一种三维空间二自由度远心点运动并联机构

本发明涉及并联机器人技术领域，具体地说是一种可以在三维空间内实现二自由度远心点运动的并联机构。

背景技术：

远心点机构是指能实现远心点运动的机构，远心点运动在微创手术，例如腹腔镜手术中有者广泛的运动。目前可以实现远心点运动的方法主要包括依靠算法控制多轴联动、利用复合平行四边形机构、利用弧形导轨、利用球面机构、利用被动铰链、利用并联机构等。

中国专利201510243307.9公开了一种可实现空间远心点运动的并联机构，该机构包括基座、动平台、器械、三组运动支链，该机构的原动件是三组运动支链上的移动副，该机构中的运动支链、器械、动平台基座等之间的转动副安装关系确保器械恒过远心点。该机构结构紧凑，但旋转关节有可能受力较大，并且原动件不适合使用滚珠丝杠等电动动力元件。

中国专利202010165548.7公开了一种三自由度串并联远心机构，该机构包括双平行四边形机构、基座、第一直线模组、第二直线模组等，该机构的原动件是第一直线模组、第二直线模组，其中第一直线模组控制双平行四边形机构进而实现二自由度远心点运动，第二直线模组控制末端执行器直线运动。该机构的不足是双平行四边形机构的刚度可能较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种可以在三维空间内实现二自由度远心点运动的并联机构，它相对于多轴联动方式控制更加方便、相对于复合平行四边形方式、球面机构方式具有更高的刚度，同时也可以解决或改善上述并联机构在刚度、受力等方面的问题。

本发明提出的一种三维空间二自由度远心点运动并联机构包括机架、主臂、五组运动支链，五组运动支链一端分别与机架形成连接，另一端分别与主臂形成连接，机构的原动件位于运动支链上；机构的功能是约束主臂轴线恒指向远心点，并控制主臂围绕远心点实现二自由度远心点运动。

一种三维空间二自由度远心点运动并联机构包括机架、主臂、五组运动支链，所述五组运动支链包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链；五组运动支链具有相似的结构，每组运动支链包括连杆、二自由度转动单元、三自由度转动单元、移动单元；机架、移动单元、二自由度转动单元、连杆、三自由度转动单元、主臂依次连接；通过移动单元，移动单元与机架可以发生一自由度相对移动，通过二自由度转动单元，连杆与移动单元可以在三维空间内二自由度相对转动，通过三自由度转动单元，主臂与连杆可以在三维空间内三自由度相对转动；二自由度转动单元可以是球销副、万向节、两个轴线不平行的转动副形成的串联关节，三自由度转动单元可以是球副、三个轴线不共面的转动副形成的串联关节，因此运动支链的形式可以是ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr。

所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有5个自由度，每组运动支链具有6个自由度，多组运动支链并联在一起时，每并联一组运动支链，新增的运动支链增加6个自由度，但运动分支并联到机构中时会减少6个自由度，因此所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有6个自由度，将主臂的自转自由度视为局部自由度，可得所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有5个自由度。因此，五组运动支链与机架之间的移动副为原动件，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有确定的姿态。

五组运动支链分别通过移动单元与机架形成移动副，分别通过三自由度转动单元与主臂形成球副或转动副；五组运动支链与机架形成的移动副的方向都指向远心点，并且第一运动支链、第二运动支链与机架形成的移动副的方向相同，第三运动支链、第四运动支链与机架形成的移动副的方向相同；当三自由度转动单元是球副时，五组运动支链与主臂形成的球副中心点在一条直线上，即为主臂轴线，当三自由度转动单元是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节时，五组运动支链与主臂形成的转动副的轴线方向相同，与主臂轴线共线。

第一运动支链的尺寸由第二运动支链的尺寸等比例放大得到，且该比例等于第一运动支链的移动副到远心点的距离与第二运动支链的移动副到远心点的距离的比例；第三运动支链的尺寸由第四运动支链的尺寸等比例放大得到，且该比例等于第三运动支链的移动副到远心点的距离与第四运动支链的移动副到远心点的距离的比例。

满足上述关系的三维空间二自由度远心点运动并联机构存在如下一种解：当三自由度转动单元是球副时，五组运动支链与主臂形成的球副中心点在一条直线上并且过远心点，当三自由度转动单元是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节时，五组运动支链与主臂形成的转动副的轴线方向相同并且过远心点；第一运动支链与第二运动支链共面，第三运动支链与第四运动支链共面；第一运动支链与主臂形成的多边形相似于第二运动支链与主臂形成的多边形，第三运动支链与主臂形成的多边形相似于第四运动支链与主臂形成的多边形，主臂与远心点之间的距离不变；即主臂轴线指向远心点，主臂与远心点之间的距离不变；因为所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件数量等于机构自由度，主臂轴线恒指向远心点时，机构的姿态是稳定的。

所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件是五组运动支链与机架之间的移动副；移动副由丝杆螺母驱动，丝杆安装在机架上、螺母安装在运动支链上；第一运动支链的移动副与第二运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为第一运动支链的移动副到远心点的距离与第二运动支链的移动副到远心点的距离的比例；第三运动支链的移动副与第四运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为第三运动支链的移动副到远心点的距离与第四运动支链的移动副到远心点的距离的比例；因此，在合适的初始位置安装下，第一运动支链的移动副到远心点的距离与第二运动支链的移动副到远心点的距离的比例为常值，第三运动支链的移动副到远心点的距离与第四运动支链的移动副到远心点的距离的比例为常值。

