高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构。该机构主要由支撑中心球面副支链和四条运动支链构成。其特征在于：所述四条运动支链中的第一运动支链和第三运动支链对称布置，第二运动支链和第四运动支链对称布置；所述的第一运动支链和第三运动支链，分别依次包括与定平台连接的U副、移动副以及与动平台连接的球铰；所述的第二运动支链和第四运动支链，分别依次包括与定平台连接的转动副、移动副以及与动平台连接的球铰；所述的支撑中心球面副支链，由一连接定平台和动平台的中心球铰组成。本实用新型可实现动平台的二维转动运动，具有结构和驱动分布对称、驱动装置布置方便、承载能力强等优点。
【专利说明】
高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构[0001 ]
技术领域
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[0002]本实用新型属于空间少自由度并联机构技术领域，特别是具有冗余驱动的球面并联机构。
[0003]【背景技术】:
[0004]并联机器人与串联机器人相比，具有刚度大、响应速度快、精度高等优点，在机械工业领域具有广泛的应用。少自由度并联机器人由于结构简单、控制简便、造价低并能够满足许多少于6自由度应用场合的要求，目前已经成为机器人研究的一个新热点，空间少自由度并联机器人机构和传统的六自由度并联机构相比具有结构简单、设计制造和控制的成本都相对较低的特点。
[0005]球面并联机构是一类特殊的空间少自由度并联机构。当机构运动时，动平台上所有点围绕一固定点做距离不变的球面运动。球面并联机构具有结构紧凑、灵活可靠等诸多优点。球面机构在工程上具有重要的应用价值，在宇航、医疗、电子、机械等部门具有广阔的应用前景，如用作机器人的腕关节、机械数字式测量机、卫星定向装置、太阳跟踪装置、射电望远镜、机械加工的回转工作台与零件定位装置。在医疗工程方面，球面机构可用作腹腔外科手术机器人、灵活眼、牙颂模型的激光扫描装置、在眼科手术中视网膜抗凝剂的注射装置以及踩关节与肩关节的修复等等。
[0006]冗余驱动具有提高球面并联机构精度容错能力、减小并联机构雅可比矩阵的条件数(增加灵活度)和增加并联机构刚度等优点。冗余驱动并联机构一般有两种方式。一种是在保证机构自由度不变的前提下直接在原来并联机构的基础上增加驱动关节，这种方式虽然简单，但是增加了机构的不对称性，影响了机构的动力学性能，并且机构的运动学反解和正解会变得比较复杂。另一种方式是增加一条与机构中的支链完全相同的支链，并保证机构的自由度不变，然后在增加的支链中引入驱动关节，构成冗余驱动并联机构。这种方式可以非常容易地将驱动器安装在基座上，保持机构的对称性，使得运动学反解简单，同时还可以消除运动学正解的多解问题。
[0007]
【发明内容】
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[0008]为了解决现有两自由度球面并联机构支撑刚度低、负载能力差等问题，通过在RPS +UPS+S二自由度球面并联机构基础上增加两条和原有机构完全相同的运动支链，并保证机构的自由度不变，然后在增加的支链中引入驱动关节，构成高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构。该机构具有支撑稳定、负载能力强、驱动布置方便等优点。
[0009]本实用新型所采用的技术方案是:
[0010]高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构，主要由定平台、动平台以及连接定平台和动平台的支撑中心球面副支链和四条运动支链构成。其特征在于:所述四条运动支链中的第一运动支链和第三运动支链对称布置，第二运动支链和第四运动支链对称布置。
[0011]所述的第一运动支链和第三运动支链，分别依次包括与定平台连接的U副、移动副以及与动平台连接的球铰;所述的第二运动支链和第四运动支链，分别依次包括与定平台连接的转动副、移动副以及与动平台连接的球铰;所述的支撑中心球面副支链，由一连接定平台和动平台的中心球铰组成。
[0012]所述与动平台连接的五个球铰的球心在同一平面内；所述与定平台连接的第二运动支链的转动副与第四运动支链的转动副的轴线相互平行;所述第一运动支链的U副和第三运动支链的U副均为一个T字形横竖两转动副轴线正交的复合铰链叉架，两U幅的竖向转动轴线共线且与第二运动支链和第四运动支链中的两转动副的轴线相互平行。
