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CN109333509B - 一种球坐标型低耦合并联机构 - Google Patents

一种球坐标型低耦合并联机构 Download PDF

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CN109333509B CN201811323317.3A CN201811323317A CN109333509B CN 109333509 B CN109333509 B CN 109333509B CN 201811323317 A CN201811323317 A CN 201811323317A CN 109333509 B CN109333509 B CN 109333509B
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Abstract

本发明公开了一种球坐标型低耦合并联机构，包括静平台、动平台、连接静/动平台的简单支链Ⅰ、Ⅱ和复杂支链；简单支链Ⅰ包括具有至少两个自由度的铰链Ⅰ、移动副Ⅰ和球副Ⅰ；简单支链Ⅱ包括具有至少两个自由度的铰链Ⅲ、移动副Ⅲ和球副Ⅲ；复杂支链由子链Ⅰ、Ⅱ并联再串联转动副Ⅰ；子链Ⅰ包括转动副Ⅱ、移动副Ⅱ和球副Ⅱ；子链Ⅱ包括转动副Ⅳ和移动副Ⅳ；转动副Ⅱ、Ⅳ轴线平行，并同时绕转动副Ⅰ轴线转动；移动副Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为主动输入，动平台产生垂直于静平台的移动和分别绕转动副Ⅱ、Ⅰ轴线的转动。本发明重构定平台上运动副分布位置，并合并共轴运动副，将两或三条支链转化为一条混合支链，以减少第一回路有效自由度的方式降低了机构偶合度。

