CN110253545B - 一种变胞五杆机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变胞五杆机构，包括机架、两个球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，所述球面五杆机构包括两个并列排布连接在机架上的第一球面五杆机构和第二球面五杆机构，第一球面五杆机构和第二球面五杆机构上分别连接有第一连架杆和第二连架杆，第一连架杆通过第六转动副与第一连杆连接，第二连架杆通过第七转动副与第二连杆连接，第一连杆和第二连杆的顶端通过第八转动副连接。本发明构思巧妙，结构紧凑合理，两个球面五杆机构并排安装在所述机架上，选取球面五杆机构与机架相连的转动幅为输入副，通过选择驱动或锁死球面五杆机构上的与机架相连的转动副，该变胞五杆机构可相应切换为五种不同的操作模式。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种变胞五杆机构。
背景技术
传统的机械装备一般为具有单一操作模式的固定自由度装备，但随着科学技术的发展，特别是工业生产和高危、航天工程等特殊应用环境，需要机构具有良好的适应性和可变结构特性，希望机构能根据操作环境或操作任务的变化，而变换其自由度和操作模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种变胞五杆机构，解决传统机械仅具有单一操作模式的固定自由度，适应性和可变形较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种变胞五杆机构，包括机架、两个球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，所述球面五杆机构包括两个并列排布连接在所述机架上的第一球面五杆机构和第二球面五杆机构，所述第一球面五杆机构和第二球面五杆机构上分别连接有第一连架杆和第二连架杆，所述第一连架杆通过第六转动副与第一连杆连接，所述第二连架杆通过第七转动副与第二连杆连接，所述第一连杆和所述第二连杆的顶端通过第八转动副连接。
进一步的，所述第一球面五杆机构包括垂直固定在所述机架上的第一直杆A和第二直杆A；所述第一直杆A的端头通过第一转动副A连接有第一弯杆A的一端，所述第二直杆A的端头通过第二转动副A连接有第二弯杆A的一端；所述第一弯杆A的另一端通过第三转动副A连接有第三弯杆A的一端，所述第二弯杆A的另一端通过第四转动副A连接有第四弯杆A的一端，所述第四弯杆A的另一端与所述第三弯杆A的另一端通过第五转动副A连接；所述第一弯杆A、第二弯杆A、第三弯杆A和第四弯杆A的弯角角度均为90°；所述第一连架杆4的下端固定在第四弯杆A的弯角处，且第一连架杆向上垂直于第四弯杆A所在的平面；
所述第二球面五杆机构与所述第一球面五杆机构结构完全相同，包括垂直固定在所述机架上的第一直杆B和第二直杆B；所述第一直杆B的端头通过第一转动副B连接有第一弯杆B的一端，所述第二直杆B的端头通过第二转动副B连接有第二弯杆B的一端；所述第一弯杆B的另一端通过第三转动副B连接有第三弯杆B的一端，所述第二弯杆B的另一端通过第四转动副B连接有第四弯杆B的一端，所述第四弯杆B的另一端与所述第三弯杆B的另一端通过第五转动副B连接；所述第一弯杆B、第二弯杆B、第三弯杆B和第四弯杆B的弯角角度均为90°；所述第二连架杆的下端固定在第四弯杆B的弯角处，且第二连架杆向上垂直于第四弯杆B所在的平面；
所述第六转动副、第七转动副、第八转动副、第四转动副A、第四转动副B的轴线平行，所述第二转动副A和第二转动副B同轴布置且转角相同，所述第一转动副A和第一转动副B的轴线平行。
再进一步的，所述第一连架杆和第二连架杆的规格相同，所述第一连杆和所述第二连杆的规格相同。
