三平移并聯(lián)機構及其支鏈的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及三平移并聯(lián)機構及其支鏈，支鏈包括軸線互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六轉動副，第一、第二轉動副通過第一連桿連接，第二、第四轉動副通過第二連桿連接，第一、第三轉動副通過第三連桿連接，第三、第四轉動副通過第四連桿連接，第四、第六轉動副通過第五連桿連接，第三、第五轉動副通過第六連桿連接，第五、第六轉動副通過第七連桿連接，第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行。本發(fā)明提供了一種運動副單一的三平移并聯(lián)機構及其支鏈。
【專利說明】三平移并聯(lián)機構及其支鏈【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及三平移并聯(lián)機構及其支鏈。
【背景技術】
[0002]在坐標測量、材料搬運等領域中，經常需要用到結構簡單、剛度高、靈活性好的三平移并聯(lián)機構，現(xiàn)有的此類機構并不多見，已有的包括Delta機構、Maryland機構、3-RRC機構、2-CRR-SPS機構、3-RRRT機構、3-R//R//R_4r機構、3-RUC機構等，然而這些機構中的運動副復雜，均包括至少兩種運動副，造成機構的裝配和使用都比較困難；另外這些機構中的奇異位形多、位置正解難以求得且不唯一，給實際應用帶來了困難。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種運動副單一的三平移并聯(lián)機構；本發(fā)明的目的還在于提供中該三平移并聯(lián)機構中使用的支鏈。
[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明中三平移并聯(lián)機構的技術方案為:
[0005]三平移并聯(lián)機構，包括動平臺和定平臺，動、定平臺之間設置有三個結構相同且呈環(huán)形均布的支鏈，各支鏈均包括軸線互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六轉動畐0，第一、第二轉動副通過第一連桿連接，第二、第四轉動副通過第二連桿連接，第一、第三轉動副通過第三連桿連接，第三、第四轉動副通過第四連桿連接，第四、第六轉動副通過第五連桿連接，第三、第五轉動副通過第六連桿連接，第五、第六轉動副通過第七連桿連接，第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行，第三、第五轉動副的軸線所在平面與第四、第六轉動副的軸線所在平面相平行，所述第一連桿上設置有與動平臺連接的第七轉動副，第七連桿上設置有與定平臺連接的第八轉動副，第七、第八轉動副的軸線相平行，第七轉動副的軸線垂直于第一轉動副的軸線。
[0006]所述第二、第四轉動副之間的軸線間距與第四、第六轉動副之間的軸線間距相同。
[0007]各支鏈的第七轉動副所在的環(huán)形的半徑小于各支鏈的第八轉動副所在的環(huán)形的半徑。
[0008]各支鏈的第八轉動副的轉軸上均同軸線固設有動力輸入輪。
[0009]所述的動力輸入輪為齒輪。
[0010]所述三平移并聯(lián)機構還包括與各支鏈一一對應設置的驅動電機，各驅動電機的電機軸上均同軸線固設有分別與對應動力輸入輪嚙合傳動的動力輸出齒輪。
[0011]本發(fā)明中支鏈的技術方案為:
[0012]三平移并聯(lián)機構的支鏈，包括軸線互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六轉動副，第一、第二轉動副通過第一連桿連接，第二、第四轉動副通過第二連桿連接，第一、第三轉動副通過第三連桿連接，第三、第四轉動副通過第四連桿連接，第四、第六轉動副通過第五連桿連接，第三、第五轉動副通過第六連桿連接，第五、第六轉動副通過第七連桿連接，第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行，第三、第五轉動副的軸線所在平面與第四、第六轉動副的軸線所在平面相平行，所述第一連桿上設置有用于與動平臺連接的第七轉動副，第七連桿上設置有用于與定平臺連接的第八轉動副，第七、第八轉動副的軸線相平行，第七轉動副的軸線垂直于第一轉動副的軸線。
