一种过约束自平衡三自由度并联平台的制作方法
【专利摘要】一种过约束自平衡三自由度并联运动平台，其包括基座、动平台、一个5杆闭环运动链和两条结构完全相同的驱动分支，其中5杆闭环运动链由直线作动器、两个同轴的第一转动副、三角框、第二转动副、公共轴、第三转动副和弹簧助力移动副组成，两条驱动分支均由直线作动器、第一万向铰、连杆和球铰组成，动平台通过两个同轴的第四转动副与5杆闭环运动链的公共轴两端连接，弹簧助力移动副竖直安装在基座中心。本发明具有固定的解耦转轴，绕基座中心线的扭转刚度大，承载能力强。
【专利说明】
一种过约束自平衡三自由度并联平台
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种并联机构，特别是一种并联运动平台。
【背景技术】
[0002] 近些年来并联机构越来越多的被应用到各个领域，其具有结构紧凑、刚度大、承载 能力强和位姿误差不累积等优点。尤其是少自由度并联机器人，其具有机械结构简单，制造 和控制成本相对较低等优点。现有典型的两转一移并联机器人存在结构耦合和扭转刚度不 尚等缺点。
[0003] 中国专利CN 201410160309.7提出了一种三自由度球心可调球面并联机构，该发 明中分支采用对称的三条完全相同的驱动支链加上可调高的中心球面副来连接上下平台， 但其扭转刚度有限，承载能力不高。
[0004] 中国专利CN 201210530365.6提出了具有平面四连杆闭环结构的三自由度并联模 拟台，其包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中分布在周围的为三条结 构完全相同的丨&^353^驱动分支，另一条为ps中间承载约束分支。其不足之处是:机构存 在耦合，没有弹簧装置来平衡上平台重量，扭转刚度有限。
[0005] 中国专利CN 200510052261.9提出了一种可调式具有被动约束分支三自由度并联 机器人机构，该发明中分支采用对称的三条完全相同的SPS分支，并用一UP分支连接上下平 台，且被动约束分支的约束位姿是可调的。但该机构没有固定的解耦转轴，且不能实现上平 台的自平衡，扭转刚度有限。
[0006] 中国专利CN 201520357669.6提出了一种对称三自由度冗余驱动并联式天线结构 系统，其机构采用的是三条均布的RSR支链和连接在上下平台中心的SP约束分支，但其存在 机构的扭转刚度低，没有固定的解耦转轴，扭转刚度有限等缺点。
[0007] 中国专利CN 201410468846.8提出了一种具有等效Tricept机构运动的过约束三 自由度并联机构，该发明中分支采用的是均布的2-UPS/UPR加上连接上下平台中心的UP约 束分支。但该机构没有固定的解耦转轴，且不能实现上平台的自平衡，扭转刚度有限。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种具有固定解耦转轴、扭转刚度高和承载能力强的过约 束自平衡三自由度并联平台。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 本发明包括基座、动平台、一个5杆闭环运动链和两条结构完全相同的驱动分支。 本发明采用两种布置方式：
[0011] 第一种布置方式:所述基座是在六棱平台上均设3个斜面支撑块，这3个斜面支撑 块的上端均与一个设有中心通孔的平台固连;5杆闭环运动链由直线作动器、两个同轴的第 一转动副、三角框、第二转动副、公共轴、第三转动副和弹簧助力移动副组成，其中直线作动 器固定在基座的斜面支撑块上，三角框的下边两端通过两个同轴的第一转动副与直线作动 器的滑块连接，三角框的上端通过第二转动副与公共轴的一端连接，所述公共轴的两端分 别通过两个同轴的第四转动副与动平台连接，置于基座的平台中心通孔内的弹簧助力移动 