进一步的，为了提高机构的刚度、强度，减小运动支链的应力，可以增加第六运动支链，其形式可以为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr；第六运动支链与机架形成移动副，与主臂形成转动副或球副；它的原动件为第六运动支链与机架之间的移动副，该移动副由丝杆螺母驱动，丝杆安装在机架上、螺母安装在运动支链上；同时为了简化控制，第六运动支链的尺寸由第五运动支链的尺寸等比例放大得到，第五运动支链的移动副与第六运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为第五运动支链的移动副到远心点的距离与第六运动支链的移动副到远心点的距离的比例。

进一步的，为了控制主臂的自转自由度，可以增加第七运动支链，其形式可以为ps’u、ps’rr、ps’s’、pus’、purr、puu、prru、prrrru、prrs’；第七运动支链与机架形成移动副，与主臂形成转动副、球销副或万向节；它的原动件为第七运动支链与机架之间的移动副，该移动副由丝杆螺母驱动，丝杆安装在机架上、螺母安装在运动支链上。

进一步的，为了控制主臂的自转自由度，还可以采用增加两条运动支链的方法，增加的第八运动支链与第九运动支链具有相同的形式，它们的形式可以是pus、prrs、ps’s、purrr、prrrrr、ps’rrr；第八运动支链与第九运动支链分别与机架形成移动副，与主臂通过辅助零件连接；第八运动支链、第九运动支链与机架形成的移动副的方向指向远心点，第八运动支链、第九运动支链与辅助零件形成的转动副的轴线方向指向远心点，且第八运动支链、第九运动支链与机架形成的移动副的方向之间的夹角等于第八运动支链、第九运动支链与辅助零件形成的转动副的轴线方向之间的夹角；第八运动支链与机架形成的移动副到远心点的距离等于第九运动支链与机架形成的移动副到远心点的距离；第八运动支链与第九运动支链具有相同的尺寸；满足上述条件的第八运动支链、第九运动支链具有相同的姿态，且主臂的自转角保持恒定。

进一步的，为了控制主臂的自转自由度，可以增加第十二运动支链，其形式可以为ps’rrr、ps’s、pus、purrr、prrs、prrrrr；第十二运动支链与机架形成移动副，与主臂形成转动副或球副；它的原动件为第十二运动支链与机架之间的移动副，该移动副由丝杆螺母驱动，丝杆安装在机架上、螺母安装在运动支链上。

进一步的，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件可以不在运动支链与机架形成的移动副上，而在运动支链的连杆上，通过连杆的长度变化影响机构的姿态；运动支链与机架形成转动副或者万向节，运动支链与主臂形成转动副或球副；运动支链的形式可以是ups、uprrr、rrps、rrprrr、s’ps、s’prrr；前述所有组成、尺寸关系、功能仍然适用于这类运动支链。

本发明的有益效果是：1）运动支链数量多，机构的刚度、强度、精度都有提高；2）机构的动力元件是丝杆螺母，丝杆、电机等元件安装在机架上，运动支链、主臂等运动零部件的体积更小、质量更轻、结构更紧凑；3）可以控制主臂2的自转，同时可以方便的使主臂2的自转角度不变。

