本发明涉及机器人领域，特别涉及一种球面连杆装置。
背景技术：
机构中各运动构件上的所有点都在同心球面上的运动机构称为球面机构。球面两自由度机构可以实现沿球面曲线的运动，可用于食品、药品的包装，工艺产品的加工，球形物体的检测等方面。
已有的球面两自由度连杆装置中，其输出运动是机构上一点在球面上的移动，而很多情况需要末端连杆在球面上具有灵活的运动。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种在运动过程中固定连杆和末端连杆始终关于中间平面保持对称、且末端连杆具有以球面连杆的球心为转动中心的沿球面曲线运动的二自由度球面连杆运动装置。
本发明包括十或十二个连杆以及连接它们的运动副，
第一种连接方式：
本发明包括十二个连杆以及连接它们的运动副，其中，第一连杆为固定连杆，其一端通过转动副一与第二连杆和第八连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二与t形连杆一和第三连杆的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三与第四连杆和第七连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五与t形连杆二和第六连杆的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六与第一连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七与t形连杆三的一端和第八连杆的另一端连接。转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线汇交于球面连杆的球心o；第九连杆的一端通过转动副八与t形连杆一的另一端连接，第九连杆的另一端通过转动副九与第十连杆的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十与t形连杆三的另一端和第十一连杆的一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十一与第十二连杆的一端连接，第十二连杆的另一端通过转动副十二与t形连杆二的另一端连接；第九连杆、第十连杆和转动副八、九、十构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十一、十二构成三自由度平面子链二，并且转动副二、五、七的轴线与三自由度平面子链中的转动副轴线垂直。
所述三自由度平面子链由两个连杆和三个运动副连接而成，三个运动副中，一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，且三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直。三自由度平面子链有以下7种组成形式：rrr、rpr、rrp、prr、rpp、prp、ppr，r代表转动副，p代表移动副。
第二种连接方式：
本发明包括十个连杆以及连接它们的运动副，其中，第一连杆为固定连杆，其一端通过转动副一与第二连杆和第八连杆的一端连接或与第二连杆的一端连接，第八连杆的一端与第二连杆的一部位连接，第二连杆的另一端通过转动副二与第十三连杆和第三连杆的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三与第四连杆和第七连杆的一端连接或与第四连杆的一端连接，第七连杆的一端与第三连杆的一部位连接，第四连杆的另一端通过转动副四与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五与第六连杆和第十四连杆的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六与第一连杆的另一端连接，第十四连杆的另一端通过弧形移动副一与第十三连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七与第八连杆的另一端和弧形滑块一的一端连接，弧形滑块一的另一端通过弧形移动副二与第十四连杆的一部位连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线相交于球面连杆的球心o。
上述两种连接方式中，第七连杆通过转动副十三与第四连杆的一部位连接，第八连杆通过转动副十四与第一连杆的一部位连接，要保证第四连杆上转动副三和转动副十三轴线间的夹角与第一连杆上转动副一和转动副十四轴线间的夹角相等；第十五连杆通过转动副十五与第三连杆的一部位连接，第十六连杆通过转动副十六与第二连杆的一部位连接，要保证第三连杆上转动副三和转动副十五轴线间的夹角与第二连杆上转动副一和转动副十六轴线间的夹角相等；转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内，此平面即为中间平面；机构的转动中心为各球面连杆的球心，所有点都在以某一点为球心的同心球面上的连杆即为球面连杆。第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间夹角分别对应相等。
可以将上述两种连接方式中与第一连杆相连接的三个连杆中的第二连杆和第六连杆作为机构输入，第四连杆为末端连杆。
可以将多个上述两种连接方式中的机构进行连接，连接后可将机构的运动放大。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、机构的固定连杆和末端连杆在运动过程中始终关于中间平面对称，可以实现完全对称的运动；
2、末端连杆可以以位于对称平面上且过转动中心的任意直线为轴线进行连续转动，给机构的应用和控制带来了很大的方便；
3、将多个单元进行连接后，最后一个单元末端连杆的运动和第一个单元末端连杆的运动形式相同，可以得到运动范围更大的结构，此种结构驱动方式简单并且能够实现中心控制的远程运动，在食品、药品的包装，工艺产品的加工，球形物体的检测等方面有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明的实施例1的示意图；
图2是本发明的实施例2的示意图；
图3是本发明的实施例3的示意图；
图4是本发明的实施例4的示意图；
图5是本发明的实施例5的示意图；
图6是本发明的实施例6的示意图；
图7是本发明的实施例7的示意图；
图8是本发明的实施例8的示意图；
图9是本发明的实施例9的示意图；
图10是本发明的实施例10的示意图。
图中：1-第一连杆、2-第二连杆、3-第三连杆、4-第四连杆、5-第五连杆、6-第六连杆、7-第七连杆、8-第八连杆、9-第九连杆、10-第十连杆、11-第十一连杆、12-第十二连杆、13-第十三连杆、14-第十四连杆、15-第十五连杆、16-第十六连杆、17-第十七连杆、18-第十八连杆、19-第十一连杆、20-第二十连杆、21-第二十一连杆、j1-构件一、h1-弧形滑块一、h2-弧形滑块二、h3-弧形滑块三、t1-t形连杆一、t2-t形连杆二、t3-t形连杆三、m1-弧形移动副一、m2-弧形移动副二。
具体实施方式：
实施例1