[0013]所述第二、第四轉動副之間的軸線間距與第四、第六轉動副之間的軸線間距相同。
[0014]所述第八轉動副的轉軸上同軸線固設有動力輸入輪。
[0015]所述的動力輸入輪為齒輪。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:第一轉動副、第一連桿、第二轉動副、第二連桿、第四轉動畐O、第四連桿、第三轉動副和第三連桿構成一個平行四邊形回路；第三轉動副、第四連桿、第四轉動副、第五連桿、第六轉動副、第七連桿、第五轉動副和第六連桿構成一個平行四邊形回路，第一連桿通過第七轉動副與動平臺連接，第七連桿通過第八轉動副與定平臺連接，整個三平移并聯(lián)機構僅具有轉動副這單一的運動副，使得三平移并聯(lián)機構的結構簡單，裝配方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明中三平移并聯(lián)機構的一個實施例的結構示意圖；
[0018]圖2是圖1的結構原理圖；
[0019]圖3是圖2中支鏈的結構示意圖；
[0020]圖4是圖2的側視圖；
[0021]圖5是圖2的立體圖；
[0022]圖6是圖5的等效示意圖；
[0023]圖7是本發(fā)明中rb = rm時，驅動力線矢的示意圖；
[0024]圖8是本發(fā)明中Q1= Θ 2 = Θ 3 = O時,驅動力線矢的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]三平移并聯(lián)機構的實施例如圖1?6所示:包括動平臺2、定平臺1，動、定平臺之間設置有三個呈環(huán)形均布的支鏈，各支鏈的結構相同，現(xiàn)僅對一個支鏈的結構進行詳細描述。支鏈包括軸線相互平行的第一轉動副RU第二轉動副R2、第三轉動副R3、第四轉動副R4、第五轉動副R5和第六轉動副R6，第一、第二轉動副通過第一連桿3連接，第二、第四轉動副通過第二連桿4連接，第一、第三轉動副通過第三連桿5連接，第三、第四轉動副通過第四連桿6連接，第四、第六轉動副通過第五連桿7連接，第三、第五轉動副通過第六連桿8連接，第五、第六轉動副通過第七連桿9連接。第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行，第三、第五轉動副的軸線所在平面與第四、第六轉動副的軸線所在平面相平行，這樣第一轉動副R1、第一連桿3、第二轉動副R2、第二連桿4、第四轉動副R4、第四連桿6、第三轉動副R3和第三連桿5構成一個平行四邊形回路；第三轉動副R3、第四連桿6、第四轉動副R4、第五連桿7、第六轉動副R6、第七連桿9、第五轉動副R5和第六連桿8構成一個平行四邊形回路，各連桿均為直桿結構，第二、第四轉動副之間的軸線間距與第四、第六轉動副之間的軸線間距相同，由于各連桿均為直桿結構，第三連桿5、第二連桿4、第六連桿8和第五連桿5的長度相同且均為I。第一連桿3上設置有與動平臺2連接的第七轉動副R7，第七連桿9上設置有與定平臺I連接的第八轉動副R8，第七、第八轉動副的軸線相平行第七轉動副的軸線垂直于第一轉動副的軸線，各支鏈的第七轉動副所在的環(huán)形的半徑為rm，各支鏈的第八轉動副所在的環(huán)形的半徑為rb，rm< rb。各支鏈的第八轉動副R8的轉軸上均同軸線固設有動力輸入輪10，動力輸入輪為齒輪，三平移并聯(lián)機構還包括與各支鏈對應設置的驅動電機12,各驅動電機的電機軸上均同軸線固設有分別與對應動力輸入輪嚙合傳動的動力輸出齒輪11。