附图说明

图1为具有5组prrrrr运动支链的机构三维图。

图2为第一运动支链机构三维图。

图3为第二运动支链机构三维图。

图4为第三运动支链机构三维图。

图5为第四运动支链机构三维图。

图6为第五运动支链机构三维图。

图7为具有5组prrrrr运动支链的机构尺寸图。

图8为具有6组prrrrr运动支链的机构三维图。

图9为第七运动支链机构三维图。

图10为第八运动支链、第九运动支链机构三维图。

图11为第八运动支链、第九运动支链的机构尺寸图。

图12为第十二运动支链的机构三维图。

图13为第十运动支链、第十一运动支链的机构三维图。

图14为第十运动支链、第十一运动支链的机构尺寸图。

主要符号说明：1-1.机架基座、1-2.机架三号凸台、1-3.机架二号凸台、1-4.机架一号凸台、1-6.机架四号凸台、1-5.机架五号凸台、2.主臂、2-1.主臂辅助连接零件、3-1.第一运动支链滑块、3-2.第一运动支链二自由度转动单元、3-3.第一运动支链连杆、3-4.第一运动支链三一转动部件、3-5.第一运动支链三二转动部件、4-1.第二运动支链滑块、4-2.第二运动支链二自由度转动单元、4-3.第二运动支链连杆、4-4.第二运动支链三一转动部件、4-5.第二运动支链三二转动部件、5-1.第六运动支链滑块、5-2.第六运动支链二自由度转动单元、5-3.第六运动支链连杆、5-4.第六运动支链三一转动部件、5-5.第六运动支链三二转动部件、6-1.第五运动支链滑块、6-2.第五运动支链二自由度转动单元、6-3.第五运动支链连杆、6-4.第五运动支链三一转动部件、6-5.第五运动支链三二转动部件、7-1.第三运动支链滑块、7-2.第三运动支链二自由度转动单元、7-3.第三运动支链连杆、7-4.第三运动支链三一转动部件、7-5.第三运动支链三二转动部件、8-1.第四运动支链滑块、8-2.第四运动支链二自由度转动单元、8-3.第四运动支链连杆、8-4.第四运动支链三一转动部件、8-5.第四运动支链三二转动部件、9-1.第七运动支链滑块、9-2.第七运动支链二自由度转动单元、9-3.第七运动支链连杆、9-4.第七运动支链二一转动部件、9-5.第七运动支链二二转动部件、10-1.第八运动支链滑块、10-2.第八运动支链二自由度转动单元、10-3.第八运动支链连杆、10-4.第八运动支链三一转动部件、10-5.第八运动支链三二转动部件、11-1.第九运动支链滑块、11-2.第九运动支链二自由度转动单元、11-3.第九运动支链连杆、11-4.第九运动支链三一转动部件、11-5.第九运动支链三二转动部件、12-1.第十运动支链固定部件、12-2.第十运动支链二自由度转动单元、12-3.第十运动支链前连杆、12-4.第十运动支链后连杆、12-5.第十运动支链三一转动部件、12-6.第十运动支链三二转动部件、13-1.第十一运动支链固定部件、13-2.第十一运动支链二自由度转动单元、13-3.第十一运动支链前连杆、13-4.第十一运动支链后连杆、13-5.第十一运动支链三一转动部件、13-6.第十一运动支链三二转动部件、14-1.第十二运动支链滑块、14-2.第十二运动支链二自由度转动单元、14-3.第十二运动支链连杆、14-4.第十二运动支链三一转动部件、14-5.第十二运动支链三二转动部件、14-6.第十二运动支链辅助连接件、0.远心点、a1-2.12线、a1-3.13线、a1-4.14线、a2.2线、a3-2.32线、a3-3.33线、a3-4.34线、a4-2.42线、a4-3.43线、a4-4.44线、a6-2.62线、a6-3.63线、a6-4.64线、a7-2.72线、a7-3.73线、a7-4.74线、a8-2.82线、a8-3.83线、a8-4.84线、a10-2.102线、a10-3.103线、a10-4.104线、a10-5.105线、a11-2.112线、a11-3.113线、a11-4.114线、a11-5.115线、a12-2.122线、a12-3.123线、a12-4.124线、a13-2.132线、a13-3.133线、a13-4.134线、p3-1.31点、p3-2.32点、p3-3.33点、p3-4.34点、p4-1.41点、p4-2.42点、p4-3.43点、p4-4.44点、p6-1.61点、p6-2.62点、p6-3.63点、p6-4.64点、p7-1.71点、p7-2.72点、p7-3.73点、p7-4.74点、p8-1.81点、p8-2.82点、p8-3.83点、p8-4.84点、p10-1.101点、p10-2.102点、p10-3.103点、p10-4.104点、p11-1.111点、p11-2.112点、p11-3.113点、p11-4.114点、p12-1.121点、p12-2.122点、p12-3.123点、p12-4.124点、p13-1.131点、p13-2.132点、p13-3.133点、p13-4.134点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种三维空间二自由度远心点运动并联机构包括机架、主臂2、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链；每组运动支链由机架、移动单元、二自由度转动单元、连杆、三自由度转动单元、主臂2依次连接；通过移动单元，移动单元与机架可以发生一自由度相对移动，通过二自由度转动单元，连杆与移动单元可以在三维空间内二自由度相对转动，通过三自由度转动单元，主臂与连杆可以在三维空间内三自由度相对转动；二自由度转动单元可以是球销副、万向节、两个轴线不平行的转动副形成的串联关节，三自由度转动单元可以是球副、三个轴线不共面的转动副形成的串联关节，因此运动支链的形式可以是ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr。

图一是本发明公开的第一个实施例，所述机架包括机架基座1-1、机架三号凸台1-2、机架二号凸台1-3、机架一号凸台1-4；机架三号凸台1-2、机架二号凸台1-3、机架一号凸台1-4分别与机架基座1-1固定连接。

