二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，涉及機器人、精密儀器和設備以及機械制造【技術領域】。所述機構主要由運動平臺、固定基座和運動支鏈構成，可以實現運動平臺繞固定基座做二自由度等徑球面純滾并聯轉動。所述運動平臺和固定基座間通過運動副連接三個以上運動支鏈，每個運動支鏈包含兩個以上連桿；每個運動支鏈均為對稱結構，包含兩個或多個運動副，形成4個以上自由度。本發(fā)明提供的轉動機構，運動平臺工作空間大；結構緊湊；剛度大；機構不含冗余約束，運動支鏈間無相互內應力，精度穩(wěn)定性高；結構簡單，便于安裝。這些優(yōu)點使該轉動機構在高性能指向裝置領域會有廣泛的應用。
【專利說明】二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人、精密儀器和設備以及機械制造【技術領域】，具體涉及一種二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構。
【背景技術】
[0002]二自由度轉動機構已經在機械制造、汽車工業(yè)制造、航空航天制造、機器人等領域得到了廣泛應用，包括機床主軸、汽車聯軸節(jié)、航空指向平臺等領域。隨著技術發(fā)展，機構末端負載越來越大，傳統(tǒng)二自由度轉動機構已經不易滿足設計要求；而二自由度并聯轉動機構因其具有剛度大、精度高、承載能力強、運動慣量小等特點，越來越受到關注并得到廣泛應用。典型如，G.R.Dunlop基于三自由度多鉸鏈并聯機構專利(US4651589)設計了具有兩個轉動自由度的并聯雷達追蹤器(Canterbury Satellite Tracker);專利US5893296及W099/21070公開了一種四支鏈的二自由度并聯轉動機構，并被成功用作娛樂噴泉等裝置；專利US7478576及US7472622均公開了一種三支鏈的二自由度并聯轉動機構。已公開的機構多為具有冗余約束的并聯機構，機構的支鏈間有隨平臺姿態(tài)變化且不穩(wěn)定的裝配應力，在高速運動過程中，動態(tài)性能不好，精度穩(wěn)定性差。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，該類機構主要由運動平臺、固定基座和運動支鏈構成，可以實現運動平臺繞固定基座做二自由度等徑球面純滾并聯轉動。所述運動平臺和固定基座間包含三個以上運動支鏈，每個運動支鏈包含兩個以上連桿；每個運動支鏈均為對稱結構，包含兩個或多個運動副，形成4個以上自由度；每個運動支鏈的輸入端通過運動副與固定基座相連，每個運動支鏈的輸出端通過運動副與運動平臺相連；各個運動支鏈間相對位置可以是關于中心對稱的，如此，機構既美觀且各運動支鏈間承載力均衡，應用壽命長。
[0004]本發(fā)明所述二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構,所述每個運動支鏈關于對稱面II對稱，實現運動平臺繞固定基座做二自由度等徑球面純滾并聯轉動；所述等徑球面是指:假設A點與B點的連線的中點為C點，分別以A點和B點為球心，AC或BC為半徑做球，兩個球的公切面為對稱面II ；
[0005]所述A點由如下關系確定:當各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線共面時，A點位于各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線所形成的面中心；當各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線交于一公共點時，A點位于該公共點處；
[0006]所述B點由如下關系確定:當各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線共面時，B點位于各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線所形成的面中心；當各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線交于一公共點時，B點位于該公共點處。
[0007]該二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構僅具有兩個轉動自由度，但具有多個驅動運動支鏈，可以實現冗余驅動，以保證在高負載情形下的輸入力矩不足。具體實施時可以在每個運動支鏈與固定基座的連接運動副上安裝驅動電機，負載低時只需其中兩個驅動電機工作并輸出力矩，其余剩下的驅動電機僅作位置隨動；負載大時，所有驅動電機均參與工作并輸出力矩，以確保在瞬時有足夠的轉動力矩驅動負載轉動。
[0008]本發(fā)明提供的轉動機構具有以下優(yōu)點:
[0009](I)運動平臺工作空間大(一般為±60°，最大可達±90° );(2)結構緊湊；(3)剛度大；(4)機構不含冗余約束，運動支鏈間無相互內應力，精度穩(wěn)定性高；(5)結構簡單，便于安裝。這些優(yōu)點使該轉動機構在高性能指向裝置領域會有廣泛的應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構整體結構示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構中運動支鏈對稱結構示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第一實施例結構示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第二實施例結構示意圖；
