CN108297070A - 三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三自由度并联机构，包括定平台、动平台和三条运动支链，至少其中一条运动支链为灵动型支链；灵动型支链包括第一连杆、第二连杆和轴线可变转动副，轴线可变转动副包括固定构件、可动构件和球铰副，固定构件一端固定安装于定平台上且另一端与可动构件斜面配合贴靠，球铰副收容于固定构件中且其球铰连杆穿出可动构件，第一连杆分别与球铰连杆及第二连杆可转动连接，第二连杆与动平台球铰连接。本发明将变轴线转动副融于运动支链的构造中，一方面有利于运动支链进行力和力矩的传递，另一方面，可以有效地避免并联机构发生奇异位形。

Description

三自由度并联机构

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种三自由度并联机构。

背景技术

自1938年首次提出并联机器人以来，因其具较大刚度、较强的承载能力、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等特点，广泛应用于社会的各个领域。目前，常见的有2自由度、3自由度、4自由度、6自由度并联机构，而其中三自由度并联机构是研究最多、应用最广的一类少自由度并联机构，它按动平台自由度的类型可以分为四类：3转动并联机构、2转动1移动并联机构、1转动2移动并联机构、3移动并联机构。

河北工业大学刘更谦教授等人提出一种踝关节康复机器人(CN200810052248.7)，该踝关节康复机器人的机型与燕山大学的赵铁石以及伦敦大学戴建生等人提出的踝关节康复机器人的机型一致，都是一种3-RSS/S型三自由度并联机构。该并联机构具有四个运动支链，其中，中间运动支链的下端固定于固定平台，上端采用球铰与动平台的中心连结，另外三个运动分支沿圆周方向均匀分布，驱动连杆一端与固定平台采用转动副连接，另一端与被动连杆之间采用球铰副连接，被动连杆的一端与动平台之间采用球铰连接；该机构可以绕中间运动支链的球铰中心做三个自由度的转动。

深圳先进技术研究院的王永奉等人提出一种踝关节康复机器人(CN102631275A)，该并联机构是一种3-(HS)S/S型三自由度并联机构。该并联机构同样具有四个运动支链，其中，中间运动支链的下端固定于固定平台，上端采用球铰与动平台的中心连结，三个运动分支沿圆周方向均匀分布，其底端采用一个螺旋副与固定平台连接，螺旋副的轴线与固定平台之间的夹角可以进行调整；另外，支撑连杆的一端与螺旋副上的滑块之间采用球铰连接，另一端与动平台之间采用球铰形式连接；该机构可以绕中间运动支链的球铰中心做三个自由度的转动。

这些三自由度并联机构中，支链的运动副都采用标准形式的运动副，如转动副的轴线在运动过程中始终是固定不变的，这不利于运动支链进行力和力矩的传递；另外，标准形式的运动副，因为其运动轴线固定，不容易避开机构的奇异位形。

发明内容

本发明实施例涉及一种三自由度并联机构，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种三自由度并联机构，包括定平台和动平台，所述定平台与所述动平台通过并联的第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链连接，所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接中，至少其中一条运动支链为灵动型支链；所述灵动型支链包括第一连杆、第二连杆和轴线可变转动副，所述轴线可变转动副包括固定构件、可动构件和球铰副，所述固定构件一端固定安装于所述定平台上且另一端与所述可动构件斜面配合贴靠，所述球铰副收容于所述固定构件中且其球铰连杆穿出所述可动构件，所述第一连杆分别与所述球铰连杆及所述第二连杆可转动连接，所述第二连杆与所述动平台球铰连接。

作为实施例之一，所述第一运动支链、所述第二运动支链和所述第三运动支链连接均为所述灵动型支链，所述动平台与三个所述第二连杆的连接点在该动平台上环形布置。

作为实施例之一，该三自由度并联机构还包括中间连杆，所述中间连杆一端固定于所述定平台上且另一端与所述动平台球铰连接。

作为实施例之一，所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接沿所述动平台周向环绕所述中间连杆设置。

作为实施例之一，每一所述灵动型支链连接有一驱动单元，所述驱动单元与对应的所述第一连杆或所述第二连杆连接。

作为实施例之一，所述固定构件与所述可动构件轴线重合时拼凑成一圆柱体结构。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

在灵动型支链中，第一连杆带动球铰连杆转动时，由于斜面的作用，限制可动构件的斜面在固定构件的斜面上转动，而且导致球铰连杆的轴线实时变化。相对于普通转动副结构的运动支链，本发明将变轴线转动副融于运动支链的构造中，一方面有利于运动支链进行力和力矩的传递，另一方面，可以有效地避免并联机构发生奇异位形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的三自由度并联机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的轴线可变转动副的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三自由度并联机构的使用状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3，本实施例提供一种三自由度并联机构，包括定平台1和动平台2，所述定平台1与所述动平台2通过并联的第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链连接，易于理解地，该三条运动支链的一端与动平台2连接，另一端与定平台1连接。

