CN204450527U - 一种具有2转动自由度的球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有2转动自由度的球面并联机构，包括工作平台和基座，上述两者通过支撑柱连接，其中支撑柱的顶端通过虎克铰链连接工作平台，底端固定连接基座，以支撑工作平台和约束自由度，而从驱动电机到工作平台的运动传递则通过由两段连杆构成的两个支链实现。本实用新型结构简单、可实现性强，而且兼顾了球面并联机构的优点和应用实际，提高了2自由度转动机构的精度并降低了驱动单元的功率。

Description

一种具有2转动自由度的球面并联机构

技术领域

本实用新型涉及机器人和机械制造领域，具体涉及一种能够实现2个转动自由度的球面并联机器人构型。

背景技术

随着机器人技术的发展和并联机构不断趋于成熟，各种形式的球面并联机构也引起了人们的关注，在成为研究热点的同时也有了成功的应用。球面机构作为一类特殊的空间机构，具有机构简单、工作空间大、不易发生干涉、运动学计算简单、控制容易等优点。其中最典型的就是各种形式的球面三自由度并联机构，并成功应用于很多领域。除此之外球面机构在航空航天、医疗器械、机器人、机电一体化等领域具有广阔的应用前景，如用作机器人的腕关节、机械数字式测量机、卫星定位装置、射电望远镜、机械加工的回转台等。在医学工程方面，球面机构可用作腹腔外科手术机器人、灵活眼、牙颌模型的激光扫描装置等。

对于某些工程应用场合如指向平台、机器人操作机构和振动隔离等，两个转动自由度就能满足应用需求。常见的两转动自由度装置，如陀螺框架式的AB轴形式等，往往在承载能力、指向精度、机构紧凑性、响应速度、实现难度等方面上存在着一些缺陷。在这种情况下，球面并联机构的优点恰好能够弥补这些缺点，得到较为理想的应用效 果。对于上述应用实例中技术较为成熟的球面三自由度并联机构虽然能满足应用要求，但其多余的自由度必然增加了机构的复杂度和驱动个数，从而增加了机构重量、动力需求和经济成本。而这些缺点对于一些特殊应用需求是不利的，需要一种新的两自由度球面并联机构来满足相应的应用需求，这就要求新型机构既保留球面机构在应用中的优点，又能克服采用球面三自由度并联机构带来的不利因素。

实用新型内容

针对指向平台、机器人操作机构和振动隔离等应用领域现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种具有2转动自由度的球面并联机构，通过固定连接基座、以虎克铰链连接工作平台的支撑柱来固定工作平台的旋转中心，并设置以转动副形式实现关节传递的支链，令球面并联机构上所有点均在一个定点为球心的球面上运动，从而实现提高2自由度转动机构的精度并降低驱动单元的功率。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种具有2转动自由度的球面并联机构，包括工作平台、与所述工作平台相对设置的基座；所述工作平台和基座通过支撑柱连接，其中所述支撑柱的顶端与所述工作平台通过虎克铰链连接，底端则固定连接于所述基座；另外，所述工作平台和基座之间设置有两个支链，所述两个支链均包括上连杆和下连杆，所述上连杆的一端通过转动副铰链连接于所述工作平台，另一端与所述下连杆的一端通过转动副铰链连接；两个支链的下连杆的另一端分别与一驱动电机的输出轴直接 相连接；所述虎克铰链主要由一个十字轴和两个铰链件组成，所述十字轴的几何中心为其转动中心；所述转动副的轴线方向以及驱动电机输出轴的轴线方向指向空间内一定点，所述球面并联机构上的所有点均在以所述定点为球心的球面上运动。

需要说明的是，所述支撑柱顶端通过虎克铰链连接于工作平台，可以限制工作平台在两个方向上转动，进而使所述球面并联机构在两个驱动电机的驱动下具有确定的运动。

需要说明的是，所述两个支链的下连杆的另一端直接与驱动电机输出轴固定连接，以便驱动电机驱动所述下连杆作为主动构件在以定点为球心的球面上运动，实现工作平台的位姿输出；上连杆的一端与工作平台通过转动副铰接，作为运动的输出端；上下连杆通过转动副铰接在一起，以此将运动从下连杆传递到上连杆。采用转动副的目的在于满足所述球面并联机构的自由度数要求。若采用其他形式的运动副，如球副、虎克铰链等，则所述工作平台就会产生多余的不可控自由度。同时，只有采用转动副，并使转动副和驱动电机输出轴的轴线方向指向空间内一定点，才能保证所述球面并联机构上所有的点都在以该定点为球心的球面上运动能够实现。

