一种平面三自由度刚体运动跟踪机构的制作方法

本发明涉及一种平面三自由度刚体运动跟踪机构，属于机构设计领域。

背景技术：

如果机构中的某个构件的运动能够跟踪该机构中另一构件的刚体运动，或者说，机构中的两个构件的位置和姿态总是保持一个固定的简单映射关系(例如平移、旋转、反射等)，那么该机构可以称作刚体运动跟踪机构。刚体运动跟踪机构可以应用于多足机器人的腿部机构，实现多足之间的步态同步或相差一个固定相位，也可用于构造医疗机器人中的多自由度远程运动中心机构。

平面刚体运动跟踪机构可以通过两个仿图仪机构的组合来构造。仿图仪机构是一种可以对图形进行简单变换(例如平移、旋转、缩放等)的绘图连杆机构。很多学者都对仿图仪机构的构造和应用进行了研究，并申请了相关专利，例如cn2013102733591和cn2006101651217。常见的仿图仪机构是sylvester五杆仿图仪机构，如图1所示，它满足如下关系：连杆ab、连杆bd、连杆de和连杆ea构成的四边形abde为平行四边形，并且△bcd相似于△edf。点c为输入点，点e为输出点，c点绘出的轨迹与e点绘出的轨迹存在如下关系：前者绕a点旋转角度∠eab并放大k＝bd/bc倍后得到后者。

仿图仪机构与刚体运动跟踪机构的区别在于：仿图仪机构用于对某一点的运动的跟踪，即机构上的两个点的位置总是保持一个固定的简单映射关系；刚体运动跟踪机构则用于对某一刚体的运动的跟踪，即机构上的两个刚体的位置和姿态总是保持一个固定的简单映射关系。由于这种特点，刚体运动跟踪机构可以用于多足机器人的腿部机构和远程运动中心机构。本发明基于旋转型仿图仪机构构造了一种平面三自由度刚体运动跟踪机构。

技术实现要素：

本发明提出一种基于仿图仪机构的平面三自由度刚体运动跟踪机构，其结构简单紧凑，具有旋转对称性，可以跟踪平面内任意的刚体运动。

一种基于仿图仪机构的平面三自由度刚体运动跟踪机构，其包括一个基座(1)和十一根连杆，相互之间的连接均采用常规的转动副，如图2和图3所示。十一根连杆分别为连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、连杆7、连杆8、连杆9、连杆10、连杆11和连杆12。其中，连杆2、连杆3、连杆4、连杆5构成了一个平行四边形，连杆5、连杆6、连杆7、连杆2也构成了一个平行四边形，且这两个平行四边形始终全等。连杆2和连杆5在各自的中点通过转动副连接，并且在该点与基座通过转动副相连；连杆8也在其中点通过转动副与基座相连；连杆9和连杆11的长度相等，且铰链所在位置也相同；连杆10和连杆12的长度相等，且铰链所在位置也对应相同。

所述的刚体运动跟踪机构中，连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、连杆7与基座一起构成一个二自由度旋转型仿图仪机构，如图4所示。该仿图仪机构的运动特点为：输入点b和输出点e的连线始终经过固定点o，并且点b和点e到点o的距离始终相等，即输入点b和输出点e始终关于固定点o对称。

所述的刚体运动跟踪机构中，连杆10的位置和姿态与连杆12的位置和姿态始终关于固定点o对称，即连杆12始终跟踪连杆10的运动。本发明机构中的连杆10或连杆12可以做任意的平面运动。

若在连杆10的末端点i增加一个转动副来连接基座，则连杆10将绕i作旋转运动，而连杆12也相应地绕固定点l转动，相位角相差180度，此时该机构是一个远程运动中心机构；若连杆10做平移运动，则连杆12也沿相反方向做平移运动。即：连杆10与连杆12的运动始终关于固定点o对称。

由于这种刚体运动跟踪机构具有关于固定铰支点o的对称性，可以实现机构的静力平衡。

附图说明

图1是sylvester仿图仪机构的示意图。

图2是本发明三自由度刚体运动跟踪机构。

图3是本发明三自由度刚体运动跟踪机构的另一状态。

图4是本发明三自由度刚体运动跟踪机构中包含的二自由度仿图仪机构。

1-基座，2-连杆2，3-连杆3，4-连杆4，5-连杆5，6-连杆6，7-连杆7，8-连杆8，9-连杆9，10-连杆10，11-连杆11，12-连杆12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图2和图3所示，本发明是一种平面三自由度刚体运动跟踪机构，包括一个基座和十一根连杆，十一根连杆分别为连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、连杆7、连杆8、连杆9、连杆10、连杆11和连杆12。在这个刚体运动跟踪机构中，连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、连杆7与基座一起构成一个二自由度旋转型仿图仪机构，如图4所示。其输入点为b，输出点为e。连杆2和连杆5在各自的中点通过转动副连接，并且在该点与基座通过转动副相连(即o点)，其它连杆之间也采用常规的转动副相连。仿图仪机构中各杆件满足如下关系：ab∥cd∥fe，bc∥af∥de。因此这六根连杆构成了平行四边形abco和平行四边形odef。该仿图仪机构的运动特点为：输入点b和输出点e的连线始终经过固定点o，并且点b和点e到点o的距离始终相等，即输入点b和输出点e始终关于固定点o对称。因此，输入点b所绘制的图形绕点o旋转180度后就得到点e绘制的图形。

本发明在上述仿图仪机构的基础上增加连杆8、连杆9、连杆10、连杆11和连杆12及若干转动副。连杆8在其中点通过转动副与基座相连。连杆9、连杆10、连杆11和连杆12还满足如下关系：gh＝jk，hb＝ke，bi＝el。因此，连杆10的末端点i与连杆12的末端点l始终关于固定点o对称，连杆10的位置和姿态与连杆12的位置和姿态也始终关于固定点o对称，即连杆12始终跟踪连杆10的运动。本发明机构中的连杆10或连杆12可以做任意的平面运动。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种平面三自由度刚体运动跟踪机构，该机构包括一个基座和十一根连杆，其中六根连杆与基座构成了一个二自由度旋转型仿图仪机构，而各连杆之间以及基座和连杆之间均采用常规的转动副连接。刚体运动跟踪机构整体关于基座上的铰支点O对称，连杆10的位置和姿态与连杆12的位置和姿态也始终关于铰支点O对称。本发明结构简单且对称性好，可以用于构造多足机器人的腿部机构或医疗机器人中的多自由度远程运动中心机构。

技术研发人员：黄龙;尹来容;张鹏;李旭宇;田磊
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2017.11.20
技术公布日：2018.03.06