[0026]該三平移并聯(lián)機構可稱為3-R (4r) (4r) R并聯(lián)機構，3_R (4r) (4r)R兩個R分別表示第七轉動副和第八轉動副，3-R (4r) (4r) R中兩個4r分別表示對應平行四邊形回路中的四個轉動副。三平移并聯(lián)機構含有3個完全相同且按圓周均勻布置的分支，每個分支由第七、第八兩個轉動副和2個平行四邊形回路組成，第七、第八轉動副的軸線平行于動平臺、定平臺平面，各平行四邊形回路中的各轉動副的軸線相互平行，且與兩端第七、第八轉動副的軸線垂直。如圖2所示:M1、M2、M3分別表示各支鏈的第七轉動副的中心點，Ml、M2、M3所在圓的半徑為rm，B1、B2、B3分別表示各支鏈的第八轉動副的中心點，B1、B2、B3所在圓的半徑為rb。設置坐標系{M}為動平臺連體坐標系，其坐標原點位于動平臺的中心處，U、V軸在動平臺平面內，設坐標系{B}為定平臺連體坐標系，其坐標原點位于定平臺的中心處，X、Y軸在定平臺平面內，其坐標軸方向與{Μ}的相同。各支鏈的參數設置如圖3~4所示，其中I為第六連桿的桿長，Ciil (i=l，2，3)為鄰近定平臺的平行四邊行機構的側向轉角，ai2為鄰近動平臺的平行四邊行機構相對于前一平行四邊行機構的側向轉角，0i為支鏈相對動平臺平面的轉角。
[0027]三平移并聯(lián)機構自由度分析
[0028]圖5所示的R(4r) (4r) R支鏈運動學`上可等效于如圖6所示的RPPR支鏈，其中一個P副垂直于兩個R副，另一個P副平行于兩個R副，該支鏈對動平臺將產生無數個垂直于R副軸線的約束力偶，而這些力偶可以等效為兩個獨立的約束力偶€，當然這兩個力偶也垂直于R副軸線，顯然，機構的3條支鏈對動平臺的6個約束力偶既不會平行于同一平面，也不會平行于同一直線，因此這6個約束力偶必然存在3個獨立的基，可分別表示為
[0029]= (O O O:1 O O)
[0030]S'^ = (O O 0: O I O)
[0031]= (O O U O O I)
[0032]則扣、扣、<反螺旋的一組基可寫為
[0033]5, = (O O O:1 O O)
[0034]SI = (O O O; O I O)
[0035]S； = (O O O: O O I)[0036]根據螺旋理論可知界V、朽、€為動平臺可能的運動螺旋，因此機構動平臺相對
定平臺的可能運動分別為沿慣性坐標系X、Y、Z軸的3個平移運動。
[0037]機構驅動輸入選擇
[0038]鑒于3_R(4r) (4r)R并聯(lián)機構有3個自由度，為減小慣性的影響，提高負載能力和運行性能，驅動副應盡量靠近定平臺，因此選擇定平臺上的3個第八轉動副為驅動副。一般來說，若將任一支鏈的驅動副固定不動，則該支鏈對動平臺會產生3個力螺旋，如圖6所示，
為剛化驅動副之前支鏈對動平臺的約束力偶，$a為剛化驅動副后支鏈對動平臺的驅動力線矢，它與動平臺上的R副垂直相交，并且垂直于兩個P副，對于如圖5所示的本發(fā)明中的支鏈，驅動力線矢$a平行于中間2個(4r)平行四邊形回路的6個轉動副。
[0039]下面根據驅動副判定準則討論所有支鏈施加給動平臺的約束力偶和驅動力線矢的秩，前面已經確定一般位形下支鏈對動平臺的6個約束力偶的秩為3，因此這3個螺旋限制了動平臺繞X、Y、Z軸的轉動，而3個驅動線矢在一般位形下不會同時平行于同一平面，也不會平行于同一直線，所以由線幾何理論可知，在一般位形下，支鏈施加給動平臺的所有約束力偶和驅動力線矢的秩必為6，這說明驅動輸入選取是合理的。
[0040]機構奇異分析
[0041]I)平臺奇異
[0042]由前面分析可知，3條支鏈對動平臺的約束螺旋為6個約束力偶，這6個力偶存在3個獨立的基，可分別表示為
[0043]= (O O O; I O O)
[0044]Sf = (O O O; O I O)
[0045]Sf =(0 O O; O O I)
[0046]而且這3個力偶基不會隨機構的位形變化而降秩，因此該機構不存在平臺奇異。
[0047]2)驅動奇異
[0048]由前面分析可知，3條支鏈對動平臺的約束螺旋為6個約束力偶，對動平臺的驅動螺旋為3個力線矢，當機構參數滿足rb = rm時,這3個驅動力線矢將垂直于同一直線L,如圖7所示，此時機構沿直線L的平動將失控，發(fā)生驅動奇異。另外，當機構參數滿足Q1 =Θ 2 = Θ 3 = O時(動平臺平面和定平臺平面重合)，3個驅動力線矢將平行于Z軸，如圖8所示，此時機構沿X、Y軸的平動將失控，發(fā)生驅動奇異。顯然在機構設計時只要保證rb Φ rffl,即可避免前一種驅動奇異。