Description

一种球坐标型低耦合并联机构
技术领域
本发明涉及并联机构，特别涉及一种球坐标型低耦合并联机构，为机器人执行器和机构型综合提供一个新的一平移两转动构型。
背景技术
Tricept(US4732525、US6301525)具有良好的静/动态性能、工作空间/机座体积比大和结构可重构等特点，在工业领域得到广泛应用。最初的原型机Tricept 600问世于1987年，后又开发出Tricept 605、Tricept 805、Tricept 1005、Tricept 9000，但这类构型耦合度较高(κ＝2)，近年来，有大量学者致力于对Tricept的研究。专利CN100446940C提出的TriVariant-A混联机构，简化了并联机构的整体结构，实现了机构的结构降耦，但整体刚性降低。能够继承Tricept优良特性，而又低耦合度的球坐标型并联机构还不多，因此提出新型的球坐标型低耦合并联机构很有现实意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，为机器人执行器提供一种新型的具有一平移两转动输出的球坐标型低耦合并联机构，优化Tricept机构存在的不足，另外，为机构型综合提供新型的一平移两转动输出的结构单元。
本发明所采用的技术方案是：一种球坐标型低耦合并联机构，包括静平台、动平台、以及连接所述静平台和所述动平台的运动链，所述运动链包括简单支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、具有一平移两转动输出的复杂支链；
所述简单支链Ⅰ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅰ、移动副Ⅰ和球副Ⅰ，所述简单支链Ⅰ的一端通过所述铰链Ⅰ与所述静平台连接、另一端通过所述球副Ⅰ与所述动平台连接；
所述简单支链Ⅱ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅲ、移动副Ⅲ和球副Ⅲ，所述简单支链Ⅱ的一端通过所述铰链Ⅲ与所述静平台连接、另一端通过所述球副Ⅲ与所述动平台连接；
所述复杂支链包括子链Ⅰ、子链Ⅱ和转动副Ⅰ，所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ共面，并并联连接于所述静平台和所述动平台之间，所述转动副Ⅰ串联连接在所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台连接；所述子链Ⅰ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅱ、移动副Ⅱ和球副Ⅱ，所述子链Ⅰ的末端通过所述球副Ⅱ与所述动平台连接；所述子链Ⅱ为被动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅳ和移动副Ⅳ，所述子链Ⅱ的末端与所述动平台固定连接；所述转动副Ⅱ与所述转动副Ⅳ轴线平行，并与所述转动副Ⅰ轴线垂直，且同时绕所述转动副Ⅰ轴线转动；
所述移动副Ⅰ、移动副Ⅱ、移动副Ⅲ为主动输入，所述动平台产生垂直于所述静平台的移动和分别绕所述转动副Ⅱ、转动副Ⅰ轴线的转动。
进一步的，所述铰链Ⅰ和所述铰链Ⅲ均采用轴线任意布置的虎克副。
进一步的，所述铰链Ⅰ和所述铰链Ⅲ均采用球副。
本发明的有益效果是：本发明根据Tricept机构(Tricept机构耦合度为2)，重构定平台上运动副分布位置，并合并共轴运动副，将两条或三条支链转化为一条混合支链，以减少第一回路的有效自由度的方式降低了机构耦合度(本发明机构耦合度为1)。因此，该机构运动学和动力学分析要比Tricept机构简单。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是整体结构中复杂支链示意图。
附图标注：0-静平台，1-动平台，2、3、4、5、6、7、8、9-构件，R24-转动副Ⅰ，R2-转动副Ⅱ，R4-转动副Ⅳ，U1-虎克副Ⅰ，U3-虎克副Ⅲ，P1-移动副Ⅰ， P2-移动副Ⅱ，P3-移动副Ⅲ，P4-移动副Ⅳ，S1-球副Ⅰ，S2-球副Ⅱ，S3-球副Ⅲ，
O-复杂支链输出点。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1和图2所示，一种球坐标型低耦合并联机构，包括静平台0、动平台1、以及连接所述静平台0和所述动平台1的两条结构相同的简单支链Ⅰ、简单支链Ⅱ和一条复杂支链。
所述简单支链Ⅰ与所述复杂支链不共面。所述简单支链Ⅰ为主动支链，由所述静平台0至所述动平台1依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅰ、移动副ⅠP1和球副ⅠS1，所述简单支链Ⅰ的一端通过所述铰链Ⅰ与所述静平台0 连接、另一端通过所述球副ⅠS1与所述动平台1连接。其中，所述铰链Ⅰ可采用虎克副ⅠU1，所述虎克副ⅠU1的轴线可任意布置，此时，所述简单支链Ⅰ为U-P-S 支链；为增加机构的适应性，所述铰链Ⅰ还可采用球副，此时，所述简单支链Ⅰ为S-P-S支链，为无约束支链。
所述简单支链Ⅱ可与所述复杂支链共面也可不共面。所述简单支链Ⅱ为主动支链，由所述静平台0至所述动平台1依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅲ、移动副ⅢP3和球副ⅢS3，所述简单支链Ⅱ的一端通过所述铰链Ⅲ与所述静平台0连接、另一端通过所述球副ⅢS3与所述动平台1连接。其中，所述铰链Ⅲ可采用虎克副ⅢU3，所述虎克副ⅢU3的轴线可任意布置，此时，所述简单支链Ⅱ为U-P-S支链；为增加机构的适应性，所述铰链Ⅲ还可采用球副，此时，所述简单支链Ⅱ为S-P-S支链，为无约束支链。
所述复杂支链包括子链Ⅰ、子链Ⅱ和转动副ⅠR24。所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ共面，并并联连接于所述静平台0和所述动平台1之间，所述转动副ⅠR24串联连接在所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台0连接。所述子链Ⅰ为主动的R-P-S支链，由所述静平台0至所述动平台1依次包括相互连接的转动副ⅡR2、移动副ⅡP2和球副ⅡS2，所述子链Ⅰ的末端通过所述球副ⅡS2与所述动平台1连接。所述子链Ⅱ为被动的R-P支链，由所述静平台0至所述动平台1 依次包括相互连接的转动副ⅣR4和移动副ⅣP4，所述子链Ⅱ的末端与所述动平台 1固定连接。所述转动副ⅡR2与所述转动副ⅣR4轴线平行，并且，所述转动副ⅡR2、所述转动副ⅣR4轴线与所述转动副ⅠR24轴线垂直；所述转动副ⅡR2与所述转动副ⅣR4同时绕所述转动副ⅠR24轴线转动。
所述移动副ⅠP1、移动副ⅡP2、移动副ⅢP3为主动输入，所述动平台1产生垂直于所述静平台0的移动和分别绕所述转动副ⅡR2、转动副ⅠR24轴线的转动。连接所述静平台0和所述动平台1的所述复杂支链具有一平移两转动输出，限制机构动平台1的自由度，且为该机构的最小方位特征支链，图2中，O点为复杂支链输出点，O点输出的运动即为一平移两转动。该机构耦合度为1。
其中，构件2的一端与虎克副ⅠU1(或球副)连接，构件2与构件3由移动副ⅠP1连接，构件3另一端由球副ⅠS1与动平台1连接；构件4的一端与虎克副ⅢU3(或球副)连接，构件4与构件5由移动副ⅢP3连接，构件5另一端由球副ⅢS3与动平台1连接；构件6的一端与转动副ⅣR4连接，构件6与构件7 由移动副ⅣP4连接，构件7另一端与动平台1固接；构件8的一端与转动副ⅡR2连接，构件8与构件9由移动副ⅡP2连接，构件9另一端由球副ⅡS2与动平台1 连接。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种球坐标型低耦合并联机构，包括静平台、动平台、以及连接所述静平台和所述动平台的运动链，其特征在于，所述运动链包括简单支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、具有一平移两转动输出的复杂支链；
所述简单支链Ⅰ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅰ、移动副Ⅰ和球副Ⅰ，所述简单支链Ⅰ的一端通过所述铰链Ⅰ与所述静平台连接、另一端通过所述球副Ⅰ与所述动平台连接；
所述简单支链Ⅱ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的：具有至少两个自由度的铰链Ⅲ、移动副Ⅲ和球副Ⅲ，所述简单支链Ⅱ的一端通过所述铰链Ⅲ与所述静平台连接、另一端通过所述球副Ⅲ与所述动平台连接；
所述复杂支链包括子链Ⅰ、子链Ⅱ和转动副Ⅰ，所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ共面，并并联连接于所述静平台和所述动平台之间，所述转动副Ⅰ串联连接在所述子链Ⅰ和所述子链Ⅱ的端部之间，并与所述静平台连接；所述子链Ⅰ为主动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅱ、移动副Ⅱ和球副Ⅱ，所述子链Ⅰ的末端通过所述球副Ⅱ与所述动平台连接；所述子链Ⅱ为被动支链，由所述静平台至所述动平台依次包括相互连接的转动副Ⅳ和移动副Ⅳ，所述子链Ⅱ的末端与所述动平台固定连接；所述转动副Ⅱ与所述转动副Ⅳ轴线平行，并与所述转动副Ⅰ轴线垂直，且同时绕所述转动副Ⅰ轴线转动；
所述移动副Ⅰ、移动副Ⅱ、移动副Ⅲ为主动输入，所述动平台产生垂直于所述静平台的移动和分别绕所述转动副Ⅱ、转动副Ⅰ轴线的转动。
2.根据权利要求1所述的一种球坐标型低耦合并联机构，其特征在于，所述铰链Ⅰ和所述铰链Ⅲ均采用轴线任意布置的虎克副。
3.根据权利要求1所述的一种球坐标型低耦合并联机构，其特征在于，所述铰链Ⅰ和所述铰链Ⅲ均采用球副。
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