[0014]圖5為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第三實施例結構示意圖；
[0015]圖6為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第四實施例結構示意圖；
[0016]圖7為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第五實施例結構示意圖；
[0017]圖8為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第六實施例結構示意圖；
[0018]圖9為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第七實施例結構示意圖；
[0019]圖10為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第八實施例結構示意圖；
[0020]圖11為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第九實施例結構示意圖；
[0021]圖12為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第十實施例結構示意圖；
[0022]圖13為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第十一實施例結構示意圖；
[0023]圖14為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第十二實施例結構示意圖；
[0024]圖15為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第十三實施例結構示意圖；
[0025]圖16為本發(fā)明二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構第十四實施例結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0027]在所有實施例中，所述Ri表不一個轉動副，Pi表不一個移動副，Ui表不一個含有兩個相交轉動軸線的萬向節(jié)副，Ci表示一個圓柱副，Pai表示一個由四個轉動副構成的平行四桿副，Si表示一個球副，i為自然數。
[0028]本發(fā)明提供的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，如圖1所示，包括運動平臺
1、固定基座2、第一運動支鏈3、第二運動支鏈4、第三運動支鏈5 ;運動平臺I與固定基座2通過運動副分別與第一運動支鏈3、第二運動支鏈4、第三運動支鏈5的兩端相連。第一運動支鏈3、第二運動支鏈4、第三運動支鏈5 (還可以包括第四運動支鏈6等更多的運動支鏈)可以是結構相同的運動支鏈，也可以僅部分運動支鏈結構相同。相同的運動支鏈間也可以有不同的結構尺寸，只要滿足一定的條件即可。固定基座2可以安裝在機床等設備的運動末端上或者執(zhí)行機構上，運動平臺I則安裝旋轉刀頭或者目標傳感器，如此，運動平臺I可以實現相對與固定基座2的±60°，最大可達±90°的工作空間，即可以實現機械加工或者目標跟蹤及檢測等應用。
[0029]所述運動支鏈結構需要滿足的條件為:每個運動支鏈中存在一個對稱面II，運動支鏈中的運動副均關于該對稱面II上下對稱，如圖2所示，轉動副R3與R2的軸線延長線的交點D，轉動副R1與R2的軸線延長線的交點E，轉動副R3與R1的軸線的延長線的交點F，三個交點組成一個平面等腰三角形DEF，其中:D點為頂點，腰長DE等于腰長DF ;穿過D點和C點且以底邊EF為法線的垂直平分面稱為對稱面II。在運動平臺I與固定基座2之間，所有運動支鏈的對稱面II相互重合，構成一個公共的對稱面。
[0030]所述的運動支鏈與運動平臺I或者固定基座2之間的連接關系可以是轉動副、移動副、萬向節(jié)副或者圓柱副；也可以采用相同的運動副進行連接，以簡化結構，節(jié)約制造成本。
[0031]所述的運動支鏈與運動平臺I可以實現繞固定基座2的二自由度等徑球面純滾運動,如圖1所示，A點和B點為兩個半球的球心,C點為兩個半球的接觸點；運動平臺I所在的半球的球心為A點，半徑為A點與C點的距離La。；固定基座2所在的半球的球心為B點，半徑為B點與C點的距離Lb。；且Lac=Lbc ;平面II為兩個接觸半球的過C點公切面，稱為對稱面II。本發(fā)明提供的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構在運動時,運動平臺I就像固定在半球A上，固定基座2就像固定在半球B上,兩個半球球面做無滑移的純滾運動,兩個半球接觸點為C點，因此形成了運動平臺I相對于固定基座2的等徑球面純滾并聯轉動。
