CN109176472B - 一种四自由度解耦并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度解耦并联机构，包括定平台、动平台、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ组成；所述定平台、动平台通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台的输出运动。本发明采用一条复杂支链和两条简单支链连接动平台和定平台来构建并联机构，该结构简单，能实现空间三维平动和一维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。

Description

一种四自由度解耦并联机构

技术领域

本发明涉及一种四自由度解耦并联机构，属于并联机器人技术领域。

背景技术

并联机构因为其强度刚度比较大，累积误差小，输出精度高因此得到了国内外的广泛关注，自从进入90年代以来，并联机构更是如雨后春笋般的出现在市面上。目前对并联机构综合的方法主要有基于位移子群的方法、基于螺旋理论的方法、基于图论的方法、基于自由度公式的组合法，然而大部分这些方法综合出来的机构具有瞬时特性，常州大学的杨廷力教授对机构进行拓扑结构分析，创造性的提出了方位特征集的概念，并把它用于并联机构分析中，因此在并联机构领域得到了广泛的关注，采用该理论综合的机构可以不用对机构进行瞬时判定，具有全周自由度。在综合出的并联机构中大部分都是对称和半对称的机构，并且大多数机构都是耦合度大于2的复杂机构，这类机构的特点是其正解、运动学和动力学求解非常复杂，因此有必要对其进行降耦分析。

发明内容

本发明提供了一种四自由度解耦并联机构，通过三条支链连接动、定平台构建并联机构，能够实现三维移动和一维转动。

本发明的技术方案是：一种四自由度解耦并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ组成；

所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；

所述复杂支链Ⅲ对动平台M产生三维移动和一维转动的作用；

所述简单支链Ⅳ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；

所述简单支链Ⅴ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；

所述简单支链Ⅳ采用的结构与简单支链Ⅴ相同。

所述复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ一端的运动副分别与动平台M的三个角连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副分别与定平台M的四条边连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副连接的定平台N边为邻边且运动副位于边的中点并保持轴线相互垂直，简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副连接的定平台N另外两条边且运动副位于边的任意位置，三条支链不相交。

与动平台M的三个角连接的三条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅲ的运动副为转动副，简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台N四条边分别连接的复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副为：复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为转动副或移动副；其中，简单支链Ⅳ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台N边的对边上的运动副与该移动副轴线平行；简单支链Ⅴ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台N边的对边上的运动副与该移动副轴线平行。

所述动平台M采用任意三角形形式配置；定平台N采用任意四边形形式配置。

所述复杂支链Ⅲ由简单支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ和第四连接杆4复合而成；简单支链Ⅰ一端的转动副R11与定平台N的边连接，简单支链Ⅰ另一端的转动副R14通过第四连接杆4与复杂支链Ⅱ的转动副R22连接，复杂支链Ⅱ一端的转动副R21与定平台N的边连接，复杂支链Ⅱ另一端的转动副R15与动平台M的角连接；其中转动副R11与转动副R21轴线垂直，转动副R14、转动副R22轴线平行，转动副R14轴线垂直于定平台N，转动副R22和转动副R15轴线重合。

所述简单支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、第一连接杆1、第二连接杆2和第三连接杆3组成，作为驱动副的转动副R11能使用移动副代替；其中，第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N相连，第一连接杆1另一端通过转动副R12与第二连接杆2一端相连，第二连接杆2另一端通过转动副R13与第三连接杆3一端相连，第三连接杆3另一端通过转动副R14与第四连接杆4一端相连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14轴线垂直。

所述复杂支链Ⅱ由转动副R21、由四个球副S1-S2-S3-S4构成的平行四边形机构、转动副R22、转动副R15、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7组成，作为驱动副的转动副R21能使用移动副代替；其中，第六连接杆6、第七连接杆7的一端分别焊接固定在平行四边形机构的两条对边中点上，第七连接杆7另一端通过转动副R21与定平台N相连，第六连接杆6另一端通过转动副R22与第五连接杆5一端连接，第五连接杆5另一端通过转动副R15与动平台M连接；第六连接杆6与其连接的平行四边形机构的边杆处于同一平面内，平行四边形机构另外两条边之间通过由转动副Ra、Rb构成的杆件连接。