以第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链、第五运动支链的形式为prrrrr为例。

如图2所示，所述第一运动支链包括第一运动支链滑块3-1、第一运动支链二自由度转动单元3-2、第一运动支链连杆3-3、第一运动支链三一转动部件3-4、第一运动支链三二转动部件3-5；机架一号凸台1-4与第一运动支链滑块3-1形成移动副，且该移动副的方向为14线a1-4，指向远心点0；第一运动支链滑块3-1与第一运动支链二自由度转动单元3-2形成转动副；第一运动支链二自由度转动单元3-2与第一运动支链连杆3-3形成转动副，其转动轴线与14线a1-4之间的公垂线为32线a3-2，32线a3-2与该转动副轴线交于32点p3-2，32线a3-2与14线a1-4交于31点p3-1；第一运动支链连杆3-3与第一运动支链三一转动部件3-4形成转动副；第一运动支链三一转动部件3-4与第一运动支链三二转动部件3-5形成转动副，其转动轴线与2线a2之间的公垂线为34线a3-4，34线a3-4与该转动副轴线交于33点p3-3，34线a3-4与2线a2交于34点p3-4；第一运动支链三二转动部件3-5与主臂2形成转动副，该转动副轴线为2线a2；32点p3-2与33点p3-3的连线为33线a3-3；第一运动支链滑块3-1为移动单元；第一运动支链二自由度转动单元3-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第一运动支链三一转动部件3-4与第一运动支链三二转动部件3-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图3所示，所述第二运动支链包括第二运动支链滑块4-1、第二运动支链二自由度转动单元4-2、第二运动支链连杆4-3、第二运动支链三一转动部件4-4、第二运动支链三二转动部件4-5；机架一号凸台1-4与第二运动支链滑块4-1形成移动副，且该移动副的方向为14线a1-4，指向远心点0；第二运动支链滑块4-1与第二运动支链二自由度转动单元4-2形成转动副；第二运动支链二自由度转动单元4-2与第二运动支链连杆4-3形成转动副，其转动轴线与14线a1-4之间的公垂线为42线a4-2，42线a4-2与该转动副轴线交于42点p4-2，42线a4-2与14线a1-4交于41点p4-1；第二运动支链连杆4-3与第二运动支链三一转动部件4-4形成转动副；第二运动支链三一转动部件4-4与第二运动支链三二转动部件4-5形成转动副，其转动轴线与2线a2之间的公垂线为44线a4-4，44线a4-4与该转动副轴线交于43点p4-3，44线a4-4与2线a2交于44点p4-4；第二运动支链三二转动部件4-5与主臂2形成转动副，该转动副轴线为2线a2；42点p4-2与43点p4-3的连线为43线a4-3；第二运动支链滑块4-1为移动单元；第二运动支链二自由度转动单元4-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第二运动支链三一转动部件4-4与第二运动支链三二转动部件4-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图4所示，第三运动支链包括第三运动支链滑块7-1、第三运动支链二自由度转动单元7-2、第三运动支链连杆7-3、第三运动支链三一转动部件7-4、第三运动支链三二转动部件7-5；机架三号凸台1-2与第三运动支链滑块7-1形成移动副，且该移动副的方向为12线a1-2，指向远心点0；第三运动支链滑块7-1与第三运动支链二自由度转动单元7-2形成转动副；第三运动支链二自由度转动单元7-2与第三运动支链连杆7-3形成转动副，其转动轴线与12线a1-2之间的公垂线为72线a7-2，72线a7-2与该转动副轴线交于72点p7-2，72线a7-2与12线a1-2交于71点p7-1；第三运动支链连杆7-3与第三运动支链三一转动部件7-4形成转动副；第三运动支链三一转动部件7-4与第三运动支链三二转动部件7-5形成转动副，其转动轴线与2线a2之间的公垂线为74线a7-4，74线a7-4与该转动副轴线交于73点p7-3，74线a7-4与2线a2交于74点p7-4；第三运动支链三二转动部件7-5与主臂2形成转动副，该转动副轴线为2线a2；72点p7-2与73点p7-3的连线为73线a7-3；第三运动支链滑块7-1为移动单元；第三运动支链二自由度转动单元7-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第三运动支链三一转动部件7-4与第三运动支链三二转动部件7-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图5所示，所述第四运动支链包括第四运动支链滑块8-1、第四运动支链二自由度转动单元8-2、第四运动支链连杆8-3、第四运动支链三一转动部件8-4、第四运动支链三二转动部件8-5；机架三号凸台1-2与第四运动支链滑块8-1形成移动副，且该移动副的方向为12线a1-2，指向远心点0；第四运动支链滑块8-1与第四运动支链二自由度转动单元8-2形成转动副；第四运动支链二自由度转动单元8-2与第四运动支链连杆8-3形成转动副，其转动轴线与12线a1-2之间的公垂线为82线a8-2，82线a8-2与该转动副轴线交于82点p8-2，82线a8-2与12线a1-2交于81点p8-1；第四运动支链连杆8-3与第四运动支链三一转动部件8-4形成转动副；第四运动支链三一转动部件8-4与第四运动支链三二转动部件8-5形成转动副，其转动轴线与2线a2之间的公垂线为84线a8-4，84线a8-4与该转动副轴线交于83点p8-3，84线a8-4与2线a2交于84点p8-4；第四运动支链三二转动部件8-5与主臂2形成转动副，该转动副轴线为2线a2；82点p8-2与83点p8-3的连线为83线a8-3；第四运动支链滑块8-1为移动单元；第四运动支链二自由度转动单元8-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第四运动支链三一转动部件8-4与第四运动支链三二转动部件8-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图6所示，第五运动支链包括第五运动支链滑块6-1、第五运动支链二自由度转动单元6-2、第五运动支链连杆6-3、第五运动支链三一转动部件6-4、第五运动支链三二转动部件6-5；机架二号凸台1-3与第五运动支链滑块6-1形成移动副，且该移动副的方向为13线a1-3，指向远心点0；第五运动支链滑块6-1与第五运动支链二自由度转动单元6-2形成转动副；第五运动支链二自由度转动单元6-2与第五运动支链连杆6-3形成转动副，其转动轴线与13线a1-3之间的公垂线为62线a6-2，62线a6-2与该转动副轴线交于62点p6-2，62线a6-2与13线a1-3交于61点p6-1；第五运动支链连杆6-3与第五运动支链三一转动部件6-4形成转动副；第五运动支链三一转动部件6-4与第五运动支链三二转动部件6-5形成转动副，其转动轴线与2线a2之间的公垂线为64线a6-4，64线a6-4与该转动副轴线交于63点p6-3，64线a6-4与2线a2交于64点p6-4；第五运动支链三二转动部件6-5与主臂2形成转动副，该转动副轴线为2线a2；62点p6-2与63点p6-3的连线为63线a6-3；第五运动支链滑块6-1为移动单元；第五运动支链二自由度转动单元6-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第五运动支链三一转动部件6-4与第五运动支链三二转动部件6-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有5个自由度；每组运动支链具有一个移动副、五个转动副，共6个自由度，多组运动支链并联在一起时，每并联一组运动支链，新增的运动支链增加6个自由度，但运动分支并联到机构中时会减少6个自由度，因此所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有6个自由度；主臂2与所有运动支链都以旋转副连接，因此可将主臂2的自转自由度视为局部自由度，可得所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有5个自由度。五组运动支链与机架之间的移动副为原动件，将主臂2的自转自由度视为局部自由度，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有确定的姿态。