[0032]所述球心A點由如下關系確定:當各運動支鏈與運動平臺I相連的運動副軸線或中心共面時，A點位于各運動支鏈與運動平臺I相連的運動副軸線或中心所形成的面中心；當各運動支鏈與運動平臺I相連的運動副軸線交于一公共點時，A點位于該公共點處。
[0033]所述球心B點由如下關系確定:當各運動支鏈與固定基座2相連的運動副軸線或中心共面時，B點位于各運動支鏈與固定基座2相連的運動副軸線或中心所形成的面中心；當各運動支鏈與固定基座2相.連的運動副軸線交于一公共點時，B點位于該公共點處。
[0034]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例一如圖3所示，包括運動平臺101、固定基座102、第一運動支鏈103、第二運動支鏈104和第三運動支鏈105 ;運動平臺101上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈構成三個轉動副&、1?6和R8，三個轉動副軸線交于一公共點；固定基座102上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈構成三個轉動副RpR5和R7，三個轉動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈103由三個連桿組成，包含有四個轉動副，依次為R1、R2、R3和R4,轉動副R1和R2構成下連桿，轉動副R2和R3構成中連桿，R3和R4構成上連桿況和固定基座102相連，R4和運動平臺101相連，轉動副R1和轉動副R2位于中連桿的兩側；第二運動支鏈104由兩個連桿組成，包含三個運動副，依次為R5、S1和R6，轉動副R5和球副S1構成下連桿，轉動副R6和球副S1構成上連桿，轉動副R5與固定基座102相連，轉動副R6與運動平臺101相連，轉動副R5和轉動副R6位于球副S1的兩端；第三運動支鏈105由兩個連桿組成，包含三個運動副，依次為R7、S2和R8，轉動副R7和球副S2構成下連桿，轉動副R8和球副S2構成上連桿，轉動副R7與固定基座102相連，轉動副R8與運動平臺101相連，轉動副R7和轉動副R8位于球副S2的兩端；其中，第一運動支鏈103中轉動副R2和轉動副R3的軸線交點，第二運動支鏈104中球副S1的中心點以及第三運動支鏈105中球副S2的中心點形成對稱面II ；
[0035]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例二如圖4所示，包括運動平臺201、固定基座202、第一運動支鏈203、第二運動支鏈204和第三運動支鏈205 ;運動平臺201上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈構成三個轉動副&、1?6和R8，三個轉動副軸線共面且兩兩相交；固定基座202上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈構成三個轉動副RpR5和R7，三個轉動副軸線共面且兩兩相交；第一運動支鏈203由三個連桿組成，包含有四個轉動副，依次為R1、R2、R3和R4,轉動副R1和R2構成下連桿，R2和R3構成中連桿，R3和R4構成上連桿況和固定基座202相連，R4和運動平臺201相連；第二運動支鏈204由兩個連桿組成，包含三個運動副，依次為RyS1和R6，轉動副R5和球副S1構成下連桿，轉動副R6和球副S1構成上連桿，轉動副R5與固定基座202相連，轉動副R6與運動平臺201相連；第三運動支鏈205由兩個連桿組成，包含三個運動副，依次為R7' S2和R8，轉動副R7和球副S2構成下連桿，轉動副R8和球副S2構成上連桿，轉動副R7與固定基座202相連，轉動副R8與運動平臺201相連；其中，第一運動支鏈203中轉動副R2和轉動副R3的軸線交點，第二運動支鏈204中球副S1的中心點以及第三運動支鏈205中球副S2的中心點形成對稱面II ；
[0036]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例三如圖5所示，包括運動平臺301、固定基座302、第一運動支鏈303、第二運動支鏈304、第三運動支鏈305和第四運動支鏈306 ;運動平臺301上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈303、第二運動支鏈304、第三運動支鏈305)構成三個轉動副R2、R4和R6，三個轉動副軸線共面且兩兩相交；固定基座302上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈303、第二運動支鏈304、第三運動支鏈305)構成三個轉動副RpR3和R5，三個轉動副軸線共面且兩兩相交；第一運動支鏈303、第二運動支鏈304以及第三運動支鏈305結構相似，均由兩個連桿組成，但運動支鏈中連桿的長度可以依據具體應用背景選擇不同尺寸；以第一運動支鏈303為例，包含有三個運動副，依次為RpS2和R2，轉動副R1和球副S2構成下連桿，轉動副R2和球副S2構成上連桿，轉動副R1與固定基座302相連，轉動副R2與運動平臺301相連；第四運動支鏈306為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個運動副，依次為U1和
