CN107584479A - 具有柔性杆件的两转一移并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种具有柔性杆件的两转一移并联机构，由动、定平台以及连接这两个平台的三条活动分支组成。该三条活动分支的结构完全相同，均由与定平台连接的转动铰链、中间移动杆、与动平台连接的虎克铰以及连接它们的连杆构成；其中，中间的移动杆为柔性杆，主要由四个簧片组成，利用簧片的材料变形在周向上可以实现转动。本发明的机构完全对称，利用可以周向转动的柔性杆代替传统的转动铰链，避免了球铰或由三个空间轴线汇交于一点的转动铰链组成的等效球铰的使用，不仅降低了成本，减少了零件数量，还具有摩擦小，免润滑，质量轻等特点，从而提高机构精度。

Description

具有柔性杆件的两转一移并联机构

技术领域

本发明是设计一种具有柔性杆的两转一移三自由度并联机构，属于机器人领域。

背景技术

少自由度并联机器人因其具有驱动元件少、结构简单、控制方便、价格低廉等特点而有较高的实用价值。两转一移并联机构既包含了转动，又包含了移动，因此在实际工程实践中得到了广泛的应用，例如加工中心的Z3并联主轴头、医用机器人、飞行模拟器、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位***以及动感娱乐平台等。

自Hunt于1983年提出3-RPS并联机构之后，不少的研究学者对该类少自由度的并联机构进行了研究分析，并提出了3-PRS,3-RPS,3-RRS,3-PPS等并联机构，并归类为[PP]S并联机构。3-PRS并联机构以用于代替人工进行心脏复苏。Phillips与Sherwood共同提出的3-RSR并联机构，Canterbury大学以3-RSR并联机构为基础研制出了大型球面定位机器人。

有些学者对传统的3-RPS并联机构进行了伴随运动的分析，提出一系列新型机构。专利[200910097535.4]中提出通过改变三条活动分支的布置，得到了无伴随运动的非对称分布的3-PRS机构，但是在机构的各向性不如对称结构。专利[201010100895.8]中提出通过运动副的特殊布置提出了一种无伴随运动的对称分布的3-UPU机构，该类机构要求多个转动铰链轴线空间汇交于一点，从而保证“中间对称平面”的存在，因此对加工制造和装配造精度要求较高。

这些现有的并联机构运动副中常有球铰，而球铰的转动范围小、价格高、精度难以保证，因此机构的工作空间受限；有些机构中使用三个转动轴线汇交于一点的三个转动铰链代替球铰，形成等效球铰，这样会使零件数目增多、并且对加工及装配精度要求高，影响机构的运动精度。

在一些高精度空间定位应用领域中，机构要求的工作空间并不大，尤其是卫星天线姿态调整装置。例如，当3-RPS并联机构的尺寸为：三条活动支链的初始长度均为300mm，上平台d＝400mm，定平台为D＝500m，动平台转动角度为10°时，需要运动副在绕连接动平台的连杆方向转动1°左右。因此，针对机构分支中的球铰或等效球铰，提出新的设计方案，利用具有柔性杆件的转动代替传统的转动铰链，不仅能满足功能需求，又可以降低机构设计的成本，减少运动过程中的摩擦以及免润滑。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有柔性杆件的两转一移三自由度并联机构，该机构利用可以周向转动的柔性杆件代替传统的转动铰链，避免了球铰或由三个空间轴线汇交于一点的转动铰链组成的等效球铰的使用，。这种设计降低了成本，同时对机构进行了简化处理，利用柔性杆件的特点，消除运动间隙，减轻质量，减小摩擦，从而提高机构精度，可以应用卫星天线姿态调整装置。

本发明提供的技术方案是：该机构由动、定平台以及连接这两个平台的三条活动分支组成。该三条活动分支的结构完全相同，均由与定平台连接的转动铰链、中间移动杆、与动平台连接的虎克铰以及其他连杆构成；转动铰链的转轴垂直于定平台的径向，虎克铰固连在动平台上的第一转轴的方向沿动平台径向，第二转轴固连在杆件上且方向垂直于杆件和第一转动轴。其中，中间的移动杆为柔性杆，主体部分由四个簧片组成，可以实现转动。四个簧片在圆周上成90度均匀分布。