如图7所示，第一运动支链的尺寸由第二运动支链的尺寸等比例放大得到，其具体表现为32线a3-2与42线a4-2的长度之比、33线a3-3与43线a4-3的长度之比、34线a3-4与44线a4-4的长度之比相等且为常值k1；第三运动支链的尺寸由第四运动支链的尺寸等比例放大得到，其具体表现为72线a7-2与82线a8-2的长度之比、73线a7-3与83线a8-3的长度之比、74线a7-4与84线a8-4的长度之比相等且为常值k2。

所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件是五组运动支链与机架之间的移动副；移动副由丝杆螺母驱动，丝杆分别安装在机架三号凸台1-2、机架二号凸台1-3、机架一号凸台1-4上，螺母分别安装在第一运动支链滑块3-1、第二运动支链滑块4-1、第三运动支链滑块7-1、第四运动支链滑块8-1、第五运动支链滑块6-1上；第一运动支链的移动副与第二运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为k1，即第一运动支链滑块3-1的位移与第二运动支链滑块4-1的位移之比为k1；第三运动支链的移动副与第四运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为k2，即第三运动支链滑块7-1的位移与第四运动支链滑块8-1的位移之比为k2；在合适的初始位置安装下，31点p3-1到远心点0的距离与41点p4-1到远心点0的距离的比例为k1，71点p7-1到远心点0的距离与81点p8-1到远心点0的距离的比例为k2。

满足上述关系的三维空间二自由度远心点运动并联机构在一定空间范围内存在如下一种解：第一运动支链与主臂2形成的多边形p3-1—0—p3-4—p3-3—p3-2与第二运动支链与主臂2形成的多边形p4-1—0—p4-4—p4-3—p4-2相似且共面，其相似比为k1；第三运动支链与主臂2形成的多边形0—p7-1—p7-2—p7-3—p7-4与第四运动支链与主臂2形成的多边形0—p8-1—p8-2—p8-3—p8-4相似且共面，其相似比为k2；2线a2过远心点0；多边形相似给机构增加了两个约束，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的自由度为3，原动件数量为3，该种解是稳定的。

因为第一运动支链与主臂2形成的多边形p3-1—0—p3-4—p3-3—p3-2与第二运动支链与主臂2形成的多边形p4-1—0—p4-4—p4-3—p4-2的相似比为k1、34点p3-4与44点p4-4之间的距离为常数，因此44点p4-4与远心点0的距离为常数，同理可得，84点p8-4与远心点0的距离为常数，因此主臂2与远心点0之间的距离为常数。

当运动支链的形式为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs时，每组运动支链同样具有6个自由度，而五组支链并联后具有6个自由度，将主臂2的自转认为是局部自由度，则所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有5个自由度。多边形相似给机构增加了两个约束，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的自由度为3，原动件数量为3，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构具有确定的姿态。

若二自由度转动单元是万向节或者球销副，32线a3-2、42线a4-2、62线a6-2、72线a7-2、82线a8-2的长度为零，31点p3-1与32点p3-2重合、41点p4-1与42点p4-2重合、61点p6-1与62点p6-2重合、71点p7-1与72点p7-2重合、81点p8-1与82点p8-2重合；若三自由度转动单元是球副，34线a3-4、44线a4-4、64线a6-4、74线a7-4、84线a8-4的长度为零，33点p3-3与34点p3-4重合、43点p4-3与44点p4-4重合、63点p6-3与64点p6-4重合、73点p7-3与74点p7-4重合、83点p8-3与84点p8-4重合；运动支链的尺寸关系等其他参数与支链形式为prrrrr的情况下的一致。

若二自由度转动单元是万向节或者球销副，三自由度转动单元是球副，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件是运动支链的移动单元，移动单元使运动支链与机架之间形成移动副，与运动支链形式为prrrrr时的情况一致，第一运动支链与第二运动支链的移动副方向为14线a1-4，第三运动支链与第四运动支链的移动副方向为12线a1-2，第五运动支链移动副方向为13线a1-3；运动支链与主臂2之间形成的球副的中心在2线a2上，2线a2指向远心点0。

综上所述，运动支链的形式为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr时，2线a2都可恒指向远心点0。