所述简单支链Ⅳ的串联链为RSS结构，由转动副R31、球副S32、球副S33、第八连接杆8和第九连接杆9组成，作为驱动副的转动副R31能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S33能由虎克铰代替；其中，第九连接杆9一端通过球副S33与动平台M连接，第九连接杆9另一端通过球副S32与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8另一端通过转动副R31与定平台N连接。

所述简单支链Ⅴ的串联链为RSS结构，由转动副R41、球副S42、球副S43、第十连接杆10、第十一连接杆11组成，作为驱动副的转动副R41有使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S42能由虎克铰代替；其中，第十一连接杆11一端通过球副S43与动平台M连接，第十一连接杆11另一端通过球副S42与第十连接杆10一端连接，第十连接杆10另一端通过转动副R41与定平台N连接。

本发明的有益效果是：本发明基于方位特征集理论和方法采用一条复杂支链和两条简单支链连接动平台和定平台来构建并联机构，该结构简单，易于控制，能实现空间三维平动和一维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图中各标号为：N-定平台、M-定平台、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆、7-第七连接杆、8-第八连接杆、9-第九连接杆、10-第十连接杆、11-第十一连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1所示，一种四自由度解耦并联机构，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ组成；所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；所述复杂支链Ⅲ对动平台M产生三维移动和一维转动的作用；所述简单支链Ⅳ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；所述简单支链Ⅴ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；所述简单支链Ⅳ采用的结构与简单支链Ⅴ相同。

进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ一端的运动副分别与动平台M的三个角连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副分别与定平台M的四条边连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副连接的定平台N边为邻边且运动副位于边的中点并保持轴线相互垂直（以图1来看，即R11与R21位于定平台的边为邻边且在边的中点上，R11、R21两者轴线垂直），简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副连接的定平台N另外两条边且运动副位于边的任意位置，三条支链不相交。

进一步地，可以设置与动平台M的三个角连接的三条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅲ的运动副为转动副（1种选择），简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台N四条边分别连接的复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副为：复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为转动副或移动副；其中，简单支链Ⅳ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台N边的对边上的运动副与该移动副轴线平行；简单支链Ⅴ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台N边的对边上的运动副与该移动副轴线平行。

进一步地，可以设置所述动平台M采用任意三角形形式配置（如直角三角形、锐角三角形、钝角三角形、正三角形、等腰三角形等等）；定平台N采用任意四边形形式配置（如不规则四边形、各种梯形、平行四边形等）。

进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅲ由简单支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ和第四连接杆4复合而成；简单支链Ⅰ一端的转动副R11与定平台N的边连接，简单支链Ⅰ另一端的转动副R14通过第四连接杆4与复杂支链Ⅱ的转动副R22连接，复杂支链Ⅱ一端的转动副R21与定平台N的边连接，复杂支链Ⅱ另一端的转动副R15与动平台M的角连接；其中转动副R11与转动副R21轴线垂直，转动副R14、转动副R22轴线平行，转动副R14轴线垂直于定平台N，转动副R22和转动副R15轴线重合。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、第一连接杆1、第二连接杆2和第三连接杆3组成，作为驱动副的转动副R11能使用移动副代替；其中，第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N相连，第一连接杆1另一端通过转动副R12与第二连接杆2一端相连，第二连接杆2另一端通过转动副R13与第三连接杆3一端相连，第三连接杆3另一端通过转动副R14与第四连接杆4一端相连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14轴线垂直。

