一种用于球铰链控制的二自由度转动并联机构的制作方法

本发明涉及机器人自动化领域，具体地，涉及一种用于球铰链控制的二自由度转动并联机构。

背景技术：

二自由度并联机器人是通过两个独立的运动链连接的闭环机构，相比串联机器人，具有以下特点：精度较高，无累积误差；驱动机构可安装于定平台，传动部分结构简单，动态响应快。二自由度并联机构相比更多自由度并联机构，具有结构简单，体积更小，控制成本更低的特点。

经对现有技术的文献检索发现，公开号为cn105619398a的中国专利提出了一种支链耦合的二自由度并联机构，具备较大的动作范围和承载能力，但存在支链耦合，运动求解复杂，控制成本较高等问题；公开号为cn102126212a的中国专利，提出了一种运动解耦的二自由度转动并联机构，两个转动自由度完全解耦，但采用虎克铰结构也限制了机构的动作范围；公开号为cn104308833a的中国专利，提出了一种半球工作范围的二自由度并联机构，但存在整体体积较大，且动平台与静平台位置关系存在限制；公开号为cn106426109a的中国专利，提出了一种全球面工作空间的二自由度并联机构，在实现解耦的同时，可实现全球面的动作范围，但整体结构复杂，承载能力较低。

目前的二自由度并联机构仍存在包括结构复杂、动作范围受限、控制成本高、机构存在耦合等问题，无法适用于对球铰链机构的控制。

因此，需要开发一种结构简单，可适用于球铰链机构的控制的二自由度并联机构。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于球铰链控制的二自由度转动并联机构。

根据本发明提供一种用于球铰链控制的二自由度转动并联机构，包括：传动部件、末端执行部件、球铰链机构，其中：

所述传动部件包括：第一输出端连接件、第二输出端连接件、第一连杆、两个第二连杆、第一过渡件、第二过渡件、两个第三过渡件、主传动轴和伸缩杆；所述第一连杆的下端与所述第一输出端连接件通过轴承连接，所述第一连杆的上端与所述第一过渡件通过轴承连接，且所述第一过渡件与所述第一输出端连接件平行设置；所述第二过渡件与所述第一过渡件通过轴承连接，且所述第一输出端连接件、所述第一连杆、所述第一过渡件和所述第二过渡件位于同一平面内；两个所述第二连杆相互平行设置，两个所述第二连杆的下端分别与所述第二输出端连接件通过轴承连接，两个所述第二连杆的上端分别与两个所述第三过渡件通过轴承连接，且所述第二输出端连接件、两个所述第二连杆、两个所述第三过渡件位于同一平面内；所述第三过渡件与所述第二过渡件同轴设置，且所述第一过渡件、所述第二过渡件、两个所述第三过渡件位于同一平面内；所述第二过渡件、所述第三过渡件套接于所述主传动轴上并通过轴承连接；所述伸缩杆与所述主传动轴的一端连接；

所述末端执行部件的一端与所述传动部件的所述伸缩杆连接，所述末端执行部件的另一端与所述球铰链机构的上端固连，通过所述传动部件驱动所述末端执行部件能与所述球铰链机构一并做球面运动；

所述球铰链机构的上端可转动的与所述末端执行部件另一端连接；所述第一输出端连接件、所述第一连杆、所述第一过渡件、所述第二过渡件、所述主传动轴、所述伸缩杆、所述末端执行部件和所述球铰链机构构成第一组四杆机构；所述第二输出端连接件、所述第二连杆、所述第三过渡件、所述主传动轴、所述伸缩杆、所述末端执行部件和所述球铰链机构构成第二组四杆机构；所述第一组四杆机构、所述第二组四杆机构的方向正交，且整体机构的二自由度运动完全解耦。

优选地，还包括第一组驱动部件和第二组驱动部件，所述第一组驱动部件与所述第一组四杆机构连接，为所述第一组四杆机构提供动力，所述第二组驱动部件与所述第二组四杆机构连接，为所述第二组四杆机构提供动力；

所述第一组驱动部件、所述第二组驱动部件位于同一平面，并呈垂直分布；

所述第一组驱动部件、所述第二组驱动部件位于的平面平行于所述第一过渡件、所述第二过渡件、两个所述第三过渡件位于的平面。

优选地，所述第一组驱动部件所述驱动部件包括第一电机、第一减速器和第一固定支架，所述第一电机与所述第一减速器连接，所述第一减速器的输出轴与所述第一输出端连接件连接，所述第一减速器通过所述第一固定支架固定；

所述第二组驱动部件包括第二电机、第二减速器和第二固定支架，所述第二电机与所述第二减速器连接，所述第二减速器的输出轴与所述第二输出端连接件连接，所述第二减速器通过所述第二固定支架固定。

优选地，所述伸缩杆包括第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆上设有第一滑槽，所述第二伸缩杆上设有第一凸台，所述第一凸台卡接于所述第一滑槽上，所述第一凸台能在所述第一滑槽上直线移动，实现所述伸缩杆的长度调节；所述第二伸缩杆一端与所述主传动轴连接。

