CN112338902A - 一种四自由度解耦并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度解耦并联机构，本机构由三个支链组成，每个支链包括两个移动副和两个转动副共四个运动副，动平台可以有两平动和两转动四个自由度。机构结构的耦合度为0，即具有结构解耦特性，可以容易地计算机构的解析正解，从而有利于进行机构的工作空间分析及动力学分析等；机构动平台运动旋量的每一个分量的值都是只由一个驱动副决定，即具有运动学解耦特性，该特性有利于降低运动控制的难度和提高机构的控制精度。本发明具有机构分析和控制难度均较低、工作空间大，刚度高、装配容易的优点。可以用于分拣、装配、喷涂、加工和3D打印等场合。

Description

一种四自由度解耦并联机构

技术领域

本发明涉及并联机构，特别涉及一种可以实现两移动和两转动的四自由度并联机构。

背景技术

并联机构具有结构紧凑、刚度高、承载力强、累积误差小等优点，但是结构一般耦合度高,很难得到机构的正解，同时运动耦合也高，运动控制复杂。

现有的大多数四自由度并联机构不能同时兼具运动解耦及结构解耦两种特性。专利申请号201510387578.1提出两移动两转动完全解耦机构，实现了运动解耦，但是该结构的耦合度较高，求正解的难度较大。并且要求8个转动副的轴线汇交于一点，装配难度较大。专利申请号201610141778.3提出一种三平移一转动并联机械手，具有较低的结构耦合度，但是没有实现完全结构解耦及运动解耦。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种兼具结构解耦及运动解耦的特点，具有机构分析和控制难度均较低、工作空间大，刚度高、装配容易的四自由度并联机构。

本发明的一种四自由度解耦并联机构，包括三个静平台、第一支链、第二支链、第三支链和动平台，所述的三个静平台均固定，所述第一支链、第二支链和第三支链均包括U形连杆和一端内部开有静平台滑槽的L形连杆，所述的L形连杆的另一端的中间与连接杆的一端固定相连，在所述的U形连杆的下翼缘板的内部开有连接杆滑槽，在所述的L形连杆的静平台滑槽内滑动连接有静平台的一侧杆段，所述的静平台与静平台滑槽组成第一移动副，所述的连接杆的另一端插入U形连杆的连接杆滑槽内组成第二移动副使得L形连杆与U形连杆滑动连接，所述的第一移动副的滑动方向与第二移动副的滑动方向彼此垂直；

在所述的动平台的底壁上左右间隔连接有左支座和右支座，所述的左支座和右支座均包括左右间隔设置的支撑板，每一个支撑板的顶壁与动平台的底壁固定相连，一根方头圆柱连杆的方头端设置在右支座左右支撑板之间，一根带孔圆柱杆的上端设置在左支座的左右支撑板之间，一根转轴的左侧穿过左支座的左右支撑板以及带孔圆柱杆的上端且转轴的右侧穿过右支座的左右支撑板以及方头圆柱连杆的方头端，在所述的转轴的左右两端连接有螺母，所述的带孔圆柱杆与转轴转动相连形成第一转动副，所述的方头圆柱连杆与转轴转动相连形成第二转动副；

所述的方头圆柱连杆的下侧与第一支链的U形连杆的上翼缘板之间通过第三转动副连接，所述的带孔圆柱杆的下部与一个圆柱连杆的上端通过第六转动副同轴线转动连接，所述的圆柱连杆的下端从上至下依次与第三支链的上翼缘板以及第二支链的上翼缘板之间分别通过第五转动副、第四转动副转动相连，所述的第三转动副的转动轴线与第二转动副的转动轴线互相垂直；

各个支链的第一移动副和第二移动副所在的平面均与水平面平行，第三支链上的第一移动副的移动方向与第二支链上的第一移动副的移动方向互相垂直，第一转动副的转动轴线与第六转动副的转动轴线互相垂直。

本发明具有以下优点：

本发明具有两平动两转动四个自由度，根据方位特征集理论，把机构拓扑结构分解成若干个单开链，根据机构的自由度与运动副自由度数(不包括局部自由度)、驱动副数及可以列出的有序单开链独立位移方程数之间的关系，进一步分析机构结构的耦合度为0，因此本发明具有结构解耦特性，可以容易地计算机构的解析正解，从而有利于进行机构的工作空间分析及动力学分析等；根据旋量理论，在静平台到动平台的任一分支内，如果某个驱动关节旋量的某一分量不为零，其他关节旋量的对应分量均为零；在所有的驱动关节旋量中，如果某个驱动旋量的某一分量不为零，其他驱动关节旋量的对应分量均为零。因此机构动平台运动旋量的每一个分量都是只由一个驱动关节决定，具有运动学解耦特性，该特性有利于降低运动控制的难度和提高机构的控制精度。本发明可以通过在动平台末端再串联一个具有一个移动自由度的小型机构，该移动自由度垂直于并联机构的两平动方向，构成三移动两转动串并联混合机构，用于分拣、装配、喷涂、加工和3D打印等场合。