[0013]本实用新型具有支撑稳定、负载能力强、驱动布置方便等优点，采用冗余驱动的方式使机器人具有更好的刚度，为两自由度球面并联机构类型优选提供了依据和更大的选择空间。【附图说明】:
[0014]图1是本实用新型的立体结构示意图；【具体实施方式】:
[0015]实施例1:
[0016]结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0017]如图1所示，本实用新型所述的高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构主要由定平台(1)、动平台(2)以及连接定平台(1)和动平台(2)的支撑中心球面副支链和四条运动支链构成。
[0018]所述的支撑中心球面副支链，由一连接定平台(1)和动平台(2)的中心球铰(0S)组成，该中心球铰(0S)的球心为所述二自由度球面并联机构的运动中心。
[0019]所述的四条运动支链分别为第一运动支链(依次由U副1U、连杆11、移动副1P、连杆 12、球铰1S连接而成)、第二运动支链(依次由转动副2R、连杆21、移动副2P、连杆22、球铰2S 连接而成)、第三运动支链(依次由U副3U、连杆31、移动副3P、连杆32、球铰3S连接而成)、第四运动支链(依次由转动副4R、连杆41、移动副4P、连杆42、球铰4S连接而成))。其中，第一运动支链和第三运动支链对称布置，第二运动支链和第四运动支链对称布置。
[0020]第一运动支链通过U副1U与定平台1连接，第一运动支链通过球铰1S与动平台2连接。第二运动支链通过转动副2R与定平台1连接，第二运动支链通过球铰2S与动平台2连接。第三运动支链通过U副3U与定平台1连接，第三运动支链通过球铰3S与动平台2连接。第四运动支链通过转动副4R与定平台1连接，第四运动支链通过球铰4S与动平台2连接。
[0021]所述与动平台连接的五个球铰13、23、33、43、03的球心在同一平面内；所述与定平台1连接的第二运动支链的转动副2R与第四运动支链的转动副4R的轴线相互平行;所述第一运动支链的U副1U和第三运动支链的U副3U均为一个T字形横竖两转动副轴线正交的复合铰链叉架，两U幅1U、3U的竖向转动轴线共线且与第二运动支链和第四运动支链中的两转动副2R、4R的轴线相互平行。
[0022]所述机构的驱动副为液压缸或电动缸，分别安装在四条运动支链的移动副1P、2P、 3P、4P上。第一运动支链和第三运动支链驱上的驱动副1P、3P以及第二运动支链和第四运动支链上的驱动副2P、4P，两两协调运作，一拉一推，驱动动平台2做以中心球铰0S的球心为中心的球面运动。
【主权项】
1.高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构，主要由定平台(1)、动平台(2)以及连接 定平台(1)和动平台(2)的支撑中心球面副支链和四条运动支链构成;其特征在于:所述四 条运动支链中的第一运动支链和第三运动支链对称布置，第二运动支链和第四运动支链对 称布置;所述的第一运动支链和第三运动支链，分别依次包括与定平台(1)连接的U副(1U、 3U)、移动副(1P、3P)以及与动平台(2)连接的球铰(1S、3S);所述的第二运动支链和第四运 动支链，分别依次包括与定平台(1)连接的转动副(2R、4R)、移动副(2P、4P)以及与动平台 (2)连接的球铰(2S、4S);所述的支撑中心球面副支链，由一连接定平台(1)和动平台(2)的 中心球铰(0S)组成。2.根据权利要求1所述的高刚度冗余驱动的二自由度球面并联机构，其特征在于:所述 与动平台(2)连接的五个球铰(1S、2S、3S、4S、0S)的球心在同一平面内；所述与定平台(1)连 接的第二运动支链的转动副(2R)与第四运动支链的转动副(4R)的轴线相互平行;所述第一 运动支链的U副(1U)和第三运动支链的U副(3U)均为一个T字形横竖两转动副轴线正交的复 合铰链叉架，两U幅(1U、3U)的竖向转动轴线共线且与第二运动支链和第四运动支链中的两 转动副(2R、4R)的轴线相互平行。
【文档编号】B25J9/00GK205614648SQ201620255223
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】周玉林, 杨中原, 杨龙, 张红岩
【申请人】燕山大学