副壳体上端与该平台固连，弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动副与公共轴的另一端 连接;同轴的两个第一转动副轴线、第二转动副轴线和第三转动副轴线均互相平行，直线作 动器和弹簧助力移动副中心线共面且垂直于第一、第二、第三转动副轴线，弹簧助力移动副 中心线与基座中心线共线，两个共轴第四转动副轴线与动平台平面平行且与第一、第二、第 三转动副轴线垂直;所述两条驱动分支均由直线作动器、第一万向铰、连杆和球铰组成，其 中直线作动器分别固定在另外两个基座的斜面支撑块上，直线作动器的滑块通过第一万向 铰与连杆的一端连接，该连杆的另一端通过球铰与动平台连接。
[0012] 所述第二转动副和其中一个第四转动副可由第二万向铰替代，第三转动副和另一 个第四转动副可由第三万向铰替代。所述第二、第三万向铰的其中一个转轴同轴，且与公共 轴同轴，第二、第三万向铰的另一个转轴线相互平行且平行于第一转动副轴线。
[0013] 所述弹簧助力移动副上设有直线位置检测传感器，弹簧助力移动副上端的第三转 动副转轴和第四转动副的转轴上设有角度检测传感器。
[0014] 第二种布置方式:所述基座为六棱平台，5杆闭环运动链由两个同轴的第一转动 副、三角框、直线作动器、第二转动副、公共轴、第三转动副和弹簧助力移动副组成，其中直 线作动器外壳的下端通过支撑柱与三角框下框中心固连，该直线作动器外壳的上端与三角 框的上端固连，该三角框的下边两端通过两个同轴的第一转动副与基座连接，直线作动器 动杆的上端通过第二转动副与公共轴的一端连接，弹簧助力移动副的壳体下端与基座中心 固连，弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动副与公共轴的另一端连接，该公共轴的两 端分别通过两个同轴的第四转动副与动平台连接;两个第一转动副轴线、第二转动副轴线 和第三转动副轴线均互相平行，直线作动器和弹簧助力移动副中心线共面且垂直于第一、 第二、第三转动副轴线，弹簧助力移动副中心线与基座中心线共线;两个第四转动副轴线与 动平台平面平行且与第一、第二、第三转动副轴线垂直;所述两条驱动分支均由第一万向 铰、直线作动器和球铰组成，其中直线作动器一端通过第一万向铰与基座连接，直线作动器 的另一端通过球铰与动平台连接。
[0015] 所述第二转动副和其中一个第四转动副可由第二万向铰替代，第三转动副和另一 个第四转动副可由第三万向铰替代;所述第二、第三万向铰的其中一个转轴同轴，且与公共 轴同轴，第二、第三万向铰的另一个转轴线相互平行且平行于第一转动副轴线。
[0016] 所述弹簧助力移动副上设有直线位置检测传感器，弹簧助力移动副上端的第三转 动副转轴和第四转动副的转轴上设有角度检测传感器。
[0017] 本发明与现有的相关技术相比具有如下优点：
[0018] 1、具有固定的解耦转轴，这使解算位姿容易，易于控制。
[0019] 2、本发明包含的一条5杆闭环运动链是一种过约束结构，这种结构的设计大大的 提高了机构绕竖直中心转轴方向的扭转刚度。
[0020] 3、位于上下平台中心的弹簧助力移动副包含有一个弹簧，它有效承载了上平台的 一部分重量，实现了上平台的自平衡，大大减轻驱动分支的负载，从而提高了动平台的承载 能力和动态性能。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1的立体示意简图；
[0022]图2为图1的弹黄助力移动副剖视图；
[0023] 图3为本发明实施例2的立体示意简图；
[0024] 图4为本发明实施例3的立体示意简图；
[0025] 图5为图1的弹黄助力移动副剖视图；
[0026] 图6为本发明实施例4的立体示意简图。
[0027]图1-3中：1-1.基座、1-2.直线作动器、1-3.第一转动副、1-4.三角框、1-5 .第二转 动副、1-6.公共轴、1-7.第三转动副、1-8.第四转动副、1-9.弹簧助力移动副、1-10.第一万 向铰、1-11.连杆、1-12.球铰、1-13.动平台、1-14.第二万向铰、1-15.第三万向铰1-16.直线 位置检测传感器、1-17.角度检测传感器。
