CN205521367U - 一种三自由度转动的并联机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种三自由度转动的并联机构，包括基座、动平台、驱动装置、三个主动连杆及三个从动连杆。其中三个从动连杆和三个主动连杆运动时所占用的空间独立，相互不产生干涉，具有完整球面工作空间，有效地解决了现有技术中当动平台在做球面运动时各运动部件容易干涉以及串联球面机构动平台“过顶”时产生的由于“万向节死锁”而卡死的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种少自由度并联机构，尤其是一种三自由度转动的并联机构。
背景技术
球面机构是联系平面机构与空间机构的桥梁，它是一类特殊类型的机构。当机构运动时，末端执行器参考点在一个与固定点保持不变距离的球面上运动。球面机构具有结构紧凑、灵活可靠、工作空间大、不易发生干涉、运动学计算简单、控制容易等诸多优点。球面机构在工程上具有重要的应用价值，在宇航、医疗、电子、机械等部门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、卫星定向装置、太阳跟踪装置、射电望远镜、机械加工的回转工作台与零件定位装置。在医疗工程方面，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、在眼科手术中视网膜抗凝剂的注射装置以及踝关节与肩关节的修复等。为推广和拓展球面机构的应用，开展球面机构理论和性能及其设计理论与方法的研究具有重要的理论意义和应用价值。
传统的串联球面机构在结构上存在“万向节死锁”的固有缺陷，因其传动链上质量的叠加导致其加速性能不理想，且由于误差累积的影响往往导致球面跟踪定位不精确，越来越无法满足科技进步对于高速精确定位设备的需求。并联机构相对于串联机构而言，具有刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、运动惯性小、运动学反解易求和便于实时控制等优点，具有广阔的应用前景。
并联机构由于其结构的复杂性，不仅其运动学方程往往存在不同程度的耦合关系，在机构传动过程中也更容易发生碰撞干涉问题，因此通常无法实现完整的球面工作空间。因而，在设计并联机构时不仅要追求工作空间的最大化，还要考虑避免碰撞以及奇异性分析等问题以对机械结构进行优化设计，在不破坏其原有运动传递规律的前提下合理设计杆件的形状，以求各杆件运动时所占用空间的独立。
因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
实用新型内容
为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种使动平台的参考中心点能够实现在完整球面上的快速运动过程中避免各运动部件相互干涉的三自由度转动的并联机构。
为达到上述目的，本实用新型三自由度转动的并联机构可采用如下技术方 案：
一种三自由度转动的并联机构，包括基座、动平台、连接动平台的三个从动连杆、连接从动连杆的三个主动连杆及驱动主动连杆转动的三个驱动装置；所述基座上设有支架，所述三个驱动装置安装于支架上，且三个驱动装置与三个主动连杆形成三个第一转动副，该三个第一转动副分别位于同一个圆周的三个三等分点；所述三个主动连杆与三个从动连杆连接处形成三个第二转动副；三个从动连杆分别与动平台的连接处形成三个第三转动副，该三个第三转动副分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第一转动副、三个第二转动副及三个第三转动副的共九条轴线始终相交于一点；所述三个主动连杆及三个从动连杆均为弧线形，每个从动连杆始终包含于对应连接的主动连杆形成的包络体内，动平台始终包含于三个从动连杆形成的包络体内。
本实用新型三自由度转动的并联机构通过设置三个从动连杆、三个主动连杆，且每个从动连杆始终包含于对应连接的主动连杆形成的包络体内，动平台始终包含于三个从动连杆形成的包络体内，使得三个从动连杆和三个主动连杆运动时所占用空间的独立，相互不产生干涉，与传统的并联球面机构相比，实现了完整的球面工作空间，有效的解决了现有技术中当动平台在做球面运动时各运动部件容易干涉以及串联球面机构动平台“过顶”时产生的由于“万向节死锁”而卡死的问题。
