一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，包括基座、動平臺、驅(qū)動裝置、三個主動連桿及三個從動連桿。其中三個從動連桿和三個主動連桿運動時所占用的空間獨立，相互不產(chǎn)生干涉，具有完整球面工作空間，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)動平臺在做球面運動時各運動部件容易干涉以及串聯(lián)球面機構(gòu)動平臺“過頂”時產(chǎn)生的由于“萬向節(jié)死鎖”而卡死的問題。
【專利說明】
一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及一種少自由度并聯(lián)機構(gòu)，尤其是一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]球面機構(gòu)是聯(lián)系平面機構(gòu)與空間機構(gòu)的橋梁，它是一類特殊類型的機構(gòu)。當(dāng)機構(gòu)運動時，末端執(zhí)行器參考點在一個與固定點保持不變距離的球面上運動。球面機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠、工作空間大、不易發(fā)生干涉、運動學(xué)計算簡單、控制容易等諸多優(yōu)點。球面機構(gòu)在工程上具有重要的應(yīng)用價值，在宇航、醫(yī)療、電子、機械等部門具有廣闊的應(yīng)用前景，如用作機器人的腕關(guān)節(jié)、機械數(shù)字式測量機、衛(wèi)星定向裝置、太陽跟蹤裝置、射電望遠(yuǎn)鏡、機械加工的回轉(zhuǎn)工作臺與零件定位裝置。在醫(yī)療工程方面，球面機構(gòu)可用作腹腔外科手術(shù)機器人、靈活眼、牙頌?zāi)Ｐ偷募す鈷呙柩b置、在眼科手術(shù)中視網(wǎng)膜抗凝劑的注射裝置以及踝關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的修復(fù)等。為推廣和拓展球面機構(gòu)的應(yīng)用，開展球面機構(gòu)理論和性能及其設(shè)計理論與方法的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
[0003]傳統(tǒng)的串聯(lián)球面機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上存在“萬向節(jié)死鎖”的固有缺陷，因其傳動鏈上質(zhì)量的疊加導(dǎo)致其加速性能不理想，且由于誤差累積的影響往往導(dǎo)致球面跟蹤定位不精確，越來越無法滿足科技進(jìn)步對于高速精確定位設(shè)備的需求。并聯(lián)機構(gòu)相對于串聯(lián)機構(gòu)而言，具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強、精度高、運動慣性小、運動學(xué)反解易求和便于實時控制等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]并聯(lián)機構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不僅其運動學(xué)方程往往存在不同程度的耦合關(guān)系，在機構(gòu)傳動過程中也更容易發(fā)生碰撞干涉問題，因此通常無法實現(xiàn)完整的球面工作空間。因而，在設(shè)計并聯(lián)機構(gòu)時不僅要追求工作空間的最大化，還要考慮避免碰撞以及奇異性分析等問題以對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在不破壞其原有運動傳遞規(guī)律的前提下合理設(shè)計桿件的形狀，以求各桿件運動時所占用空間的獨立。
[0005]因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本實用新型提供了一種使動平臺的參考中心點能夠?qū)崿F(xiàn)在完整球面上的快速運動過程中避免各運動部件相互干涉的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)可采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，包括基座、動平臺、連接動平臺的三個從動連桿、連接從動連桿的三個主動連桿及驅(qū)動主動連桿轉(zhuǎn)動的三個驅(qū)動裝置;所述基座上設(shè)有支架，所述三個驅(qū)動裝置安裝于支架上，且三個驅(qū)動裝置與三個主動連桿形成三個第一轉(zhuǎn)動畐IJ，該三個第一轉(zhuǎn)動副分別位于同一個圓周的三個三等分點；所述三個主動連桿與三個從動連桿連接處形成三個第二轉(zhuǎn)動副;三個從動連桿分別與動平臺的連接處形成三個第三轉(zhuǎn)動副，該三個第三轉(zhuǎn)動副分別位于同一圓周的三個三等分點；所述三個第一轉(zhuǎn)動副、三個第二轉(zhuǎn)動副及三個第三轉(zhuǎn)動副的共九條軸線始終相交于一點；所述三個主動連桿及三個從動連桿均為弧線形，每個從動連桿始終包含于對應(yīng)連接的主動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)，動平臺始終包含于三個從動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)。