优选地，所述第一伸缩杆与所述第二伸缩杆通过顶丝顶紧的方式固定，用于限制移动。

优选地，所述第一伸缩杆为l形构件，所述l形构件的长边和短边，所述第一滑槽沿所述l形构件的长边的长度方向布设，所述l形构件的短边的长度方向布设有第二滑槽；所述第二滑槽与所述第一滑槽的长度方向垂直。

优选地，所述末端执行部件包括伸缩杆连接件、u形板和球铰链机构连接件，其中，所述伸缩杆连接件与所述l形构件的短边滑动连接，所述u形板中心设有第一通孔，所述u形板两侧分别设有第二通孔和第三通孔，所述伸缩杆连接件的一端与所述u形板的第一通孔通过轴承连接，所述球铰链机构连接件的两端分别与所述u形板的第二通孔、第三通孔与所述球铰链机构连接件通过轴承连接。

优选地，所述伸缩杆连接件的另一端设有第二凸台，所述第二凸台卡接于所述l形构件的短边的所述第二滑槽上，所述第二凸台能在所述第二滑槽上直线移动，使所述伸缩杆连接件能在所述第一伸缩杆上作直线移动。

优选地，所述球铰链机构包括连接杆和球铰链基座，所述连接杆的上端与所述球铰链机构连接件连接，所述连接杆的下端与所述球铰链基座通过球铰链约束配合。

优选地，所述第一连杆与所述第二连杆平行设置。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

1、本发明上述结构，采用两组四杆机构的二自由度并联机构结构，基于四杆机构原理设计，结构简单，适应范围广；适用于对球铰链机构的控制，对于球铰链机构的控制有更优异的表现，具体包括精度高、结构灵活、动态响应快、完全解耦、控制成本低等，可控制球铰链机构实现全方位运动。

2、本发明上述结构，驱动部件固定于静平台，可避免固定在传动部件中，降低传动部件的重量，提高动态反应特性。

3、本发明上述结构，传动部件的结构中采用伸缩杆，可调节转动范围，以适应不同尺寸和位置的球铰链机构。

4、本发明上述结构，二自由度转动并联机构完全解耦，解决了机构耦合所带来的运动控制复杂等问题，降低了控制成本，提高了运动控制精度；具有精度高、结构灵活、动态响应快、完全解耦、控制成本低等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的用于球铰链控制的二自由度转动并联机构的结构示意图；

图中标记分别表示为：第一电机1-a、第二电机1-b、第一减速器2-a、第二减速器2-b、第一固定支架3-a、第二固定支架3-b、第一输出端连接件4-a、第二输出端连接件4-b、第一连杆5-a、第二连杆5-b、第一过渡件6、第二过渡件7、第三过渡件8、主传动轴9、第一伸缩杆10、第二伸缩杆11、伸缩杆连接件12、u形板13、球铰链机构连接件14、连接杆15、球铰链基座16。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的用于球铰链控制的二自由度转动并联机构的结构示意图，图中包括传动部件、末端执行部件和球铰链机构。由传动部件、末端执行部件和球铰链机构构成了两组四杆机构的二自由度并联机构结构，两组四杆机构的方向正交，且整体机构的二自由度运动完全解耦。

传动部件包括第一输出端连接件4-a、第二输出端连接件4-b、第一连杆5-a、两个第二连杆5-b、第一过渡件6、第二过渡件7、两个第三过渡件8、主传动轴9和伸缩杆；其中，第一连杆5-a的下端通过轴、轴承与第一输出端连接件4-a连接；第一过渡件6通过轴、轴承与第一连杆5-a的上端连接，并与第一输出端连接件4-a平行；第二过渡件7通过轴、轴承与第一过渡件6连接，且第一输出端连接件4-a、第一连杆5-a、第一过渡件6和第二过渡件7位于同一平面内。第二连杆5-b与第一连杆5-a平行设置。两个第二连杆5-b的下端分别通过轴、轴承与第二输出端连接件4-b连接，并相互平行；两个第三过渡件8通过轴、轴承与第二连杆5-b的上端连接，且第二输出端连接件4-b、两个第二连杆5-b、第二过渡件7、两个第三过渡件8位于同一平面内；第一过渡件6、第二过渡件7、两个第三过渡件8位于同一平面内，并平行于两组驱动部件所位于的平面。第二过渡件7和第三过渡件8中心位于同一直线上，且设有通孔，主传动轴9穿过通孔，并通过轴、轴承与第二过渡件7和第三过渡件8连接。主传动轴9一端设有通孔，与伸缩杆连接。

