腰三角形，结构相同的第一支链和第二支链设在定平台的等腰三角形一条边上并相互对接，第三支链设在定平台的等腰三角形顶角并与第一支链和第二支链垂直分布。
作为优选，所述第一支链和第二支链的转动副均为可转轴线转动副，在变化中两轴线保持相互平行，并垂直于下连杆a的移动副的轴线；第三支链中的转动副轴线保持不变,始终垂直于所连接的下连杆b的移动副轴线，且与第一支链和第二支链的转动副轴线始终垂直；上连杆b与中连杆连接的移动副之间设有锁定装置。
进一步，所述锁定装置包括锁定凹槽，以及设在锁定凹槽下方的弹簧，在弹簧的上方设有一钢球；
当锁定装置处于锁定状态时，钢球在弹簧力的作用下嵌入预设的锁定凹槽中，上连杆b与中连杆的轴向位置即被固定；
当需要解除锁定时，对上连杆b施加一定的轴向力，钢球克服弹簧的压力被挤出凹槽，上连杆b与中连杆实现轴向移动。
作为优选，所述第一支链和第二支链的可转轴线转动副包括一半圆弧形基座，半圆弧形基座顶部设弧形开槽，一端与驱动部件连接，一端为密封结构；下连杆a的一端与驱动部件输出端连接，另一端与可转轴线转动副连接；可转轴线转动副使上连杆a能够沿半圆弧形基座顶部弧形开槽转动，且可转轴线转动副的轴线旋转所形成的平面始终与定平台保持垂直。
作为优选，所述第三支链的中连杆和下连杆b设在半圆弧形基座中，半圆弧形基座一端为顶部开槽，一端为密封结构；下连杆b一端设在密封结构中，另一端与中连杆通过转动副连接；该转动副使中连杆能够沿半圆弧形基座顶部开槽转动。
进一步，所述三条支链的驱动部件设在半圆弧形基座的密封结构中，驱动部件为直线气缸或者液压缸或者电推杆或者电缸，驱动副为各支链上与定平台连接的移动副。
进一步，第一支链和第二支链驱动副的行程都可以分为初始段、中间段和末尾段；
当第一支链和第二支链驱动副的行程都处于初始段时,第三支链中的上连杆b与中连杆连接的移动副被锁定装置锁定，第一支链和第二支链的可转轴线转动副轴线不能转动，控制第一支链、第二支链和第三支链中移动副的伸缩实现动平台的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第一种运动模式；
当第一支链和第二支链驱动副的行程都处于中间段时，锁定装置解锁，第一支链的可转轴线转动副带动上连杆a转动，同时第二支链的可转轴线转动副带动对应的上连杆转动，而第三支链中的上连杆b与中连杆连接的移动副在拉力的作用下使第三支链伸长并转动，此时并联机构处于第二种运动模式；
当第一支链和第二支链驱动副的行程都处于末尾段时，第一支链和第二支链的上连杆a沿半圆弧形基座弧形开槽滑动至顶部限位，可转轴线转动副轴线受限不再转动，上连杆b与中连杆连接的移动副被锁定装置重新锁定，控制第一支链、第二支链和第三支链中移动副的伸缩实现动平台在另一个空间中的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第三种运动模式。
本发明具有如下优点：
1、本发明使用两条带有可转轴线转动副的运动支链和一条可伸缩的运动支链，可以在工作过程中实现方位1下位置和姿态的调整、方位1和方位2间的转换、方位2下位置和姿态的调整三种运动模式，使动平台具有很大的调姿空间，解决了现有同类并联机构工作空间小的问题,降低了机构综合的难度，具有更好的适应能力。
2、本发明可以使动平台在不工作时降低高度，减少了整体的占用体积。
3、本发明可以在驱动模式不变的情况下，实现运动模式的灵活切换，简化了控制步骤。
4、该并联机构的驱动部件完全固定在定平台上，大大减少了机构整体的运动惯性,可以实现机构的高速运动；另外,可以将进出气、液口，电线设置在定平台上，消除气、液管线或电线在机构运动时的移动，避免了互相缠绕问题。
综上所述，本发明设计新颖，结构简单，工作空间大，布局紧凑合理，加工制作方便，使用灵活可靠，能够提升机构对环境的适应性，扩大其应用领域，具有宽广的应用前景。
附图说明
图1为本发明的并联机构结构示意图；
图2为本发明的并联机构的第一种运动模式结构示意图；
图3为本发明的并联机构的第二种运动模式结构示意图；
图4为本发明的并联机构的第三种运动模式结构示意图。
附图标记说明:
1、定平台；2、动平台；3、第一支链；4、第二支链；5、第三支链；3-1、上连杆a；3-2、可转轴线转动副；3-3、下连杆a；5-1、上连杆b；5-2、中连杆；5-3、下连杆b；5-4、锁定装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，本发明的一种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，包括定平台1、动平台2以及连接两个平台的三条支链，定平台和动平台呈等腰三角形结构，三条支链中的第一支链和第二支链结构相同，设在定平台1的等腰三角形一条边上并相互对接，三条支链中的第三支链5设在定平台1的等腰三角形顶角并与第一支链3和第二支链4垂直分布。