附图说明

图1为本发明的一种四自由度并联机构的结构示意图；

图2是图1所示的结构中的第一支链的立体结构简图；

图3为图1所示的结构中的L型连杆简图；

图4为图1所示的结构中的与左支座转动连接的带孔圆柱杆简图；

图5为与图4所示的结构中带孔圆柱杆转动连接的圆柱杆简图；

图6为图1所示的结构中的动平台简图。

具体实施方式

以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图所示，本发明的一种四自由度并联机构，包括三个静平台1、第一支链2、第二支链3、第三支链4和动平台6，所述的三个静平台1均固定。

所述第一支链2、第二支链3和第三支链4均包括U形连杆10和一端内部开有静平台滑槽的L形连杆8，所述的L形连杆8的另一端的中间与连接杆的一端固定相连，在所述的U形连杆的下翼缘板的内部开有连接杆滑槽。在所述的L形连杆8的静平台滑槽内滑动连接有静平台1的一侧杆段，所述的静平台1与静平台滑槽组成第一移动副7，所述的连接杆的另一端插入U形连杆10的连接杆滑槽内组成第二移动副9使得L形连杆8与U形连杆10滑动连接。所述的第一移动副7的滑动方向a与第二移动副9的滑动方向b彼此垂直。

在所述的动平台6的底壁上左右间隔连接有左支座14和右支座13，所述的左支座14和右支座13均包括左右间隔设置的支撑板，每一个支撑板的顶壁与动平台6的底壁固定相连，一根方头圆柱连杆12的方头端设置在右支座13的左右支撑板之间，一根带孔圆柱杆5的上端设置在左支座14的左右支撑板之间，一根转轴的左侧穿过左支座14的左右支撑板以及带孔圆柱杆5的上端且转轴的右侧穿过右支座13的左右支撑板以及方头圆柱连杆12的方头端，在所述的转轴的左右两端连接有螺母，所述的带孔圆柱杆5与转轴转动相连形成第一转动副，所述的方头圆柱连杆12与转轴转动相连形成第二转动副。

所述的方头圆柱连杆12的下侧与第一支链2的U形连杆的上翼缘板之间通过第三转动副11连接，所述的带孔圆柱杆5的下部与一个圆柱连杆15的上端通过第六转动副18同轴线转动连接，作为本发明的一种实施方式，第六转动副18的结构可以包括开在所述的带孔圆柱杆5的底壁中间的轴承安装孔，在所述的轴承安装孔中安装有轴承，所述的圆柱连杆15的上端与轴承内圈固定相连。

所述的圆柱连杆15的下端从上至下依次与第三支链4的上翼缘板以及第二支链3的上翼缘板之间分别通过第五转动副、第四转动副转动相连。

作为本发明的一种实施方式，所述的第三转动副11、第四转动副以及第五转动副为轴承结构，所述的轴承结构包括分别开在第一支链2的U形连杆的上翼缘板的端部、第二支链3的U形连杆的上翼缘板的端部以及第三支链4的U形连杆的上翼缘板的端部的轴承安装孔，在所述的轴承安装孔内安装有轴承，所述的方头圆柱连杆12的下侧穿过第一支链2上的轴承内圈，所述的圆柱连杆15从上至下依次穿过第三支链4上的轴承内圈以及第二支链3上的轴承内圈，所述的圆柱连杆与第二支链3的U形连杆以及第三支链4的U形连杆分别通过第四转动副16和第五转动副17相连。

所述的第三转动副11的转动轴线c与第二转动副13的转动轴线d互相垂直。

各个支链的第一移动副7和第二移动副9所在的平面均与水平面平行，第三支链4上的第一移动副7的移动方向g与第二支链3上的第一移动副7的移动方向e互相垂直。第一转动副的转动轴线d与第六转动副18的转动轴线f互相垂直。

驱动副为第二转动副13、第二支链3上的第一移动动副7、第三支链4上的第一移动动副7和第六转动副18。通过驱动转轴带动动平台6转动实现第二转动副13转动，通过驱动L形连杆8使得第二支链3上的连杆8沿e方向移动实现第二支链3上的第一移动副7的移动，通过驱动L形连杆8使得第三支链4上的连杆8沿g方向移动实现第三支链4上的第一移动副7的移动。第六转动副18通过驱动圆柱连杆15旋转带动带孔圆柱杆5一起绕f轴转动实现第六转动副18转动。

(1)讨论该并联机构的结构解耦性：

根据方位特征集理论，

其中

Δ_j--BKC中的第j个单开链SOC_j的约束度

f_i--第i个运动副的自由度

m_j--第j个soc_j的运动副数 I_j--第j个soc_j的驱动副数

--第j个独立回路的独立位移方程数

基本运动链BKC的耦合度定义为:

