一种具有2T1R与1T2R两模式的变胞并联机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有2T1R与1T2R两模式的变胞并联机构。

背景技术

具有固定自由度特性的并联机构由于其刚度大、承载能力大、精度高、等特点而广泛应用在工业机器人、运动模拟器、姿态控制器、医疗机器人等方面，但是伴随着科技的发展，在工业生产、航空航天、医疗康复等多个领域，需要能根据作业环境变化而进行运动模式自由切换的可重构机构。在此背景下，学者们对可重构并联机构研究逐渐加深，可重构并联机构主要分为两种类型，主要包括运动分岔并联机构和变胞并联机构，通过用自由度可变的变胞运动副代替运动过程中不发生改变的传统自由度运动副，从而使机构支链约束性质在运动过程中发生变化，最终设计出新型变胞机构，较比运动分岔并联机构，没有运动分岔点，两种运动模式完全独立。

目前能够实现2T1R与1T2R两模式变胞并联机构较少，且多结构复杂灵活性较差、切换模式过程复杂，运动模式容易互相干扰，运动学和动力学性能不佳，承载能力差，该类机构在焊接、钻铆曲面加工、大型设备姿态调节器、工业机器人等领域有一定应用前景。

因此，如何改变现有技术中，能够实现2T1R与1T2R两模式变胞并联机构模式切换过程复杂，且运动性能不佳、承载能力差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种具有2T1R与1T2R两模式的变胞并联机构。

本发明采用的技术手段如下：

一种具有2T1R与1T2R两模式的变胞并联机构，包括所述并联机构包括动平台、第一支链、第二支链、第三支链和定平台；所述第一支链、第二支链和第三支链设置在动平台和定平台之间，三条支链沿中心对称分布；所述第二支链和第三支链的结构相同并关于第一支链对称布置；所述第一支链由动平台至定平台之间依次设置有五个转动副、两个U副，所述第二支链和第三支链由动平台至定平台之间依次设置有五个转动副和两个U副，第一支链中靠近定平台的两个转动副和两个U副组成平行四边形构型、平行四边形构型中与定平台连接的两个转动副可通过定平台中的两个滑轨移动副连接实现移动，第一支链中与平行四边形连接的转动副、第二支链中移动副、第三支链中转动副、定平台上两个滑轨移动副为驱动副，即该并联机构共包含五个驱动副，五个驱动副驱动所述动平台相对于所述定平台实现空间二平移一转动工作模式与一平移两转动工作模式的运动与相互切换。

进一步地，所述定平台的底座为矩形平板，该矩形平板上有两条并行的移动滑轨分布在第一支链的转动副铰支座下。动平台为三角形结构，对称两角有球副铰支座，另外一角有转动铰支座，铰支座转动轴线与动平台垂直，用于和支链连接。

进一步地，所述第二支链和第三支链的结构相同，包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、支链球副、支链移动副、支链转动副，连杆Ⅰ顶端通过支链球副和动平台上的固定铰支座连接，连杆Ⅰ末端通过支链移动副和连杆Ⅱ顶端连接，连杆Ⅱ末端通过支链转动副和定平台上的固定铰支座连接。

进一步地，所述第一支链包括第一滑动铰支座、第二滑动铰支座、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆，以及第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第一虎克铰、第二虎克铰。所述第一支链中第一连杆顶端通过第一转动副和动平台上的固定铰支座连接，第二连杆顶端通过第二转动副和第一连杆末端连接，第二连杆末端通过第三转动副和第三连杆顶端连接，第三连杆末端分别通过第一虎克铰和第二虎克铰与第四连杆、第五连杆连接组成平行四边形构型，第四连杆末端通过第四转动副和第一滑动铰座连接，第五连杆末端通过第五转动副和第二滑动铰座连接，滑动铰支座与定平台上的滑轨连接。

进一步地，所述第一支链中，第一转动副轴线方向与第二、三转动副轴线方向垂直，第三连杆和第四连杆、第五连杆，通过第一虎克铰、第二虎克铰组成闭环平行四边形构型，第一滑动铰支座和第二滑动铰支座可通过与定平台上的滑轨，实现转动轴线共线。

进一步地，所述第二支链和第三支链中，支链移动副运动方向与支链转动副轴线垂直，并且通过支链球副球心。

进一步地，所述第一支链中第一滑动铰支座和第二滑动铰支座通过定平台上的滑轨，实现转动副轴线共线时，机构进入到一平移二转动的工作模式。当第一支链中滑动铰支座分开，固定在两侧使得第四连杆、第五连杆平行时，机构进入到两平移一转动的工作模式，两模式互不干扰，且不会发生奇异位形。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过驱动五个运动副，驱动动平台相对于定平台实现两平移一转动，一平移两转动的两种工作模式的运动和相互切换，以应对不同的工作环境。本并联机构支链对称分布，其承载能力强，计算和控制简单，可应用于货物的搬运与分拣、大型零部件精密机床、大型工程机械隔振系统、飞行系统模拟器等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的两平移一转动工作模式的结构示意图。