图8是本发明公开的第二个实施例，在第一个实施例的基础上，为了提高机构的刚度、强度，减小运动支链的应力，可以增加第六运动支链，第六运动支链的形式可以为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr；以prrrrr为例，第六运动支链包括第六运动支链滑块5-1、第六运动支链二自由度转动单元5-2、第六运动支链连杆5-3、第六运动支链三一转动部件5-4、第六运动支链三二转动部件5-5；机架二号凸台1-3与第六运动支链滑块5-1形成移动副，第六运动支链滑块5-1与第六运动支链二自由度转动单元5-2形成转动副，第六运动支链二自由度转动单元5-2与第六运动支链连杆5-3形成转动副，第六运动支链连杆5-3与第六运动支链三一转动部件5-4形成转动副，第六运动支链三一转动部件5-4与第六运动支链三二转动部件5-5形成转动副，第六运动支链三二转动部件5-5与主臂2形成转动副；第六运动支链二自由度转动单元5-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第六运动支链三一转动部件5-4与第六运动支链三二转动部件5-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

进一步的，为了简化控制，第六运动支链的尺寸由第五运动支链的尺寸等比例放大得到，第五运动支链的移动副与第六运动支链的移动副由同一个电机驱动，电机带动两根导程不同的丝杆同转速转动，这两个丝杆的导程之比为第五运动支链的移动副到远心点0的距离与第六运动支链的移动副到远心点0的距离的比例。

本发明公开的第三个实施例是在第一个实施例的基础上，为了控制主臂2的自转自由度，可以增加第七运动支链，第七运动支链的形式可以为ps’s’、ps’rr、ps’u、pus’、purr、puu、prrs’、prru、prrrr；以prrrr为例，如图9所示，第七运动支链包括第七运动支链滑块9-1、第七运动支链二自由度转动单元9-2、第七运动支链连杆9-3、第七运动支链二一转动部件9-4、第七运动支链二二转动部件9-5；机架二号凸台1-3与第七运动支链滑块9-1形成移动副，第七运动支链滑块9-1与第七运动支链二自由度转动单元9-2形成转动副，第七运动支链二自由度转动单元9-2与第七运动支链连杆9-3形成转动副，第七运动支链连杆9-3与第七运动支链二一转动部件9-4形成转动副，第七运动支链二一转动部件9-4与第七运动支链二二转动部件9-5形成转动副，第七运动支链二二转动部件9-5与主臂2固定连接；第七运动支链二自由度转动单元9-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第七运动支链二一转动部件9-4是二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节。

本发明公开的第四个实施例是在第一个实施例的基础上，为了控制主臂2的自转自由度，可以增加第八运动支链与第九运动支链，它们具有相同的形式，第八运动支链与第九运动支链的形式可以为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr；以prrrrr为例，如图10所示，第八运动支链包括第八运动支链滑块10-1、第八运动支链二自由度转动单元10-2、第八运动支链连杆10-3、第八运动支链三一转动部件10-4、第八运动支链三二转动部件10-5；第九运动支链包括第九运动支链滑块11-1、第九运动支链二自由度转动单元11-2、第九运动支链连杆11-3、第九运动支链三一转动部件11-4、第九运动支链三二转动部件11-5。

如图10所示，机架四号凸台1-6与第八运动支链滑块10-1形成移动副，且该移动副的方向为16线a1-6，指向远心点0；第八运动支链滑块10-1与第八运动支链二自由度转动单元10-2形成转动副；第八运动支链二自由度转动单元10-2与第八运动支链连杆10-3形成转动副，其转动轴线与16线a1-6之间的公垂线为102线a10-2，102线a10-2与该转动副轴线交于102点p10-2，102线a10-2与16线a1-6交于101点p10-1；第八运动支链连杆10-3与第八运动支链三一转动部件10-4形成转动副；第八运动支链三一转动部件10-4与第八运动支链三二转动部件10-5形成转动副；第八运动支链三二转动部件10-5与主臂辅助连接零件2-1形成转动副，其转动轴线与第八运动支链三一转动部件10-4与第八运动支链三二转动部件10-5形成的转动副的轴线的公垂线为104线a10-4，104线a10-4与前者轴线交于104点p10-4，103线a10-3与后者轴线交于103点p10-3；第八运动支链三二转动部件10-5与主臂辅助连接零件2-1形成转动副，该转动副轴线为105线a10-5，指向远心点0；主臂辅助连接零件2-1与主臂2形成固定连接；102点p10-2与103点p10-3的连线为103线a10-3；第八运动支链二自由度转动单元10-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第八运动支链三一转动部件10-4与第八运动支链三二转动部件10-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图10所示，机架五号凸台1-5与第九运动支链滑块11-1形成移动副，且该移动副的方向为15线a1-5，指向远心点0；第九运动支链滑块11-1与第九运动支链二自由度转动单元11-2形成转动副；第九运动支链二自由度转动单元11-2与第九运动支链连杆11-3形成转动副，其转动轴线与15线a1-5之间的公垂线为112线a11-2，112线a11-2与该转动副轴线交于112点p11-2，112线a11-2与15线a1-5交于111点p11-1；第九运动支链连杆11-3与第九运动支链三一转动部件11-4形成转动副；第九运动支链三一转动部件11-4与第九运动支链三二转动部件11-5形成转动副；第九运动支链三二转动部件11-5与主臂辅助连接零件2-1形成转动副，其转动轴线与第九运动支链三一转动部件11-4与第九运动支链三二转动部件11-5形成的转动副的轴线的公垂线为114线a11-4，114线a11-4与前者轴线交于114点p11-4，113线a11-3与后者轴线交于113点p11-3；第九运动支链三二转动部件11-5与主臂辅助连接零件2-1形成转动副，该转动副轴线为115线a11-5，指向远心点0；112点p11-2与113点p11-3的连线为113线a11-3；第九运动支链二自由度转动单元11-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第九运动支链三一转动部件11-4与第九运动支链三二转动部件11-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

