无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构

摘要

本发明涉及一种无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台，以及并行连接在定、动两平台间的三条结构完全相同的活动分支，其特征是：所有活动分支分别由一个三自由度平面子链和两个转动副构成，三自由度平面子链中的转动副的轴线相互平行、移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直，三自由度平面子链中的转动副的轴线分别与定平台或动平台平行布置。其优点是：该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度，其活动分支中以及各分支之间都没有任何汇交的轴线，结构非常简单，加工制造比较方便，具有很广阔的应用前景。

权利要求

1.一种无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构，包括定平台、动平台，以及并行连接在定、动两平台间的三条结构完全相同的活动分支，其特征是：所有活动分支分别由两个转动副和一个三自由度平面子链构成；三自由度平面子链的三个运动副，其中一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，且三自由度平面子链中转动副的轴线相互平行，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直，三自由度平面子链中的转动副的轴线分别与定平台或动平台平行布置，每个活动分支中的三自由平面子链和两个转动副与定、动两平台间的连接方式是以下四种之一：第一种连接方式：每个活动分支中的三自由度平面子链与定平台连接，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与定平台平行布置，活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，另一个是位于三自由度平面子链与动平台转动副之间的中间转动副，该中间转动副的轴线与动平台转动副的轴线互不平行，而且该中间转动副的轴线与三自由度平面子链中的转动副的轴线也互不平行；

第二种连接方式：每个活动分支中的三自由度平面子链与动平台连接，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与动平台平行布置，活动分支中的两个转动副，其中一个是与定平台相连接的定平台转动副，另一个是位于定平台转动副和三自由度平面子链之间的中间转动副，该中间转动副的轴线与定平台转动副的轴线互不平行，而且该中间转动副的轴线与三自由度平面子链中的转动副的轴线也互不平行；

第三种连接方式：每个活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，另一个是与定平台相连的定平台转动副，该定平台转动副的轴线与定平台垂直布置，三自由度平面子链位于上述两个转动副之间，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与定平台转动副的轴线相互垂直，与动平台转动副的轴线互不平行；

第四种连接方式：每个活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，该动平台转动副的轴线与动平台垂直布置；另一个是与定平台相连的定平台转动副，三自由度平面子链位于上述两个转动副之间，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与动平台转动副的轴线相互垂直，与定平台转动副的轴线互不平行。

2.根据权利要求1所述的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构，其特征是：所述活动分支中，当相邻的两个转动副的轴线相互垂直时，该两个转动副能够被一个万向铰链替换；当相邻的一个移动副的移动中心线和一个转动副的轴线相互平行时，该移动副和转动副能够被一个圆柱副替换。

说明书

无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械领域的并联机构，特别涉及一种空间少自由度的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构。

背景技术

[0002] 并联机器人与串联机器人相比，具有刚度大、运动速度快、精度高等优点，在机械工业领域具有广泛的应用。Hunt在1983年提出了一种3-RPS三自由度并联机构，具有两个转动自由度和一个垂直于定平台的移动自由度（K.H. Hunt, Structural Kinematics of In-Parallel-Actuated Robot-Arms, Journal of Mechanisms Transmissions and Automation in Design, 105 (1983) 705-705），这种机构后来得到了广泛的关注和应用。与3-RPS具有类似运动性质的3-PRS三自由度并联机构已经成功应用于机床主轴。但传统的分支结构中或者含有球面副，或者含有多个空间汇交于一点的转动副。这样的分支结构为实际的加工制造带来很大的困难，难以保证精度。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的不足，提供一种加工制造比较方便，且容易保证加工精度的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构。

[0004] 本发明包括定平台、动平台，以及并行连接在定、动两平台间的三条结构完全相同的活动分支，所有活动分支分别由两个转动副和一个三自由度平面子链构成。

[0005] 所述三自由度平面子链是指由三个运动副通过连接杆件相互连接组合在一起，运动副相互之间只发生平面运动的运动链。例如：可以由三个相互平行的转动副构成（表述为RRR），也可以由转动副和移动副共同构成。

