一种动平台具有重构能力的球面并联机构的制作方法

本发明涉及一种并联机构，具体地说是一种动平台具有重构能力的球面并联机构。

背景技术：

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比，并联机器人具有以下优点：累积误差小、精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大。因此，并联机器人在对设备刚度、

运动速度、定位精度或载重要求较高的场合应用较为广泛。

少自由度并联机构是指自由度少于6的并联机构，可应用于许多适于并联机构操作但不需要全部6个自由度的工作任务。与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有结构简单、易于控制、制造方便、价格低廉等优点。其中，球面并联机构是重要的少自由度并联机构之一，目前在卫星跟踪随动装置、数控回转台，电子灵巧眼等实际工程领域中已经得到一定的应用。

但由于受到奇异位形的限制，并联机构动平台的转动能力往往都比较小，即使是相对简单的平面并联机构，在理论上能达到的转动范围也不超过180°，实际上会更小；奇异位形还影响了动平台运动的灵活性，因为靠近奇异位形时动平台的载荷传递效率急速下降；此外，机构的运动支链较少时承载能力也较差，从而影响动平台的工作性能。

冗余驱动并联机构是输入构件数目多于输出构件自由度数的并联机构，有些并联机构会通过增加冗余驱动支链来辅助平台跨越奇异位形，从而得到更大的转动能力，但冗余驱动会导致过约束从而产生内力，使机构面临复杂的控制问题；还有一部分并联机构则选择在某些支链中增加冗余驱动，但这导致了混合结构的出现，从而改变原有并联机构的载荷传递特性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种动平台具有重构能力的球面并联机构，提高了动平台的转动能力，并增大实际可用的工作空间，同时提高机构的刚度，从而提高其负载能力和运动精度，改善其工作性能。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种动平台具有重构能力的球面并联机构，包括机座、动平台和运动支链，所述动平台由包括至少四根连接杆的球面多杆机构构成，各个连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成动平台，运动支链一端通过机座转动副与机座转动连接、另一端通过动平台转动副与动平台转动连接，其中动平台转动副与连接杆转动副重合，运动支链的数量与动平台所包含的连接杆的数量相同，连接杆转动副、机座转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点。

所述运动支链由主动连杆和从动连杆构成，主动连杆一端通过机座转动副与机座转动连接、另一端通过连杆转动副与从动连杆一端转动连接，从动连杆另一端与动平台上的动平台转动副转动连接，该连杆转动副和连接杆转动副、机座转动副、动平台转动副的轴线交汇于同一点。

所述主动连杆和从动连杆均为弧形杆。

所述主动连杆的长度大于、等于或者小于从动连杆的长度。

所述球面多杆机构由四根连接杆构成，运动支链的数量为四条，该四条运动支链均匀分布或者不规则分布在机座上。

所述球面多杆机构由五根连接杆构成，运动支链的数量为五条，该五条运动支链均匀分布或者不规则分布在机座上。

本发明通过增加运动支链，辅助动平台跨越奇异位形从而得到更大的转动能力，并增大实际可用的工作空间，同时提高机构的刚度，从而提高其负载能力和运动精度，改善其工作性能。

另外，动平台可利用原系统冗余的自由度对自身进行重构，动平台的重构能力可以作为安装于动平台上末端执行器的驱动。可以通过在动平台上增加一个能够将动平台重构能力转化为沿球面法向移动的末端执行器，避免在动平台上安装额外的电机。或者利用重构能力将动平台直接用作末端执行器，实现诸如抓取等操作。

附图说明

附图1为本发明俯视结构示意图；

附图2为本发明的立体结构示意图；

附图3为本发明的运动示意图；

附图4为本发明的动平台重构示意图；

附图5为本发明运动并发生动平台重构的示意图；

附图6为本发明中五自由度球面并联机构的俯视结构示意图；

附图7为本发明动平台安装末端执行器后沿球面法向移动的示意图；

附图8为本发明驱动末端执行器沿球面法向移动的局部过程示意图；

附图9为本发明动平台直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图10为本发明动平台直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图11为本发明动平台直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图；