[0009]本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)通過設(shè)置三個從動連桿、三個主動連桿，且每個從動連桿始終包含于對應(yīng)連接的主動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)，動平臺始終包含于三個從動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)，使得三個從動連桿和三個主動連桿運動時所占用空間的獨立，相互不產(chǎn)生干涉，與傳統(tǒng)的并聯(lián)球面機構(gòu)相比，實現(xiàn)了完整的球面工作空間，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)動平臺在做球面運動時各運動部件容易干涉以及串聯(lián)球面機構(gòu)動平臺“過頂”時產(chǎn)生的由于“萬向節(jié)死鎖”而卡死的問題。
[0010]為達(dá)到上述目的，本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)還可采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，包括基座、動平臺、連接動平臺的三個從動連桿、連接從動連桿的三個主動連桿及驅(qū)動主動連桿轉(zhuǎn)動的三個驅(qū)動裝置;所述基座上設(shè)有支架，所述三個驅(qū)動裝置安裝于支架上，且三個驅(qū)動裝置與三個主動連桿形成三個第一轉(zhuǎn)動畐Ij，該三個第一轉(zhuǎn)動副分別位于同一個圓周的三個三等分點；所述三個主動連桿與三個從動連桿連接處形成三個第二轉(zhuǎn)動副;三個從動連桿分別與動平臺的連接處形成三個第三轉(zhuǎn)動副，該三個第三轉(zhuǎn)動副分別位于同一圓周的三個三等分點；所述三個第一轉(zhuǎn)動副、三個第二轉(zhuǎn)動副及三個第三轉(zhuǎn)動副的共九條軸線始終相交于一點；所述三個主動連桿及三個從動連桿均為弧線形，且每個從動連桿始終位于對應(yīng)連接的主動連桿弧線所形成的圓周范圍內(nèi)，所述動平臺始終位于每個從動連桿弧線所形成的圓周范圍內(nèi)。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)的立體圖；
[0013]圖2為本實用新型中主動連桿和從動連桿的連接示意圖；
[0014]圖3為動平臺的立體圖；
[0015]圖4為本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)中動平臺法線位于水平面的姿態(tài)圖；
[0016]圖5為本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)中動平臺位于工作空間最頂端的姿態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0017]請參閱圖1至圖5所示，本實用新型公開了一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，包括基座1、動平臺2、連接動平臺2的三個從動連桿3、連接從動連桿3的三個主動連桿4及驅(qū)動主動連桿4轉(zhuǎn)動的三個驅(qū)動裝置5(本實施方式中的驅(qū)動裝置為伺服電機或者步進(jìn)電機)。所述基座I上設(shè)有支架11，所述三個驅(qū)動裝置5安裝于支架11上，且三個驅(qū)動裝置5與三個主動連桿4形成三個第一轉(zhuǎn)動副61，該三個第一轉(zhuǎn)動副61分別位于同一個圓周的三個三等分點。所述三個主動連桿4與三個從動連桿3連接處形成三個第二轉(zhuǎn)動副62;三個從動連桿3分別與動平臺2的連接處形成三個第三轉(zhuǎn)動副63，該三個第三轉(zhuǎn)動副63分別位于同一圓周的三個三等分點。所述三個第一轉(zhuǎn)動副61、三個第二轉(zhuǎn)動副62及三個第三轉(zhuǎn)動副63的共九條軸線始終相交于一點。所述三個主動連桿4及三個從動連桿3均為弧線形，每個從動連桿3始終包含于對應(yīng)連接的主動連桿4形成的包絡(luò)體內(nèi)，動平臺2始終包含于三個從動連桿3形成的包絡(luò)體內(nèi)。意即:每個從動連桿3始終位于對應(yīng)連接的主動連桿4弧線所形成的圓周范圍內(nèi)，所述動平臺2始終位于每個從動連桿3弧線所形成的圓周范圍內(nèi)。這樣的設(shè)計使得動平臺2的參考中心點能夠?qū)崿F(xiàn)在完整球面上的快速運動，其動平臺2在“過頂”時能夠連續(xù)運動。當(dāng)然，為了使動平臺2的參考中心點能夠在完整球面上快速運動，所述基座I的位置不能對動平臺2及主動、從動連桿造成干涉，在此不再贅述。在該方案中，三個從動連桿3、三個主動連桿4運動時所占用的空間獨立，相互不產(chǎn)生干涉，并且調(diào)整好基座I及動平臺2的位置及尺寸也不會對主動、從動連桿的運動造成干涉，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中各運動部件容易干涉以及串聯(lián)球面機構(gòu)動平臺“過頂”時產(chǎn)生的由于“萬向節(jié)死鎖”而卡死的問題。并且通過圖1、圖
4、圖5中動平臺2三個位姿的展示，動平臺2能夠?qū)崿F(xiàn)球面工作空間底端、水平位置、頂端的定位。