该移动杆件主要由四个簧片组成，可以一体化加工。该移动杆件可以周向的转动。柔性杆利用簧片的变形来实现周向的运动，可以整体化加工，装配少，精度高。该移动杆不局限于一体化加工，还可以是组装件。

移动杆的另外一种形式。如果机构需要的柔性杆比较长，则可以在中间加层支撑，可以保证其周向上的转动，又有利于提高杆件在长度方向上的刚度。

本发明的有益效果是，由于机构的运动副数目少，利用可以周向转动的柔性杆代替传统的转动铰链，避免了球铰或由三个空间轴线汇交于一点的转动铰链组成的等效球铰的使用，不仅降低了成本，减少了零件数量，还具有摩擦小，免润滑，质量轻等特点，从而提高机构精度。

附图说明

图1为本发明实施的结构示意简图。

图2为本发明实施的分支结构示意简图。

图3为本发明实施的柔性杆件示意简图。

图4为本发明实施的转动后柔性杆件示意简图。

图5为本发明实施的柔性杆件俯视图。

图6为本发明实施的具有支撑层的柔性杆件示意简图。

图中，1、定平台，2、动平台，3、第一分支，31、转动铰链，32、套筒，33、杆件，34、虎克铰，34a、虎克铰的第一个转轴，34b，虎克铰的第二个转轴，33a、柔性杆上端，33b、簧片，33c、簧片，33d、簧片，33e、簧片，33f、柔性杆下端，33g、柔性杆支撑层。

具体实施方式

以下通过附图所示的实施例子进一步说明。

在图1所示的两转一移对称并联机构示意图中，定平台1和动平台2通过三条结构完全相同的运动分支3,4,5连接。三条运动分支120°均匀分布。每条运动分支的转动铰链固连在定平台上，虎克铰一端固定在动平台上。

在图2分支结构示意中，每一条支链从定平台到动平台依次连接有转动铰链31，移动副33和虎克铰34。转动铰链31与定平台的径向方向垂直，虎克铰34中的一个转动铰链34a在初始位置时与转动铰链31平行，虎克铰34中的另一转动铰链34b方向沿动平台的径向方向，与34a始终垂直，移动杆33为柔性杆，为主动输入杆件，均由电机驱动实现移动，利用簧片的变形可实现周向的转动。

在图3所示的柔性杆件结构示意简图中，杆件33主要由4个簧片33b、33c、33d、33e通过33a、33f连接成为一体，四个簧片通过成90度分布。利用簧片的变形可以实现周向的转动。图4为杆件变形后的示意图。

杆件33既可通过线切割一体化加工，其俯视图如图5；还可以是组装件。

在图6中，移动杆33的另外一种形式，即在中间加支撑层33g，可以保证其周向上的转动，又有利于提高杆件在长度方向上的刚度。

Claims (4)

1.具有柔性杆件的两转一移并联机构，该机构由定平台(1)、动平台(2)以及连接这两个平台的三条活动分支组成。该三条活动分支的结构完全相同，均由与定平台连接的转动铰链(31)、中间移动杆(33)、与动平台连接的虎克铰(34)以及连接它们的连杆构成。转动铰链的转轴(31)垂直于定平台的径向，虎克铰中固连在动平台上的第一转轴(34b)方向沿动平台径向，第二转轴(34a)固连在杆件上方向且垂直于杆件和第一转动轴。该三条活动分支中的移动杆(33)为柔性杆，主体部分是由四个簧片组成，在周向上可以实现转动。

2.根据权利要求1所述的移动杆(33)，可以是一体化加工的非组装件，也可以是组装件。四个簧片33b、33c、33d、33e完全相同，两端分别与33a、33f固连在一起，在圆周方向成90度均匀分布。

3.移动杆(33)在保证权利1、2的功能下，可在杆件的中间位置有支撑层(33g)。

4.根据权利要求1～3所述的具有柔性杆件的两转一移并联机构，其特征在于机构完全对称，关节数目少，利用柔性杆代替传统的转动铰链，避免了球铰或等效球铰的使用。