附图12为本发明动平台直接作为末端执行器夹持工件的过程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种动平台具有重构能力的球面并联机构，包括机座1、动平台2和运动支链3，所述动平台2由包括至少四根连接杆的球面多杆机构构成，各个连接杆通过连接杆转动副首尾转动连接围合形成动平台2，该运动支链3一端通过机座转动副4与机座1转动连接、另一端通过动平台转动副21与动平台2转动连接，其中动平台转动副与连接杆转动副重合，运动支链的数量与动平台所包含的连接杆的数量相同，连接杆转动副、机座转动副和动平台转动副的轴线交汇于同一点。运动支链的数量也与整个球面并联机构的总自由度数相同。运动支链3由主动连杆31和从动连杆33构成，主动连杆31一端通过机座转动副4与机座1转动连接、另一端通过连杆转动副32与从动连杆33一端转动连接，从动连杆33另一端与动平台2上的动平台转动副21转动连接，该连杆转动副32和机座转动副4、连接杆转动副、动平台转动副21的轴线交汇于同一点，即连杆转动副、连接杆转动副、机座转动副和动平台转动副的轴线都在球面并联机构的球心处交汇汇集，保证动平台的运动是在球面上完成。

另外，主动连杆和从动连杆均为弧形杆。主动连杆的长度大于、等于或者小于从动连杆的长度，具体可由实际情况进行灵活选择设置。

此外，各运动支链的杆件参数和用于驱动该运动支链运动的电机的布置的纬度、是否均布等并无特别限定，可以根据需要的运动空间和负载要求来进行调整，以达到不同的运动效果。也就是说，有多个运动支链时，所有的运动支链可以均匀分布在机座上，也可以不规则形式分布在机座上。

下面以具体自由度的球面并联机构进行详细阐述。

实施例一，如附图1和2所示，球面多杆机构为球面四杆机构，该球面四杆机构由四根连接杆构成，该四根连接杆分别通过四个连接杆转动副首尾转动连接围合形成动平台，相邻两根连接杆可以连接杆转动副为转动中心进行转动。此时运动支链的数量也对应为四条，球面并联机构的总自由度数为四自由度。包括机座带动动平台运动，以及由四组运动支链传递的动力使动平台实现三个自由度的运动，包括沿球面的两个平动自由度，和绕半径方向轴线的一个转动自由度，如附图3所示。

如附图4所示，动平台可利用原系统冗余的自由度对自身进行重构，球面四杆机构构成的动平台，各个连接杆进行一定的转动，其重构效果图可见附图4。附图5为动平台正常运动时，同时发生位置、转角和动平台变动的示意图，四个运动支链的动作，将力传递给动平台，使得动平台的位置、相邻两根连接杆的转角都发生变化。

如附图7和8所示，在动平台上安装末端执行器，该末端执行器可通过螺纹连接方式安装在动平台转动副上。末端执行器a与动平台的连接杆b通过螺纹配合形成螺旋副，与动平台的连接杆c形成移动副；动平台发生重构时，由运动支链带动动平台动作，连接杆b相对连接杆c发生相对转动，并通过螺纹啮合将运动传递到末端执行器a，而末端执行器a与连接杆c之间的移动副又限制了该末端执行器a的转动，因此末端执行器a只能沿着末端执行器a、连接杆b和连接杆c三者共同的轴线，即球面法线方向作平动。通过这个过程，将动平台的重构运动转换成末端执行器a沿球面法向的平动，由此可以避免在动平台上安装电机，从而减小机构运动部件的惯量。利用该重构能力还可以将动平台直接用作末端执行器，实现诸如抓取等操作。如附图9-12所示，直接将动平台作为末端执行器，利用该动平台夹持工件，通过四组运动支链带动动平台实现夹持工件动作的目的。

实施例二，如附图6所示，所述球面多杆机构为球面五杆机构，该球面五杆机构由五根连接杆构成，五根连接杆分别通过五个连接杆转动副首尾转动连接围合形成动平台，运动支链的数量为五条，该五条运动支链均匀分布在机座上。

以上通过一个球面四杆机构构成的动平台和球面五杆机构构成的动平台进行阐述说明，但是，上述举例并非是限定。还可以是球面六杆机构构成的动平台、球面七杆机构构成的动平台等。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。