式中，min{·}指BKC分解为v个SOC(Δ_j)时，可有多种分解方案，应取

为最小者的SOC分配方案。

本发明的第一个单开链由第二支链3的两个移动副和第三支链4的两个移动副构成，SOC₁{-T⊥T⊥T⊥T}，具有四个移动关节，

其中包含两个驱动副分别是第二支链3的第一移动副7和第三支链4的第一移动副7，I₁＝2，产生两个移动位移，第一个单开链可得到两个关于移动位移方程，

因此第一个单开链的约束度Δ₁＝0，第二支链3的第二移动副9和第三支链4的第二移动副9两个移动关节可解。

同理第二个单开链由第六转动副18、第一转动副14、第二转动副13、第三转动副11以及第一支链2的两个移动副构成，SOC₂{-R⊥R|R⊥R⊥T⊥T}，

驱动副圆柱连杆15旋转角度和第二转动副13旋转角度已知，I₂＝2，第三转动副11旋转角度由圆柱连杆15旋转角度决定，第一转动副旋转角度和第二转动副旋转角度相同，两个移动副由第一个单开链中的两个驱动移动副决定，

因此第二个单开链的约束度Δ₂＝0，所有关节可解。综上所述，该并联机构，当驱动副分别为第二转动副13、第六转动副18、第二支链3的第一移动副7、第三支链4的第一移动副7，本发明的耦合度k为零，所有被动关节均可求解，可得到并联机构的解析正解。

(2)讨论该并联机构的运动解耦性：

根据螺旋理论：四个驱动副分别为第二支链3的第一移动副7、第三支链4的第一移动副7、第二转动副13和第六转动副18。

设坐标原点在第二转动副13轴线d和第六转动副18轴线f的交点上，x轴与第二支链3的第一移动副7的移动方向e平行，y轴与第三支链4的第一移动副7的移动方向g平行。

动平台运动旋量

$_P＝(α β γ x y z)^T

驱动副转动角度

θ＝(θ₁ θ₁ θ₃ θ₄ 0 0)^T

其中

α、β中一个是另一个的从属运动

i代表第一、二、三支链；$_1,i $_2,i $_3,i $_4,i分别为第i支链各关节的运动旋量，

分别代表第i支链各关节的运动速度

其中：

$_a,i ^T为支链i对动平台提供的单位驱动力旋量，i＝1，2，3

$_a,2＝[0 0 1 0 0 0]

$_a,3＝[0 0 0 1 0 0]

$_a,4＝[0 0 0 0 1 0]

J_c＝[$_c,1 ^T $_c,2 ^T],为支链i对动平台提供的单位约束旋量力旋量

$_c,1 ^T＝[0 0 0 0 0 1]

式(1)两边同乘J_x整理得

其中J_θ＝J_x($_1,i $_2,i $_3,i $_4,i 0 0)

式(2)两边同乘J_x ^-1得

其中J＝J_x ^-1J_θ

说明动平台的一个运动输出分量仅由一个驱动输入决定，从而实现运动解耦。

本装置可以实现两转动和两平动，两转动分别是沿第二转动副13的转动轴线d和第六转动副18的转动轴线f。两平动分别是沿第二支链的第一移动副7的移动方向e和第三支链的第一移动副7的移动方向g。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (1)

1.一种四自由度解耦并联机构，包括三个静平台(1)、第一支链(2)、第二支链(3)、第三支链(4)和动平台(6)，所述的三个静平台均固定，其特征在于：

所述第一支链、第二支链和第三支链均包括U形连杆(10)和一端内部开有静平台滑槽的L形连杆(8)，所述的L形连杆的另一端的中间与连接杆的一端固定相连，在所述的U形连杆的下翼缘板的内部开有连接杆滑槽，在所述的L形连杆的静平台滑槽内滑动连接有静平台的一侧杆段，所述的静平台与静平台滑槽组成第一移动副(7)，所述的连接杆的另一端插入U形连杆(10)的连接杆滑槽内组成第二移动副(9)使得L形连杆与U形连杆滑动连接，所述的第一移动副的滑动方向与第二移动副的滑动方向彼此垂直；

在所述的动平台的底壁上左右间隔连接有左支座(14)和右支座(13)，所述的左支座和右支座均包括左右间隔设置的支撑板，每一个支撑板的顶壁与动平台的底壁固定相连，一根方头圆柱连杆(12)的方头端设置在右支座左右支撑板之间，一根带孔圆柱杆(5)的上端设置在左支座的左右支撑板之间，一根转轴的左侧穿过左支座的左右支撑板以及带孔圆柱杆的上端且转轴的右侧穿过右支座的左右支撑板以及方头圆柱连杆的方头端，在所述的转轴的左右两端连接有螺母，所述的带孔圆柱杆与转轴转动相连形成第一转动副，所述的方头圆柱连杆与转轴转动相连形成第二转动副；

所述的方头圆柱连杆的下侧与第一支链的U形连杆的上翼缘板之间通过第三转动副(11)连接，所述的带孔圆柱杆的下部与一个圆柱连杆的上端通过第六转动副(18)同轴线转动连接，所述的圆柱连杆的下端从上至下依次与第三支链的上翼缘板以及第二支链的上翼缘板之间分别通过第五转动副、第四转动副转动相连，所述的第三转动副的转动轴线与第二转动副的转动轴线互相垂直；

各个支链的第一移动副和第二移动副所在的平面均与水平面平行，第三支链上的第一移动副的移动方向与第二支链上的第一移动副的移动方向互相垂直，第一转动副的转动轴线与第六转动副的转动轴线互相垂直。

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