技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于機(jī)構(gòu)學(xué)及機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的固定自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)因具有高剛度、高承載能力、高精度、高速度等優(yōu)點(diǎn)，使其在重載操作、工業(yè)機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)模擬器、微納操作、增材制造等領(lǐng)域等到了重要及廣泛應(yīng)用。

但隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，在極端作業(yè)、先進(jìn)制造、醫(yī)療康復(fù)、太空探索等領(lǐng)域越來(lái)越希望機(jī)構(gòu)具有更高的柔性，能根據(jù)作業(yè)任務(wù)變化而可重構(gòu)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變化其自由度數(shù)和自由度性質(zhì)、重構(gòu)其工作模式。在這種背景下，可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，成為機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。學(xué)者們利用變胞運(yùn)動(dòng)副、可鎖死關(guān)節(jié)、約束奇異單環(huán)閉鏈、變胞單環(huán)閉鏈、可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等發(fā)明了一些特色鮮明的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但現(xiàn)有的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型仍然比較少，且存在工作模式較少、伺服電機(jī)安裝在遠(yuǎn)離機(jī)架位置、重構(gòu)過(guò)程中存在支鏈奇異或約束奇異等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足，提出一種新型變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其具有10種不同工作模式，全部伺服電機(jī)可安裝在機(jī)架，變胞過(guò)程中無(wú)支鏈奇異和約束奇異。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：一種變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)3條相同的變胞支鏈連接并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。變胞支鏈由具有解耦特性的球面五桿機(jī)構(gòu)和4自由度rprp串聯(lián)支鏈混聯(lián)而成，在描述運(yùn)動(dòng)副時(shí)，r為轉(zhuǎn)動(dòng)副，p為移動(dòng)副。

具有解耦特性的球面五桿機(jī)構(gòu)由5根桿組成，各桿間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線正交，所有轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線都通過(guò)球面五桿機(jī)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)，球面五桿機(jī)構(gòu)自由度為2，選取球面五桿機(jī)構(gòu)與機(jī)架相連的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副為輸入副。兩個(gè)輸入副輸入為零時(shí)，為變胞支鏈的初始位形。

串聯(lián)支鏈由2個(gè)線性無(wú)關(guān)的r副和2個(gè)線性無(wú)關(guān)的p副組成，與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的為其中一個(gè)r副，與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰r副相鄰的為其中一個(gè)p副，與變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連的為另外一個(gè)p副，不與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的r幅與2個(gè)p副正交；在初始位形與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的r幅軸線與球面五桿機(jī)構(gòu)其中一個(gè)輸入副軸線正交且與球面五桿機(jī)構(gòu)另一個(gè)輸入副軸線平行。

當(dāng)鎖死與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的r副軸線平行的輸入副，驅(qū)動(dòng)另一個(gè)輸入副，變胞支鏈存在一個(gè)約束力矢，變胞支鏈自由度為5，變胞支鏈工作在模式a。當(dāng)鎖死與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的r副軸線正交的輸入副，驅(qū)動(dòng)另一個(gè)輸入副，變胞支鏈存在一個(gè)約束力耦，變胞支鏈自由度為5，變胞支鏈工作在模式b。當(dāng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輸入副，變胞支鏈無(wú)約束，其自由度為6，變胞支鏈工作在模式c。兩個(gè)輸入副輸入為零的位形，是變胞支鏈3種不同工作模式進(jìn)行切換的初始位形。

當(dāng)變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3條變胞支鏈分別在3種不同工作模式間切換時(shí)，變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)可變胞為3t3r、3t2r、2t3r、2t2r、3t1r、3r1t、3r、3t、2t1r和2r1t共10種不同的工作模式，在描述工作或運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，t代表移動(dòng)，r代表轉(zhuǎn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明：

