CN109079756A - 一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构，属于力反馈设备技术领域，解决了现有力反馈设备输出力小、大惯量、刚度低、结构及加工装配工艺复杂的问题。该三自由度并联机构，包括基座、三条驱动支链和一条被动约束支链，基座为圆环状结构；驱动支链包括第一驱动连杆和第二驱动连杆，两个驱动连杆通过连杆球副连接；被动约束支链包括第一被动约束连杆和第二被动约束连杆，两个被动约束连杆通过十字轴连接；第一驱动连杆通过驱动转动轴安装在基座的外圆周，第二驱动连杆通过连接件球副与第二被动约束连杆连接，第一被动约束连杆通过被动约束转动轴安装在基座的内圆周。本发明的三自由度并联机构，可广泛用于三维造型、触觉仿真、遥操作、虚拟现实等领域。

Description

一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及力反馈设备技术领域，尤其涉及一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构。

背景技术

力反馈是指在人机交互过程中，计算机对用户的输入做出响应，并通过力反馈设备作用于用户的过程。目前，力反馈设备已广泛应用于三维造型、触觉仿真、遥操作、虚拟现实、医学手术等技术领域。

目前，商用力反馈设备通常采用串联机构或并联机构，然而采用串联机构力反馈设备具有输出力小、刚度小、位姿分辨率低等缺陷；力反馈设备采用最多的并联机构是Delta机构，Delta并联机构最早是由clavel在1985年提出一种可实现纯平面运动的并联机器人，并且在运动支链中采用平行四边形机构约束动平台的转动自由度，Clavel在1988年提出了分支中含有球面四杆机构的Delta并联机器人，被视为三自由度移动并联机构的一个里程碑，该机构包含12个球副，9个转动副和17个构件，非常适于完成小质量物体的拿放操作，然而现有Delta三自由度并联机构多采用三组平行四边形杆件作为支链，此结构的三自由度并联机构的连杆数目多、结构复杂、加工和装配复杂，还存在惯量相对较大、机械刚度低的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构，用以解决现有力反馈设备的输出力小、惯量大、刚度低、结构及加工装配工艺复杂的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构，包括基座和三条驱动支链，基座为圆环状结构；还包括被动约束支链；

驱动支链包括第一驱动连杆和第二驱动连杆，第一驱动连杆和第二驱动连杆通过连杆球副连接；

被动约束支链包括第一被动约束连杆和第二被动约束连杆，第一被动约束连杆和第二被动约束连杆通过十字轴连接；

第一驱动连杆通过驱动转动轴安装在基座的外圆周，第二驱动连杆通过连接件球副与第二被动约束连杆连接，第一被动约束连杆通过被动约束转动轴安装在基座的内圆周。

进一步地，十字轴包括垂直交叉设置的水平转动轴和竖直转动轴，水平转动轴与被动约束转动轴平行。

进一步地，第二被动约束连杆固定设置有连接件，连接件垂直于第二被动约束连杆轴线的截面为圆形、正三角形或正六边形。

进一步地，连接件球副为三个且均匀分布在连接件的外周；

驱动转动轴为三个且均匀分布在基座的外圆周。

进一步地，基座的内圆周设置凹槽，被动约束转动轴设置于凹槽内；

凹槽的中心与其中一个驱动转动轴的轴心所确定的直线通过基座的圆心。

进一步地，被动约束转动轴与通过直线的驱动转动轴平行。

进一步地，第二驱动连杆的长度大于第一驱动连杆的长度；

第二被动约束连杆的长度大于第一被动约束连杆的长度。

进一步地，第二驱动连杆由碳纤维材料制成。

进一步地，第一驱动连杆为方形杆，第二驱动连杆为圆形杆。

进一步地，第一被动约束连杆、第二被动约束连杆均为方形杆。

本发明有益效果如下：

a)本发明提供的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，具有四条支链，其中三条支链为驱动支链，每条驱动支链均具有一个转动副和两个球副，转动副为驱动副，还包括一条被动约束支链，具有三个转动副，本发明的三自由度并联机构设计构构思巧妙，与传统采用三条支链的三自由度并联机构相比，本发明的三自由度并联机构具有大输出力、小惯量、高刚度、高位置精度、高响应速度等优点。

b)本发明提供的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，每条支链均包括两个连杆，克服了现有三自由度并联机构的支链为四边结构的连杆数量多、结构复杂的缺陷，本发明的三自由度并联机构的支链连杆数量少，结构紧凑、加工装配工艺简单、降低生产成本，具有广泛的应用前景。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例中的三自由度并联机构的结构示意图；

