一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构

摘要

本发明公开一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，涉及机构学及机器人技术领域，包括定平台、动平台和两条第一支链、一条第二支链和一条第三支链；定平台的两侧分别与第一支链的底端相连接，动平台的两侧分别与第一支链的顶端相连接；定平台的一端与第二支链的底端相连接，动平台的一端与第二支链的顶端相连接；定平台的另一端与第三支链的底端相连接，动平台的另一端与第三支链的顶端相连接。本发明包含两种不同运动模式，具有大转角且承载能力大，刚度高，工作空间大，动态性能好，结构简单易于控制等优点；适应不同作业任务需求，克服传统并联机器人固定自由度和单一运动模式。

权利要求

1.一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，其特征在于：包括定平台（1）、动平台（9）以及设置于定平台（1）与动平台（9）之间的两条在其所处平面内左右方向摆动的第一支链、一条第二支链和一条在其所处平面内在左右方向和前后方向上摆动第三支链；所述定平台（1）的左右两侧分别与所述第一支链的底端通过可前后移动的铰接点相连接，所述动平台（9）的左右两侧分别与所述第一支链的顶端通过可左右移动的铰接点相连接；所述定平台（1）的前端与所述第二支链的底端铰接连接，所述动平台（9）的前端与所述第二支链的顶端铰接连接；所述定平台（1）的后端与所述第三支链的底端相连接，所述动平台（9）的后端与所述第三支链的顶端通过可左右移动的铰接点相连接；所述第一支链包括第一连杆（14）和第二连杆（15）；所述第一连杆（14）底端与所述定平台（1）通过第一圆柱副（2）相连接，所述第一连杆（14）顶端通过第一转动副（5）与所述第二连杆（15）的底端相连接，所述第二连杆（15）的顶端通过第二圆柱副（8）与所述动平台（9）相连接；所述第一圆柱副（2）的轴线与所述第一转动副（5）的轴线相平行，所述第一圆柱副（2）的轴线与所述第二圆柱副（8）的轴线相垂直；所述第二支链包括第三连杆（16）、第四连杆（17）和第五连杆（18）；所述第三连杆（16）底端通过第二转动副（13）与所述定平台（1）相连接，所述第三连杆（16）的顶端通过第一移动副（12）与所述第四连杆（17）的底端相连接；所述第四连杆（17）的顶端通过第三转动副（11）与所述第五连杆（18）的底端相连接，所述第五连杆（18）的顶端通过第四转动副（10）与所述动平台（9）相连接；所述第三支链包括第六连杆（19）和第七连杆（20）；所述定平台（1）的后端中部设置有第五转动副（3），所述第五转动副（3）与第六转动副（4）相连接，所述第五转动副（3）与所述第六转动副（4）组成虎克铰，所述第六连杆（19）底端于所述第六转动副（4）相连接，所述第六连杆（19）顶端通过第七转动副（6）与所述第七连杆（20）的底端相连接，所述第七连杆（20）的顶端通过第三圆柱副（7）与动平台（9）相连接；所述第七转动副（6）的轴线、所述第三圆柱副（7）的轴线均与所述第五转动副（3）的轴线相平行。

2.根据权利要求1所述的一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，其特征在于：所述定平台（1）为正方形板状平台，所述动平台（9）为正方形板状平台。

3.根据权利要求1所述的一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，其特征在于：所述两条第一支链中其中一条第一支链中的第一圆柱副（2）为驱动副。

4.根据权利要求1所述的一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，其特征在于：所述第三转动副（11）轴线与所述第四转动副（10）轴线平行，所述第二转动副（13）轴线与第三转动副（11）轴线、第四转动副（10）轴线相垂直。

5.根据权利要求4所述的一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，其特征在于：所述第五转动副（3）和第六转动副（4）为驱动副。

说明书

一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构

技术领域

[0001] 本发明涉及机构学及机器人技术领域，尤其是一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构。

背景技术

[0002] 机构学研究领域在传统上来说主要研究具有固定自由度特性的并联机构。其具有刚度大、承载能力大、微动精度高、运动负荷小等特点。目前并联机器人广泛应用在工业机
器人、运动模拟器、姿态控制器、医疗机器人、虚拟轴机床、3D打印等方面。

