三轉動一移動四自由度並聯機構的製作方法

2023-05-17 14:56:31

專利名稱：三轉動一移動四自由度並聯機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種四自由度並聯機構，尤其是用於機器人實現空間三個方向 轉動和一個方向移動的四自由度並聯機構。
背景技術：
並聯機構擁有許多優異的特性如誤差小、剛度高、承載能力大等，但是其 自身也存在著固有的缺點，奇異性就是並聯機構的固有性質之一。對於並聯機 構而言奇異性通常是指當機構位於某種特定位形時，其動平臺的正常自由度會 發生瞬間改變。處於奇異位形狀態下的並聯機構會產生許多不良特性，如機構 瞬時喪失剛度、末端定位精度降低、驅動力無法平衡動平臺特定廣義力等，因 此研究如何消除機構的奇異性是並聯機構非常關鍵的問題。

發明內容
針對上述不足，本發明的目的是提供一種無奇異性的可以實現空間三個方 向轉動和一個方向移動的四自由度並聯機構。
本發明的三轉動一移動四自由度並聯機構，包括一個四邊形動平臺、 一個 四邊形靜平臺以及連接動平臺和靜平臺對應邊的四條支鏈，其中三條支鏈為結 構相同的非約束支鏈， 一條支鏈為約束支鏈，每條非約束支鏈由依次連接的第 一虎克鉸、具有兩根滑杆的第一移動副和球鉸組成和球鉸組成，各條非約束支 鏈上的第一虎克鉸分別與靜平臺的一條邊相連，各條非約束支鏈上的球鉸分別 與動平臺的一條邊相連，第一虎克鉸的兩條旋轉軸線均與靜平臺所在平面重合， 球鉸的球心與動平臺所在平面重合，約束支鏈由依次連接的旋轉副、具有兩根 滑杆的第二移動副和第二虎克鉸組成，約束支鏈上的旋轉副與靜平臺的第四條 邊相連，約束支鏈上的第二虎克鉸與動平臺的第四條邊相連，第二虎克鉸的兩 條旋轉軸線與動平臺所在平面重合，旋轉副的軸線與靜平臺的第四條邊垂直， 動平臺的邊長與靜平臺的邊長不等。
通常，使動平臺的邊長小於靜平臺的邊長。
三轉動一移動四自由度並聯機構的靜平臺固定在機架上，三條非約束支鏈 的第一移動副由直線電機驅動，約束支鏈的旋轉副由旋轉電機驅動。當電機驅 動運動副運動後，三條非約束支鏈第一移動副的兩根滑杆發生相互移動，約束 支鏈的旋轉副發生轉動，四條支鏈同時帶動動平臺做相應的運動。由於四條支 鏈在機構運動的過程中始終保持不平行的關係，根據機構的運動學分析可知，整個機構由四個電機驅動具有四個自由度，且不存在奇異性。 與現有的其他並聯機構相比較，本發明具有的優點是
1. 並聯機構結構簡單、承載能力強、工作空間大、易於控制。
2. 並聯機構適用領域廣泛，如可用作並聯工具機、精密傳感器、手術機器人、 鑽機等。
3. 並聯機構不具有奇異性，在工作過程中可隨意設計機構的進給路線，不會 有某些位置上剛度消失以及驅動力無法平衡動平臺特定廣義力的問題。


