一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构

本发明属于并联机器人机构领域，具体涉及一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构。

背景技术：

并联机构是由动平台、定平台以及联接两平台的若干条支链组成(支链数≥2)。相对于串联机构，并联机构具有承载能力强、精度高、刚度大、速度响应快和自重负荷比小等优点。并联机构在工业机器人、并联机床、医疗机器人、微操作机器人、飞行模拟器等领域具有广阔应用前景。

并联机构的发明与发展同人类的生产、生活息息相关,它促进着生产力的发展、生产工具的改进和人类生活水平的不断提高。从三国时期诸葛亮的“木牛流马”到捷克作家查培克笔下强壮的“robot”，无不体现着人类对新技术、新机构的幻想与渴望。并联机构的出现，使得机器人的研究、机床的研究出现了新的热点，弥补了串联机构的不足。由于并联机构结构刚度好、承载能力大、位置精度高等优点，吸引了国内外工程界与学术界的广泛关注，几十年来，人们对并联机构的研究如火如荼,不断致力于新型并联机构的研发。

为此公开号cn12962835a的中国专利公开了无伴随运动的对称两转一移并联机构，其有定、动两平台和连接这两平台的三条结构完全相同的活动分支，上述三条活动分支均由定平台移动副、下侧转动副、中间转动副、上侧转动副、动平台移动副以及连接它们的连杆构成，其中上侧转动副与下侧转动副的轴线交于空间一点，且该点为分支中心点，上述三条活动分支的分支中心点构成了一个中间平面，上述定动两平台为全等的三角形，且关于该中间平面对称，每个分支中的上侧转动副与下侧转动副也关于该中间平面对称。本发明采用对称的结构，且可以实现绕中间对称平面内的任意一条轴线或任意一点的连续转动，能有效地避免产生水平方向的伴随运动，给机构的运动控制带来很大方便。

上述现有技术通过采用对称结构即三条结构完全相同的活动分支实现中间对称平面内的任意一条轴线或任意一点的连续转动，能有效地避免动平台产生伴随运动，给机构的运动控制带来很大方便。但是，若机构用于三维测量和切削加工等装置，当只需要动平台沿竖直方向做一维移动且通过两维转动确定动平台空间姿态时，上述现有技术的实现就比较困难，且操作比较复杂。为此，需要一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构，使得动平台实现沿z轴的一维移动和绕x,y轴的两维转动时，机构运动控制更为简便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构，使得动平台沿竖直(z轴)方向实现一维移动，并通过两维转动(绕x和y轴旋转)调整空间姿态时，机构的运动控制更为简便。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构，包括定平台、动平台和三条支链，所述三条支链分别为第一支链、第二支链以及第三支链，所述第一支链和所述第三支链结构相同，都由第一移动副、第一转动副和第一虎克铰通过连杆依次连接而成，第一移动副通过连杆与定平台连接，且与定平台垂直；第一转动副通过连杆与第一移动副连接，且上述第一转动副轴线平行于y轴，垂直于上述连杆；第一虎克铰通过连杆与上述第一转动副连接，且与动平台连接；所述第二支链由第二移动副，第二转动副、第二虎克铰和第三转动副通过连杆依次连接而成，第二移动副与定平台连接，且与定平台垂直；第二转动副通过连杆与第二移动副连接，且上述第二转动副轴线平行于x轴，垂直于上述连杆；第二虎克铰通过连杆与上述第二转动副连接；第三转动副通过连杆与上述第二虎克铰连接，且与动平台连接。

本方案的技术原理是：第一移动副的设置实现了第一支链和第三支链沿z轴上下移动，第一转动副用于实现第一支链和第三支链的转动，第一虎克铰可以等效为两个轴线垂直相交于动平台与第一虎克铰连接处的转动副，其中一个转动副与连杆相连，且该转动副与第一转动福轴线均平行于y轴，另外一个转动副与动平台相连，且该转动副轴线平行于x轴，由上可使得第一支链和第三支链恒共面且位于oxz面内，即点o正上方的对应动平台上的点恒位于oxz面内。