S1;萬向節(jié)副仏和固定基座302相連，且萬向節(jié)副U1中心位于％、R3和R5軸線構成的平面上，球副S1和運動平臺301 相連，且球副S1中心位于R2、R4和R6軸線構成的平面上；其中，第一運動支鏈303中球副S2的中心點，第二運動支鏈304中球副S3的中心點以及第三運動支鏈305中球副S4的中心點形成對稱面II ；
[0037]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例四如圖6所示，包括運動平臺401、固定基座402、第一運動支鏈403、第二運動支鏈404、第三運動支鏈405和第四運動支鏈406 ;運動平臺401上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈403、第二運動支鏈404、第三運動支鏈405)構成三個轉動副R2、R4和R6，三個轉動副軸線交于一公共點；固定基座402上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈403、第二運動支鏈404、第三運動支鏈405)構成三個轉動副RpR3和R5，三個轉動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈403、第二運動支鏈404以及第三運動支鏈405結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈403為例，包含有三個運動副，依次為RpS2和R2，轉動副R1和球副S2構成下連桿，轉動副R2和球副S2構成上連桿，轉動副R1與固定基座402相連，轉動副R2與運動平臺401相連，轉動副R1和轉動副R2位于球副S2的兩端；第四運動支鏈406為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個運動副，依次為U1和S1 ;萬向節(jié)副U1和固定基座402相連，且中心位于Rp R3和R5軸線的公共交點上，球副S1和運動平臺401相連，且中心位于民、&和R6軸線的公共交點上；其中，第一運動支鏈403中球副S2的中心點，第二運動支鏈404中球副S3的中心點以及第三運動支鏈405中球副S4的中心點形成對稱面II ；
[0038]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例五如圖7所示，包括運動平臺501、固定基座502、第一運動支鏈503、第二運動支鏈504、第三運動支鏈505和第四運動支鏈506 ;運動平臺501上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈503、第二運動支鏈504、第三運動支鏈505)構成三個圓柱副C2、C6和C4，三個圓柱副軸線交于一公共點；固定基座502上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈503、第二運動支鏈504、第三運動支鏈505)構成三個圓柱副C1X5和C3，三個圓柱副軸線交于一公共點；第一運動支鏈503、第二運動支鏈504以及第三運動支鏈505結構相似,均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈503為例，包含有三個運動副，依次為CpR1和C2，轉動副R1和圓柱副C1構成下連桿，轉動副R1和圓柱副C2構成上連桿，圓柱副C1與固定基座502相連，圓柱副C2與運動平臺501相連，圓柱副C1和圓柱副C2軸線共面且與轉動副R1交于一公共點；第四運動支鏈506為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為SjP S2 ;球副S1和固定基座502相連，球副S2和運動平臺501相連；其中，第一運動支鏈503中轉動副R1的軸線，第二運動支鏈504中轉動副R2的軸線以及第三運動支鏈505中轉動副R3的軸線共面且形成對稱面II。
[0039]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例六如圖8所示，包括運動平臺601、固定基座602、第一運動支鏈603、第二運動支鏈604、第三運動支鏈605和第四運動支鏈606 ;運動平臺601上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈603、第二運動支鏈604、第三運動支鏈605)構成三個圓柱副C2、C6和C4，三個圓柱副軸線交于一公共點；固定基座602上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈603、第二運動支鏈604、第三運動支鏈605)構成三個圓柱副C1X5和C3，三個圓柱副軸線交于一公共點；第一運動支鏈603、第二運動支鏈604以及第三運動支鏈605結構相似,均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈603為例，包含有三個運動副，依次為CpS3和C2，球副S3和圓柱副C1構成下連桿，球副S3和圓柱副C2構成上連桿，圓柱副C1與固定基座602相連，圓柱副C2與運動平臺601相連，圓柱副C1和圓柱副C2軸線共面且交于球副S3的中心點；第四運動支鏈606為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座602相連，球副S2和運動平臺601相連；其中，第一運動支鏈603中球副S3的中心點，第二運動支鏈604中球副S5的中心點以及第三運動支鏈605中球副S4的中心點形成對稱面II。
