一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，涉及機器人設計【技術領域】。本發(fā)明的并聯(lián)變胞機構包括靜平臺、動平臺、連接靜平臺和動平臺且均勻分布的三條相同結構運動鏈以及構態(tài)轉換機構。構態(tài)轉換機構由分別設置在靜平臺和動平臺上的結構相同的兩部分組成，每個部分包括連桿Ⅲ、連桿Ⅳ、連桿Ⅴ和對心機構。連桿Ⅲ和連桿Ⅳ之間通過滑動副連接，連桿Ⅲ的另一端與虎克鉸連接，連桿Ⅳ的另一端與對心機構的圓盤之間轉動副連接。連桿Ⅴ一端與對心機構的圓盤相連，另一端與靜平臺或動平臺相連。本發(fā)明的并聯(lián)變胞機構具有兩種不同構態(tài)，分別實現(xiàn)3自由度平動和3自由度轉動的工作要求。本發(fā)明保持了傳統(tǒng)并聯(lián)機構的所有特點，易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及并聯(lián)機構和變胞機構，可用于機器人領域，具體來說，是一種基于變胞原理的可分別實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構。
技術背景
[0002]并聯(lián)機構(Parallel Mechanism),可以定義為動平臺和靜平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)機構。1965 年，Stewart 對 Gough (Stewart D.A Platform With Six Degrees ofFreedom[J].Journal of System Engineering and Control, Proc Inst.Mech.Engers Part
I,1965，180(15):371 - 386.)發(fā)明的一種基于并聯(lián)機構的六自由度輪胎檢測裝置進行了機構學意義上的研究，并將其推廣應用為飛機模擬器的運動產生裝置，這種機構也是目前應用最廣的并聯(lián)機構，被稱為Gough-Stewart機構。并聯(lián)機構具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重符合比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點，很好的彌補了串聯(lián)機構的缺點。其應用前景極為廣闊，如:機器人、虛擬軸機床、運載工具模擬器、六維微調機構、空間位姿測量機、六維力矩測量器等。
[0003]然而，機械產品正向高速化、精密化、柔性化和多樣化方向發(fā)展。要求現(xiàn)代機械系統(tǒng)不僅能夠高精度、高效率、大負載地運轉，而且還應具有適應多任務及復雜環(huán)境的特點。并聯(lián)機構發(fā)展到今天雖然結構形式和驅動方式在不斷變化，但其機構構型和自由度總是固定不變，無法滿足多任務和復雜環(huán)境的特殊應用要求。因此，必須要提供一種多構態(tài)、多功能、變約束的并聯(lián)機構設計方案。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明基于變胞機構提出一種可分別實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，包括靜平臺、動平臺、連接靜平臺和動平臺且均勻分布的三條相同結構運動鏈以及構態(tài)轉換機構。
[0005]其中，運動鏈的上連桿I和下連桿II之間通過滑動副連接，另一端分別連接一個虎克鉸，虎克鉸通過轉動副連接到動平臺和靜平臺。每個虎克鉸包括一個十字形連接件和兩長方形件。兩長方形件分別通過轉動副與所述的十字形連接件的兩端相連?；⒖算q的兩個長方形件分別與連桿I (或連桿II)和構態(tài)轉換機構的連桿III固定相連，與構態(tài)轉換機構的連桿III相連的長方形件又通過轉動副與靜(動)平臺連接。
[0006]構態(tài)轉換機構由分別設置在靜平臺和動平臺上的結構相同的兩部分組成，每個部分包括連桿II1、連桿IV、連桿V和對心機構。連桿III和連桿IV之間通過滑動副連接，連桿III的另一端與虎克鉸連接，連桿IV的另一端作為對心機構的連桿，與對心機構的圓盤之間轉動副連接。連桿V—端與對心機構的圓盤底部圓心部分固定相連，另一端通過滑動副與靜平臺(或動平臺)相連。
[0007]構態(tài)轉換機構中的對心機構由圓盤、四桿機構、活動塊以及球鉸鏈的圓球(或球鉸鏈的接頭)組成。圓盤起支撐對心機構其他構件的作用。在固定在圓盤上的四桿機構中，相對的兩桿長度相等，所以四桿機構的形狀始終為平行四邊形。活動塊可以在圓盤內孔中滑動，靜平臺的活動塊頂部中心設置有球鉸鏈的圓球，球鉸鏈的圓球可以在活動塊中自由轉動；動平臺的活動塊頂部中心設置有能與球鉸鏈的圓球配合連接的接頭?；顒訅K通過連桿VIII以移動副和四桿機構的連桿VII連接，四桿機構能夠保證球鉸鏈圓球的中心和球鉸鏈接頭的頂部始終在連桿IV的延長線上，當球鉸鏈接頭和球鉸鏈圓球連接就能完成對心。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0009]1.本發(fā)明通過將虎克鉸與動平臺和靜平臺以轉動副連接，并設置構態(tài)轉換機構，使得該并聯(lián)機構具有兩種不同構態(tài)，分別實現(xiàn)3自由度平動和3自由度轉動的工作要求。