末端执行部件的一端与传动部件的伸缩杆连接，所述末端执行部件的另一端与球铰链机构的上端固连，通过传动部件驱动末端执行部件能与球铰链机构一并做球面运动；

第一输出端连接件4-a、第一连杆5-a、第一过渡件6、第二过渡件7、主传动轴9、伸缩杆、末端执行部件和球铰链机构构成第一组四杆机构；第二输出端连接件4-b、第二连杆5-b、第三过渡件8、主传动轴9、伸缩杆、末端执行部件和球铰链机构构成第二组四杆机构；第一组四杆机构、第二组四杆机构的方向正交，且整体机构的二自由度运动完全解耦。

在其他部分优选实施例中，用于球铰链控制的二自由度转动并联机构还包第一组驱动部件和第二组驱动部件，第一组驱动部件与第一组四杆机构连接，为第一组四杆机构提供动力，第二组驱动部件与第二组四杆机构连接，为第二组四杆机构提供动力。具体的，参照图1所示，第一组驱动部件包括第一电机1-a、第一减速器2-a和第一固定支架3-a，其中第一电机1-a与第一减速器2-a连接，第一减速器2-a的输出轴与第一输出端连接件4-a相连，第一减速器2-a通过第一固定支架3-a进行固定，第一固定支架3-a固定在静平台上。第二组驱动部件包括第二电机1-b、第二减速器2-b和第二固定支架3-b，其中，第二电机1-b与第二减速器2-b连接，第二减速器2-b的输出轴与第二输出端连接件4-b相连，第二减速器2-b通过第二固定支架3-b进行固定，第二固定支架3-b固定在静平台上。第一组驱动部件、第二组驱动部件位于同一平面，并呈垂直分布。当机构工作时，在第一电机1-a和第二电机1-b转动过程中，第一连杆5-a与第二连杆5-b始终保持平行，第一过渡件6、第二过渡件7、两个第三过渡件8位于的平面始终平行于两组驱动部件所位于的平面。

两组驱动部件位于的平面平行于第一过渡件6、第二过渡件7、两个第三过渡件8位于的平面。

在其他部分优选实施例中，伸缩杆包括第一伸缩杆10和第二伸缩杆11，第一伸缩杆10上设有第一滑槽，第二伸缩杆11上设有第一凸台，第一凸台卡接于第一滑槽上，第一凸台能在第一滑槽上进行直线移动，并通过顶丝顶紧的方式固定，限制移动，实现了伸缩杆的长度调节功能；第二伸缩杆11一端与主传动轴9通过螺栓连接。进一步的，在一优选实施例中，第一伸缩杆10为l形构件，第一滑槽是沿l形构件的长边的长度方向布设。在l形构件的短边的长度方向还布设有第二滑槽，该第二滑槽的长度方向与第一滑槽的长度方向垂直，即可实现两个方向的长度调节。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，末端执行部件包括伸缩杆连接件12、u形板13和球铰链机构连接件14，其中，伸缩杆连接件12的一端与第一伸缩杆连接，伸缩杆连接件12的另一端与u形板13连接。u形板13的中心设有第一通孔，u形板13的两侧分别设有第二通孔、第三通孔。伸缩杆连接件12的另一端与u形板13的第一通孔(中心通孔)通过轴和轴承与连接；球铰链机构连接件14的两端分别与在u形板13的第二通孔、第三通孔通过轴和轴承与连接。伸缩杆连接件12、u形板13和球铰链机构连接件14位于同一水平面，其中，该u形板13包括一个底板和两个侧板，将u形板13的开口端朝向一侧设置，伸缩杆连接件12与u形板13的底板轴连接，球铰链机构连接件14为杆状部件，球铰链机构连接件14可转动的连接在u形板13两个侧板的之间。

在其他部分优选实施例中，在伸缩杆连接件12的一端设有第二凸台，该端位于伸缩杆连接件12与第一伸缩杆10连接的一端。第二凸台卡接于第一伸缩杆10(l形构件)的短边的第二滑槽上，第二凸台能在第二滑槽的长度方向作直线运动，并可以通过顶丝顶紧的方式固定，限制移动。使伸缩杆连接件12在第一伸缩杆10上作直线移动，从而带动u形板13作直线运动，最终实现球铰链机构的直线移动。调节四杆机构中第一伸缩杆10和第二伸缩杆11连接后两者组合的长度、第二伸缩杆11和伸缩杆连接件12连接后两者组合的长度。

在其他部分优选实施例中，球铰链机构包括连接杆15和球铰链基座16，连接杆15的上端与球铰链机构连接件14固连，连接杆15的下端与球铰链基座16通过球铰链约束配合。

本二自由度转动并联机构应用于操纵杆控制，连接杆15和球铰链基座16可视为采用球铰链连接的操作杆对象，如汽车变速杆、设备控制台的操纵杆或摇杆等，通过所述的末端执行部件与受控操纵杆固定连接，可实现对操纵杆的全方位控制，而且由于本机构完全解耦，极大地降低了控制复杂度。

本发明通过上述各种结构优化设计，具有精度高、结构灵活、动态响应快、完全解耦、控制成本低等特点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。