三平移并联机构及其支链的制作方法
【专利摘要】本发明涉及三平移并联机构及其支链，支链包括轴线互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六转动副，第一、第二转动副通过第一连杆连接，第二、第四转动副通过第二连杆连接，第一、第三转动副通过第三连杆连接，第三、第四转动副通过第四连杆连接，第四、第六转动副通过第五连杆连接，第三、第五转动副通过第六连杆连接，第五、第六转动副通过第七连杆连接，第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行。本发明提供了一种运动副单一的三平移并联机构及其支链。
【专利说明】三平移并联机构及其支链【技术领域】
[0001]本发明涉及三平移并联机构及其支链。
【背景技术】
[0002]在坐标测量、材料搬运等领域中，经常需要用到结构简单、刚度高、灵活性好的三平移并联机构，现有的此类机构并不多见，已有的包括Delta机构、Maryland机构、3-RRC机构、2-CRR-SPS机构、3-RRRT机构、3-R//R//R_4r机构、3-RUC机构等，然而这些机构中的运动副复杂，均包括至少两种运动副，造成机构的装配和使用都比较困难；另外这些机构中的奇异位形多、位置正解难以求得且不唯一，给实际应用带来了困难。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种运动副单一的三平移并联机构；本发明的目的还在于提供中该三平移并联机构中使用的支链。
[0004]为了解决上述问题，本发明中三平移并联机构的技术方案为:
[0005]三平移并联机构，包括动平台和定平台，动、定平台之间设置有三个结构相同且呈环形均布的支链，各支链均包括轴线互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六转动畐0，第一、第二转动副通过第一连杆连接，第二、第四转动副通过第二连杆连接，第一、第三转动副通过第三连杆连接，第三、第四转动副通过第四连杆连接，第四、第六转动副通过第五连杆连接，第三、第五转动副通过第六连杆连接，第五、第六转动副通过第七连杆连接，第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行，第三、第五转动副的轴线所在平面与第四、第六转动副的轴线所在平面相平行，所述第一连杆上设置有与动平台连接的第七转动副，第七连杆上设置有与定平台连接的第八转动副，第七、第八转动副的轴线相平行，第七转动副的轴线垂直于第一转动副的轴线。
[0006]所述第二、第四转动副之间的轴线间距与第四、第六转动副之间的轴线间距相同。
[0007]各支链的第七转动副所在的环形的半径小于各支链的第八转动副所在的环形的半径。
[0008]各支链的第八转动副的转轴上均同轴线固设有动力输入轮。
[0009]所述的动力输入轮为齿轮。
[0010]所述三平移并联机构还包括与各支链一一对应设置的驱动电机，各驱动电机的电机轴上均同轴线固设有分别与对应动力输入轮啮合传动的动力输出齿轮。
[0011]本发明中支链的技术方案为:
[0012]三平移并联机构的支链，包括轴线互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六转动副，第一、第二转动副通过第一连杆连接，第二、第四转动副通过第二连杆连接，第一、第三转动副通过第三连杆连接，第三、第四转动副通过第四连杆连接，第四、第六转动副通过第五连杆连接，第三、第五转动副通过第六连杆连接，第五、第六转动副通过第七连杆连接，第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行，第三、第五转动副的轴线所在平面与第四、第六转动副的轴线所在平面相平行，所述第一连杆上设置有用于与动平台连接的第七转动副，第七连杆上设置有用于与定平台连接的第八转动副，第七、第八转动副的轴线相平行，第七转动副的轴线垂直于第一转动副的轴线。
[0013]所述第二、第四转动副之间的轴线间距与第四、第六转动副之间的轴线间距相同。
[0014]所述第八转动副的转轴上同轴线固设有动力输入轮。
[0015]所述的动力输入轮为齿轮。
[0016]本发明的有益效果为:第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第四转动畐O、第四连杆、第三转动副和第三连杆构成一个平行四边形回路；第三转动副、第四连杆、第四转动副、第五连杆、第六转动副、第七连杆、第五转动副和第六连杆构成一个平行四边形回路，第一连杆通过第七转动副与动平台连接，第七连杆通过第八转动副与定平台连接，整个三平移并联机构仅具有转动副这单一的运动副，使得三平移并联机构的结构简单，装配方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明中三平移并联机构的一个实施例的结构示意图；
[0018]图2是图1的结构原理图；
[0019]图3是图2中支链的结构示意图；
[0020]图4是图2的侧视图；
[0021]图5是图2的立体图；
[0022]图6是图5的等效示意图；