再进一步的，所述机架上设置有两个避空孔，两个所述避空孔位于所述第一球面五杆机构和第二球面五杆机构的正下方。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明变胞五杆机构，包括包括机架、两个球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，两个连杆通过两个连架杆与两个球面五杆机构相连接，连杆与连架杆之间通过转动副连接，两相邻的连杆之间通过转动副连接；本发明构思巧妙，结构紧凑合理，两个球面五杆机构并排安装在所述机架上，选取球面五杆机构与机架相连的转动幅为输入副，通过选择驱动或锁死球面五杆机构上的与机架相连的转动副，该变胞五杆机构可相应切换为五种不同的操作模式。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明变胞五杆机构初始方位示意图；
图2为本发明变胞五杆机构操作模式A示意图；
图3为本发明变胞五杆机构操作模式B示意图；
图4为本发明变胞五杆机构操作模式C示意图；
图5为本发明变胞五杆机构操作模式D示意图；
图6为本发明变胞五杆机构操作模式E示意图；
附图标记说明：1、机架；
2、第一球面五杆机构；201、第一直杆A；202、第二直杆A；203、第一转动副A；204、第一弯杆A；205、第二转动副A；206、第二弯杆A；207、第三转动副A；208、第三弯杆A；209、第四转动副A；210、第四弯杆A；211、第五转动副A；
3、第二球面五杆机构；301、第一直杆B；302、第二直杆B；303、第一转动副B；304、第一弯杆B；305、第二转动副B；306、第二弯杆B；307、第三转动副B；308、第三弯杆B；309、第四转动副B；310、第四弯杆B；311、第五转动副B；
4、第一连架杆；5、第一连杆；6、第二连杆；7、第二连架杆；8、第六转动副；9、第七转动副；10、第八转动副。具体实施方式
如图1所示，一种变胞五杆机构，包括机架1、两个球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，所述球面五杆机构包括两个并列排布连接在所述机架1上的第一球面五杆机构2和第二球面五杆机构3，所述第一球面五杆机构2和第二球面五杆机构3上分别连接有第一连架杆4和第二连架杆7，所述第一连架杆4通过第六转动副8与第一连杆5连接，所述第二连架杆7通过第七转动副9与第二连杆6连接，所述第一连杆5和所述第二连杆6的顶端通过第八转动副10连接。
具体来说，所述第一球面五杆机构2包括垂直固定在所述机架1上的第一直杆A201和第二直杆A202；所述第一直杆A201的端头通过第一转动副A203连接有第一弯杆A204的一端，所述第二直杆A202的端头通过第二转动副A205连接有第二弯杆A206的一端；所述第一弯杆A204的另一端通过第三转动副A207连接有第三弯杆A208的一端，所述第二弯杆A206的另一端通过第四转动副A209连接有第四弯杆A210的一端，所述第四弯杆A210的另一端与所述第三弯杆A208的另一端通过第五转动副A211连接；所述第一弯杆A204、第二弯杆A206、第三弯杆A208和第四弯杆A210的弯角角度均为90°；所述第一连架杆4的下端固定在第四弯杆A210的弯角处，且第一连架杆4向上垂直于第四弯杆A210所在的平面；第一转动副A203、第二转动副A205、第三转动副A207、第四转动副A209和第五转动副A211的轴线都通过同一转动中心O点，第一球面五杆机构2所有的构件上所有点的轨迹都是以O点为中心的球面曲线。
所述第二球面五杆机构3与所述第一球面五杆机构2结构完全相同，包括垂直固定在所述机架1上的第一直杆B301和第二直杆B302；所述第一直杆B301的端头通过第一转动副B303连接有第一弯杆B304的一端，所述第二直杆B302的端头通过第二转动副B305连接有第二弯杆B306的一端；所述第一弯杆B304的另一端通过第三转动副B307连接有第三弯杆B308的一端，所述第二弯杆B306的另一端通过第四转动副B309连接有第四弯杆B310的一端，所述第四弯杆B310的另一端与所述第三弯杆B308的另一端通过第五转动副B311连接；所述第一弯杆B304、第二弯杆B306、第三弯杆B308和第四弯杆B310的弯角角度均为90°；所述第二连架杆7的下端固定在第四弯杆B310的弯角处，且第二连架杆7向上垂直于第四弯杆B310所在的平面；第一转动副B303、第二转动副B305、第三转动副B307、第四转动副B309和第五转动副B311的轴线都通过同一转动中心O’点，第二球面五杆机构所有的构件上所有点的轨迹都是以O’点为中心的球面曲线。