[0040]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例七如圖9所示，包括運動平臺701、固定基座702、第一運動支鏈703、第二運動支鏈704、第三運動支鏈705和第四運動支鏈706 ;運動平臺701上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈703、第二運動支鏈704、第三運動支鏈705)構成三個移動副P2、P6和P4，三個移動副軸線交于一公共點；固定基座702上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈703、第二運動支鏈704、第三運動支鏈705)構成三個移動副PpP5和P3，三個移動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈703、第二運動支鏈704以及第三運動支鏈705結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈703為例，包含有三個運動副，依次為PpS3和P2，球副S3和移動副P1構成下連桿，球副S3和移動副P2構成上連桿，移動副P1與固定基座702相連，移動副P2與運動平臺701相連，移動副P1和移動副P2軸線共面且交于球副S3的中心點；第四運動支鏈706為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座702相連，球副S2和運動平臺701相連；其中，第一運動支鏈703中球副S3的中心點，第二運動支鏈704中球副S5的中心點以及第三運動支鏈705中球副S4的中心點形成對稱面II。
[0041]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例八如圖10所示，包括運動平臺801、固定基座802、第一運動支鏈803、第二運動支鏈804、第三運動支鏈805和第四運動支鏈806 ;運動平臺801上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈803、第二運動支鏈804、第三運動支鏈805)構成三個轉動副R3、R9和R6，三個轉動副軸線交于一公共點；固定基座802上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈803、第二運動支鏈804、第三運動支鏈805)構成三個轉動副RpR7和R4，三個轉動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈803、第二運動支鏈804以及第三運動支鏈805結構相似，均由四個連桿組成；以第一運動支鏈803為例，包含有五個運動副，依次為札、Pp R2、P2和R3,轉動副R1和移動副P1構成下連桿，轉動副R2和移動副P1構成中連桿一，轉動副R2和移動副P2構成中連桿二，轉動副R3和移動副P2構成上連桿，轉動副R1與固定基座802相連，轉動副R3與運動平臺801相連，移動副P1和移動副P2軸線共面且與轉動副R2交于一公共點；第四運動支鏈806為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座802相連，球副S2和運動平臺801相連；其中，第一運動支鏈803中轉動副R2的軸線，第二運動支鏈804中轉動副R8的軸線以及第三運動支鏈805中轉動副R5的軸線共面且形成對稱面II。
[0042]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例九如圖11所示，包括運動平臺901、固定基座902、第一運動支鏈903、第二運動支鏈904、第三運動支鏈905和第四運動支鏈906 ;運動平臺901上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈903、第二運動支鏈904、第三運動支鏈905)構成三個圓柱副C1X3和C2，三個圓柱副軸線交于一公共點；固定基座902上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈903、第二運動支鏈904、第三運動支鏈905)構成三個移動副PpP3和P2，三個移動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈903、第二運動支鏈904以及第三運動支鏈905結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈903為例，包含有三個運動副，依次為PpS3和C1，球副S3和移動副P1構成下連桿，球副S3和圓柱副C1構成上連桿，移動副P1與固定基座902相連，圓柱副C1與運動平臺901相連，移動副P1和圓柱副C1軸線共面且交于球副S3的中心點；第四運動支鏈906為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座902相連，球副S2和運動平臺901相連；其中，第一運動支鏈903中球副S3的中心點，第二運動支鏈904中球副S5的中心點以及第三運動支鏈905中球副S4的中心點形成對稱面II。