图2实施例中的三自由度并联机构的被动约束支链的结构示意图。

附图标记：

1、基座；2、驱动支链；2-1、驱动连杆一；2-2、驱动连杆二；2-3、连杆球副；2-4、驱动转动轴；3、被动约束支链；3-1、被动约束连杆一；3-2、被动约束连杆二；3-3、十字轴；3-4、被动约束转动轴；4、连接件；5、连接件球副。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1至图2所示，公开了一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构，包括基座1和三条驱动支链2，基座1为圆环状结构；还包括被动约束支链3；驱动支链2包括驱动连杆一2-1和驱动连杆二2-2，驱动连杆一2-1和驱动连杆二2-2通过连杆球副2-3连接；被动约束支链3包括被动约束连杆一3-1和被动约束连杆二3-2，被动约束连杆一3-1和被动约束连杆二3-2通过十字轴3-3连接；驱动连杆一2-1通过驱动转动轴2-4安装在基座1的外圆周，驱动连杆二2-2通过连接件球副5与被动约束连杆二3-2连接，被动约束连杆一3-1通过被动约束转动轴3-4安装在基座1的内圆周。

实施时，三条驱动支链2均由电机或者由其他驱动器驱动，优选由电机驱动，电机驱动三条驱动支链2的驱动连杆一2-1，三条驱动连杆一2-1共同带动驱动连杆二2-2运动，从而实现被动约束支链3在驱动支链2的带动下进行移动，被动约束支链3的运功轨迹为空间四边形。本发明的被动约束支链3具有三个自由度，三个驱动支链2均具有七个自由度，驱动支链2通过连接件球副5与被动约束支链3连接，使本发明的并联机构具有三个运动自由度。

与现有技术相比，本实施例提供的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，具有四条支链，其中三条支链为驱动支链2，每条驱动支链2均包括两个连杆、一个转动副和两个球副，其中，转动副为驱动副，还包括一条被动约束支链3，具有三个转动副，本实施例提供的并联机构，四条支链均包括两个连杆，克服了现有三自由度并联机构的支链为四边结构的连杆数量多、结构复杂的缺陷，因此本发明的并联机构的结构更加紧凑，减少了连杆数量，减轻并联机构的惯量。本发明的三自由度并联机构设计构构思巧妙，结构更加紧凑、具有大输出力、小惯量、高刚度、高位置精度、高响应速度等优点，同时加工装配工艺简单、能够显著降低生产成本，具有广泛的应用前景。

为了提高并联机构的精确度，十字轴3-3包括垂直交叉设置的水平转动轴和竖直转动轴，水平转动轴与被动约束转动轴3-4平行，由此保证了并联机构的精确度。本实施例中的十字轴3-3、被动约束转动轴3-4均为被动副。

为了便于实现三条驱动支链2与被动约束支链3的连接，在被动约束连杆二3-2上固定设置有连接件4，考虑到并联机构的高度对称性，连接件垂直于被动约束连杆二3-2轴线的截面为旋转对称图形，优选为圆形、正三角形或正六边形，连接件球副5有三个，三个连接件球副5均匀分布在连接件4的外周，三条驱动支链2与被动约束支链3连接的三个连接件球副5在同一平面内，且三个连接件球副5所在平面与被动约束连杆二3-2的轴线垂直，三个连接件球副5在同一圆周上呈120°均匀分布；驱动转动轴2-4均匀分布在基座1的外圆周，保证了三条驱动支链2的转动副在同一平面内，并在同一圆周上呈120°均匀分布，能够保证各驱动支链2驱动被动约束支链3的力更加均衡，提高了并联机构的精确度和稳定性。本实施例中，三个驱动转动轴2-4为主动副，三个连接件球副5和三个连杆球副2-3均为被动副。

为了增大被动约束支链3的运动空间，基座1的内圆周设置凹槽，被动约束转动轴3-4设置于凹槽内，此结构设置一方面简化了并联机构的结构，另一方面，在基座1内圆周直径一定的情况下，被动约束连杆一3-1的长度更长，被动约束连杆一3-1端部的运动轨迹范围更广，从而增大了被动约束支链3的运动空间。

本实施例中，凹槽的中心与其中一个驱动转动轴2-4的轴心所确定的直线通过基座1的圆心，凹槽在基座1内圆周的位置可以有两种设置方式，如凹槽与位于基座1外圆周顶部的驱动转动轴2-4所确定的直线通过基座1的圆心，第一种方式为，凹槽设置在远离顶部驱动转动轴2-4的基座1内圆周；第二种方式为，凹槽设置在靠近顶部驱动转动轴2-4的基座1内圆周，优选第一种方式，设置在远离基座1顶部驱动转动轴2-4的基座1内圆周的结构，并联机构的重量分布更均衡，更容易控制，从而提高了精确度，同时此结构设计有效地避免了基座1圆周的同一位置因应力集中或者内外受力不均衡导致基座1断裂，从而延长了基座1的使用寿命，整体上提高了并联机构的经济成本性。