[0023]图7是本发明中rb = rm时，驱动力线矢的示意图；
[0024]图8是本发明中Q1= Θ 2 = Θ 3 = O时,驱动力线矢的示意图。
【具体实施方式】
[0025]三平移并联机构的实施例如图1?6所示:包括动平台2、定平台1，动、定平台之间设置有三个呈环形均布的支链，各支链的结构相同，现仅对一个支链的结构进行详细描述。支链包括轴线相互平行的第一转动副RU第二转动副R2、第三转动副R3、第四转动副R4、第五转动副R5和第六转动副R6，第一、第二转动副通过第一连杆3连接，第二、第四转动副通过第二连杆4连接，第一、第三转动副通过第三连杆5连接，第三、第四转动副通过第四连杆6连接，第四、第六转动副通过第五连杆7连接，第三、第五转动副通过第六连杆8连接，第五、第六转动副通过第七连杆9连接。第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行，第三、第五转动副的轴线所在平面与第四、第六转动副的轴线所在平面相平行，这样第一转动副R1、第一连杆3、第二转动副R2、第二连杆4、第四转动副R4、第四连杆6、第三转动副R3和第三连杆5构成一个平行四边形回路；第三转动副R3、第四连杆6、第四转动副R4、第五连杆7、第六转动副R6、第七连杆9、第五转动副R5和第六连杆8构成一个平行四边形回路，各连杆均为直杆结构，第二、第四转动副之间的轴线间距与第四、第六转动副之间的轴线间距相同，由于各连杆均为直杆结构，第三连杆5、第二连杆4、第六连杆8和第五连杆5的长度相同且均为I。第一连杆3上设置有与动平台2连接的第七转动副R7，第七连杆9上设置有与定平台I连接的第八转动副R8，第七、第八转动副的轴线相平行第七转动副的轴线垂直于第一转动副的轴线，各支链的第七转动副所在的环形的半径为rm，各支链的第八转动副所在的环形的半径为rb，rm< rb。各支链的第八转动副R8的转轴上均同轴线固设有动力输入轮10，动力输入轮为齿轮，三平移并联机构还包括与各支链对应设置的驱动电机12,各驱动电机的电机轴上均同轴线固设有分别与对应动力输入轮啮合传动的动力输出齿轮11。
[0026]该三平移并联机构可称为3-R (4r) (4r) R并联机构，3_R (4r) (4r)R两个R分别表示第七转动副和第八转动副，3-R (4r) (4r) R中两个4r分别表示对应平行四边形回路中的四个转动副。三平移并联机构含有3个完全相同且按圆周均匀布置的分支，每个分支由第七、第八两个转动副和2个平行四边形回路组成，第七、第八转动副的轴线平行于动平台、定平台平面，各平行四边形回路中的各转动副的轴线相互平行，且与两端第七、第八转动副的轴线垂直。如图2所示:M1、M2、M3分别表示各支链的第七转动副的中心点，Ml、M2、M3所在圆的半径为rm，B1、B2、B3分别表示各支链的第八转动副的中心点，B1、B2、B3所在圆的半径为rb。设置坐标系{M}为动平台连体坐标系，其坐标原点位于动平台的中心处，U、V轴在动平台平面内，设坐标系{B}为定平台连体坐标系，其坐标原点位于定平台的中心处，X、Y轴在定平台平面内，其坐标轴方向与{Μ}的相同。各支链的参数设置如图3~4所示，其中I为第六连杆的杆长，Ciil (i=l，2，3)为邻近定平台的平行四边行机构的侧向转角，ai2为邻近动平台的平行四边行机构相对于前一平行四边行机构的侧向转角，0i为支链相对动平台平面的转角。
[0027]三平移并联机构自由度分析
[0028]图5所示的R(4r) (4r) R支链运动学`上可等效于如图6所示的RPPR支链，其中一个P副垂直于两个R副，另一个P副平行于两个R副，该支链对动平台将产生无数个垂直于R副轴线的约束力偶，而这些力偶可以等效为两个独立的约束力偶€，当然这两个力偶也垂直于R副轴线，显然，机构的3条支链对动平台的6个约束力偶既不会平行于同一平面，也不会平行于同一直线，因此这6个约束力偶必然存在3个独立的基，可分别表示为
[0029]= (O O O:1 O O)
[0030]S'^ = (O O 0: O I O)
[0031]= (O O U O O I)
[0032]则扣、扣、<反螺旋的一组基可写为
[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]根据螺旋理论可知界V、朽、€为动平台可能的运动螺旋，因此机构动平台相对
定平台的可能运动分别为沿惯性坐标系X、Y、Z轴的3个平移运动。
[0037]机构驱动输入选择
[0038]鉴于3_R(4r) (4r)R并联机构有3个自由度，为减小惯性的影响，提高负载能力和运行性能，驱动副应尽量靠近定平台，因此选择定平台上的3个第八转动副为驱动副。一般来说，若将任一支链的驱动副固定不动，则该支链对动平台会产生3个力螺旋，如图6所示，
为刚化驱动副之前支链对动平台的约束力偶，$a为刚化驱动副后支链对动平台的驱动力线矢，它与动平台上的R副垂直相交，并且垂直于两个P副，对于如图5所示的本发明中的支链，驱动力线矢$a平行于中间2个(4r)平行四边形回路的6个转动副。