[0010]2.本發(fā)明保持了傳統(tǒng)并聯(lián)機構的所有特點，易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的一種并聯(lián)變胞機構的總體結構示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明虎克鉸的各組成部分的示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明構態(tài)轉換機構的各組成部分的示意圖；
[0014]圖4A和圖4B為本發(fā)明對心機構的各組成部分的示意圖；
[0015]圖4C為對心機構的圓盤結構示意圖；
[0016]圖5為本發(fā)明的一種并聯(lián)變胞機構的第一構態(tài)不意圖,具有3自由度平動運動；
[0017]圖6為本發(fā)明的一種并聯(lián)`變胞機構的第二構態(tài)示意圖，具有3自由度轉動運動。
[0018]圖中:
[0019]1.靜平臺；2.動平臺；3.第一運動鏈；4.第二運動鏈；
5.第三運動鏈；
[0020]6.構態(tài)轉換機構； 7.上連桿I;8.下連桿II; 9.虎克鉸A ;
10.虎克鉸B ;
[0021]11.十字形連接件；12.長方形件A; 13.長方形件B; 14.轉動副；15.轉動副；
[0022]16.連桿 III;17.轉動副 C ; 18.連桿 IV ;19.連桿 V ;20.對心機構；
[0023]21.圓盤；22.四桿機構； 23.活動塊23 ； 24.圓球；25.接頭25 ；
[0024]26.連桿 VI ;27.連桿 VII ； 28.連桿 VIII ； 29.內孔；30.條形槽。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體的實施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進一步說明:
[0026]圖1為本發(fā)明提供的一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構的總體示意圖。所述并聯(lián)變胞機構由靜平臺1、動平臺2、連接靜平臺I和動平臺2且均勻分布的三條相同結構的第一運動鏈3、第二運動鏈4和第三運動鏈5以及構態(tài)轉換機構6組成。
[0027]各運動鏈結構相同，以第一運動鏈3為例，上連桿17和下連桿118之間通過滑動副連接，上連桿17的另一端和虎克鉸A9固定相連，下連桿118的另一端和虎克鉸BlO固定相連。每個虎克鉸A9或虎克鉸B10，如圖2所示，包括十字形連接件11、長方形件A12和長方形件B13。長方形件A12和長方形件B13分別通過轉動副14和轉動副15與所述的十字形連接件11的兩端相連，使得所述的長方形件A12和長方形件B13分別可以繞所述十字形連接件11的兩個桿轉動。長方形件A12底部中間與上連桿17 (或下連桿118)固定連接，長方形件B13底部中間與構態(tài)轉換機構6的連桿II116固定相連，另外長方形件B13還通過轉動副C17與靜平臺I (或動平臺2)相連,所述轉動副C17的轉動軸線平行于長方形件A12的轉動軸線。
[0028]構態(tài)轉換機構6由對稱的兩部分組成，分別位于靜平臺I和動平臺2上，如圖1和圖3所示。所述構態(tài)轉換機構6的每個部分包括三個連桿II116、連桿IV18、連桿V19和一個對心機構20。連桿III16和連桿IV18之間通過滑動副連接，連桿III16的另一端與虎克鉸連接，連桿IV18的另一端作為對心機構20的連桿，與對心機構20的圓盤21之間轉動副連接。連桿V19 —端與對心機構20的圓盤21的底部圓心部分(與內孔29相對的一面)固定相連，另一端通過滑動副與靜平臺I (或動平臺2)相連。
[0029]如圖4A和4B所示，所述對心機構20由圓盤21、四桿機構22、活動塊23以及球鉸鏈的圓球24 (或球鉸鏈的接頭25——對應于動平臺2的對心機構)組成。圓盤21起支撐對心機構20其他構件的作用，如圖4C所示，所述圓盤21為圓柱形狀，中心具有圓筒形內孔29。在固定在圓盤21上的四桿機構22中，相對的兩桿長度相等，所以四桿機構22的形狀始終為平行四邊形。活動塊23可以在圓盤21內孔29中滑動。對應靜平臺I的活動塊23頂部中心設置有球鉸鏈的圓球24，球鉸鏈的圓球24可以在活動塊23中自由轉動；對應動平臺2的活動塊23頂部中心設置有能與球鉸鏈的圓球24配合連接的接頭25。活動塊23與連桿VIII28鉸接，連桿VIII28的另一端以滑動副和連桿VII27連接。在靜平臺I 一邊，連桿VIII28與活動塊23的鉸接處到球鉸鏈的圓球24的中心(或球鉸鏈的接頭25頂部)的距離等于連桿VI26長度，同理在動平臺2 —邊，連桿VIII28與活動塊23的鉸接處到球鉸鏈接頭25頂部的距離等于連桿VI26長度，所以能夠保證球鉸鏈的圓球24的中心和球鉸鏈的接頭25的頂部始終在連桿IV18的延長線上，當接頭25和球鉸鏈的圓球24連接就能完成對心(所有運動鏈的連桿IV18都對準球鉸的中心)。