进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅱ由转动副R21、由四个球副S1-S2-S3-S4构成的平行四边形机构、转动副R22、转动副R15、第五连接杆5、第六连接杆6、第七连接杆7组成，作为驱动副的转动副R21能使用移动副代替；其中，第六连接杆6、第七连接杆7的一端分别焊接固定在平行四边形机构的两条对边中点上（以图1来看，第七连接杆7一端焊接固定在平行四边形机构下边杆S1-S2中点f，平行四边形机构上边杆S3-S4中点e与第六连接杆6焊接连接），第七连接杆7另一端通过转动副R21与定平台N相连，第六连接杆6另一端通过转动副R22与第五连接杆5一端连接，第五连接杆5另一端通过转动副R15与动平台M连接；第六连接杆6与其连接的平行四边形机构的边杆处于同一平面内，平行四边形机构另外两条边之间通过由转动副Ra、Rb构成的杆件连接（复杂支链Ⅱ中的平行四边形机构S1-S2-S3-S4一般会因为装配误差会导致机构特性改变，因此需要在S1-S3、S2-S4两条边杆中间加入长度与边杆S3-S4相等的杆件Ra-Rb，这样可以保证其为平行四边形）。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅳ的串联链为RSS结构，由转动副R31、球副S32、球副S33、第八连接杆8和第九连接杆9组成，作为驱动副的转动副R31能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价（若R31为移动副，则满足R31与R11轴线平行）；球副S33能由虎克铰代替；其中，第九连接杆9一端通过球副S33与动平台M连接，第九连接杆9另一端通过球副S32与第八连接杆8一端连接，第八连接杆8另一端通过转动副R31与定平台N连接。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅴ的串联链为RSS结构，由转动副R41、球副S42、球副S43、第十连接杆10、第十一连接杆11组成，作为驱动副的转动副R41有使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价（若R41为移动副，则满足R41与R21轴线平行）；球副S42能由虎克铰代替；其中，第十一连接杆11一端通过球副S43与动平台M连接，第十一连接杆11另一端通过球副S42与第十连接杆10一端连接，第十连接杆10另一端通过转动副R41与定平台N连接。

本发明的工作原理是：

该机构因为简单支链Ⅰ能输出空间三维移动和一维转动（3T1R），复杂支链Ⅱ能输出空间三维转动和二维转动（3T2R）的作用，简单支链Ⅰ和复杂支链Ⅱ的复合作用使得第五连接杆输出运动为三维移动一维转动（3T1R），其中一维转动垂直于动平台平面，而转动副R15是为了起到连接支链与动平台M的作用，因此整条支链Ⅲ最终的输出运动为三维移动一维转动（3T1R）。此时并联机构动平台M实际已经具备空间三维移动一维转动（3T1R）。当简单支链Ⅳ与简单支链Ⅴ结构一样，则效果一样，提高并联机构的强度和刚度，并且使得定平台底部的转动副作为驱动输入。复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ和简单支链Ⅴ求交集，仍为三维移动一维转动机构。

位于定平台上的四个转动副R11、R21、R31和R41应同时为驱动副。且当依次固定一个、两个、三个驱动副时，该装置就成为三自由度、二自由度、单自由度三平移一转动(3T1R)并联机构，其独立输出运动数目为三、二、一。其他运动为派生运动，也可以理解为衍生运动。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种四自由度解耦并联机构，其特征在于：包括定平台（N）、动平台（M）、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ组成；

所述定平台（N）、动平台（M）通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台（M）的输出运动；

所述复杂支链Ⅲ对动平台（M）产生三维移动和一维转动的作用；

所述简单支链Ⅳ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；

所述简单支链Ⅴ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；

所述简单支链Ⅳ采用的结构与简单支链Ⅴ相同；

所述复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ一端的运动副分别与动平台（M）的三个角连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副分别与定平台（M）的四条边连接，复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副连接的定平台（N）边为邻边且运动副位于边的中点并保持轴线相互垂直，简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副连接的定平台（N）另外两条边且运动副位于边的任意位置，三条支链不相交；