为达到上述目的，本实用新型三自由度转动的并联机构还可采用如下技术方案：
一种三自由度转动的并联机构，包括基座、动平台、连接动平台的三个从动连杆、连接从动连杆的三个主动连杆及驱动主动连杆转动的三个驱动装置；所述基座上设有支架，所述三个驱动装置安装于支架上，且三个驱动装置与三个主动连杆形成三个第一转动副，该三个第一转动副分别位于同一个圆周的三个三等分点；所述三个主动连杆与三个从动连杆连接处形成三个第二转动副；三个从动连杆分别与动平台的连接处形成三个第三转动副，该三个第三转动副分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第一转动副、三个第二转动副及三个第三转动副的共九条轴线始终相交于一点；所述三个主动连杆及三个从动连杆均为弧线形，且每个从动连杆始终位于对应连接的主动连杆弧线所形成的圆周范围内，所述动平台始终位于每个从动连杆弧线所形成的圆周范围内。
附图说明
图1为本实用新型三自由度转动的并联机构的立体图；
图2为本实用新型中主动连杆和从动连杆的连接示意图；
图3为动平台的立体图；
图4为本实用新型三自由度转动的并联机构中动平台法线位于水平面的姿态图；
图5为本实用新型三自由度转动的并联机构中动平台位于工作空间最顶端的姿态图。
具体实施方式
请参阅图1至图5所示，本实用新型公开了一种三自由度转动的并联机构，包括基座1、动平台2、连接动平台2的三个从动连杆3、连接从动连杆3的三个主动连杆4及驱动主动连杆4转动的三个驱动装置5(本实施方式中的驱动装置为伺服电机或者步进电机)。所述基座1上设有支架11，所述三个驱动装置5安装于支架11上，且三个驱动装置5与三个主动连杆4形成三个第一转动副61，该三个第一转动副61分别位于同一个圆周的三个三等分点。所述三个主动连杆4与三个从动连杆3连接处形成三个第二转动副62；三个从动连杆3分别与动平台2的连接处形成三个第三转动副63，该三个第三转动副63分别位于同一圆周的三个三等分点。所述三个第一转动副61、三个第二转动副62及三个第三转动副63的共九条轴线始终相交于一点。所述三个主动连杆4及三个从动连杆3均为弧线形，每个从动连杆3始终包含于对应连接的主动连杆4形成的包络体内，动平台2始终包含于三个从动连杆3形成的包络体内。意即：每个从动连杆3始终位于对应连接的主动连杆4弧线所形成的圆周范围内，所述动平台2始终位于每个从动连杆3弧线所形成的圆周范围内。这样的设计使得动平台2的参考中心点能够实现在完整球面上的快速运动，其动平台2在“过顶”时能够连续运动。当然，为了使动平台2的参考中心点能够在完整球面上快速运动，所述基座1的位置不能对动平台2及主动、从动连杆造成干涉，在此不再赘述。在该方案中，三个从动连杆3、三个主动连杆4运动时所占用的空间独立，相互不产生干涉，并且调整好基座1及动平台2的位置及尺寸也不会对主动、从动连杆的运动造成干涉，有效的解决了现有技术中各运动部件容易干涉以及串联球面机构动平台“过顶”时产生的由于“万向节死锁”而卡死的问题。并且通过图1、图4、图5中动平台2三个位姿的展示，动平台2能够实现球面工作空间底端、水平位置、顶端的定位。
所述动平台2包括平板状的主体部21及自主体部21外侧斜向上延伸的三个连接部22，所述三个连接部22分别连接三个从动连杆3，有效的利用好动平台2各个位置的空间，进一步使得三个从动连杆3、三个主动连杆4运动时所占用空间的独立，相互不产生干涉。
请参阅图2及图3所示在本实施方式中，连杆设计成四分之一椭圆形，既避免了主动连杆2与电机5主轴的碰撞干涉问题，也避免了从动连杆3和动平台4之间的碰撞干涉问题，从而实现动平台4参考中心点的全球面工作空间。为了能够避免干涉问题，本实施方式中优选的主动连杆2和从动连杆3的设计曲率半径有如下关系：
r21>r22+d2
r31>r32+d3
r22>r31+d3