[0028]图4-6中：2-1.基座、2-2.第一转动副、2-3.三角框、2-4.直线作动器、2-5 .第二转 动副、2-6.动平台、2-7.第四转动副、2-8.第三转动副、2-9.公共轴、2-10.弹簧助力移动副、 2-11.第一万向铰、2-12.球铰、2-13.第二万向铰、2-14.第三万向铰。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1
[0030] 在图1和图2所示的过约束自平衡三自由度并联运动平台示意图中，基座1-1是在 六棱平台上均设3个斜面支撑块，这3个斜面支撑块的上端均与一个设有中心通孔的平台固 连;5杆闭环运动链中的直线作动器1-2固定在基座的斜面支撑块上，三角框1-4的下边两端 通过两个同轴的第一转动副1-3与直线作动器的滑块连接，三角框的上端通过第二转动副 1-5与公共轴1-6的一端连接，所述公共轴的两端分别通过两个同轴的第四转动副1-8与动 平台1-13连接，置于基座的平台中心通孔内的弹簧助力移动副1-9壳体上端与该平台固连， 弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动副1-7与公共轴的另一端连接；同轴的两个第一 转动副轴线、第二转动副轴线和第三转动副轴线均互相平行，直线作动器和弹簧助力移动 副中心线共面且垂直于第一、第二、第三转动副轴线，弹簧助力移动副中心线与基座中心线 共线，两个共轴第四转动副轴线与动平台平面平行且与第一、第二、第三转动副轴线垂直； 两条结构相同的驱动分支中的直线作动器分别固定在另外两个基座的斜面支撑块上，直线 作动器的滑块通过第一万向铰1-10与连杆1-11的一端连接，该连杆的另一端通过球铰1-12 与动平台连接。
[0031]弹簧助力移动副上设有直线位置检测传感器1-16,弹簧助力移动副上端的第三转 动副转轴和第四转动副的转轴上设有角度检测传感器1-17。
[0032] 实施例2
[0033] 如图3所示，5杆闭环运动链中的三角框1-4的上端通过第二万向铰1-14与动平台 1-13连接，弹簧助力移动副1-9的动杆上端通过第三万向铰1-15与动平台连接;所述第二、 第三万向铰的其中一个转轴同轴，此轴线方向及排布位置与实施例1的公共轴1-6相同，第 二、第三万向铰的另一个转轴线方向及排布位置与实施例1的第二转动副1-5和第三转动副 1-7的轴线相同；其它部件和连接关系与实施例1相同。
[0034] 实施例3
[0035] 如图4和图5所示，基座2-1为六棱平台，5杆闭环运动链中直线作动器2-4外壳的下 端通过支撑柱与三角框2-3下框中心固连，该直线作动器外壳的上端与三角框的上端固连， 该三角框的下边两端通过两个同轴的第一转动副2-2与基座连接，直线作动器动杆的上端 通过第二转动副2-5与公共轴2-9的一端连接，弹簧助力移动副2-10的壳体下端与基座中心 固连，弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动副2-8与公共轴的另一端连接，该公共轴的 两端分别通过两个同轴的第四转动副2-7与动平台2-6连接;两个第一转动副轴线、第二转 动副轴线和第三转动副轴线均互相平行，直线作动器和弹簧助力移动副中心线共面且垂直 于第一、第二、第三转动副轴线，弹簧助力移动副中心线与基座中心线共线;两个第四转动 副轴线与动平台平面平行且与第一、第二、第三转动副轴线垂直;两条结构相同的驱动分支 中的直线作动器一端通过第一万向铰2-11与基座连接，直线作动器的另一端通过球铰2-12 与动平台连接。
[0036] 实施例4