圖1為三轉動一移動四自由度並聯機構的結構示意圖。
圖中l.動平臺，2.靜平臺，3.非約束支鏈，4.旋轉副，5.第一移動副，6-1. 第一滑杆，6-2.第二滑杆，7.第一虎克鉸，8.球鉸，9-1.第三滑杆，9-2.第四滑 杆，10.第二移動副，11.第二虎克鉸，12.非約束支鏈。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述
參照圖1，本發明的三轉動一移動四自由度並聯機構，包括一個四邊形動平
臺1、 一個四邊形靜平臺2以及連接動平臺1和靜平臺2對應邊的四條支鏈，其 中三條支鏈3為結構相同的非約束支鏈， 一條支鏈12為約束支鏈，每條非約束 支鏈由依次連接的第一虎克鉸7、具有兩根滑杆6-1、 6-2的第一移動副5和球鉸 8組成，各條約束支鏈3上的第一虎克鉸7分別與靜平臺2的一條邊相連，各條 非約束支鏈上的球鉸8分別與動平臺1的一條邊相連，第一虎克鉸7的兩條旋 轉軸線均與靜平臺2所在平面重合，球鉸8的球心與動平臺所在平面重合，約 束支鏈12由依次連接的旋轉副4、具有兩根滑杆9-1、 9-2的第二移動副10和第 二虎克鉸11組成，約束支鏈12上的旋轉副4與靜平臺2的第四條邊相連，約 束支鏈上的第二虎克鉸11與動平臺1的第四條邊相連，第二虎克鉸11的兩條 旋轉軸線與動平臺所在平面重合，旋轉副4的軸線與靜平臺的第四條邊垂直， 動平臺的邊長與靜平臺的邊長不等。
圖例中，動平臺的邊長小於靜平臺的邊長。
工作原理如下並聯機構的三條非約束支鏈3的第一移動副5在直線電機 驅動下使兩根滑杆發生相對滑移，使得非約束支鏈可以伸縮。約束支鏈12的旋 轉副4在旋轉電機作用下可以旋轉，使得約束支鏈可以轉動。由於靜平臺2固 定在機架上，四條支鏈的一端通過運動副固定在靜平臺2上，另一端通過運動 副與動平臺1相連，動平臺在四條支鏈的共同作用下，可以發生空間的三個方 向的轉動和一個方向的移動。即可以繞旋轉副4、第二虎克鉸11的兩條旋轉軸 轉動以及沿O-o方向的移動。整個機構具有四個自由度，且不存在奇異性。
權利要求
1. 三轉動一移動四自由度並聯機構，其特徵在於包括一個四邊形動平臺(1)、一個四邊形靜平臺(2)以及連接動平臺(1)和靜平臺(2)對應邊的四條支鏈，其中三條支鏈(3)為結構相同的非約束支鏈，一條支鏈(12)為約束支鏈，每條非約束支鏈由依次連接的第一虎克鉸(7)、具有兩根滑杆(6-1、6-2)的第一移動副(5)和球鉸(8)組成，各條非約束支鏈(3)上的第一虎克鉸(7)分別與靜平臺(2)的一條邊相連，各條非約束支鏈上的球鉸(8)分別與動平臺(1)的一條邊相連，第一虎克鉸(7)的兩條旋轉軸線均與靜平臺(2)所在平面重合，球鉸(8)的球心與動平臺所在平面重合，約束支鏈(12)由依次連接的旋轉副(4)、具有兩根滑杆(9-1、9-2)的第二移動副(10)和第二虎克鉸(11)組成，約束支鏈(12)上的旋轉副(4)與靜平臺(2)的第四條邊相連，約束支鏈上的第二虎克鉸(11)與動平臺(1)的第四條邊相連，第二虎克鉸(11)的兩條旋轉軸線與動平臺所在平面重合，旋轉副(4)的軸線與靜平臺的第四條邊垂直，動平臺的邊長與靜平臺的邊長不等。
2. 根據權要求1所述的三轉動一移動四自由度並聯機構，其特徵在於動平臺 的邊長小於靜平臺的邊長。
全文摘要
本發明的三轉動一移動四自由度並聯機構，包括一個四邊形動平臺、一個四邊形靜平臺以及連接動平臺和靜平臺對應邊的四條支鏈，其中三條支鏈為結構相同的非約束支鏈，一條支鏈為約束支鏈，每條非約束支鏈由依次連接的第一虎克鉸、具有兩根滑杆的第一移動副和球鉸組成和球鉸組成，各條非約束支鏈上的第一虎克鉸分別與靜平臺的一條邊相連，球鉸分別與動平臺的一條邊相連，約束支鏈由依次連接的旋轉副、具有兩根滑杆的第二移動副和第二虎克鉸組成，約束支鏈上的旋轉副與靜平臺的第四條邊相連，第二虎克鉸與動平臺的第四條邊相連，動平臺的邊長與靜平臺的邊長不等。該並聯機構不僅承載能力強，而且不具有奇異位形，在精密傳感器，醫療手術等領域有很好的應用前景。
文檔編號B25J9/08GK101508110SQ20091009679
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月19日 優先權日2009年3月19日
發明者彭鐵柱, 李凌豐 申請人:浙江大學