第八运动支链、第九运动支链的原动件分别为第八运动支链、第九运动支链与机架之间的移动副，该移动副由丝杆螺母驱动，丝杆安装在机架上、螺母安装在运动支链上。

如图11所示，第八运动支链、第九运动支链与机架形成的移动副的方向之间的夹角等于第八运动支链、第九运动支链与辅助零件形成的转动副的轴线方向之间的夹角，其具体表现为16线a1-6与15线a1-5之间的夹角等于105线a10-5与115线a11-5之间的夹角，因为16线a1-6与15线a1-5之间的夹角是固定的，而主臂2与远心点0的距离是固定的，105线a10-5与115线a11-5之间的夹角是固定的，所以这是可实现的；第八运动支链与机架形成的移动副到远心点的距离等于第九运动支链与机架形成的移动副到远心点的距离，其具体表现为101点p10-1与远心点0的距离等于111点p11-1与远心点0的距离；第八运动支链与第九运动支链具有相同的尺寸，其具体表现为102线a10-2的长度等于112线a11-2的长度、103线a10-3的长度等于113线a11-3的长度、104线a10-4的长度等于114线a11-4的长度；104点p10-4到远心点0的距离等于114点p11-4到远心点0的距离，因为主臂2与远心点0的距离是固定的，主臂辅助连接零件2-1与主臂2是固定连接的，所以这是可实现的。

满足上述关系的第八运动支链、第九运动支链在一定空间范围内存在如下一种解：多边形0—p10-1--p10-2—p10-3—p10-4全等于多边形0—p11-1--p11-2—p11-3—p11-4；由104点p10-4、101点p10-1、111点p11-1、114点p11-4形成的四边形是等腰梯形；由104点p10-4、114点p11-4形成的线平行于101点p10-1、111点p11-1形成的线。

根据第一个实施例，主臂2的自转自由度是不确定的，相当于主臂2的自由度是1；第八运动支链具有6个自由度，在第一个实施例的基础上，当并联第八运动支链后，系统的自由度为1；第八运动支链的原动件是机架四号凸台1-6与第八运动支链滑块10-1形成移动副，因此主臂2的自转受到了控制；第八运动支链、第九运动支链联合工作时，101点p10-1与远心点0的距离等于111点p11-1与远心点0的距离，可以使主臂2的自转角度保持不变，因为由104点p10-4、114点p11-4形成的线平行于101点p10-1、111点p11-1形成的线。

当第八运动支链、第九运动支链的形式为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs时，第八运动支链、第九运动支链都具有6个自由度，在第一个实施例的基础上，并联第八运动支链后，第八运动支链可以控制主臂2的自转自由度，再并联第九运动支链，第九运动支链要配合第八运动支链运动以控制主臂2的自转。

若二自由度转动单元是万向节或者球销副，102线a10-2、112线a11-2的长度为零，101点p10-1与102点p10-2重合，111点p11-1与112点p11-2重合；若三自由度转动单元是球副，104线a10-4、114线a11-4的长度为零，103点p10-3与104点p10-4重合；运动支链的尺寸关系等其他参数与支链形式为prrrrr的情况下的一致。

若二自由度转动单元是万向节或者球销副，三自由度转动单元是球副，第八运动支链、第九运动支链的原动件是运动支链的移动单元，移动单元使运动支链与机架之间形成移动副，与运动支链形式为prrrrr时的情况一致，第八运动支链的移动副方向为16线a1-6，第九运动支链的移动副方向为15线a1-5；第八运动支链与主臂辅助连接零件2-1之间形成的球副的中心在105线a10-5上，第九运动支链与主臂辅助连接零件2-1之间形成的球副的中心在115线a11-5上。

综上所述，当第八运动支链、第九运动支链的形式为ps’s、ps’rrr、pus、purrr、prrs、prrrrr时，由104点p10-4、114点p11-4形成的线平行于101点p10-1、111点p11-1形成的线。

本发明公开的第五个实施例是在第一个实施例的基础上，为了控制主臂2的自转自由度，可以增加第十二运动支链，第十二运动支链的形式可以为ps’rrr、ps’s、pus、purrr、prrs、prrrrr；以prrrrr为例，如图12所示，第十二运动支链包括第十二运动支链滑块14-1、第十二运动支链二自由度转动单元14-2、第十二运动支链连杆14-3、第十二运动支链三一转动部件14-4、第十二运动支链三二转动部件14-5、第十二运动支链辅助连接件14-6；机架二号凸台1-3与第十二运动支链滑块14-1形成移动副，第十二运动支链滑块14-1与第十二运动支链二自由度转动单元14-2形成转动副，第十二运动支链二自由度转动单元14-2与第十二运动支链连杆14-3形成转动副，第十二运动支链连杆14-3与第十二运动支链三一转动部件14-4形成转动副，第十二运动支链三一转动部件14-4与第十二运动支链三二转动部件14-5形成转动副，第十二运动支链三二转动部件14-5与第十二运动支链辅助连接件14-6形成转动副，第十二运动支链辅助连接件14-6与主臂2固定连接；第十二运动支链二自由度转动单元14-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第十二运动支链三一转动部件14-4与第十二运动支链三二转动部件14-5组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不平行的转动副形成的串联关节。