在图1所示的球面连杆运动装置示意图中，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2和第八连杆8的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与t形连杆一t1和第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4和第七连杆7的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与t形连杆二t2和第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与t形连杆三t3的一端和第八连杆8的另一端连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线汇交于球面连杆的球心o；t形连杆一的另一端通过转动副八r8与第九连杆9的一端连接，第九连杆的另一端通过转动副九r9与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十r10与t形连杆三的另一端和第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十一r11与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过转动副十二r12与t形连杆二的另一端连接；第九连杆、第十连杆和转动副八、九、十构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十一、十二构成三自由度平面子链二；两个三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行；转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例2
如图2所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与t形连杆一t1和第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与t形连杆二t2和第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第七连杆7的一端通过转动副十三r13与第四连杆的一部位连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与t形连杆三t3和第八连杆8的一端连接，第八连杆的另一端通过转动副十四r14与第一连杆的一部位连接。转动副一、二、三、四、五、六、七、十三、十四的轴线相交于球面连杆的球心o；t形连杆一的另一端通过转动副八r8与第九连杆9的一端连接，第九连杆的另一端通过转动副九r9与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十r10与t形连杆三的另一端和第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十一r11与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过转动副十二r12与t形连杆二的另一端连接。第九连杆、第十连杆和转动副八、九、十构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十一、十二构成三自由度平面子链二，两个三自由度平面子链中的转动副轴线互相平行；转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，第四连杆上转动副三和转动副十三轴线间的夹角与第一连杆上转动副一和转动副十四轴线间的夹角相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例3
如图3所示，第十五连杆15的一端通过转动副十五r15与第三连杆3的一部位连接，第十五连杆的另一端通过转动副十六r16与t形连杆三t3和第十六连杆16的一端连接，第十六连杆的另一端通过转动副十六r16与第二连杆2的一部位连接，其它部件与连接关系与实施例2相同。转动副一、二、三、四、五、六、七、十五、十六的轴线相交于球面连杆的球心o；第九连杆、第十连杆和转动副八、九、十构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十一、十二构成三自由度平面子链二，两个三自由度平面子链中的转动副轴线互相平行；转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第十五和第十六连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，第三连杆上转动副三和转动副十五轴线间的夹角与第二连杆上转动副一和转动副十六轴线间的夹角相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例4
如图4所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2和第八连杆8的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与t形连杆一t1和第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4和第七连杆7的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与构件一j1和第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与t形连杆三t3的一端和第八连杆8的另一端连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线相交于球面连杆的球心o；t形连杆一的另一端通过转动副八r8与第九连杆9和第十一连杆11的一端连接，第九连杆的另一端通过转动副九r9与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十r10与t形连杆三的另一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十一r11与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过移动副一p1与构件一的另一端连接，第九连杆、第十连杆和转动副八、九、十构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副八、十一、移动副一构成三自由度平面子链二。三自由度平面子链一中转动副轴线相互平行；三自由度平面子链二中的转动副轴线相互平行，转动副轴线和移动副移动中心线相互垂直。转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例5
如图5所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2和第八连杆8的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与t形连杆一t1和第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4和第七连杆7的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与t形连杆二t2和第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与t形连杆三t3的一端和第八连杆8的另一端连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线相交于球面连杆的球心o；t形连杆一的一端通过转动副八r8与第九连杆9的一端连接，第九连杆的另一端通过移动副二p2与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十二r12与t形连杆二的另一端连接，t形连杆三的另一端过转动副十r10与第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过转动副十一r11与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过转动副十二与t形连杆二的另一端连接。第九连杆、第十连杆和转动副八、十二、移动副二构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十一、十二构成三自由度平面子链二。三自由度平面子链一中转动副轴线相互平行，转动副轴线和移动副移动中心线相互垂直。三自由度平面子链二中的转动副轴线相互平行。转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例6