[0006] 本发明的三自由度平面子链的三个运动副，其中一个运动副为转动副，另外两个运动副分别为转动副或移动副，且转动副的轴线相互平行，移动副的移动中心线与转动副的轴线相互垂直。

[0007] 三自由度平面子链有以下7种组合形式：RRR、RPR、RRP、PRR、RPP、PRP、PPR，R代表转动副，P代表移动副。

[0008] 每个活动分支中的三自由度平面子链和两个转动副与定、动两平台间有以下四种连接方式：

[0009] 第一种连接方式：每个活动分支中的三自由度平面子链与定平台连接，该平面子链中的转动副的轴线与定平台平行布置。活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，另一个是位于三自由度平面子链与动平台转动副之间的中间转动副。上述动平台转动副的轴线可以与动平台倾斜、垂直或平行，中间转动副的轴线与动平台转动副的轴线互不平行，而且该中间转动副的轴线与三自由度平面子链中的转动副的轴线也互不平行。

[0010] 第二种连接方式：每个活动分支中的三自由度平面子链与动平台连接，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与动平台平行布置。活动分支中的两个转动副，其中一个是与定平台相连的定平台转动副，该定平台转动副可以与定平台倾斜、垂直或平行；另一个转动副是位于定平台转动副和三自由度平面子链之间的中间转动副，该中间转动副的轴线与定平台转动副的轴线互不平行，而且该中间转动副的轴线与三自由度平面子链中的转动副的轴线也互不平行。

[0011] 第三种连接方式：每个活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，该动平台转动副的轴线可以与动平台平行、倾斜或垂直布置；另一个是与定平台相连的定平台转动副，该定平台转动副的轴线与定平台垂直布置，三自由度平面子链位于上述两个转动副之间，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与定平台转动副的轴线相互垂直，与动平台转动副的轴线互不平行；

[0012] 第四种连接方式：每个活动分支中的两个转动副，其中一个是与动平台相连接的动平台转动副，该动平台转动副的轴线与动平台垂直布置；另一个是与定平台相连的定平台转动副，该定平台转动副的轴线可以与定平台平行、倾斜或垂直布置，三自由度平面子链位于上述两个转动副之间，该三自由度平面子链中的转动副的轴线与动平台转动副的轴线相互垂直，与定平台转动副的轴线互不平行。

[0013] 上述四种连接方式中，活动分支中相邻的两个转动副的轴线相互垂直时能够被一个万向铰链替换，相邻的一个移动副的移动中心线和一个转动副的轴线相互平行时能够被一个圆柱副替换。