[0049]3)支鏈奇異
[0050]當連接動平臺的第七轉動副與連接定平臺的第八轉動副重合時，動平臺平面和定平臺平面重合，驅動力線矢消失，此時發(fā)生支鏈奇異。
[0051]總之，機構動平臺平面和定平臺平面重合時才可能發(fā)生驅動奇異以及支鏈奇異，除此之外沒有任何其它奇異位形。
[0052]機構運動學模型及位置正逆解
[0053]I)運動學模型
[0054]參考圖2?4所示,設X、y、z分別為動平臺坐標系{M}原點在定平臺坐標系{B}中沿X、Y、Z軸的位置坐標，同時假設參數rb ^ rffl,則通過運動分析可得到如下的機構運動學模型:
【權利要求】
1.三平移并聯(lián)機構的支鏈，其特征在于:包括軸線互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六轉動副，第一、第二轉動副通過第一連桿連接，第二、第四轉動副通過第二連桿連接，第一、第三轉動副通過第三連桿連接，第三、第四轉動副通過第四連桿連接，第四、第六轉動副通過第五連桿連接，第三、第五轉動副通過第六連桿連接，第五、第六轉動副通過第七連桿連接，第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行，第三、第五轉動副的軸線所在平面與第四、第六轉動副的軸線所在平面相平行，所述第一連桿上設置有用于與動平臺連接的第七轉動副，第七連桿上設置有用于與定平臺連接的第八轉動副，第七、第八轉動副的軸線相平行，第七轉動副的軸線垂直于第一轉動副的軸線。
2.根據權利要求1所述的三平移并聯(lián)機構的支鏈，其特征在于:所述第二、第四轉動副之間的軸線間距與第四、第六轉動副之間的軸線間距相同。
3.根據權利要求1或2所述的三平移并聯(lián)機構的支鏈，其特征在于:所述第八轉動副的轉軸上同軸線固設有動力輸入輪。
4.根據權利要求3所述的三平移并聯(lián)機構的支鏈，其特征在于:所述的動力輸入輪為齒輪。
5.三平移并聯(lián)機構，包括動平臺和定平臺，其特征在于:動、定平臺之間設置有三個結構相同且呈環(huán)形均布的支鏈，各支鏈均包括軸線互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六轉動副，第一、第二轉動副通過第一連桿連接，第二、第四轉動副通過第二連桿連接，第一、第三轉動副通過第三連桿連接，第三、第四轉動副通過第四連桿連接，第四、第六轉動副通過第五連桿連接，第三、第五轉動副通過第六連桿連接，第五、第六轉動副通過第七連桿連接，第一、第二轉動副的軸線所在平面與第三、第四轉動副的軸線所在平面以及第五、第六轉動副的軸線所在平面相平行，第一、第三轉動副的軸線所在平面與第二、第四轉動副的軸線所在平面相平行，第三、第五轉動副的軸線所在平面與第四、第六轉動副的軸線所在平面相平行，所述第一連桿上設置有與動平臺連接的第七轉動副，第七連桿上設置有與定平臺連接的第八轉動副，第七、第八轉動副的軸線相平行，第七轉動副的軸線垂直于第一轉動副的軸線。
6.根據權利要求5所述的三平移并聯(lián)機構，其特征在于:所述第二、第四轉動副之間的軸線間距與第四、第六轉動副之間的軸線間距相同。
7.根據權利要求5所述的三平移并聯(lián)機構，其特征在于:各支鏈的第七轉動副所在的環(huán)形的半徑小于各支鏈的第八轉動副所在的環(huán)形的半徑。
8.根據權利要求5?7任意一項所述的三平移并聯(lián)機構，其特征在于:各支鏈的第八轉動副的轉軸上均同軸線固設有動力輸入輪。
9.根據權利要求8所述的三平移并聯(lián)機構，其特征在于:所述的動力輸入輪為齒輪。
10.根據權利要求9所述的三平移并聯(lián)機構，其特征在于:所述三平移并聯(lián)機構還包括與各支鏈一一對應設置的驅動電機，各驅動電機的電機軸上均同軸線固設有分別與對應動力輸入輪嚙合傳動的動力輸出齒輪。
【文檔編號】B25J9/04GK103817685SQ201410064447
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】劉延斌, 韓秀英, 馬佳佳, 尹晨旭 申請人:河南科技大學