专利名称：实现三转动和一移动的空间四自由度机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间并联多自由度机构，特别是涉及一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构。
背景技术：
并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、响应快、质量功率比小等一系列优点，在仿真平台、机器人、机床、飞船对接机构等领域得到广泛应用。
运动载体(车辆、舰船、飞机等)行进中的高质量卫星通讯，运动中的导弹发射、坦克及自行火炮之类作战车辆的稳定瞄准、跟踪射击，以及声纳基阵等的姿态稳定等等都具有非常重要的意义，这就需要实现对载体偏航、横摇、纵摇及升沉运动的隔离。
目前，可实现三自由度转动的机构主要有三轴转台、并联驱动六自由度平台等。电动或电液驱动的三轴转台在目前已是成熟产品，在国内外已有较广泛的应用，尤其在航天航空领域。其主要特点是控制精度高，转动范围大；不足是承载较小。并联驱动六自由度平台可实现六个自由度的运动，即三个线性运动及三个转动。该机构的优点是结构刚度大、承载能力强，且系统响应快；不足是工作空间较小，灵巧性较差；又由于六自由度平台为虚拟轴结构，其角姿态控制精度也较三轴转台低，即使当某一轴无运动指令时，由于平台的结构误差及控制误差，其它自由度的运动也会引起该轴上的转动误差；而且当六自由度平台作为三自由度转台使用时，多余的自由度其实是一种资源浪费。
本发明采用四个驱动件驱动，有较大承载能力，有较高角姿态控制精度、能满足船用及车载转角行程要求，是并联式稳定跟踪平台的理想集成方案。
本发明除上述应用外，还可广泛应用于①运动仿真器。可用于舰船、车辆的运动仿真器，可用它来模拟仿真路面谱及海面谱，进行训练、试验测试、综合系统验证等，在军事和民用上均有很广的应用；同时在娱乐业上也有很广泛的应用前景。
②航天上的飞船对接器，航海上的潜艇救援对接器。
③机器人。并联三自由度机器人作为并联机器人中的一员，与目前广泛应用的串联式机器人的应用构成互补关系，从而扩大整个机器人的应用领域。
④机床。为了克服传统的机床在结构方面的缺陷，许多国家都已研制了被称为“21世纪的新一代数控加工设备”的以并联机构为基础的虚拟轴机床。由于并联机构的特点使得这种机床的加工精度、加工质量及加工速度均大大提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括上平台，四个相同结构的主动支链，下平台，从动支链；其中1)主动支链包括主动支链上关节、直线运动执行器、主动支链下关节；每一个主动支链上关节的一端分别与上平台的一个角连接，每一个主动支链上关节的另一端分别与直线运动执行器上端连接；每一个主动支链下关节的一端分别与下平台的一个角连接，每一个主动支链下关节的另一端分别与直线运动执行器下端连接；四个主动支链上关节中心点构成一个内接于半径为r的圆的上矩形；四个主动支链下关节中心点构成一个内接于半径为R的圆的下矩形，上、下矩形的长宽比不相同；2)从动支链包括从动支链下端构件、从动运动副、从动支链上端构件、从动支链上关节；从动支链上关节的一端与上平台连接，从动支链上关节的中心点位于上矩形的中心，从动支链上关节的另一端与从动支链上端构件上端连接，从动支链下端构件与下平台垂直固定连接，连接点为下矩形的中心；从动支链下端构件的上端和从动支链上端构件的下端通过从动运动副连接；本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是目前，可实现三自由度转动的机构主要有三轴转台、并联驱动六自由度平台等。电动或电液驱动的三轴转台在目前已是成熟产品，在国内外已有较广泛的应用，尤其在航天航空领域。其主要特点是控制精度高，转动范围大；不足是承载较小。并联驱动六自由度平台可实现六个自由度的运动，即三个线性运动及三个转动。该机构的优点是结构刚度大、承载能力强，且系统响应快；不足是工作空间较小，灵巧性较差；又由于六自由度平台为虚拟轴结构，其角姿态控制精度也较三轴转台低，即使当某一轴无运动指令时，由于平台的结构误差及控制误差，其它自由度的运动也会引起该轴上的转动误差；而且当六自由度平台作为三自由度转台使用时，多余的自由度其实是一种资源浪费。本发明采用四个驱动件并联驱动，有较大承载能力，有较高角姿态控制精度、能满足船用及车载转角行程要求，是并联式稳定跟踪平台的理想集成方案。