[0014] 本发明与现有技术相比具有突出的优点：机构中无任何汇交的轴线，活动分支结构非常简单，加工制造比较方便，且容易保证加工精度，具有很广阔的应用前景。

[0015] 附图说明：

[0016] 图1是本发明实施例1的立体示意图；

[0017] 图2是本发明实施例2的立体示意图；

[0018] 图3是本发明实施例3的立体示意图；

[0019] 图4是本发明实施例4的立体示意图；

[0020] 图5是本发明实施例5的立体示意图；

[0021] 图6是本发明实施例6的立体示意图；

[0022] 图7是本发明实施例7的立体示意图；

[0023] 图8是本发明实施例8的立体示意图；

[0024] 图9是本发明实施例9的立体示意图；

[0025] 图10是本发明实施例10的立体示意图；

[0026] 图11是本发明实施例11的立体示意图；

[0027] 图12是本发明实施例12的立体示意图；

[0028] 图13是本发明实施例13的立体示意图。

[0029] 具体实施方式：

[0030] 实施例1：在图1所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、转动副R3构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，并且其轴线与定平台平行布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0031] 实施例2：在图2所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、转动副R3构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，并且其轴线与定平台平行布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台倾斜布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0032] 实施例3：在图3所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R1、转动副R2 、转动副R3构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，并且其轴线与定平台平行布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台平行布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0033] 实施例4：在图4所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、转动副R2 、转动副R3构成，转动副R2的轴线与移动副P1的移动中心线相互垂直，转动副R3的轴线与转动副R2的轴线相互平行，移动副P1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与定平台平行布置，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0034] 实施例5：在图5所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、移动副P2 、转动副R3构成，移动副P2与转动副R1的轴线相互垂直，转动副R3的轴线与转动副R1的轴线平行，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1的轴线与定平台平行布置，移动副P2连接连杆2和连杆3，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0035] 实施例6：在图6所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、转动副R2 、移动副P3构成，转动副R2的轴线与转动副R1的轴线相互平行，移动副P3与转动副R2的轴线相互垂直，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1的轴线与定平台平行布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台6垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0036] 实施例7：在图7所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由转动副R1、移动副P2、移动副P3构成，移动副P2与转动副R1的轴线相互垂直，移动副P3与转动副R1的轴线相互垂直，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1的轴线与定平台平行布置，移动副P2连接连杆2和连杆3，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0037] 实施例8：在图8所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、转动副R2 、移动副P3构成，转动副R2的轴线与移动副P1相互垂直，移动副P3的移动中心线与转动副R2的轴线相互垂直，移动副P1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与定平台平行布置，移动副P3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台平行布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0038] 实施例9：在图9所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R4、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由移动副P1、移动副P2、转动副R3构成，移动副P1的移动中心线与转动副R3的轴线相互垂直，移动副P2的移动中心线与转动副R3的轴线相互垂直，移动副P1连接定平台1和连杆2，移动副P2连接连杆2和连杆3，转动副R3连接连杆3和连杆4，该转动副R3的轴线与定平台平行布置，转动副R4连接连杆4和连杆5，该转动副R4的轴线与转动副R3的轴线不相互平行，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台垂直布置，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0039] 实施例10：在图10所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R1、R2和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R3、转动副R4 、转动副R5构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，并且转动副R1的轴线与定平台垂直布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，转动副R3连接连杆3和连杆4，该转动副R3的轴线与转动副R2的轴线不相互平行，转动副R4连接连杆4和连杆5，转动副R5连接连杆5和动平台6，并且转动副R5的轴线与动平台6平行布置。

[0040] 实施例11：在图11所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R1、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R2、转动副R3、转动副R4构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，转动副R2连接连杆2和连杆3，转动副R1的轴线与定平台垂直布置，转动副R2的轴线与转动副R1的轴线相互平行垂直，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，转动副R5连接连杆5和动平台6，该转动副R5的轴线与动平台6倾斜布置，转动副R5的轴线与转动副R4的轴线不相互平行。

[0041] 实施例12：在图12所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由两个转动副R1、R5和一个三自由度的平面子链构成，该三自由度平面子链是由三个轴线相互平行的转动副R2、转动副R3、转动副R4构成，转动副R1连接定平台1和连杆2，该转动副R1的轴线与定平台1倾斜布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，该转动副R2的轴线与转动副R1的轴线不相互平行，转动副R3连接连杆3和连杆4，转动副R4连接连杆4和连杆5，转动副R5连接连杆5和动平台6，该转动副R5的轴线与转动副R4的轴线垂直布置，该转动副R5的轴线与动平台垂直布置。

[0042] 实施例13：在图13所示的无汇交轴线的对称两转动一移动并联机构中，该并联机构由定平台1、动平台6和三个结构完全相同的活动分支构成，每个活动分支由圆柱副C1、转动副R2和万向铰链U3构成，圆柱副C1连接定平台和连杆2，该圆柱副C1的轴线与定平台垂直布置，转动副R2连接连杆2和连杆3，且该转动副轴线与圆柱副C1的轴线相互垂直。万向铰链U3连接连杆3和动平台6。 万向铰链U3中包含两个垂直相交的转动副。万向铰链U3与连杆3通过其第一个转动副相连，且该转动副轴线方向平行于转动副R2。万向铰链U3与动平台6通过其第二个转动副相连，且该转动副轴线方向与动平台倾斜布置。