專利名稱：具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有中心球面副的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)， 屬于機構(gòu)學(xué)或機械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
加拿大學(xué)者Gosselin在1994年提出了一種球面三自由度并聯(lián)機構(gòu)的設(shè) 計方法，并設(shè)計了 '攝像機自動定位裝置'，其工作空間為半錐頂角70 度的圓錐形，自旋角為正、負30度。
三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)是重要、典型的少自由度并聯(lián)機構(gòu)之一，它有 很多種構(gòu)型，有代表性的典型機構(gòu)為3-RRR機構(gòu)，如圖3所示。它由固定 平臺、動平臺及3個分支鏈并聯(lián)于兩平臺之間以單轉(zhuǎn)動副連接。每個支鏈 有兩個圓弧形構(gòu)件以單轉(zhuǎn)動副串聯(lián)連接，所有的轉(zhuǎn)動副的軸線交于一點， 即球面機構(gòu)的球心。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)"，、"2、 A、 A、 M,、 72i，其中％ (z' = i，2,3) 分別為^與^在下平臺的投影所成角度；^(、1，2，3)分別為z。與&在上平臺 投影所形成的角度。
中國專利(公告號CN2564840Y)公開了一種三自由度球面并聯(lián)機構(gòu) 控制工作臺。其技術(shù)方案是下支撐連桿做成球面彎曲形以避免運動時的 空間硬干涉；回轉(zhuǎn)工作臺的運動由另外電機驅(qū)動、相對機構(gòu)動平臺的迴轉(zhuǎn) 運動是獨立的，工作臺的總的回轉(zhuǎn)運動則由機構(gòu)動平臺運動與回轉(zhuǎn)臺迴轉(zhuǎn) 運動的疊加。三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)學(xué)基本特性沒有變 化。控制工作臺屬于三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)與單轉(zhuǎn)動副串聯(lián)的混聯(lián)構(gòu)型。
在現(xiàn)有技術(shù)中，三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)都存在相同的幾個缺點構(gòu)件 上的載荷構(gòu)成不合理；機構(gòu)的靜剛度較小、角位移剛度雖較大、線位移剛 度卻極小，線位移與角位移剛度不匹配；機構(gòu)的輸出工作空間較小，兩方 向擺角超過某一角度后機構(gòu)將發(fā)生奇異現(xiàn)象。當我們將三自由度球面并聯(lián) 機構(gòu)作為主動關(guān)節(jié)使用時，上述不足完全暴露無遺。極大的影響了機構(gòu)在 工程上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述問題與工程上的要求，本發(fā)明提供一種具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，該發(fā)明具有卸載特性、高過約束、大工 作空間和大的靜剛度等優(yōu)點，從根本上突破了三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)工作 空間小的制約，拓寬了機構(gòu)在工程上的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是以三自由度球面并聯(lián)機 構(gòu)為原型，利用機構(gòu)具有球面公共約束特點，即所有活動構(gòu)件均為繞球心 旋轉(zhuǎn)，機構(gòu)的中心區(qū)域是空腔的特點，在機構(gòu)的球心點植入一個被動球面 鉸鏈，與球窩固聯(lián)的支撐桿軸線過三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)的固定平臺中心 點并與定平臺固定；與球頭固聯(lián)輸出桿的軸線過三自由度球面機構(gòu)的動平 臺中心，并與其固聯(lián)或以棱錐型軸向移動副P連接；輸出桿穿過動平臺后 其偏置方向為任意，輸出桿整體為彎拐形。形成具有中心球面鉸鏈的偏置 輸出的四支鏈并聯(lián)的新球面并聯(lián)機構(gòu)。