为了保证并联机构的精确度，被动约束转动轴3-4与通过直线的驱动转动轴2-4平行，此结构保证了三条驱动支链2施加给被动约束支链3的驱动力大小相同，被动约束支链3的受力更加平衡，提高了并联机构的稳定性。

为了提高驱动支链2的驱动效果，驱动连杆一2-1的长度不宜过长，因为在驱动电机输出功率一定的条件下，驱动连杆一2-1相对于驱动连杆二2-2越长，传输到驱动连杆二2-2上的力越小，优选地，驱动连杆二2-2的长度大于驱动连杆一2-1的长度，被动约束连杆二3-2的长度大于被动约束连杆一3-1的长度，因此在驱动电机输出功率一定的条件下，能够保证驱动连杆二2-2具有足够的驱动力，克服了使用大功率驱动电机不易控制、稳定性差的缺陷，因此本实施例的并联机构不必使用大功率驱动电机即能实现并联机构的精确控制。

为了减轻并联机构的惯量，对于三条驱动支链2，由于驱动连杆二2-2的两端均为球副，因此驱动连杆二2-2为二力杆，驱动连杆二2-2采用质量轻、拉压刚度大的材料，优选碳纤维材质，既能够增大并联机构的机械刚度，又能减轻并联机构的惯量。驱动连杆一2-1由钢质材料或碳纤维材质制成。

本实施例中，驱动连杆一2-1为方形杆，驱动连杆二2-2为圆形杆，驱动连杆二2-2通过连杆球副2-3安装在驱动连杆一2-1端部的一侧，此结构能够避免产生转动干涉，使驱动连杆一2-1和二的转动更加顺畅；被动约束连杆一3-1、被动约束连杆二3-2均为方形杆，方形杆能够防止连接件4的相对转动，还能避免并联机构在工作中由于驱动支链2的驱动导致连接件4相对于被动约束连杆产生滑动，从而影响精确度。

为了避免连接件4相对于被动约束连杆3-1移动或者转动，连接件4与被动约束连杆3-1一体成型或者焊接连接，能够有效地避免相对移动的产生，保证了运动精度。连接件4还可以可拆卸的连接到被动约束连杆二3-2上，如卡扣连接，被动约束连杆二3-2上设置卡制部，连接件4上设置限制部，卡制部和限制部配合限制连接件4与被动约束连杆二3-2产生相对移动或转动，将连接件4固定在被动约束连杆二3-2上，优选的，卡制部有多个，故连接件4可以设置在被动约束连杆二3-2的不同位置，能够满足不同需求，提高了并联机构的应用广泛性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构，包括基座和三条驱动支链，其特征在于，所述基座为圆环状结构；

还包括被动约束支链；

所述驱动支链包括第一驱动连杆和第二驱动连杆，所述第一驱动连杆和第二驱动连杆通过连杆球副连接；

所述被动约束支链包括第一被动约束连杆和第二被动约束连杆，所述第一被动约束连杆和第二被动约束连杆通过十字轴连接；

所述第一驱动连杆通过驱动转动轴安装在基座的外圆周，所述第二驱动连杆通过连接件球副与第二被动约束连杆连接，所述第一被动约束连杆通过被动约束转动轴安装在基座的内圆周。

2.根据权利要求1所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述十字轴包括垂直交叉设置的水平转动轴和竖直转动轴，所述水平转动轴与被动约束转动轴平行。

3.根据权利要求1所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述第二被动约束连杆固定设置有连接件，所述连接件垂直于所述第二被动约束连杆轴线的截面为圆形、正三角形或正六边形。

4.根据权利要求3所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述连接件球副为三个且均匀分布在所述连接件的外周；

所述驱动转动轴为三个且均匀分布在所述基座的外圆周。

5.根据权利要求1所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述基座的内圆周设置凹槽，所述被动约束转动轴设置于凹槽内；

所述凹槽的中心与其中一个所述驱动转动轴的轴心所确定的直线通过所述基座的圆心。

6.根据权利要求5所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述被动约束转动轴与通过所述直线的驱动转动轴平行。

7.根据权利要求1所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述第二驱动连杆的长度大于所述第一驱动连杆的长度；

所述第二被动约束连杆的长度大于所述第一被动约束连杆的长度。

8.根据权利要求1所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述第二驱动连杆由碳纤维材料制成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述第一驱动连杆为方形杆，所述第二驱动连杆为圆形杆。

10.根据权利要求1-9任一项所述的应用于力反馈设备的三自由度并联机构，其特征在于，所述第一被动约束连杆、第二被动约束连杆均为方形杆。