[0043]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例十如圖12所示，包括運動平臺1001、固定基座1002、第一運動支鏈1003、第二運動支鏈1004、第三運動支鏈1005和第四運動支鏈1006 ;運動平臺1001上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1003、第二運動支鏈1004、第三運動支鏈1005)構成三個圓柱副CpC3和C2，三個圓柱副軸線交于一公共點；固定基座1002上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1003、第二運動支鏈1004、第三運動支鏈1005)構成三個移動副P1' P3和P2，三個移動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈1003、第二運動支鏈1004以及第三運動支鏈1005結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈1003為例，包含有三個運動副，依次為PpU1和C1，萬向節(jié)副U1和移動副P1構成下連桿，萬向節(jié)副U1和圓柱副C1構成上連桿，移動副P1與固定基座1002相連，圓柱副C1與運動平臺1001相連，移動副P1和圓柱副C1軸線共面且交于萬向節(jié)副U1的中心點；第四運動支鏈1006為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座1002相連，球副S2和運動平臺1001相連；其中，第一運動支鏈1003中萬向節(jié)副U1的中心點，第二運動支鏈1004中萬向節(jié)副U3的中心點以及第三運動支鏈1005中萬向節(jié)副U2的中心點形成對稱面II。
[0044]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例1 一如圖13所示，包括運動平臺1101、固定基座1102、第一運動支鏈1103、第二運動支鏈1104、第三運動支鏈1105和第四運動支鏈1106 ;運動平臺1101上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1103、第二運動支鏈1104、第三運動支鏈1105)構成三個移動副P2、P6和P4，三個移動副軸線交于一公共點；固定基座1102上設有三個移動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1103、第二運動支鏈1104、第三運動支鏈1105)構成三個移動副P1' P5和P3，三個移動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈1103、第二運動支鏈1104以及第三運動支鏈1105結構相似，均由四個連桿組成；以第一運動支鏈1103為例，包含有五個運動副，依次為Pp %、R2、R3和P2，轉動副R1和移動副P1構成下連桿，轉動球副R2和轉動副R1構成中連桿一，轉動副R2和轉動副R3構成中連桿二，轉動副R3和移動副P2構成上連桿，轉動副札、R2和R3的軸線交于R2軸線上一公共點，移動副P1與固定基座1102相連，移動副P2與運動平臺1101相連，移動副P1和移動副P2軸線共面且交于轉動副RpR2和R3軸線的公共點;第四運動支鏈1106為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座1102相連，球副S2和運動平臺1101相連；其中，第一運動支鏈1103中轉動副R2的軸線，第二運動支鏈1104中轉動副R8的軸線以及第三運動支鏈1105中轉動副R5的軸線形成對稱面II。
[0045]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例十二如圖14所示，包括運動平臺1201、固定基座1202、第一運動支鏈1203、第二運動支鏈1204、第三運動支鏈1205和第四運動支鏈1206 ;運動平臺1201上設有三個萬向節(jié)副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1203、第二運動支鏈1204、第三運動支鏈1205)構成三個萬向節(jié)副U2'U6和U4 ;固定基座1202上設有三個萬向節(jié)副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1203、第二運動支鏈1204、第三運動支鏈1205)構成三個萬向節(jié)副U1' U5和U3 ;第一運動支鏈1203、第二運動支鏈1204以及第三運動支鏈1205結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈1203為例，包含有三個運動副，依次為U1' R1和U2，轉動副R1和萬向節(jié)副U1構成下連桿，轉動副R1和萬向節(jié)副U2構成上連桿，萬向節(jié)副U1與固定基座1202相連，萬向節(jié)副U2與運動平臺1201相連；第四運動支鏈1206為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球畐IJ，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座1202相連，球副S2和運動平臺1201相連；其中，第一運動支鏈1203中轉動副R1的軸線，第二運動支鏈1204中轉動副R3的軸線以及第三運動支鏈1205中轉動副R2的軸線形成對稱面II。