所述第六转动副8、第七转动副9、第八转动副10、第四转动副A209、第四转动副B309的轴线平行，所述第二转动副A205和第二转动副B305同轴布置且转角相同，所述第一转动副A203和第一转动副B303的轴线平行。
所述第一连架杆4和第二连架杆7的规格相同，所述第一连杆5和所述第二连杆6的规格相同。所述机架1上设置有两个避空孔，两个所述避空孔位于所述第一球面五杆机构2和第二球面五杆机构3的正下方。
选取与机架1相连的第一转动副A203、第一转动副B303、第二转动副A205(或第二转动副B305)为该变胞五杆机构的输入副，设第一转动副A203的转角为α，设第一转动副B303的转角为γ，设第二转动副A205和第二转动副B305的转角为β。
如图1所示的初始位形时，α＝β＝γ＝0°，第一连架杆4和第二连架杆7垂直于机架1。初始位形时，所述第二转动副A205、第五转动副A211、第二转动副B305和第五转动副B311同轴，第一转动副A203和第四转动副A209同轴、第一转动副B303和第四转动副B309同轴。
如图1所示，建立参考坐标系O-xyz于第一球面五杆机构的转动中心O点，参考坐标系的x轴与第一转动副A203同轴，参考坐标系y轴与第二转动副A205同轴，参考坐标系z轴由x轴和y轴叉乘确定。
如图2所示，为操作模式A时的变胞五杆机构。当α≠0°、β≠0°及γ≠0°时，即同时驱动输入副为第一转动副A203、第一转动副B303、第二转动副A205(或第二转动副B305)时，变胞五杆机构由初始位形切换为操作模式A。如选取第一连杆5为变胞五杆机构的输出构件，操作模式A时，第一连杆5的自由度数目为3，自由度性质为两连续转动和一连续移动，即为2R1T运动(表示运动时，字母R代表转动，字母T代表移动)。转动轴线分别为y轴和[cosβ0-sinβ]T轴，移动方向为[sinβsinαcosβcosαcosβsinα]T。
如图3所示为操作模式B时的变胞五杆机构。当α≠0°、γ≠0°、且在β＝0°处锁死第二转动副A205、第二转动副B305时，变胞五杆机构由初始位形切换为操作模式B。如选取第一连杆5为该机构的输出构件，操作模式B时，第一连杆5的自由度数目为2，自由度性质为绕x轴的连续转动和沿[0cosαsinα]T方向的移动。操作模式B时，变胞五杆机构变换为平面5R机构。
如图4所示为操作模式C时的变胞五杆机构。当β≠0°、且在α＝γ＝0°处锁死第一转动副A203、第一转动副B303时，变胞五杆机构由初始位形切换为操作模式C。如选取第一连杆5为该机构的输出构件，操作模式C时，第一连杆5的自由度数目为1，自由度性质为绕y轴的连续转动。操作模式C时，变胞五杆机构整体绕y轴转动，变胞五杆机构等效为转轴为y轴的转动副。
如图5所示为操作模式D时的变胞五杆机构。当α≠0°、β≠0°、且在γ＝0°处锁死第一转动副B303时，变胞五杆机构由初始位形切换为操作模式D。如选取第一连杆5为该机构的输出构件，操作模式D时，第一连杆5的自由度数目为2。
如图6所示为操作模式E时的变胞五杆机构。当α≠0°、且在β＝γ＝0°处锁死第二转动副A205和第一转动副B303时，变胞五杆机构由初始位形切换为操作模式E。如选取第一连杆5为该机构的输出构件，操作模式E时，第一连杆5的自由度数目为1。操作模式E时，变胞五杆机构变换为平面4R机构。