第二移动副的设置实现了第二支链沿z轴上下移动，第二转动副轴线平行于x轴，实现了第二支链的转动，第二虎克铰可以等效为两个轴线垂直相交于连杆与第一虎克铰连接处的转动副，其中一个转动副轴线平行于x轴，另外一个转动副与第三转动副轴线汇交于o点正上方的动平台上，由上可使得点o正上方的对应动平台上的点恒位于oyz面内。

本方案的技术效果是：

1.第一支链和第三支链构成平面6杆运动链，具有两移动一转动自由度：沿x,z轴方向的移动和绕y轴的转动；又因第一支链上的第一虎克铰等效的两个轴线垂直相交于动平台与第一虎克铰连接处的转动副中的其中一个和第三支链上的第一虎克铰等效的两个轴线垂直相交于动平台与第一虎克铰连接处的转动副中的其中一个，两者具有共同轴线(x轴)，因此动平台可绕x轴转动。第二支链具有两移动(沿y,z轴方向)和三转动自由度。

因机构动平台的输出运动为各支链输出运动的交集，故动平台的输出运动为沿z轴(垂直于定平台)的移动和绕y,x轴的转动，即机构具有一移动两转动自由度，即使得动平台实现沿z轴的一维移动和绕x,y轴的两维转动时，机构运动控制更为简便。

2.由机构结构分析可知，点o正上方的对应动平台上的点恒位于oxz面和oyz面的交线z轴上。因此，动平台参考点点o正上方的对应动平台上的点只能沿z轴方向移动，无x和y方向的非独立移动(即无伴随移动)，该突出特征将为机构运动控制带来极大方便。

进一步的，所述定平台和所述动平台均为等腰三角形。

附图说明

图1为本发明实施例一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

实施例一基本如附图1所示：一种无伴随运动的面对称一移动两转动并联机构包括定平台、动平台和3条支链。本实施例中定平台为等腰△b1b2b3，其底边b1b3的中点为o，ob2为底边b1b3上的高；动平台为等腰△a1a2′a3，其底边a1a3的中点为p，pa2′为底边a1a3上的高。第一移动副和第二移动副的结构相同，第一转动副、第二转动副和第三转动副的结构相同，第一虎克铰和第二虎克铰的结构相同，故使用p代表移动副，r代表转动副，u代表虎克铰。为对支链进行区分对其进行下标，下标的第一个数字表示支链序号。p1,p2和p3副为驱动副，r1,r2和r3副为转动副，u1,u2和u3副为虎克铰。各支链中，ui副(i＝1,2,3)均等效为轴线垂直相交的两个串联转动副ri1和ri2。相应驱动位移为分别为q1,q2和q3，即该机构为线性外副驱动并联机构。在定、动平台上分别建立如图所示定坐标系oxyz和动坐标系pxyz。该机构为关于平面oyz对称的并联机构。

第一支链和第三支链结构相同，为{-pi-ri-ui-}链(i＝1,3)，ri和ui副的中心分别为点ci和ai；支链2为{-p2-r20-u2-r23-}链，r20,u2和r23副的中心分别为点c2,a2和a2′。u1,u3和r23副与动平台平面a1a2′a3相联接；p1,p2和p3副与定平台平面b1b2b3相联接。

第一支链中，u1副可等效为两轴线垂直相交于点a1的r11和r12副，且r11和r12副分别与连杆c1a1和动平台相联接；r11和r1副轴线均平行于y轴，且垂直于连杆c1a1；p1副导轨分别与r1副轴线和定平台平面b1b2b3垂直相交于点c1和b1。支链3中，u3副可等效为两轴线垂直相交于点a3的r31和r32副。因支链1和支链3结构相同，故支链3结构描述从略。r12和r32副共轴线且位于动平台平面a1a2′a3内，其轴线为a1a3(即x轴)。由此可知，r1,r11,r3和r31副轴线互相平行(均平行于y轴)，即支链1和支链3恒共面且位于oxz面内，显然点p恒位于oxz面内。