[0046]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例十三如圖15所示，包括運動平臺1301、固定基座1302、第一運動支鏈1303、第二運動支鏈1304、第三運動支鏈1305和第四運動支鏈1306 ;運動平臺1301上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1303、第二運動支鏈1304、第三運動支鏈1305)構成三個圓柱副C2、C6和C4，三個圓柱副軸線交于一公共點；固定基座1302上設有三個圓柱副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1303、第二運動支鏈1304、第三運動支鏈1305)構成三個圓柱副C1' C5和C3，三個圓柱副軸線交于一公共點；第一運動支鏈1303、第二運動支鏈1304以及第三運動支鏈1305結構相似，均由兩個連桿組成；以第一運動支鏈1303為例，包含有三個運動副，依次為CpU1和C2，萬向節(jié)副U1和圓柱副C1構成下連桿，萬向節(jié)副U1和圓柱副C2構成上連桿，圓柱副C1與固定基座1302相連，圓柱副C2與運動平臺1301相連，圓柱副C1和圓柱副C2軸線共面且交于萬向節(jié)副U1的中心點；第四運動支鏈1306為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座1302相連，球副S2和運動平臺1301相連；其中，第一運動支鏈1303中萬向節(jié)副U1的中心點，第二運動支鏈1304中萬向節(jié)副U3的中心點以及第三運動支鏈1305中萬向節(jié)副U2的中心點形成對稱面II。
[0047]本發(fā)明的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構的實施例十四如圖16所示，包括運動平臺1401、固定基座1402、第一運動支鏈1403、第二運動支鏈1404、第三運動支鏈1405和第四運動支鏈1406 ;運動平臺1401上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1403、第二運動支鏈1404、第三運動支鏈1405)構成三個轉動副R3、R9和R6，三個轉動副軸線交于一公共點；固定基座1402上設有三個轉動副連接端，分別和三個運動支鏈(第一運動支鏈1403、第二運動支鏈1404、第三運動支鏈1405)構成三個轉動副R1' R7和R4，三個轉動副軸線交于一公共點；第一運動支鏈1403、第二運動支鏈1404以及第三運動支鏈1405結構相似，均由四個連桿組成；以第一運動支鏈1403為例，包含有五個運動副，依次為RpPapRyPa2和R3，轉動副R1和平行四桿副Pa1構成下連桿，轉動副R2和平行四桿副Pa1構成中連桿一，轉動副R2和平行四桿副Pa2構成中連桿二，轉動副R3和平行四桿副Pa2構成上連桿，轉動副R1與固定基座1402相連，轉動副R3與運動平臺1401相連，平行四桿副Pa1和平行四桿副Pa2軸線共面且與轉動副R2交于一公共點；第四運動支鏈1406為中心支鏈，僅由一個連桿組成，包含兩個球副，依次為S1和S2 ;球副S1和固定基座1402相連，球副
S2和運動平臺1401相連；其中，第一運動支鏈1403中轉動副R2的軸線，第二運動支鏈1404中轉動副R8的軸線以及第三運動支鏈1405中轉動副R5的軸線形成對稱面II。
[0048]上述實施例三和實施例四的第四運動支鏈也可以采用兩端均為球副S的中心運動支鏈；
[0049]上述實施例五、實施例六、實施例七、實施例八、實施例九、實施例十、實施例十一、實施例十二、實施例十三和實施例十四的第四運動支鏈也可以采用一端為球副S，另一端為萬向節(jié)副U的中心運動支鏈；
[0050]上述實施例六、實施例九和實施例十三中運動支鏈含有冗余自由度，有利于并聯機構的安裝及裝配；
[0051]上述實施例中相似的運動支鏈可以有不相同的連桿尺寸，只要滿足同一運動支鏈中連桿尺寸關于對稱面對稱條件即可；
[0052]上述實施例中每個運動支鏈均含有一個對稱面，且每個實施例中的各個運動支鏈 對稱面相互重合。
【權利要求】
1.二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述機構由運動平臺、固定基座和運動支鏈構成，所述運動平臺和固定基座間通過運動副連接三個以上運動支鏈，所述每個運動支鏈關于對稱面II對稱，實現運動平臺繞固定基座做二自由度等徑球面純滾并聯轉動；所述等徑球面是指:假設A點與B點的連線的中點為C點，分別以A點和B點為球心，AC或BC為半徑做球，兩個球的公切面為對稱面II ； 所述A點由如下關系確定:當各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線共面時，A點位于各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線所形成的面中心；當各運動支鏈與運動平臺相連的運動副軸線交于一公共點時，A點位于該公共點處； 所述B點由如下關系確定:當各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線共面時，B點位于各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線所形成的面中心；當各運動支鏈與固定基座相連的運動副軸線交于一公共點時，B點位于該公共點處。