图3为本发明的一平移二转动工作模式的结构示意图。

图中：1-1、第一连杆；1-2、第二连杆；1-3、第三连杆；1-4、第四连杆；1-5、第五连杆；1-6、第一滑动铰支座；1-7、第二滑动铰支座；1A、第一转动副；1B、第二转动副；1C、第三转动副；1D、第一虎克铰；1E、第二虎克铰；1F、第一支链第四转动副；1G、第五转动副；2-1、第二支链第一连杆；2-2、第二支链第二连杆；2A、第二支链球副；2B、第二支链移动副；2C、第二支链转动副；3-1、第三支链第一连杆；3-2、第三支链第二连杆；3A、第三支链第一球副；3B、第三支链移动副；3C、第三支链转动副。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～3所示，本发明提供了一种具有2T1R与1T2R两模式的变胞并联机构，包括动平台5和定平台4，所述动平台5和所述定平台4之间设置有第一支链1、第二支链2和第三支链3，第二支链2和第三支链3对称布置，第一支链1包含三个驱动副，第二支链2和第三支链3均包含一个驱动副。故该并联机构三条支链共包含5个驱动副。通过驱动第一支链上与定平台连接的两个移动副、第一支链第三转动副1C、第二支链移动副2B、第三支链转动副3C共5个驱动副，驱动动平台5相对于定平台4实现空间两平移一转动，一平移两转动的两种工作模式的运动和相互切换。本并联机构支链对称分布，其承载能力强，计算和控制简单，可应用于货物的搬运与分拣、大型零部件精密机床、大型工程机械隔振系统、飞行模拟器等。

所述定平台4的底座为矩形平板，该矩形平板上有两条并行的移动滑轨分布在第一支链1的转动副铰支座下。动平台5为三角形结构，对称两角有球副铰支座用于和第二支链2、第三支链3连接，另外一角有转动铰支座，铰支座转动轴线与动平台垂直，用于和第一支链1连接。

所述机构共含有五个驱动副，分别为第一滑动铰支座1-6，第二滑动铰支座1-7与定平台组成的两个移动副、第三转动副1C、第二支链移动副2B、第三支链转动副3C。

所述第一支链1包括第一连杆1-1、第二连杆1-2、第三连杆1-3、第四连杆1-4、第五连杆1-5，第一滑动铰支座1-6、第二滑动铰支座1-7，以及第一转动副1A、第二转动副1B、第三转动副1C、第四转动副1F、第五转动副1G、第一虎克铰1D、第二虎克铰1E。所述第一连杆1-1顶端通过第一转动副1A和动平台5上的固定铰支座连接，第二连杆1-2顶端通过第二转动副1B和第一连杆1-1末端连接，第二连杆1-2末端通过第三转动副1C和第三连杆1-3顶端连接，第三连杆1-3末端分别通过第一虎克铰1D和第二虎克铰1E与第四连杆1-4、第五连杆1-5连接组成平行四边形构型，第四连杆1-4、第五连杆1-5末端分别通过第四转动副1F、第五转动副1G和第一支链第一滑动铰支座1-6、第二滑动铰支座1-7连接，第一滑动铰支座1-6和第二滑动铰支座1-7与定平台4上的滑轨连接。

所述机构第二支链2、第三支链3结构相同，对称布置。

其中，所述第二支链包括第二支链第一连杆2-1、第二支链第二连杆2-2以及第二支链球副2A、第二支链移动副2B、第二支链转动副2C。第二支链第一连杆2-1顶端通过第二支链球副2A和动平台5上的固定铰支座连接，第二支链第一连杆2-1末端通过第二支链移动副2B和第二支链第二连杆2-2顶端连接，第二支链第二连杆2-2末端通过第二支链转动副2C和定平台4上的固定铰支座连接。

所述第三支链3包括第三支链第一连杆3-1、第三支链第二连杆3-2以及第三支链球副3A、第三支链移动副3B、第三支链转动副3C。第三支链第一连杆3-1顶端通过第三支链球副3A和动平台5上的固定铰支座连接，第三支链第一连杆3-1末端通过第三支链移动副3B和第三支链第二连杆3-2顶端连接，第三支链第二连杆3-2末端通过第三支链转动副3C和定平台4上的固定铰支座连接。

所述第一支链1中，第一转动副1A轴线方向与第二转动副1B、第三转动副1C轴线方向垂直，第三连杆1-3、第四连杆1-4和第五连杆1-5，通过第一虎克铰1D、第二虎克铰1E组成闭环平行四边形构型，第一滑动铰支座1-6和第二滑动铰支座1-7可通过与定平台4上的滑轨，实现转动轴线共线。

所述第二支链2与第三支链3中，第二支链移动副2B运动方向与第二支链转动副2C轴线垂直，并且通过第二支链球副2A球心。

所述第一支链、第二支链2、第三支链3中，当第一滑动铰支座1-6和第第二滑动铰支座1-7通过定平台4上的滑轨，实现第四转动副1F与第五转动副1G轴线共线时，机构进入到一平移二转动的工作模式如附图3。当第一滑动铰支座1-6和第二滑动铰支座1-7分开，固定在两侧使得第四连杆1-4和第五连杆1-5平行时，机构进入到两平移一转动的工作模式如附图2，两模式完全独立，互不干扰，且不会发生奇异位形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。