第二支链中，u2副可等效为两轴线垂直相交于点a2的r21和r22副，且r21和r22副分别与连杆c2a2和a2a2′相联接；r22和r23副轴线汇交于动平台上的点p；r21和r20副轴线平行于x轴，且垂直于连杆c2a2；p2副导轨分别与r20副轴线和定平台平面b1b2b3垂直相交于点c2和b2。由此可知，连杆c2a2和r22副轴线恒位于oyz面内，显然点p也恒位于oyz面内。

实施例二

实施例二与实施例一不同之处在于：所述第一转动副包括主轴和副轴，所述主轴与副轴之间开设有环形凹槽，所述环形凹槽上设有温度传感器，所述环形凹槽左右两侧上开设有通孔，温度传感器通过左侧通孔与单片机电连接，单片机固定连接与主轴的外壁上，所述单片机又与风扇电连接，所述风扇的出风处固定于右侧通孔的正上方，同时连杆上还设有压力传感器。

并联机构在进行重物的承载时，主轴与副轴之间会受到一个驱动力的作用，又因为主轴与副轴之间的摩擦力是与驱动力成正比的，两者之间的摩擦力越大其两者之间的温度也就越高，温度达到某个临界值时就会导致整个转动副使用寿命缩短。

在主轴和副轴之间开设环形凹槽，环形凹槽内固定连接有温度传感器，温度传感器与单片机电连接，单片机与风扇电连接，单片机比较大，不好固定在环形凹槽内，故通过在环形凹槽的左右两侧开设通孔，左侧通孔用于温度传感器与单片机之间的导线的铺设，为了达到更好的散热效果，将风扇的出风口固定连接在右侧通孔的正上方。同时为了避免整个机构承载的物体过重造成转动副的力矩增大，使得转动副的使用寿命缩短，在连杆上固定连接有压力传感器，来检测压力的大小。

具体的散热逻辑：温度传感器对主轴与副轴之间的温度进行采集，当温度达到预设最小阈值时，单片机会控制风扇进行间隔式的规定时长的散热作业，如每5分钟进行一次长达2分钟的散热工作；在温度上升的预设最小阈值就对其进行间隔式的规定时长的散热可以确保转动副的工作是处于最佳的工作状态，延长转动副的使用寿命。

当温度达到预设最大阈值时，转动副会停止作业，同时单片机会控制风扇进行预设时长的散热工作，在完成散热工作后，再一次进行温度采集，若温度小于预设最小阈值时，则转动副会重新进行作业，若温度大于预设最小阈值，则单片机又会控制风扇再进行一次预设时长的散热工作。在温度达到预设最大阈值时说明转动副的工作已经达到极限，为了确保转动副不会报废，通过停止转动副的作业，并对转动副进行散热，为了保证下一次作业时能够正常工作，需要把温度降到预设最小阈值之下才可，所以通过前后多次的温度检测，确保温度小于预设最小阈值，在未小于预设最小阈值时，通过风扇进行预设时长的散热工作，避免出现再一次运行时转动副报废，使用寿命缩短的问题。同时在温度大于预设最小阈值时，通过增加驱动力的力矩来减少摩擦力的大小，即给予驱动力的驱动电机上足够多的动力，使得驱动力增大。

本实施例中温度传感器为pt100热敏电阻，单片机为stc89c52单片机，压力传感器为简易硅压阻式压力传感器pc24。

通过这一系列的操作即对承载物体的检测、对转动副的转动产生的温度的检测以及散热的过程和增加力矩的过程，使得整个转动副的使用寿命更长，转动的更加流畅，同时也使得整个机构的使用更加的流畅以及使用的周期更长。

以上仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域。方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力；所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，均不影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。