[0039]下面根据驱动副判定准则讨论所有支链施加给动平台的约束力偶和驱动力线矢的秩，前面已经确定一般位形下支链对动平台的6个约束力偶的秩为3，因此这3个螺旋限制了动平台绕X、Y、Z轴的转动，而3个驱动线矢在一般位形下不会同时平行于同一平面，也不会平行于同一直线，所以由线几何理论可知，在一般位形下，支链施加给动平台的所有约束力偶和驱动力线矢的秩必为6，这说明驱动输入选取是合理的。
[0040]机构奇异分析
[0041]I)平台奇异
[0042]由前面分析可知，3条支链对动平台的约束螺旋为6个约束力偶，这6个力偶存在3个独立的基，可分别表示为
[0043]= (O O O; I O O)
[0044]Sf = (O O O; O I O)
[0045]Sf =(0 O O; O O I)
[0046]而且这3个力偶基不会随机构的位形变化而降秩，因此该机构不存在平台奇异。
[0047]2)驱动奇异
[0048]由前面分析可知，3条支链对动平台的约束螺旋为6个约束力偶，对动平台的驱动螺旋为3个力线矢，当机构参数满足rb = rm时,这3个驱动力线矢将垂直于同一直线L,如图7所示，此时机构沿直线L的平动将失控，发生驱动奇异。另外，当机构参数满足Q1 =Θ 2 = Θ 3 = O时(动平台平面和定平台平面重合)，3个驱动力线矢将平行于Z轴，如图8所示，此时机构沿X、Y轴的平动将失控，发生驱动奇异。显然在机构设计时只要保证rb Φ rffl,即可避免前一种驱动奇异。
[0049]3)支链奇异
[0050]当连接动平台的第七转动副与连接定平台的第八转动副重合时，动平台平面和定平台平面重合，驱动力线矢消失，此时发生支链奇异。
[0051]总之，机构动平台平面和定平台平面重合时才可能发生驱动奇异以及支链奇异，除此之外没有任何其它奇异位形。
[0052]机构运动学模型及位置正逆解
[0053]I)运动学模型
[0054]参考图2?4所示,设X、y、z分别为动平台坐标系{M}原点在定平台坐标系{B}中沿X、Y、Z轴的位置坐标，同时假设参数rb ^ rffl,则通过运动分析可得到如下的机构运动学模型:
【权利要求】
1.三平移并联机构的支链，其特征在于:包括轴线互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六转动副，第一、第二转动副通过第一连杆连接，第二、第四转动副通过第二连杆连接，第一、第三转动副通过第三连杆连接，第三、第四转动副通过第四连杆连接，第四、第六转动副通过第五连杆连接，第三、第五转动副通过第六连杆连接，第五、第六转动副通过第七连杆连接，第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行，第三、第五转动副的轴线所在平面与第四、第六转动副的轴线所在平面相平行，所述第一连杆上设置有用于与动平台连接的第七转动副，第七连杆上设置有用于与定平台连接的第八转动副，第七、第八转动副的轴线相平行，第七转动副的轴线垂直于第一转动副的轴线。
2.根据权利要求1所述的三平移并联机构的支链，其特征在于:所述第二、第四转动副之间的轴线间距与第四、第六转动副之间的轴线间距相同。
3.根据权利要求1或2所述的三平移并联机构的支链，其特征在于:所述第八转动副的转轴上同轴线固设有动力输入轮。
4.根据权利要求3所述的三平移并联机构的支链，其特征在于:所述的动力输入轮为齿轮。
5.三平移并联机构，包括动平台和定平台，其特征在于:动、定平台之间设置有三个结构相同且呈环形均布的支链，各支链均包括轴线互相平行的第一、第二、第三、第四、第五和第六转动副，第一、第二转动副通过第一连杆连接，第二、第四转动副通过第二连杆连接，第一、第三转动副通过第三连杆连接，第三、第四转动副通过第四连杆连接，第四、第六转动副通过第五连杆连接，第三、第五转动副通过第六连杆连接，第五、第六转动副通过第七连杆连接，第一、第二转动副的轴线所在平面与第三、第四转动副的轴线所在平面以及第五、第六转动副的轴线所在平面相平行，第一、第三转动副的轴线所在平面与第二、第四转动副的轴线所在平面相平行，第三、第五转动副的轴线所在平面与第四、第六转动副的轴线所在平面相平行，所述第一连杆上设置有与动平台连接的第七转动副，第七连杆上设置有与定平台连接的第八转动副，第七、第八转动副的轴线相平行，第七转动副的轴线垂直于第一转动副的轴线。
6.根据权利要求5所述的三平移并联机构，其特征在于:所述第二、第四转动副之间的轴线间距与第四、第六转动副之间的轴线间距相同。
7.根据权利要求5所述的三平移并联机构，其特征在于:各支链的第七转动副所在的环形的半径小于各支链的第八转动副所在的环形的半径。
8.根据权利要求5?7任意一项所述的三平移并联机构，其特征在于:各支链的第八转动副的转轴上均同轴线固设有动力输入轮。
9.根据权利要求8所述的三平移并联机构，其特征在于:所述的动力输入轮为齿轮。
10.根据权利要求9所述的三平移并联机构，其特征在于:所述三平移并联机构还包括与各支链一一对应设置的驱动电机，各驱动电机的电机轴上均同轴线固设有分别与对应动力输入轮啮合传动的动力输出齿轮。
【文档编号】B25J9/04GK103817685SQ201410064447
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】刘延斌, 韩秀英, 马佳佳, 尹晨旭 申请人:河南科技大学