圖1為球面五桿機(jī)構(gòu)。

圖2為變胞支鏈初始位形。

圖3為變胞支鏈工作模式a。

圖4為變胞支鏈工作模式b。

圖5為變胞支鏈工作模式c。

圖6為變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式：

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述：

圖1所示為具有解耦性質(zhì)的球面五桿機(jī)構(gòu)，其由5根桿和5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成。各桿間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，所有轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線都通過(guò)球面五桿機(jī)構(gòu)的幾何中心，相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線正交。選取與機(jī)架相連的轉(zhuǎn)動(dòng)副r1和r2為輸入副。

圖2所示為初始位形時(shí)的變胞支鏈，其由2自由度球面五桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)4自由度rprp串聯(lián)支鏈組合而成；串聯(lián)支鏈由2個(gè)線性無(wú)關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)副r3和r4及2個(gè)線性無(wú)關(guān)的移動(dòng)副p1和p2組成；與球面五桿機(jī)構(gòu)相鄰的為r3，與r3相鄰的為p1，與變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連的為p2，r4軸線垂直于p1和p2；在初始位形時(shí)r3軸線與r1軸線正交，且初始位形時(shí)r3軸線與r2軸線平行。

圖3所示為重構(gòu)為工作模式a的變胞支鏈，此時(shí)r1為輸入副，r2被鎖死。此時(shí)r3軸線與r1軸線正交，r3軸線與r2軸線不再平行。此時(shí)變胞支鏈自由度為5，其存在1個(gè)約束力矢，約束力矢過(guò)r3軸線與r1軸線的交點(diǎn)，方向與r4軸線方向相同。

圖4所示為重構(gòu)為工作模式b的變胞支鏈，此時(shí)r2為輸入副，r1被鎖死。此時(shí)r3軸線與r1軸線不再正交且也不相交，r3軸線與r2軸線平行。此時(shí)變胞支鏈自由度為5，其存在1個(gè)約束力耦，r3與r2的軸線組成一組平行線矢，r4軸線組成另一組線矢，約束力耦方向?yàn)閮山M線矢的公法線。

圖5所示為重構(gòu)為工作模式c的變胞支鏈，此時(shí)r1和r2同為輸入，變胞支鏈自由度為6，其無(wú)約束。

如圖6所示由3條變胞支鏈組成的變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)，構(gòu)件1為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，構(gòu)件2為固定平臺(tái)，連接固定平臺(tái)2和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的3條變胞支鏈為對(duì)稱布置。當(dāng)3條變胞支鏈分別在3種不同工作模式間切換時(shí)，變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有10種不同工作模式，分別為3t3r、3t2r、2t3r、2t2r、3t1r、3r1t、3r、3t、2t1r和2r1t工作模式，在描述工作或運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，t為移動(dòng)，r為轉(zhuǎn)動(dòng)。

因變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)的全部輸入副都與固定平臺(tái)相連，其全部伺服電機(jī)都安裝在固定平臺(tái)，因此所述變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)。因每條變胞支鏈具有3種不同工作模式，3條結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱布置的變胞支鏈在不同工作模式間切換時(shí)，變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)可具有10種不同工作模式，因此所述變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有工作模式多的優(yōu)點(diǎn)。因球面五桿機(jī)構(gòu)具有解耦特性，變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)在重構(gòu)過(guò)程中無(wú)支鏈奇異和約束奇異，其具有有效避免上述奇異的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其通過(guò)3條對(duì)稱布置的相同變胞支鏈連接固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；變胞支鏈由具有解耦特性的2自由度球面五桿機(jī)構(gòu)和4自由度RPRP串聯(lián)支鏈組合而成；變胞支鏈具有3種不同工作模式，3條變胞支鏈在3種不同工作模式間切換時(shí)，變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)可具有10種不同的工作模式；所述變胞并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性能好，工作模式多，重構(gòu)過(guò)程無(wú)奇異等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：王冰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北華航天工業(yè)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：2017.08.16
技術(shù)公布日：2017.11.17