图1是本发明的结构原理示意图；图2是本发明的三维效果图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明包括上平台1，四个相同结构的主动支链2，下平台6，从动支链9；其中1)主动支链2包括主动支链上关节3、直线运动执行器4、主动支链下关节5，均为刚性元件；每一个主动支链上关节3的一端分别与上平台1的一个角连接，每一个主动支链上关节3的另一端分别与直线运动执行器4上端连接；每一个主动支链下关节5的一端分别与下平台6的一个角连接，每一个主动支链下关节5的另一端分别与直线运动执行器4下端连接；四个主动支链上关节3中心点B1、B2、B3、B4构成一个内接于半径为r的圆的上矩形B1B2B3B4；四个主动支链下关节5中心点A1、A2、A3、A4构成一个内接于半径为R的圆的下矩形A1A2A3A4，上、下矩形的长宽比不相同；2)从动支链9包括从动支链下端构件7、从动运动副8、从动支链上端构件10、从动支链上关节11，均为刚性元件；从动支链上关节11的一端与上平台1连接，从动支链上关节11的中心点位于上矩形B1B2B3B4的中心O’，从动支链上关节11的另一端与从动支链上端构件10上端连接，从动支链下端构件7与下平台6垂直固定连接，连接点为下矩形A1A2A3A4的中心O；从动支链下端构件7的上端和从动支链上端构件10的下端通过从动运动副8连接；所述的主动支链上关节3、直线运动执行器4、主动支链下关节5的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副和回转副的组合、两自由度的虎克铰。
所述的主动支链上关节3、直线运动执行器4、主动支链下关节5的运动副分别为三自由度的球铰、移动副、三自由度的球铰。
所述的主动支链上关节3、直线运动执行器4、主动支链下关节5的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副、三自由度的球铰。
所述的主动支链上关节3、直线运动执行器4、主动支链下关节5的运动副分别为三自由度的球铰、移动副、两自由度的虎克铰。
所述的从动支链上关节11、从动运动副8的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副和回转副的组合。
所述的从动支链上关节11、从动运动副8的运动副分别为三自由度的球铰、移动副和回转副的组合。
所述的从动支链上关节11、从动运动副8的运动副分别为三自由度的球铰、移动副。
上平台1和下平台6保持平行、无绕Z轴的转动、四个直线运动执行器4位移为0时机构的位形定义为机构的初始位形。
如图1所示建立坐标系，定义一个基坐标系(O-XYZ)和一个运动坐标系(O’-X’Y’Z’)，运动坐标系(O’-X’Y’Z’)建立在上平台1上，原点O’位于矩形B1B2B3B4中心处，O’-X’Y’平面与矩形B1B2B3B4所在平面重合；基坐标系(O-XYZ)固定在下平台6上，其方向与初始位形时运动坐标系(O’-X’Y’Z’)的方向相同，原点O位于矩形A1A2A3A4中心处，O-XY平面与矩形A1A2A3A4所在平面重合。A1、A2与Y轴正方向的夹角和A3、A4与Y轴负方向的夹角均为θ1，B1、B2与Y’轴正方向的夹角和B3、B4与Y’轴负方向的夹角均为θ2，θ1、θ2不相等，且都大于0°、小于90°。
根据Kutzbach Grubler公式，机构自由度为M=d(n-g-1)+Σi=1gfi]]>式中M-机构的自由度数d-环路的阶数n-构件数g-运动副数fi-第i个运动副的自由度数计算得该并联机构的自由度数为M＝4。
对机构的自由度进行分析，主动支链2的运动副折合成单自由度副后，相当于6个单自由度副的串联开式链，对上平台没有约束，从动支链9的运动副折合成单自由度副后，相当于4个单自由度副的串联开式链，所以从动支链9给上平台1两个约束，约束了上平台1在O′X′Y′平面上的两个平动自由度，上平台共受到两个约束，剩下四个自由度，即上平台具有绕X′、Y′、Z′三轴的转动自由度和沿Z′的移动自由度。
运动过程中，对应于机构的某一空间姿态，通过运动学解算得出主动支链2需要实现的位移，由直线运动执行器4驱动，从动支链9可仅作跟随运动而不输出动力，或在跟随运动的过程中平衡上平台1上的负载重力。
权利要求