所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接中，至少其中一条运动支链为灵动型支链；所述灵动型支链包括第一连杆5、第二连杆6和轴线可变转动副4，所述轴线可变转动副4包括固定构件41、可动构件42和球铰副43，所述固定构件41一端固定安装于所述定平台1上且另一端与所述可动构件42斜面配合贴靠，所述球铰副43收容于所述固定构件41中且其球铰连杆431穿出所述可动构件42，所述第一连杆5分别与所述球铰连杆431及所述第二连杆6可转动连接，所述第二连杆6与所述动平台2球铰连接。其中，上述第一连杆5与球铰连杆431的可转动连接结构以及该第一连杆5与第二连杆6的可转动连接结构均为普通的转动副，该两个可转动连接结构的转轴一般是相互平行的，其中，第一连杆5与球铰连杆431的连接转轴即为该球铰连杆431的轴线；作为优选，在上述第二连杆6与动平台2的球铰连接结构的铰轴轴向与该动平台2垂直时，上述第一连杆5所对应的两个可转动连接结构的转轴轴向也与该动平台2垂直。上述固定构件41与可动构件42为斜面配合结构，即该固定构件41的远离定平台1的一端具有一斜面，该可动构件42的远离第一连杆5的一端也具有一斜面，两个斜面适配从而能够相互贴合；易于理解地，为便于本三自由度并联机构的动作自由，该两个斜面均是平面，该两个斜面均与定平台1具有一夹角。上述的固定构件41和可动构件42均优选为是中空构件，从而上述球铰副43能够收容于内，具体地说，如图2，该球铰副43的球窝收容于该固定构件41中，该球铰副43的球头与该球窝配合，所述球铰连杆431连接于该球头上，且自该可动构件42的中空内腔穿出该可动构件42的远离固定构件41的端部；作为优选，上述固定构件41与可动构件42均是柱形构件，则该球窝与该固定构件41优选为同轴设置，该球铰连杆431与该可动构件42优选为同轴设置。进一步优选地，所述固定构件41与所述可动构件42轴线重合时拼凑成一圆柱体结构。

上述第一连杆5带动球铰连杆431转动时，由于斜面的作用，限制可动构件42的斜面在固定构件41的斜面上转动，而且导致球铰连杆431的轴线实时变化；这种轴线变化的角度与该斜面的倾斜角度有关。相对于普通转动副结构的运动支链，本发明将变轴线转动副融于运动支链的构造中，一方面有利于运动支链进行力和力矩的传递，另一方面，可以有效地避免并联机构发生奇异位形。

作为优选地实施例，如图1和图3，所述第一运动支链、所述第二运动支链和所述第三运动支链连接均为所述灵动型支链，所述动平台2与三个所述第二连杆6的连接点在该动平台2上环形布置，该结构的三自由度并联机构运行更为平稳可靠。

进一步优选地，如图1和图3，该三自由度并联机构还包括中间连杆3，所述中间连杆3一端固定于所述定平台1上且另一端与所述动平台2球铰连接。即在动平台2与定平台1之间安装有4条运动支链，作为优选，所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接沿所述动平台2周向环绕所述中间连杆3设置，动平台2能够绕该中间连杆3所连接的球铰中心做三个自由度的转动。上述结构的三自由度并联机构运行更为平稳可靠；本实施例提供的三自由度并联机构是一种新型的3-RRRS/S型三自由度并联机构，其结构简单，动平台2运动平稳可靠，力/力矩传递性能好、灵巧度高，可应用于虚轴机床、航空模拟设备、医疗设备等领域。作为实施例之一，上述动平台2为圆形平台，该中间连杆3所连接的球铰中心优选为位于该动平台2的中轴线(即垂直于该动平台2的轴线)上。

作为优选地实施例，如图1和图3，每一所述灵动型支链连接有一驱动单元7，所述驱动单元7与对应的所述第一连杆5或所述第二连杆6连接。通过驱动单元7作用，引起第一连杆5与第二连杆6之间相对位置的变化以及对应的轴线可变转动副4的轴线变化，进而带动动平台2运动。优选地，该驱动单元7可采用驱动电机，其带动第一连杆5与第二连杆6之间的转轴转动，带动第一连杆5与第二连杆6的位置变化；作为可行的实施例，该驱动电机采用可安装于其中一连杆上的微型电机。对于第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链均采用上述灵动型支链的结构，通过三个驱动单元7的配合，可以实现所需的动平台2的转动动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三自由度并联机构，包括定平台和动平台，所述定平台与所述动平台通过并联的第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链连接，其特征在于：所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接中，至少其中一条运动支链为灵动型支链；

所述灵动型支链包括第一连杆、第二连杆和轴线可变转动副，所述轴线可变转动副包括固定构件、可动构件和球铰副，所述固定构件一端固定安装于所述定平台上且另一端与所述可动构件斜面配合贴靠，所述球铰副收容于所述固定构件中且其球铰连杆穿出所述可动构件，所述第一连杆分别与所述球铰连杆及所述第二连杆可转动连接，所述第二连杆与所述动平台球铰连接。

2.如权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于：所述第一运动支链、所述第二运动支链和所述第三运动支链连接均为所述灵动型支链，所述动平台与三个所述第二连杆的连接点在该动平台上环形布置。

3.如权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于：还包括中间连杆，所述中间连杆一端固定于所述定平台上且另一端与所述动平台球铰连接。

4.如权利要求3所述的三自由度并联机构，其特征在于：所述第一运动支链、所述第二运动支链与所述第三运动支链连接沿所述动平台周向环绕所述中间连杆设置。

5.如权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于：每一所述灵动型支链连接有一驱动单元，所述驱动单元与对应的所述第一连杆或所述第二连杆连接。

6.如权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于：所述固定构件与所述可动构件轴线重合时拼凑成一圆柱体结构。