所述具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，它由三自 由度球面并聯(lián)機構(gòu)、中心球面鉸鏈和偏置輸出桿單元組成。所述三自由度 球面并聯(lián)機構(gòu)包括固定平臺1、驅(qū)動輸入軸(2， 2'， 2")、下連桿(4， 4'， 4")、上連桿(18， 18'， 18〃)、上下連桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動的銷軸(5， 5'， 5")、動 平臺7和動平臺與上連桿上端構(gòu)成轉(zhuǎn)動的銷軸(12， 12'， 12")。所述中心 球面鉸鏈包括雙耳支架17、下支撐桿3、銷軸(16， 16')、圓柱直輸出桿8、 旋轉(zhuǎn)支撐架13、支撐銷軸(11， 11')、支撐輥(10， 10')、球頭6、活動球 窩14和U形撥叉15。所述偏置輸出桿單元包括偏置輸出桿9和圓柱直輸 出桿8。
中心球面鉸鏈的下支撐桿3下端與定平臺1固定，下支撐桿3的軸線 通過定平臺的中心點；圓柱直輸出桿8穿過動平臺7中心并與其固定；圓 柱直輸出桿8上端與偏置輸出桿9在中心線交點A固聯(lián)，圓柱直輸出桿8 與偏置輸出桿9的軸線夾角^， ^取值范圍為0 100 偏置方向為任意， 輸出桿整體為彎拐形。雙耳支架17軸線與下支撐桿3軸線重合固聯(lián)為一體， 同時與球頭6在球頭的球心與鉸鏈的球心重合點處固定；旋轉(zhuǎn)支架13為回 轉(zhuǎn)體、中間為圓柱形孔、前后各裝支撐銷軸(11， 11')，支撐輥(10， 10') 則對稱裝在相應(yīng)的兩個銷軸上，支撐銷軸(11， ll')與旋轉(zhuǎn)支架13軸線垂 直相交；圓柱直輸出桿8下端與活動球窩14對心固定并與球頭6構(gòu)成球面運動副；圓柱直輸出桿8為階梯形軸、中間設(shè)有軸向定位臺階，旋轉(zhuǎn)支架 13連同裝在其上的支撐銷軸(11， 11')、支撐輥(10， 10') —起套裝在輸 出桿上，并與軸向定位臺階實現(xiàn)定位；U形撥叉15為半圓弧形柱面組合體， 兩端設(shè)有銷孔、裝在雙耳支架17的內(nèi)側(cè)，它可繞裝在雙耳支架17兩側(cè)的 銷軸(16， 16')往復(fù)擺動，兩銷軸所在的公共軸線為通過球心的直徑，且 與下支撐桿3軸線垂直；以U形撥叉15的軸向?qū)挾戎虚g平面為對稱面沿圓 周方向、開出徑向內(nèi)外通透的封閉長槽，圓柱直輸出桿8的輸出端由U形 撥叉15的槽中穿過，圓柱直輸出桿8直徑與長槽同寬，并可沿槽側(cè)壁往復(fù) 擺動。旋轉(zhuǎn)支架13上的前后的支撐輥(10， 10')與U形撥叉15兩側(cè)圓弧 內(nèi)表面接觸，支撐輥的軸線與U形撥叉15圓柱面的軸線平行。
支撐球窩21與寬雙耳支架19及下支撐桿3對心固定，即寬的雙耳支 架19的回轉(zhuǎn)軸線與下支撐桿3軸線重合并過支撐球窩21的球心；球頭6 與棱柱輸出桿20的下端對心固定，即棱柱輸出桿20的軸線過球頭6的球 心，球頭6置于支撐球窩21中、球心重合構(gòu)成球面副；U形撥叉15置于 寬的雙耳支架19的外側(cè)。棱柱直輸出桿20下端為圓柱形、上端為棱柱形; 于動平臺中心點處穿過，并與動平臺構(gòu)成棱柱移動副連接。
本發(fā)明的有益效果是引入中心球面鉸鏈實現(xiàn)了對機構(gòu)的卸載，作用 在輸出件上的復(fù)合載荷中的力的成分將由動平臺、中心球面鉸鏈直接傳到 機架，其它三支鏈上的由外力產(chǎn)生的載荷被完全或部分力卸掉；同時由于 中心球面鉸鏈的剛度較大，而極大的提高新機構(gòu)的線位移剛度及整體靜剛 度；明顯改善機構(gòu)的力學(xué)性能，支鏈的構(gòu)件上的力減小了，從而減小了構(gòu) 件的變形、提高機構(gòu)運動、輸出位置精度，特別是力成分特別大的外載荷， 也有利于機構(gòu)的小型化設(shè)計。工程中，外力一般與環(huán)境相關(guān)的隨機的量， 對機構(gòu)的影響具有不確定性、難以把握，排除了外力或部分排除了外力對 機構(gòu)的影響，大大改善機構(gòu)的控制性能，在工程上有重大意義；采用偏置 輸出結(jié)構(gòu)，從根本上突破了三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)工作空間小的制約，拓 寬機構(gòu)在工程上的應(yīng)用范圍，使機構(gòu)具有卸載特性、高過約束、大工作空 間和大的靜剛度特性。該并聯(lián)機構(gòu)對人形機器人的關(guān)節(jié)設(shè)計有重要的價值 和意義。


圖1是輸出桿與動平臺固定的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度
球面并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖2是輸出桿與動平臺以棱柱移動副連接的具有中心球面鉸鏈的偏置 輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3是3-RRR三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)示意圖。