其中，第一支链3和第二支链4中的上连杆a3-1的一端通过球面副与动平台2连接，上连杆a3-1的另一端通过可转轴线转动副3-2与下连杆a3-3的一端连接，下连杆a3-3的另一端通过移动副与定平台1连接；第三支链5中的上连杆b5-1的一端通过球面副与动平台2连接，该上连杆b5-1的另一端通过移动副与中连杆5-2的一端连接，该中连杆5-2的另一端通过转动副与下连杆b5-3的一端连接，该下连杆b5-3的另一端通过移动副与定平台1连接；上述第一支链3和第二支链4的转动副均为可转轴线转动副，但在变化中两轴线保持相互平行，并垂直于移动副的轴线；第三支链5的转动副轴线垂直于所连接的两移动副的轴线，且与第一支链3和第二支链4的转动副轴线始终垂直；上连杆b5-1与中连杆5-2连接的移动副之间设有锁定装置5-4，第三支链的上连杆b5-1与中连杆5-2连接的移动副，可根据需要用锁定装置5-4锁定；定平台1通过三条支链驱动动平台2实现二自由度转动和一自由度平动。
第一支链3和第二支链4的可转轴线转动副3-2包括一半圆弧形基座，半圆弧形基座顶部设弧形开槽，一端与驱动部件连接，一端为密封结构；下连杆a3-3的一端与驱动部件输出端连接，另一端与可转轴线转动副3-2连接；可转轴线转动副3-2使上连杆a3-1能够沿半圆弧形基座顶部弧形开槽转动，且可转轴线转动副3-2的轴线旋转所形成的平面始终与定平台1保持垂直。第三支链5的中连杆5-2和下连杆b5-3设在半圆弧形基座中，半圆弧形基座一端为顶部开槽，一端为密封结构；下连杆b5-3一端设在密封结构中，另一端与中连杆5-2通过转动副连接；该转动副使中连杆5-2能够沿半圆弧形基座顶部开槽转动。
本机构中的三条支链的驱动部件设在半圆弧形基座的密封结构中，驱动部件为直线气缸或者液压缸或者电推杆或者电缸，驱动副为各支链上与定平台连接的移动副。
本发明带有可转轴线转动副的三自由度并联机构具有三种运动模式，这三种运动模式皆由各支链上与定平台1连接的移动副驱动。第一支链3和第二支链4驱动副的行程可以分为三段，即初始段、中间段和末尾段。
第一支链3和第二支链4驱动副的行程都可以分为三段，即初始段、中间段和末尾段。
如图2所示，当第一支链3和第二支链4驱动副的行程都处于初始段时,第三支链中的上连杆b与中连杆连接的移动副被锁定装置锁定，第一支链3和第二支链4的可转轴线转动副3-2轴线受到限制不能转动，上连杆b 5-1与中连杆5-2成为一体，控制第一支链3、第二支链4和第三支链5中移动副的伸缩可以实现动平台2的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第一种运动模式；
如图3所示，当第一支链3和第二支链4驱动副的行程都处于中间段时，锁定装置5-4解锁，第一支链3的可转轴线转动副3-2改变轴线方向，带动上连杆a 3-1转动，同时第二支链4的可转轴线转动副改变轴线方向，带动对应的上连杆转动，而第三支链5中的上连杆b5-1与中连杆5-2连接的移动副在拉力的作用下使第三支链5伸长并转动，此时并联机构处于第二种运动模式；
如图4所示，当第一支链3和第二支链4驱动副的行程都处于末尾段时，第一支链3和第二支链4的上连杆a3-1沿半圆弧形基座弧形开槽滑动至顶部限位，可转轴线转动副3-2轴线受到限制不能再转动，第三支链5的伸长也达到预定位置，第三支链5中的上连杆b 5-1与中连杆5-2连接的移动副被锁定装置5-4重新锁定，上连杆b 5-1与中连杆5-2成为一体，控制第一支链3、第二支链4和第三支链5中移动副的伸缩可以实现动平台2在另一个空间中的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第三种运动模式。
因此，这种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构具有三种运动模式，可以在不改变驱动方式的前提下，完成三种运动模式的依次变化，实现动平台的大角度转动，改变并联机构动平台末端参考点工作空间的分布。
锁定装置5-4包括锁定凹槽，以及设在锁定凹槽下方的弹簧，在弹簧的上方设有一钢球；当锁定装置5-4处于锁定状态时，钢球在弹簧力的作用下嵌入预设的凹槽中，第三支链5中的上连杆b 5-1与中连杆5-2的轴向位置即被固定。当需要解除锁定时，对上连杆b 5-1施加一定的轴向力，钢球克服弹簧的压力被挤出凹槽，第三支链5中的上连杆b 5-1与中连杆5-2就可以实现轴向移动。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，包括定平台(1)、动平台(2)以及连接该两个平台的三条支链，其特征在于：所述三条支链中的第一支链(3)和第二支链(4)为相互对称对接结构，分别通过第一、第二支链上的一端的球面副与动平台(2)连接，另一端通过设在定平台(1)基座上的可转轴线转动副(3-2)连接下连杆a(3-3)，该下连杆a(3-3)的另一端通过移动副与定平台(1)连接；
三条支链中的第三支链(5)相对于第一支链(3)和第二支链(4)垂直分布，第三支链(5)的一端通过第三支链上的上连杆b(5-1)的球面副与动平台(2)连接，上连杆b(5-1)通过移动副连接中连杆(5-2)，该中连杆(5-2)的另一端通过转动副与下连杆b(5-3)的一端连接，下连杆b(5-3)的另一端通过移动副与定平台(1)连接；定平台(1)通过三条支链驱动动平台(2)实现二自由度转动和一自由度平动。