其中r21为主动连杆2中形成的弧线与第一转动副61相邻一端的曲率半径；r22为主动连杆2中形成的弧线与第二转动副62相邻一端的曲率半径；d2为主动连杆2的厚度。r31为从动连杆3中形成的弧线与第二转动副62相邻一端的曲率半径；r32为从动连杆3中形成的弧线与第三转动副63相邻一端的曲率半径；d3为从动连杆3的厚度。另外，所述第三转动副63到三个第三转动副轴线交点的距离r4<r32。所述支架11自基座1倾斜向外延伸，所述驱动装置5安装于支架11外侧，所述主动连杆2安装于支架11内侧。
Claims (6)
1.一种三自由度转动的并联机构，其特征在于：包括基座、动平台、连接动平台的三个从动连杆、连接从动连杆的三个主动连杆及驱动主动连杆转动的三个驱动装置；所述基座上设有支架，所述三个驱动装置安装于支架上，且三个驱动装置与三个主动连杆形成三个第一转动副，该三个第一转动副分别位于同一个圆周的三个三等分点；所述三个主动连杆与三个从动连杆连接处形成三个第二转动副；三个从动连杆分别与动平台的连接处形成三个第三转动副，该三个第三转动副分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第一转动副、三个第二转动副及三个第三转动副的共九条轴线始终相交于一点；所述三个主动连杆及三个从动连杆均为弧线形，每个从动连杆始终包含于对应连接的主动连杆形成的包络体内，动平台始终包含于三个从动连杆形成的包络体内。
2.根据权利要求1所述的三自由度转动的并联机构，其特征在于：所述动平台包括平板状的主体部及自主体部外侧斜向上延伸的三个连接部，所述三个连接部分别连接三个从动连杆。
3.根据权利要求2所述的三自由度转动的并联机构，其特征在于：主动连杆(2)和从动连杆(3)的设计曲率半径有如下关系：
r21>r22+d2
r31>r32+d3
r22>r31+d3
其中r21为主动连杆中形成的弧线与第一转动副相邻一端的曲率半径；r22为主动连杆中形成的弧线与第二转动副相邻一端的曲率半径；d2为主动连杆的厚度；r31为从动连杆中形成的弧线与第二转动副相邻一端的曲率半径；r32为从动连杆中形成的弧线与第三转动副相邻一端的曲率半径；d3为从动连杆的厚度。
4.根据权利要求3所述的三自由度转动的并联机构，其特征在于：所述第三转动副到三个第三转动副轴线交点的距离r4<r32。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的三自由度转动的并联机构，其特征在于：所述支架自基座倾斜向外延伸，所述驱动装置安装于支架外侧，所述主动连杆安装于支架内侧。
6.一种三自由度转动的并联机构，其特征在于：包括基座、动平台、连接动平台的三个从动连杆、连接从动连杆的三个主动连杆及驱动主动连杆转动的三个驱动装置；所述基座上设有支架，所述三个驱动装置安装于支架上，且三个驱动装置与三个主动连杆形成三个第一转动副，该三个第一转动副分别位于同一个圆周的三个三等分点；所述三个主动连杆与三个从动连杆连接处形成三个第二转 动副；三个从动连杆分别与动平台的连接处形成三个第三转动副，该三个第三转动副分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第一转动副、三个第二转动副及三个第三转动副的共九条轴线始终相交于一点；所述三个主动连杆及三个从动连杆均为弧线形，且每个从动连杆始终位于对应连接的主动连杆弧线所形成的圆周范围内，所述动平台始终位于每个从动连杆弧线所形成的圆周范围内。
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|---|---|---|---|---|
| CN107414798A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 二自由度并联机构 |
| CN112829849A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-05-25 | 北京交通大学 | 一种四足步行机器人 |
| CN114055436A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 苏州大学 | 一种便携式全耦合并联型连续体机械臂 |
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