如图6所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2和第八连杆8的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与t形连杆一t1和第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4和第七连杆7的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与t形连杆二t2和第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与t形连杆三t3的一端和第八连杆8的另一端连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线相交于球面连杆的球心o；t形连杆一的另一端通过转动副八r8与第九连杆9的一端连接，第九连杆的另一端通过移动副三p3与第十连杆10的一端连接，第十连杆的另一端通过转动副十r10与t形连杆三的另一端和第十一连杆11的一端连接，第十一连杆的另一端通过移动副四p4与第十二连杆12的一端连接，第十二连杆的另一端通过转动副十二r12与t形连杆二的另一端连接。第九连杆、第十连杆和转动副八、十、移动副三构成三自由度平面子链一，第十一连杆、第十二连杆和转动副十、十二、移动副四构成三自由度平面子链二，两个三自由度面子链中转动副轴线相互平行，转动副轴线与移动副轴移动中心线相互垂直。转动副二、五、七的轴线与两个三自由度平面子链中的转动副轴线垂直，第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例7
如图7所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2和第八连杆8的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与第三连杆3和第十三连杆13的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4和第七连杆7的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与第六连杆6和第十四连杆14的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第十四连杆的另一端通过弧形移动副一m1与第十三连杆的另一端连接，第七连杆的另一端通过转动副七r7与第八连杆的另一端和弧形滑块一h1的一端连接，弧形滑块一的另一端通过弧形移动副二m2与第十四连杆的一部位连接，转动副一、二、三、四、五、六、七的轴线相交于球面连杆的球心o；第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例8
如图8所示，第一连杆1为固定连杆，其一端通过转动副一r1与第二连杆2的一端连接，第二连杆的另一端通过转动副二r2与第三连杆3和第十三连杆13的一端连接，第三连杆的另一端通过转动副三r3与第四连杆4的一端连接，第四连杆的另一端通过转动副四r4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过转动副五r5与第六连杆6和第十四连杆14的一端连接，第六连杆的另一端通过转动副六r6与第一连杆的另一端连接，第十四连杆的另一端通过弧形移动副一m1与第十三连杆的另一端连接，第十五连杆15的一端通过转动副十五r15与第三连杆的一部位连接，第十五连杆的另一端通过转动副七r7与第十六连杆16和弧形滑块一h1的一端连接，第十六连杆的另一端通过转动副十六r16与第二连杆的一部位连接，弧形滑块一的另一端通过弧形移动副二m2与第十四连杆的一部位连接，转动副一、二、三、四、五、六、七、十五、十六的轴线相交于球面连杆的球心o；第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第十五和第十六连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，第三连杆上转动副三和转动副十五轴线间的夹角与第二连杆上转动副一和转动副十六轴线间的夹角相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例9
如图9所示，第七连杆7的一端通过转动副十三r13与第四连杆4的一部位连接，第十三连杆的另一端通过转动副七r7与第八连杆8和弧形滑块一h1的一端连接，第八连杆的另一端通过转动副十四r14与第一连杆1的一部位连接，其它部件与连接关系与实施例8相同。转动副一、二、三、四、五、六、七、十三、十四的轴线相交于球面连杆的球心o；第一和第四连杆、第二和第三连杆、第五和第六连杆、第七和第八连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等，第四连杆上转动副三和转动副十三轴线间的夹角与第一连杆上转动副一和转动副十四轴线间的夹角相等，并且上述转动副二、五、七的轴线在运动过程中始终在同一平面内。
实施例10
如图10所示，将第十九连杆19代替原来的第一连杆作为固定连杆，实施例5所述球面机构可以看作一个单元，将第一单元ⅰ和第二单元ⅱ进行连接，其中第十七连杆17通过第一单元的转动副二r2与第一单元的第二连杆2、第三连杆3和t形连杆一t1的一端连接，第十七连杆的另一端通过转动副十七r17与第十八连杆18和弧形滑块二h2的一端连接，该弧形滑块二的另一端通过弧形移动副三m3与第二单元的第十九连杆19的一端连接，第十八连杆的另一端通过第二单元的转动副二r2与第二单元的第二连杆2、第三连杆3和t形连杆一t1的一端连接，该第二连杆的另一端通过转动副十八r18与第一单元的第三连杆、第七连杆7和第二单元第八连杆8的一端以及第二单元的第十九连杆的一部位连接；第二十连杆20的一端通过第一单元的转动副五r5与第一单元的第五连杆5、第六连杆6和t形连杆二t2的一端连接，第二十连杆的另一端通过转动副二十r20与第二十一连杆21和弧形滑块三h3的一端连接，该弧形滑块三的另一端通过弧形移动副四m4与第二单元的第十九连杆的另一端连接，第二十一连杆的另一端通过第二单元的转动副五r5与第二单元的第五连杆5、第六连杆6和t形连杆二t2连接，该第六连杆的另一端通过转动副十九r19与第一单元的第五连杆的另一端和第二单元的第十九连杆的另一部位连接。第十七连杆和第十八连杆、第二十连杆和第二十一连杆两端转动副轴线间的夹角分别对应相等。第二单元和第三单元ⅲ的连接方式与第一单元和第二单元的连接方式相同，接下来每个单元的连接方式都与第一单元和第二单元的连接方式相同。