在上述附圖中，l.固定平臺，(2， 2'， 2").輸入軸，3.下支撐桿，(4， 4'， 4").下連桿，(5， 5'， 5").連桿銷軸，6.球頭，7.動平臺，8.圓柱直輸出桿， 9.偏置輸出桿，(10， 10').支撐滾，(11， 11').支撐銷軸，(12， 12'， 12"). 動平臺銷軸，13.旋轉(zhuǎn)支架。14.活動球窩，15.U形撥叉，(16， 16').銷軸， 17.雙耳支架，(18， 18'， 18").上連桿，19.寬雙耳支架，20.棱柱直輸出桿， 21.支撐球窩。
具體實施例方式
實施例1
圖1是本發(fā)明公開的第一個實施例，輸出桿與動平臺固定的具有中心 球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)。它由三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)、 中心球面鉸鏈、偏置輸出桿單元組成。中心球面鉸鏈的下支撐桿3下端與 定平臺1固定，下支撐桿3的軸線通過固定平臺的中心點；圓柱直輸出桿8 穿過動平臺7中心并與其固定；圓柱直輸出桿8上端與偏置輸出桿9在中 心線交點A固聯(lián)，圓柱直輸出桿8與偏置輸出桿9的軸線夾角^， 《A=60°， 偏置方向為任意的。
雙耳支架17軸線與下支撐桿3軸線重合固聯(lián)為一體，同時與球頭6在 球頭的球心與鉸鏈的球心重合點處固定；旋轉(zhuǎn)支架13為回轉(zhuǎn)體、中間為圓 柱形孔、前后各裝支撐銷軸(11， 11')，支撐輥(10， 10')則對稱裝在相應(yīng) 的兩個銷軸上，支撐銷軸(11， 11')與旋轉(zhuǎn)支架13軸線垂直相交；圓柱直 輸出桿8下端與活動球窩14對心固定并與球頭6構(gòu)成球面運動副；圓柱直 輸出桿8為階梯形軸、中間設(shè)有軸向定位臺階，旋轉(zhuǎn)支架13連同裝在其上 的支撐銷軸(11， 11')、支撐輥(10, 10') —起套裝在輸出桿上，并與軸向 定位臺階實現(xiàn)定位；U形撥叉15為半圓弧形柱面組合體，兩端設(shè)有銷孔、 裝在雙耳支架17的內(nèi)側(cè)，它可繞裝在雙耳支架17兩側(cè)的銷軸(16， 16') 往復(fù)擺動，兩銷軸所在的公共軸線為通過球心的直徑，且與下支撐桿3軸線垂直；以U形撥叉15的軸向?qū)挾戎虚g平面為對稱面沿圓周方向、開出徑 向內(nèi)外通透的封閉長槽，圓柱直輸出桿8的輸出端由U形撥叉15的槽中穿 過，圓柱直輸出桿8直徑與長槽同寬，并可沿槽側(cè)壁往復(fù)擺動。旋轉(zhuǎn)支架 13上的前后的支撐輥(10， 10')與U形撥叉15兩側(cè)圓弧內(nèi)表面接觸，支 撐輥的軸線與U形撥叉15圓柱面的軸線平行；偏置輸出桿9、圓柱直輸出 桿8、動平臺7、活動球窩14為一體可繞球心同步運動；驅(qū)動輸入軸(2， 2'， 2")與下連桿(4， 4'， 4")下端固聯(lián)、與定平臺1在支撐點處構(gòu)成轉(zhuǎn)動 鏈接后外端與減速器固接；三個支鏈中的桿件、動平臺7的所有轉(zhuǎn)動銷軸 的軸線交于同一點即球心。
球心與偏置桿9外端關(guān)節(jié)點P的連線OP為機構(gòu)的實際輸出桿位置，與 圓柱直輸出桿8軸線的夾角f稱為偏置角，f-54.6度。
實施例2
圖2是本發(fā)明公開的第二個實施例，輸出桿與動平臺以棱柱移動副連 接的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)。它同樣由三自 由度球面并聯(lián)機構(gòu)、中心球面鉸鏈、偏置輸出桿單元組成。所述三自由度 球面并聯(lián)機構(gòu)包括固定平臺1，驅(qū)動輸入軸(2， 2'， 2")，下連桿(4， 4'， 4")，上連桿(18， 18'， 18〃)，上下連桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動的銷軸(5， 5'， 5")，動 平臺7，動平臺與上連桿上端構(gòu)成轉(zhuǎn)動的銷軸(12, 12'， 12〃)。所述中心球 面鉸鏈包括下支撐桿3，支撐球窩21，球頭6，棱柱直輸出桿20。所述的 偏置輸出桿單元包括棱柱置輸出桿20,偏置輸出桿9。其中與實施例1的 不同之處為棱柱直輸出桿20下端為圓柱形、上端為棱柱形；于動平臺7 中心點處穿過，并與動平臺構(gòu)成棱柱移動副連接；支撐球窩21與寬雙耳支 架19及下支撐桿3對心固定，即寬雙耳支架19的回轉(zhuǎn)軸線與下支撐桿3 軸線重合并過支撐球窩21的球心；球頭6與棱柱輸出桿20的下端對心固 定，即棱柱輸出桿20的軸線過球頭6的球心，球頭6置于支撐球窩21中、 球心重合構(gòu)成球面副；U形撥叉15置于寬雙耳支架19的外側(cè)。
權(quán)利要求