[0003] 但是伴随着科技的发展，多模式可重构机构的特点逐渐显现出来，其运动模式转换时间短，避免了重新装配等方面时间上的损耗，其次，在运动模式转换的过程中辅助驱动
器少，不依赖特殊关节及运动副。在此背景下，学者们对可重构并联机构研究逐渐加深，可
重构并联机构主要分为两种类型，主要包括运动分岔并联机构和变胞并联机构，学者们通
过设计变胞运动副、多模式单元、可锁死关节、支链间内约束奇异、具有运动分岔特性的单
环闭链等设计了一系列可重构并联机构，但是目前这种多运动模式并联机构仍然较少。

发明内容

[0004] 本发明需要解决的技术问题是提供一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，针对现有的可重构并联机构较少的不足，提供一种新型运动分岔并联机器人机构，包含两
种不同运动模式，具有大转角且承载能力大，刚度高，工作空间大，动态性能好，结构简单易
于控制等优点。适应不同作业任务需求，克服传统并联机器人固定自由度和单一运动模式。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，包括定平台、动平台以及设置于定平台与动平台之间的两条在其所处平面内左右方向摆动的第一支链、一条第二支链和一条
在其所处平面内在左右方向和前后方向上摆动第三支链；所述定平台的左右两侧分别与所
述第一支链的底端通过可前后移动的铰接点相连接，所述动平台的左右两侧分别与所述第
一支链的顶端通过可左右移动的铰接点相连接；所述定平台的前端与所述第二支链的底端
铰接连接，所述动平台的前端与所述第二支链的顶端铰接连接；所述定平台的后端与所述
第三支链的底端相连接，所述动平台的后端与所述第三支链的顶端通过可左右移动的铰接
点相连接。

[0007] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述定平台为正方形板状平台，所述动平台为正方形板状平台。

[0008] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一支链包括第一连杆和第二连杆；所述第一连杆底端与所述定平台通过第一圆柱副相连接，所述第一连杆顶端通过第一转动副
与所述第二连杆的底端相连接，所述第二连杆的顶端通过第二圆柱副与所述动平台相连
接。

[0009] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一圆柱副的轴线与所述第一转动副的轴线相平行，所述第一圆柱副的轴线与所述第二圆柱副的轴线相垂直。

[0010] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述两条第一支链中其中一条第一支链中的第一圆柱副为驱动副。

[0011] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第二支链包括第三连杆、第四连杆和第五连杆；所述第三连杆底端通过第二转动副与所述定平台相连接，所述第三连杆的顶端通
过第一移动副与所述第四连杆的底端相连接；所述第四连杆的顶端通过第三转动副与所述
第五连杆的底端相连接，所述第五连杆的顶端通过第四转动副与所述动平台相连接。

[0012] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第三转动副轴线与所述第四转动副轴线平行，所述第二转动副轴线与第三转动副轴线、第四转动副轴线相垂直。

[0013] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第三支链包括第六连杆和第七连杆；所述定平台的后端中部设置有第五转动副，所述第五转动副与第六转动副相连接，所述第五
转动副与所述第六转动副组成虎克铰，所述第六连杆底端于所述第六转动副相连接，所述
第六连杆顶端通过第七转动副与所述第七连杆的底端相连接，所述第七连杆的顶端通过第
三圆柱副与动平台相连接。

[0014] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第五转动副和第六转动副为驱动副。

[0015] 本发明技术方案的进一步改进在于：所述第七转动副的轴线、所述第三圆柱副的轴线均与所述第五转动副的轴线相平行。

[0016] 由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

[0017] 本发明针对现有的可重构并联机构较少的不足，提供一种新型运动分岔并联机器人机构，其具有两种不同运动模式，本发明中的具有运动分岔特性并联机构，在初始位形动
平台与定平台平行且第六转动副与定平台平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，
当第三支链中只驱动第六转动副时，第三支链受到一个约束力限制，此时机构只具有2R1T
运动模式；恢复至初始位形后，当第三支链中只驱动第五转动副时，第三支链受到个约束力
偶限制，此时机构只具有2T1R运动模式。为实现动平台完全可控，机构采有四个驱动器进行
冗余驱动，从而提高了系统的刚度、容错性、驱动的稳定性，增大了承载力，改善了驱动器负
载状况，避免出现单个驱动过载情况，提高力传递性能；运动分岔并联机器人机构是以改变
并联机构的自由度数目和自由度性质为目的，从而适应不同作业任务需求，克服了传统并
联机器人固定自由度和单一运动模式。

[0018] 本发明做选择的驱动副靠近定平台，动力学性能更好，且采用冗余驱动进行控制，提高了系统刚度、容错性、驱动稳定性、则大了承载能力，且机构转动具有大转角，具有更大
工作空间，且工作空间有更好连续性。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图；