本发明的所述变胞五杆机构可作为变胞单元应用于可重构并联机构的设计，所述变胞五杆机构本身也可作为机器人操作机应用于工程实际。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种变胞五杆机构，其特征在于：包括机架(1)、两个球面五杆机构、两个连架杆和两个连杆，所述球面五杆机构包括两个并列排布连接在所述机架(1)上的第一球面五杆机构(2)和第二球面五杆机构(3)，所述第一球面五杆机构(2)和第二球面五杆机构(3)上分别连接有第一连架杆(4)和第二连架杆(7)，所述第一连架杆(4)通过第六转动副(8)与第一连杆(5)连接，所述第二连架杆(7)通过第七转动副(9)与第二连杆(6)连接，所述第一连杆(5)和所述第二连杆(6)的顶端通过第八转动副(10)连接；所述第一球面五杆机构(2)包括垂直固定在所述机架(1)上的第一直杆A(201)和第二直杆A(202)；所述第一直杆A(201)的端头通过第一转动副A(203)连接有第一弯杆A(204)的一端，所述第二直杆A(202)的端头通过第二转动副A(205)连接有第二弯杆A(206)的一端；所述第一弯杆A(204)的另一端通过第三转动副A(207)连接有第三弯杆A(208)的一端，所述第二弯杆A(206)的另一端通过第四转动副A(209)连接有第四弯杆A(210)的一端，所述第四弯杆A(210)的另一端与所述第三弯杆A(208)的另一端通过第五转动副A(211)连接；所述第一弯杆A(204)、第二弯杆A(206)、第三弯杆A(208)和第四弯杆A(210)的弯角角度均为90°；所述第一连架杆(4)的下端固定在第四弯杆A(210)的弯角处，且第一连架杆(4)向上垂直于第四弯杆A(210)所在的平面；所述第二球面五杆机构(3)与所述第一球面五杆机构(2)结构完全相同，包括垂直固定在所述机架(1)上的第一直杆B(301)和第二直杆B(302)；所述第一直杆B(301)的端头通过第一转动副B(303)连接有第一弯杆B(304)的一端，所述第二直杆B(302)的端头通过第二转动副B(305)连接有第二弯杆B(306)的一端；所述第一弯杆B(304)的另一端通过第三转动副B(307)连接有第三弯杆B(308)的一端，所述第二弯杆B(306)的另一端通过第四转动副B(309)连接有第四弯杆B(310)的一端，所述第四弯杆B(310)的另一端与所述第三弯杆B(308)的另一端通过第五转动副B(311)连接；所述第一弯杆B(304)、第二弯杆B(306)、第三弯杆B(308)和第四弯杆B(310)的弯角角度均为90°；所述第二连架杆(7)的下端固定在第四弯杆B(310)的弯角处，且第二连架杆(7)向上垂直于第四弯杆B(310)所在的平面；所述第六转动副(8)、第七转动副(9)、第八转动副(10)、第四转动副A(209)、第四转动副B(309)的轴线平行，所述第二转动副A(205)和第二转动副B(305)同轴布置且转角相同，所述第一转动副A(203)和第一转动副B(303)的轴线平行；
选取与机架(1)相连的第一转动副A(203)、第一转动副B(303)、第二转动副A(205)为该变胞五杆机构的输入副，设第一转动副A(203)的转角为α，设第一转动副B(303)的转角为γ，设第二转动副A(205)的转角为β；
操作模式A为当α≠0°、β≠0°及γ≠0°时，同时驱动输入副为第一转动副A(203)、第一转动副B(303)、第二转动副A(205)；
操作模式B为当α≠0°、γ≠0°、且在β＝0°处锁死第二转动副A(205)；
操作模式C为当β≠0°、且在α＝γ＝0°处锁死第一转动副A(203)、第一转动副B(303)；
操作模式D为当α≠0°、β≠0°、且在γ＝0°处锁死第一转动副B(303)；
操作模式E为当α≠0°、且在β＝γ＝0°处锁死第二转动副A(205)和第一转动副B(303)。
2.根据权利要求1所述的变胞五杆机构，其特征在于：所述第一连架杆(4)和第二连架杆(7)的规格相同，所述第一连杆(5)和所述第二连杆(6)的规格相同。
3.根据权利要求1所述的变胞五杆机构，其特征在于：所述机架(1)上设置有两个避空孔，两个所述避空孔位于所述第一球面五杆机构(2)和第二球面五杆机构(3)的正下方。
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