与动平台（M）的三个角连接的三条支链一端的运动副为：复杂支链Ⅲ的运动副为转动副，简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台（N）四条边分别连接的复杂支链Ⅲ另一端两个分支、简单支链Ⅳ另一端、简单支链Ⅴ另一端的运动副为：复杂支链Ⅲ另一端两个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅳ、简单支链Ⅴ的运动副为转动副或移动副；其中，简单支链Ⅳ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台（N）边的对边上的运动副与该移动副轴线平行；简单支链Ⅴ的运动副为移动副时，满足该移动副所在定平台（N）边的对边上的运动副与该移动副轴线平行；

所述复杂支链Ⅲ由简单支链Ⅰ、复杂支链Ⅱ和第四连接杆（4）复合而成；简单支链Ⅰ一端的转动副R11与定平台（N）的边连接，简单支链Ⅰ另一端的转动副R14通过第四连接杆（4）与复杂支链Ⅱ的转动副R22连接，复杂支链Ⅱ一端的转动副R21与定平台（N）的边连接，复杂支链Ⅱ另一端的转动副R15与动平台（M）的角连接；其中转动副R11与转动副R21轴线垂直，转动副R14、转动副R22轴线平行，转动副R14轴线垂直于定平台（N），转动副R22和转动副R15轴线重合；

所述简单支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、第一连接杆（1）、第二连接杆（2）和第三连接杆（3）组成；其中，第一连接杆（1）一端通过转动副R11与定平台（N）相连，第一连接杆（1）另一端通过转动副R12与第二连接杆（2）一端相连，第二连接杆（2）另一端通过转动副R13与第三连接杆（3）一端相连，第三连接杆（3）另一端通过转动副R14与第四连接杆（4）一端相连；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R13与转动副R14轴线垂直；

所述复杂支链Ⅱ由转动副R21、由四个球副S1-S2-S3-S4构成的平行四边形机构、转动副R22、转动副R15、第五连接杆（5）、第六连接杆（6）、第七连接杆（7）组成；其中，第六连接杆（6）、第七连接杆（7）的一端分别焊接固定在平行四边形机构的两条对边中点上，第七连接杆（7）另一端通过转动副R21与定平台（N）相连，第六连接杆（6）另一端通过转动副R22与第五连接杆（5）一端连接，第五连接杆（5）另一端通过转动副R15与动平台（M）连接；第六连接杆（6）与其连接的平行四边形机构的边杆处于同一平面内，平行四边形机构另外两条边之间通过由转动副Ra、Rb构成的杆件连接；

所述简单支链Ⅳ的串联链为RSS结构，由转动副R31、球副S32、球副S33、第八连接杆（8）和第九连接杆（9）组成；球副S33能由虎克铰代替；其中，第九连接杆（9）一端通过球副S33与动平台（M）连接，第九连接杆（9）另一端通过球副S32与第八连接杆（8）一端连接，第八连接杆（8）另一端通过转动副R31与定平台（N）连接；

所述简单支链Ⅴ的串联链为RSS结构，由转动副R41、球副S42、球副S43、第十连接杆（10）、第十一连接杆（11）组成，作为驱动副的转动副R41有使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；其中，第十一连接杆（11）一端通过球副S43与动平台（M）连接，第十一连接杆（11）另一端通过球副S42与第十连接杆（10）一端连接，第十连接杆（10）另一端通过转动副R41与定平台（N）连接。

2.根据权利要求1所述的四自由度解耦并联机构，其特征在于：所述动平台（M）采用任意三角形形式配置；定平台（N）采用任意四边形形式配置。

3.根据权利要求1所述的四自由度解耦并联机构，其特征在于：作为驱动副的转动副R11能使用移动副代替。

4.根据权利要求1所述的四自由度解耦并联机构，其特征在于：作为驱动副的转动副R21能使用移动副代替。

5.根据权利要求1所述的四自由度解耦并联机构，其特征在于：作为驱动副的转动副R31能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。

6.根据权利要求1所述的四自由度解耦并联机构，其特征在于：球副S42能由虎克铰代替。