[0020] 图1是本发明的运动分岔并联机构初始位形结构示意图；

[0021] 图2是本发明的运动分岔并联机构2T1R模式结构示意图；

[0022] 图3是本发明的运动分岔并联机构2R1T模式结构示意图；

[0023] 其中，1、定平台，2、第一圆柱副，3、第五转动副，4、第六转动副，5、第一转动副，6、第七转动副，7、第三圆柱副，8、第二圆柱副，9、动平台，10、第四转动副，11、第三转动副，12、
第一移动副，13、第二转动副，14、第一连杆，15、第二连杆，16、第三连杆，17、第四连杆，18、
第五连杆，19、第六连杆，20、第七连杆。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 如图1至3所示，本发明提供一种具有2R1T与2T1R运动分岔特性并联机构，包括定平台1、动平台9以及设置于所述定平台1与所述动平台9之间的两条第一支链、一条第二支
链和一条第三支链；所述定平台1的两侧分别与一所述第一支链的底端相连接，所述动平台
9的两侧分别与一所述第一支链的顶端相连接；所述定平台1的一端与所述第二支链的底端
相连接，所述动平台9的一端与所述第二支链的顶端相连接；所述定平台1的另一端与所述
第三支链的底端相连接，所述动平台9的另一端与所述第三支链的顶端相连接。

[0026] 于本具体实施例中，所述定平台1为正方形板状平台，所述动平台9为正方形板状平台。

[0027] 所述第一支链包括第一连杆14和第二连杆15；所述第一连杆14底端与所述定平台1通过第一圆柱副2相连接，所述第一连杆14顶端通过第一转动副5与所述第二连杆15的底
端相连接，所述第二连杆15的顶端通过第二圆柱副8与所述动平台9相连接。

[0028] 所述第一圆柱副2的轴线与所述第一转动副5的轴线相平行，所述圆柱副2的轴线与所述第二圆柱副8的轴线相垂直。

[0029] 所述两条第一支链中其中一条第一支链中的所述第一圆柱副2为驱动副。

[0030] 所述第二支链包括第三连杆16、第四连杆17和第五连杆18；所述第三连杆16底端通过第二转动副13与所述定平台1相连接，所述第三连杆16的顶端通过第一移动副12与所
述第四连杆17的底端相连接；所述第四连杆17的顶端通过第三转动副11与所述第五连杆18
的底端相连接，所述第五连杆18的顶端通过第四转动副10与所述动平台9相连接。

[0031] 所述第三转动副11轴线与所述第四转动副10轴线平行，所述第二转动副13轴线与所述第三转动副11轴线、第四转动副10轴线垂直。

[0032] 所述第三支链包括第六连杆19和第七连杆20；所述定平台1的另一端中部设置有一第五转动副3，所述第五转动副3与第六转动副4相连接，所述第五转动副3与所述第六转
动副4组成一个虎克铰，所述第六连杆19底端于所述第六转动副4相连接，所述第六连杆19
顶端通过第七转动副6与所述第七连杆20的底端相连接，所述第七连杆20的顶端通过第三
圆柱副7与所述动平台9相连接。

[0033] 所述第五转动副3和第六转动副4为驱动副。

[0034] 所述第五转动副3的轴线、所述第三圆柱副7的轴线均与所述第五转动副3的轴线相平行。

[0035] 所述第三圆柱副7的轴线与第一圆柱副2的轴线相垂直。

[0036] 如图2所示，当锁死第六转动副4，第五转动副3发生转动时，第三支链受到一个约束力偶限制，此时动平台9受到一个约束力和两个线性无关的约束力偶限制，机构具有2T1R
工作模式。

[0037] 如图3所示，当锁死第五转动副3，第六转动副4发生转动时，第三支链受到一个约束力限制，此时动平台9受到两个线性无关的约束力和一个约束力偶限制，机构具有2R1T工
作模式。

[0038] 在初始位形动平台9与定平台1平行且第六转动副4与定平台1平行时具有两个转动自由度和两个移动自由度，当只驱动第六转动副4时，第三支链受到一个约束力限制，为
2R1T模式；恢复至初始位形后，当只驱动第五转动副3时，第三支链受到一个约束力偶，为
2T1R模式。

[0039] 需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本
发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明
的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义
和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及
的权利要求。

[0040] 本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，
依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内
容不应理解为对本发明的限制。