[0018]所述動平臺2包括平板狀的主體部21及自主體部21外側(cè)斜向上延伸的三個連接部22，所述三個連接部22分別連接三個從動連桿3，有效的利用好動平臺2各個位置的空間，進(jìn)一步使得三個從動連桿3、三個主動連桿4運動時所占用空間的獨立，相互不產(chǎn)生干涉。
[0019]請參閱圖2及圖3所示在本實施方式中，連桿設(shè)計成四分之一橢圓形，既避免了主動連桿2與電機5主軸的碰撞干涉問題，也避免了從動連桿3和動平臺4之間的碰撞干涉問題，從而實現(xiàn)動平臺4參考中心點的全球面工作空間。為了能夠避免干涉問題，本實施方式中優(yōu)選的主動連桿2和從動連桿3的設(shè)計曲率半徑有如下關(guān)系:
[0020]r21>r22+d2
[0021]r31>r32+d3
[0022]r22>r31+d3
[0023]其中r21為主動連桿2中形成的弧線與第一轉(zhuǎn)動副61相鄰一端的曲率半徑;r22為主動連桿2中形成的弧線與第二轉(zhuǎn)動副62相鄰一端的曲率半徑;d2為主動連桿2的厚度。r31為從動連桿3中形成的弧線與第二轉(zhuǎn)動副62相鄰一端的曲率半徑;r32為從動連桿3中形成的弧線與第三轉(zhuǎn)動副63相鄰一端的曲率半徑;d3為從動連桿3的厚度。另外，所述第三轉(zhuǎn)動副63到三個第三轉(zhuǎn)動副軸線交點的距離r4〈r32。所述支架11自基座I傾斜向外延伸，所述驅(qū)動裝置5安裝于支架11外側(cè)，所述主動連桿2安裝于支架11內(nèi)側(cè)。
【主權(quán)項】
1.一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:包括基座、動平臺、連接動平臺的三個從動連桿、連接從動連桿的三個主動連桿及驅(qū)動主動連桿轉(zhuǎn)動的三個驅(qū)動裝置;所述基座上設(shè)有支架，所述三個驅(qū)動裝置安裝于支架上，且三個驅(qū)動裝置與三個主動連桿形成三個第一轉(zhuǎn)動副，該三個第一轉(zhuǎn)動副分別位于同一個圓周的三個三等分點；所述三個主動連桿與三個從動連桿連接處形成三個第二轉(zhuǎn)動副;三個從動連桿分別與動平臺的連接處形成三個第三轉(zhuǎn)動副，該三個第三轉(zhuǎn)動副分別位于同一圓周的三個三等分點；所述三個第一轉(zhuǎn)動副、三個第二轉(zhuǎn)動副及三個第三轉(zhuǎn)動副的共九條軸線始終相交于一點；所述三個主動連桿及三個從動連桿均為弧線形，每個從動連桿始終包含于對應(yīng)連接的主動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)，動平臺始終包含于三個從動連桿形成的包絡(luò)體內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述動平臺包括平板狀的主體部及自主體部外側(cè)斜向上延伸的三個連接部，所述三個連接部分別連接三個從動連桿。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:主動連桿(2)和從動連桿(3)的設(shè)計曲率半徑有如下關(guān)系: r21>r22+d2 r31>r32+d3 r22>r31+d3 其中r21為主動連桿中形成的弧線與第一轉(zhuǎn)動副相鄰一端的曲率半徑;r22為主動連桿中形成的弧線與第二轉(zhuǎn)動副相鄰一端的曲率半徑;d2為主動連桿的厚度;r31為從動連桿中形成的弧線與第二轉(zhuǎn)動副相鄰一端的曲率半徑;r32為從動連桿中形成的弧線與第三轉(zhuǎn)動副相鄰一端的曲率半徑;d3為從動連桿的厚度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述第三轉(zhuǎn)動副到三個第三轉(zhuǎn)動副軸線交點的距離r4〈r32。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述支架自基座傾斜向外延伸，所述驅(qū)動裝置安裝于支架外側(cè)，所述主動連桿安裝于支架內(nèi)側(cè)。6.一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:包括基座、動平臺、連接動平臺的三個從動連桿、連接從動連桿的三個主動連桿及驅(qū)動主動連桿轉(zhuǎn)動的三個驅(qū)動裝置;所述基座上設(shè)有支架，所述三個驅(qū)動裝置安裝于支架上，且三個驅(qū)動裝置與三個主動連桿形成三個第一轉(zhuǎn)動副，該三個第一轉(zhuǎn)動副分別位于同一個圓周的三個三等分點；所述三個主動連桿與三個從動連桿連接處形成三個第二轉(zhuǎn)動副；三個從動連桿分別與動平臺的連接處形成三個第三轉(zhuǎn)動副，該三個第三轉(zhuǎn)動副分別位于同一圓周的三個三等分點；所述三個第一轉(zhuǎn)動副、三個第二轉(zhuǎn)動副及三個第三轉(zhuǎn)動副的共九條軸線始終相交于一點；所述三個主動連桿及三個從動連桿均為弧線形，且每個從動連桿始終位于對應(yīng)連接的主動連桿弧線所形成的圓周范圍內(nèi)，所述動平臺始終位于每個從動連桿弧線所形成的圓周范圍內(nèi)。
【文檔編號】B25J9/00GK205521367SQ201620077712
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月26日
【發(fā)明人】高踔, 寇月陽, 吳志恒, 陳柏, 繆群華
【申請人】南京航空航天大學(xué)