2.根据权利要求1所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述定平台(1)和动平台(2)呈等腰三角形，结构相同的第一支链(3)和第二支链(4)设在定平台(1)的等腰三角形一条边上并相互对接，第三支链(5)设在定平台(1)的等腰三角形顶角并与第一支链(3)和第二支链(4)垂直分布。
3.根据权利要求1所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述第一支链(3)和第二支链(4)的转动副均为可转轴线转动副，在变化中两轴线保持相互平行，并垂直于下连杆a(3-3)的移动副的轴线；第三支链(5)中的转动副轴线保持不变,始终垂直于所连接的下连杆b(5-3)的移动副轴线，且与第一支链(3)和第二支链(4)的转动副轴线始终垂直；上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)连接的移动副之间设有锁定装置(5-4)。
4.根据权利要求3所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述锁定装置(5-4)包括锁定凹槽，以及设在锁定凹槽下方的弹簧，在弹簧的上方设有一钢球；
当锁定装置(5-4)处于锁定状态时，钢球在弹簧力的作用下嵌入预设的凹槽中，上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)的轴向位置即被固定；
当需要解除锁定时，对上连杆b(5-1)施加一定的轴向力，钢球克服弹簧的压力被挤出凹槽，上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)实现轴向移动。
5.根据权利要求1所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述第一支链(3)和第二支链(4)的可转轴线转动副(3-2)包括一半圆弧形基座，半圆弧形基座顶部设弧形开槽，一端与驱动部件连接，一端为密封结构；下连杆a(3-3)的一端与驱动部件输出端连接，另一端与可转轴线转动副(3-2)连接；可转轴线转动副(3-2)使上连杆a(3-1)能够沿半圆弧形基座顶部弧形开槽转动，且可转轴线转动副(3-2)的轴线旋转所形成的平面始终与定平台(1)保持垂直。
6.根据权利要求1所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述第三支链(5)的中连杆(5-2)和下连杆b(5-3)设在半圆弧形基座中，半圆弧形基座一端为顶部开槽，一端为密封结构；下连杆b(5-3)一端设在密封结构中，另一端与中连杆(5-2)通过转动副连接；该转动副使中连杆(5-2)能够沿半圆弧形基座顶部开槽转动。
7.根据权利要求4或5所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：所述三条支链的驱动部件设在半圆弧形基座的密封结构中，驱动部件为直线气缸或者液压缸或者电推杆或者电缸，驱动副为各支链上与定平台(1)连接的移动副。
8.根据权利要求1-7任一项所述的带有可转轴线转动副的三自由度并联机构，其特征在于：第一支链(3)和第二支链(4)驱动副的行程分为初始段、中间段和末尾段；
当第一支链(3)和第二支链(4)驱动副的行程都处于初始段时,第三支链(5)中的上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)连接的移动副被锁定装置(5-4)锁定，第一支链(3)和第二支链(4)的可转轴线转动副(3-2)轴线不能转动，控制第一支链(3)、第二支链(4)和第三支链(5)中移动副的伸缩实现动平台(2)的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第一种运动模式；
当第一支链(3)和第二支链(4)驱动副的行程都处于中间段时，锁定装置(5-4)解锁，第一支链(3)的可转轴线转动副(3-2)带动上连杆a(3-1)转动，同时第二支链(4)的可转轴线转动副带动对应的上连杆转动，而第三支链(5)中的上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)连接的移动副在拉力的作用下使第三支链(5)伸长并转动，此时并联机构处于第二种运动模式；
当第一支链(3)和第二支链(4)驱动副的行程都处于末尾段时，第一支链(3)和第二支链(4)的上连杆a(3-1)沿半圆弧形基座弧形开槽滑动至顶部限位，可转轴线转动副(3-2)轴线受限不再转动，上连杆b(5-1)与中连杆(5-2)连接的移动副被锁定装置(5-4)重新锁定，控制第一支链(3)、第二支链(4)和第三支链(5)中移动副的伸缩实现动平台(2)在另一个空间中的位置和姿态的调整，此时并联机构处于第三种运动模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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