[0030]所述四桿機構22如圖4A所示，包括連桿IV18、連桿VI26和連桿VII27，其中連桿IV18和連桿VII27之間通過連桿VI26連接，連桿IV18和連桿VII27的另一端分別連接在圓盤21上，且兩個連接部位之間的距離等于連桿VI26的長度。連桿IV18和連桿VII27的長度相等。連桿VI26與連桿IV18之間、連桿VI26與連桿VII27之間、連桿VII27與圓盤21之間、連桿IV18與圓盤21之間的連接關系均為轉動副連接。
[0031]所述圓盤21的結構如圖4C所示，圓柱形圓盤結構的軸心具有圓筒形內孔29，圓盤結構的側面具有條形槽30，分別用于連接固定連桿IV18、連桿VII27和連桿VIII28。
[0032]并聯(lián)變胞機構的構態(tài)一，如圖5，通過調節(jié)構態(tài)轉換機構6的連桿V19長度，改變圓盤21的高度，使連桿18保持水平。此時每個運動鏈的虎克鉸的兩十字形連接件11的軸線兩兩平行，根據(jù)已有并聯(lián)平臺相關理論基礎，通過控制第一運動鏈3、第二運動鏈4、第三運動鏈5的長度變化，可以使動平臺2在XYZ方向上做三自由度的純平動運動。
[0033]并聯(lián)變胞機構的構態(tài)二，如圖6，通過調節(jié)構態(tài)轉換機構6的連桿19長度，改變圓盤21的高度，使接頭25和球鉸鏈的圓球24連接形成球鉸鏈副，完成對心。此時每條運動鏈的連桿IV18都對準一點，根據(jù)已有并聯(lián)平臺相關理論基礎，通過控制第一運動鏈3、第二運動鏈4、第三運動鏈5的長度變化，可以使動平臺2繞球鉸鏈做三自由度轉動運動。所述的長度變化是通過各自連接的滑動副實現(xiàn)的。
【權利要求】
1.一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，包括靜平臺、動平臺、連接靜平臺和動平臺且均勻分布的三條相同結構運動鏈，其特征在于:還包括構態(tài)轉換機構；運動鏈的上連桿I和下連桿II之間通過滑動副連接，上連桿I和下連桿II的另一端固定連接一個虎克鉸，所述虎克鉸通過轉動副連接到動平臺和靜平臺；所述構態(tài)轉換機構由分別設置在靜平臺和動平臺上的結構相同的兩部分組成，每個部分包括連桿II1、連桿IV、連桿V和對心機構，連桿III和連桿IV之間通過滑動副連接，連桿III的另一端與虎克鉸連接，連桿IV的另一端作為對心機構的連桿，與對心機構的圓盤轉動副連接，連桿V —端與對心機構的圓盤底面圓心部分固定相連，另一端通過滑動副與靜平臺或動平臺相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，其特征在于:所述虎克鉸包括十字形連接件和兩長方形件，兩長方形件分別通過轉動副與所述的十字形連接件的兩端相連，其中一個長方形件與連桿I或連桿II固定連接；另一個長方形件與構態(tài)轉換機構的連桿III固定相連，與連桿III連接的長方形件又通過轉動副與靜平臺或動平臺相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，其特征在于:所述的對心機構由圓盤、四桿機構、活動塊以及球鉸鏈的圓球或接頭組成，圓盤上固定四桿機構，四桿機構中相對的兩桿長度相等，所以四桿機構的形狀始終為平行四邊形；圓盤上設置有內孔，活動塊位于圓盤內孔中并可以上下滑動；靜平臺的活動塊頂部中心設置有球鉸鏈的圓球，球鉸鏈的圓球可以在活動塊中自由轉動；動平臺的活動塊頂部中心設置有能與球鉸鏈的圓球配合連接的接頭，活動塊通過連桿VIII以移動副和四桿機構的連桿IV連接，四桿機構可保證球鉸鏈圓球的中心和球鉸鏈接頭的頂部始終在連桿IV的延長線上，當球鉸鏈接頭和球鉸鏈圓球連接就能完成對心。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，其特征在于:所述四桿機構包括連桿IV、連桿VI和連桿VII，其中連桿IV和連桿VII之間通過連桿VI連接，連桿IV和連桿VII的另一端分別連接在圓盤上，且兩個連接部位之間的距離等于連桿VI的長度；連桿IV和連桿VII的長度相等；連桿VI與連桿IV之間、連桿VI與連桿VII之間、連桿VII與圓盤之間、連桿IV與圓盤之間的連接關系均為轉動副連接。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種可實現(xiàn)純平動和純轉動的并聯(lián)變胞機構，其特征在于:所述圓盤為圓柱形圓盤結構，圓盤結構的軸心具有圓筒形內孔，圓盤結構的側面具有三個條形槽，分別用于連接固定連桿IV、連桿VII和連桿VIII。
【文檔編號】B25J9/00GK103552058SQ201310498660
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權日:2013年10月22日
【發(fā)明者】張武翔, 吳騰, 丁希侖 申請人:北京航空航天大學