本发明公开的第六个实施例是对以上所有实施例的一种变形，所述三维空间二自由度远心点运动并联机构的原动件可以不在运动支链与机架形成的移动副上，而在运动支链的连杆上，通过连杆的长度变化影响机构的姿态；以形式为rrprrr的形式为例；如图13所示，第十运动支链包括第十运动支链固定部件12-1、第十运动支链二自由度转动单元12-2、第十运动支链前连杆12-3、第十运动支链后连杆12-4、第十运动支链三一转动部件12-5、第十运动支链三二转动部件12-6；机架二号凸台1-3与第十运动支链固定部件12-1形成固定连接；第十运动支链固定部件12-1与第十运动支链二自由度转动单元12-2形成转动副，其转动副轴线为13线a1-3，指向远心点0；第十运动支链二自由度转动单元12-2与第十运动支链前连杆12-3形成转动副，其转动轴线与13线a1-3之间的公垂线为122线a12-2，122线a12-2与该转动副轴线交于122点p12-2，122线a12-2与13线a1-3交于121点p12-1；第十运动支链前连杆12-3与第十运动支链后连杆12-4形成移动副；第十运动支链后连杆12-4与第十运动支链三一转动部件12-5形成转动副，第十运动支链三一转动部件12-5与第十运动支链三二转动部件12-6形成转动副，其转动轴线与2线a2的公垂线为124线a12-4，124线a12-4与该转动副轴线交于123点p12-3，124线a12-4与2线a2交于124点p12-4；第十运动支链三二转动部件12-6与主臂2形成转动副，其转动轴线为2线a2；第十运动支链二自由度转动单元12-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第十运动支链三一转动部件12-5与第十运动支链三二转动部件12-6组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

如图13所示，第十一运动支链包括第十一运动支链固定部件13-1、第十一运动支链二自由度转动单元13-2、第十一运动支链前连杆13-3、第十一运动支链后连杆13-4、第十一运动支链三一转动部件13-5、第十一运动支链三二转动部件13-6；机架二号凸台1-3与第十一运动支链固定部件13-1形成固定连接；第十一运动支链固定部件13-1与第十一运动支链二自由度转动单元13-2形成转动副，其转动副轴线为13线a1-3，指向远心点0；第十一运动支链二自由度转动单元13-2与第十一运动支链前连杆13-3形成转动副，其转动轴线与13线a1-3之间的公垂线为132线a13-2，132线a13-2与该转动副轴线交于132点p13-2，132线a13-2与13线a1-3交于131点p13-1；第十一运动支链前连杆13-3与第十一运动支链后连杆13-4形成移动副；第十一运动支链后连杆13-4与第十一运动支链三一转动部件13-5形成转动副，第十一运动支链三一转动部件13-5与第十一运动支链三二转动部件13-6形成转动副，其转动轴线与2线a2的公垂线为134线a13-4，134线a13-4与该转动副轴线交于133点p13-3，134线a13-4与2线a2交于134点p13-4；第十一运动支链三二转动部件13-6与主臂2形成转动副，其转动轴线为2线a2；第十一运动支链二自由度转动单元13-2为二自由度转动单元，是两个轴线不平行的转动副形成的串联关节；第十一运动支链三一转动部件13-5与第十一运动支链三二转动部件13-6组合成为三自由度转动单元，是三个轴线不共面的转动副形成的串联关节。

对于第一个实施例，将运动支链的形式由prrrrr变换为rrprrr时，以第一运动支链为例，第一运动支链被第十运动支链代替，31点p3-1、32点p3-2、33点p3-3、34点p3-4分别被121点p12-1、122点p12-2、123点p12-3、124点p12-4代替；第二运动支链被第十一运动支链代替，41点p4-1、42点p4-2、43点p4-3、44点p4-4分别被131点p13-1、132点p13-2、133点p13-3、134点p13-4代替；第一个实施例中的尺寸关系、功能仍然适用于这类运动支链。

对于第四个实施例，将运动支链的形式由prrrrr变换为rrprrr时，以第八运动支链为例，第八运动支链被第十运动支链代替，101点p10-1、102点p10-2、103点p10-3、104点p10-4分别被121点p12-1、122点p12-2、123点p12-3、124点p12-4代替；第四个实施例中的尺寸关系、功能仍然适用于这类运动支链。

若运动支链的形式替换为s’ps、s’prrr、ups、uprrr、rrps时，以第十运动支链、第十一运动支链为例，若第十运动支链二自由度转动单元12-2为球销副或者万向节，122线a12-2的长度为零，122点p12-2与121点p12-1重合；若第十一运动支链二自由度转动单元13-2为球销副或者万向节，132线a13-2的长度为零，132点p13-2与131点p13-1重合；若第十运动支链的三自由度转动单元为球副，124线a12-4的长度为零，123点p12-3与124点p12-4重合；若第十一运动支链的三自由度转动单元为球副，134线a13-4的长度为零，133点p13-3与134点p13-4重合；运动支链的尺寸关系等其他参数与支链形式为prrrrr的情况下的一致，因此运动支链的形式为s’ps、s’prrr、ups、uprrr、rrps时，2线a2都可恒指向远心点0。