作为一种优选方案，所述十字轴的转动中心固定不变。

进一步地，作为一种优选方案，所述定点为所述十字轴的转动中心。这样，所述球面并联机构上所有的点都在以所述十字轴的转动中心为球心的球面上运动。

作为一种优选方案，所述工作平台可绕着所述虎克铰链沿上下两 个垂直方向运动。

本实用新型的有益效果在于：

1、结构简单、可实现性强；

2、兼顾了球面并联机构的优点和应用实际，提高了2自由度转动机构的精度并降低了驱动单元的功率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中虎克铰链的结构示意图；

图3为图2中十字轴的结构示意图；

图4为图1中组成支链的上连杆和下连杆的结构示意图；

图5为图1中转动副和驱动电机输出轴的轴线方向示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，一种具有2转动自由度的球面并联机构，包括工作平台2、与所述工作平台2相对设置的基座1，所述工作平台2和基座1通过支撑柱4连接，其中所述支撑柱4的顶端与所述工作平台2通过虎克铰链3连接，底端则固定连接于所述基座1；另外，所述工作平台2和基座1之间设置有两个支链6，所述两个支链6均由上连 杆和下连杆组成，所述上连杆的一端通过转动副铰链连接于所述工作平台2，另一端与所述下连杆的一端通过转动副铰链连接；两个支链6的下连杆的另一端分别与一驱动电机5的输出轴直接相连接。所述工作平台2绕着所述虎克铰链3沿上下两个垂直方向运动。

所述虎克铰链如图2所示，分为上铰板3.1、下铰板3.3、十字轴3.2三部分，图2为其装配形式。如图3所示，十字轴3.2由中心块和四个分支轴组成，铰接配合后虎克铰链3以十字轴3.2的几何中心作为转动中心，所述转动中心固定不变。

作为一种实施例，构成上连杆和下连杆的连杆6.1如图4所示。所述连杆6.1设计为弧形，两端设置转动副配合结构，连杆6.1所对应的圆心角α为零件设计参数。

如图5所示，所述机构在工作过程中必须保证转动副和驱动电机的轴线时刻指向空间内一定点，所述定点为虎克铰链3的十字轴3.2的转动中心o。在所述球面并联机构工作过程中，所述球面并联机构上的所有点均在以虎克铰链十字轴转动中心为球心的球面上运动。因此连杆的设计必须保证在装配完成后，上连杆和下连杆的铰接点在以所述转动中心为球心的球面上。

需要说明的是，所述支撑柱顶端通过虎克铰链连接于工作平台，可以限制工作平台在两个方向上转动，进而使所述球面并联机构在两个驱动电机的驱动下具有确定的运动。

需要说明的是，所述两个支链的下连杆的另一端直接与驱动电机输出轴固定连接，以便驱动电机驱动所述下连杆,作为主动构件在以 定点为球心的球面上运动，实现工作平台的位姿输出；上连杆的一端与工作平台通过转动副铰接，作为运动的输出端；上下连杆通过转动副铰接在一起，以此将运动从下连杆传递到上连杆。采用转动副的目的在于满足所述球面并联机构的自由度数要求。若采用其他形式的运动副，如球副、虎克铰链等，则所述工作平台就会产生多余的不可控自由度。同时，只有采用转动副，并使转动副和驱动电机输出轴的轴线方向指向空间内一定点，才能保证所述球面并联机构上所有的点都在以该定点为球心的球面上运动。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有2转动自由度的球面并联机构，包括工作平台、与所述工作平台相对设置的基座，其特征在于：所述工作平台和基座通过支撑柱连接，其中所述支撑柱的顶端与所述工作平台通过虎克铰链连接，底端则固定连接于所述基座；另外，所述工作平台和基座之间设置有两个支链，所述两个支链均包括上连杆和下连杆，所述上连杆的一端通过转动副铰链连接于所述工作平台，另一端与所述下连杆的一端通过转动副铰链连接；两个支链的下连杆的另一端分别与一驱动电机的输出轴直接相连接；所述虎克铰链主要由一个十字轴和两个铰链件组成，所述十字轴的几何中心为其转动中心；所述转动副的轴线方向以及驱动电机输出轴的轴线方向指向空间内一定点，所述球面并联机构上的所有点均在以所述定点为球心的球面上运动。

2.根据权利要求1所述的一种具有2转动自由度的球面并联机构，其特征在于，所述十字轴的转动中心固定不变。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有2转动自由度的球面并联机构，其特征在于，所述定点为所述十字轴的转动中心。

4.根据权利要求1所述的一种具有2转动自由度的球面并联机构，其特征在于，所述工作平台可绕着所述虎克铰链沿上下两个垂直方向运动。