[0037] 如图6所示，5杆闭环运动链中的直线作动器动杆的上端通过第二万向铰2-13与动 平台2-6连接，弹簧助力移动副2-10的动杆上端通过第三万向铰2-14与动平台连接;所述第 二、第三万向铰其中一个转轴同轴，此轴线方向及排布位置与实施例3的公共轴2-9相同，第 二、第三万向铰的另一个转轴线方向及排布位置与实施例3的第二转动副2-5和第三转动副 2-8轴线相同；其它部件和连接关系与实施例3相同。
【主权项】
1. 一种过约束自平衡三自由度并联平台，其包括基座、动平台、一个5杆闭环运动链和 两条结构完全相同的驱动分支，其特征在于:所述基座是在六棱平台上均设3个斜面支撑 块，这3个斜面支撑块的上端均与一个设有中心通孔的平台固连;5杆闭环运动链由直线作 动器、两个同轴的第一转动副、三角框、第二转动副、公共轴、第三转动副和弹簧助力移动副 组成，其中直线作动器固定在基座的斜面支撑块上，三角框的下边两端通过两个同轴的第 一转动副与直线作动器的滑块连接，三角框的上端通过第二转动副与公共轴的一端连接， 所述公共轴的两端分别通过两个同轴的第四转动副与动平台连接，置于基座的平台中心通 孔内的弹簧助力移动副壳体上端与该平台固连，弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动 副与公共轴的另一端连接；同轴的两个第一转动副轴线、第二转动副轴线和第三转动副轴 线均互相平行，直线作动器和弹簧助力移动副中心线共面且垂直于第一、第二、第三转动副 轴线，弹簧助力移动副中心线与基座中心线共线，两个共轴第四转动副轴线与动平台平面 平行且与第一、第二、第三转动副轴线垂直;所述两条驱动分支均由直线作动器、第一万向 铰、连杆和球铰组成，其中直线作动器分别固定在另外两个基座的斜面支撑块上，直线作动 器的滑块通过第一万向铰与连杆的一端连接，该连杆的另一端通过球铰与动平台连接。2. -种过约束自平衡三自由度并联平台，其包括基座、动平台、一个5杆闭环运动链和 两条结构完全相同的驱动分支，其特征在于:所述基座为六棱平台，5杆闭环运动链由两个 同轴的第一转动副、三角框、直线作动器、第二转动副、公共轴、第三转动副和弹簧助力移动 副组成，其中直线作动器外壳的下端通过支撑柱与三角框下框中心固连，该直线作动器外 壳的上端与三角框的上端固连，该三角框的下边两端通过两个同轴的第一转动副与基座连 接，直线作动器动杆的上端通过第二转动副与公共轴的一端连接，弹簧助力移动副的壳体 下端与基座中心固连，弹簧助力移动副的动杆上端通过第三转动副与公共轴的另一端连 接，该公共轴的两端分别通过两个同轴的第四转动副与动平台连接;两个第一转动副轴线、 第二转动副轴线和第三转动副轴线均互相平行，直线作动器和弹簧助力移动副中心线共面 且垂直于第一、第二、第三转动副轴线，弹簧助力移动副中心线与基座中心线共线;两个第 四转动副轴线与动平台平面平行且与第一、第二、第三转动副轴线垂直;所述两条驱动分支 均由第一万向铰、直线作动器和球铰组成，其中直线作动器一端通过第一万向铰与基座连 接，直线作动器的另一端通过球铰与动平台连接。3. 根据权利要求1或2所述的过约束自平衡三自由度并联平台，其特征在于:所述第二 转动副和其中一个第四转动副可第二万向铰替代，第三转动副和另一个第四转动副由第三 万向铰替代;所述第二、第三万向铰的其中一个转轴同轴，且与所述公共轴同轴，第二、第三 万向铰的另一个转轴线相互平行且平行于所述第一转动副轴线。4. 根据权利要求1、2或3所述的一种过约束自平衡三自由度并联运动平台，其特征在 于:所述弹簧助力移动副上设有直线位置检测传感器，弹簧助力移动副上端的第三转动副 转轴和第四转动副的转轴上设有角度检测传感器。
【文档编号】B25J9/00GK106002956SQ201610555823
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】赵铁石, 胡强强, 宋晓鑫, 丁甲
【申请人】燕山大学