1.一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于它包括上平台(1)，四个相同结构的主动支链(2)，下平台(6)，从动支链(9)；其中1)主动支链(2)包括主动支链上关节(3)、直线运动执行器(4)、主动支链下关节(5)；每一个主动支链上关节(3)的一端分别与上平台(1)的一个角连接，每一个主动支链上关节(3)的另一端分别与直线运动执行器(4)上端连接；每一个主动支链下关节(5)的一端分别与下平台(6)的一个角连接，每一个主动支链下关节(5)的另一端分别与直线运动执行器(4)下端连接；四个主动支链上关节(3)中心点构成一个内接于半径为r的圆的上矩形；四个主动支链下关节(5)中心点构成一个内接于半径为R的圆的下矩形，上、下矩形的长宽比不相同；2)从动支链(9)包括从动支链下端构件(7)、从动运动副(8)、从动支链上端构件(10)、从动支链上关节(11)；从动支链上关节(11)的一端与上平台(1)连接，从动支链上关节(11)的中心点位于上矩形的中心，从动支链上关节(11)的另一端与从动支链上端构件(10)上端连接，从动支链下端构件(7)与下平台(6)垂直固定连接，连接点为下矩形的中心；从动支链下端构件(7)的上端和从动支链上端构件(10)的下端通过从动运动副(8)连接；
2.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的主动支链上关节(3)、直线运动执行器(4)、主动支链下关节(5)的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副和回转副的组合、两自由度的虎克铰。
3.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的主动支链上关节(3)、直线运动执行器(4)、主动支链下关节(5)的运动副分别为三自由度的球铰、移动副、三自由度的球铰。
4.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的主动支链上关节(3)、直线运动执行器(4)、主动支链下关节(5)的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副、三自由度的球铰。
5.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的主动支链上关节(3)、直线运动执行器(4)、主动支链下关节(5)的运动副分别为三自由度的球铰、移动副、两自由度的虎克铰。
6.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的从动支链上关节(11)、从动运动副(8)的运动副分别为两自由度的虎克铰、移动副和回转副的组合。
7.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的从动支链上关节(11)、从动运动副(8)的运动副分别为三自由度的球铰、移动副和回转副的组合。
8.根据权利要求1所述的一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构，其特征在于所述的从动支链上关节(11)、从动运动副(8)的运动副分别为三自由度的球铰、移动副。
全文摘要
本发明公开了一种实现三转动和一移动的空间四自由度机构。四个主动支链上关节的一端分别与上平台的一个角连接，另一端分别与直线运动执行器上端连接，下关节的一端分别与下平台的一个角连接，另一端分别与直线运动执行器下端连接，四个主动支链上、下关节中心点构成上、下矩形；从动支链上关节的一端与上平台连接，另一端与从动支链上端构件上端连接，下端构件与下平台垂直固定连接，上关节中心、固定连接点分别位于上下矩形的中心，下端构件的上端和上端构件的下端通过从动运动副连接。可实现上平台绕空间坐标系三个坐标轴的转动和沿一轴的移动。本发明用于各种稳定跟踪平台、运动仿真器、飞船对接器、潜艇救援对接器、机器人及虚拟轴机床。
文档编号F16S5/00GK1673606SQ200510050250
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月13日 优先权日2005年4月13日
发明者王宣银, 程佳, 刘荣, 李强, 丁渊明, 尹瑞多 申请人:浙江大学