2.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述每個運動支鏈包含兩個以上連桿，包含三個以上運動副，形成4個以上自由度。
3.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述機構還包括一個中心支鏈，所述中心支鏈為通過運動副連接在A點與B點之間的連桿，所述運動副為球副或者萬向節(jié)副。
4.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:在每個運動支鏈與固定基座的連接運動副上安裝驅動電機。
5.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述運動支鏈與運動平臺或者固定基座之間的運動副為轉動副、移動副、萬向節(jié)副或者圓柱副中的一種或兩種以上。
6.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述三個以上運動支鏈之間為中心對稱結構。
7.根據權利要求1所述的二自由度等徑球面純滾并聯轉動機構，其特征在于:所述運動支鏈由以下一種或兩種以上組合而成: 第一種，運動支鏈由三個連桿組成，包含有四個轉動副，依次為VRyR3和R4,轉動副R1和R2構成下連桿，轉動副R2和R3構成中連桿，R3和R4構成上連桿； 第二種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含三個運動副，依次為RpS1和R2，轉動副R1和球副S1構成下連桿，轉動副R2和球副S1構成上連桿； 第三種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為CpR1和C2,轉動副R1和圓柱副C1構成下連桿，轉動副R1和圓柱副C2構成上連桿； 第四種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為CpS1和C2，球副S1和圓柱副C1構成下連桿，球副S1和圓柱副C2構成上連桿； 第五種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為PpS1和P2，球副S1和移動副P1構成下連桿，球副S1和移動副P2構成上連桿； 第六種，運動支鏈由四個連桿組成，包含有五個運動副，依次為％、P1 R2、P2和R3，轉動副R1和移動副P1構成下連桿，轉動副R2和移動副P1構成中連桿一，轉動副R2和移動副P2構成中連桿二，轉動副R3和移動副P2構成上連桿； 第七種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為PpS1和C1，球副S1和移動副P1構成下連桿，球副S1和圓柱副C1構成上連桿； 第八種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為PpU1和C1，萬向節(jié)副U1和移動副P1構成下連桿，萬向節(jié)副U1和圓柱副C1構成上連桿； 第九種，運動支鏈由五個連桿組成，包含有五個運動副，依次為Pp R1 R2、R3和P2，轉動副R1和移動副P1構成下連桿，轉動球副R2和轉動副R1構成中連桿一，轉動副R2和轉動副R3構成中連桿二，轉動副R3和移動副P2構成上連桿； 第十種，構成機構的運動支鏈可以由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為U1' R1和U2，轉動副R1和萬向節(jié)副U1構成下連桿，轉動副R1和萬向節(jié)副U2構成上連桿； 第十一種，運動支鏈由兩個連桿組成，包含有三個運動副，依次為CpU1和C2，萬向節(jié)副U1和圓柱副C1構成下連桿，萬向節(jié)副U1和圓柱副C2構成上連桿； 第十二種，運動支鏈由五個連桿組成，包含有五個運動副，依次為Rp Pa1, R2, Pa2和R3,轉動副R1和平行四桿副Pa1構成下連桿，轉動副R2和平行四桿副Pa1構成中連桿一，轉動副R2和平行四桿副Pa2構成中連桿二，轉動副R3和平行四桿副Pa2構成上連桿； 所述Ri表示一個轉動副，Pi表示一個移動副，Ui表示一個含有兩個相交轉動軸線的萬向節(jié)副，Ci表示一個圓柱副，Pai表示一個由四個轉動副構成的平行四桿副，Si表示一個球畐|J，i為自然數。
【文檔編號】B25J9/00GK103433916SQ201310337873
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月6日 優(yōu)先權日:2013年8月6日
【發(fā)明者】吳鈧, 于靖軍, 宗光華 申請人:北京航空航天大學