1.一種具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，包括三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)、中心球面鉸鏈和偏置輸出桿單元，其特征是中心球面鉸鏈的下支撐桿(3)下端與定平臺(1)固定，下支撐桿(3)的軸線通過定平臺(1)的中心點；中心球面鉸鏈的圓柱直輸出桿(8)穿過動平臺(7)中心并與其固定；圓柱直輸出桿(8)上端與偏置輸出桿(9)在中心線交點A固聯(lián)，圓柱直輸出桿(8)與偏置輸出桿(9)的軸線夾角αh取值范圍為0～100°，偏置方向為任意，輸出桿整體為彎拐形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面 并聯(lián)機構(gòu)，其特征是所述的中心球面鉸鏈的雙耳支架(17)軸線與下支 撐桿(3)軸線重合固聯(lián)為一體，同時與球頭(6)在球頭的球心與鉸鏈的 球心重合點處固定；旋轉(zhuǎn)支架(13)為回轉(zhuǎn)體、中間為圓柱形孔、前后各 裝支撐銷軸(11， 11')，圓柱直輸出桿(8)下端與活動球窩(14)對心固 定并與球頭(6)構(gòu)成球面運動副；U形撥叉(15)為半圓弧形柱面組合 體，兩端設(shè)有銷孔、裝在雙耳支架(17)的內(nèi)側(cè)，它可繞裝在雙耳支架(17) 兩側(cè)的銷軸(16， 160往復(fù)擺動，兩銷軸所在的公共軸線為通過球心的直 徑，且與下支撐桿(3)軸線垂直；以U形撥叉(15)的軸向?qū)挾戎虚g平面 為對稱面沿圓周方向、開出徑向內(nèi)外通透的封閉長槽，圓柱直輸出桿(8) 的輸出端由U形撥叉(15)的槽中穿過，旋轉(zhuǎn)支架(13)上的前后的支撐 輥(10， 10')與U形撥叉(15)兩側(cè)圓弧內(nèi)表面接觸，支撐輥的軸線與U 形撥叉(15)圓柱面的軸線平行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面 并聯(lián)機構(gòu)，其特征是圓柱直輸出桿(8)直徑與U形撥叉(15)的封閉長 槽同寬，并可沿槽側(cè)壁往復(fù)擺動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面 并聯(lián)機構(gòu)，其特征是圓柱直輸出桿(8)為階梯形軸、中間設(shè)有軸向定位 臺階，旋轉(zhuǎn)支架(13)連同裝在其上的支撐銷軸(11， ll')、支撐輥(10， 10') —起套裝在輸出桿上，并與軸向定位臺階實現(xiàn)定位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，其特征是支撐輥(10, 10')則對稱裝在相應(yīng)的支撐銷軸(11，ir)上，支撐銷軸(ii， ir)與旋轉(zhuǎn)支架(13)軸線垂直相交。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，其特征是棱柱直輸出桿(20)下端為圓柱形，其上端為棱 柱形；棱柱直輸出桿(20)從動平臺(7)的中心點處穿過，與動平臺(7) 構(gòu)成棱柱移動副連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面 并聯(lián)機構(gòu)，其特征是支撐球窩(21)與寬雙耳支架(19)及下支撐桿(3) 對心固定；球頭(6)與棱柱輸出桿(20)的下端對心固定，球頭(6)置 于支撐球窩(21)之中，球頭(6)和支撐球窩(21)的球心重合構(gòu)成球面 副；U形撥叉(15)置于寬雙耳支架(19)的外側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有中心球面鉸鏈的偏置輸出三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)，它由三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)、中心球面鉸鏈和偏置輸出桿單元組成，其特征是中心球面鉸鏈的下支撐桿(3)下端與定平臺(1)固定，下支撐桿(3)的軸線通過定平臺(1)的中心點；圓柱直輸出桿(8)穿過動平臺(7)中心并與其固定或以棱柱移動副連接；直輸出桿(8)上端與偏置輸出桿(9)在中心線交點A固聯(lián)，圓柱直輸出桿(8)與偏置輸出桿(9)的軸線夾角α_h，α_h取值范圍為0°～100°，偏置方向為任意的。本發(fā)明具有高過約束、大剛度、大工作空間特性和卸載功能，極大地改善了機構(gòu)的力學(xué)性能。
文檔編號B25J9/16GK101306534SQ200810055018
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者周玉林, 峰 高 申請人:燕山大學(xué)