具有三种自由度模式的变自由度机构

摘要

一种机器人机构学领域的具有三种自由度模式的变自由度机构，包括：静平台、动平台以及连接静平台与动平台的至少三个支链，其中：每条支链由连杆和设置于连杆两端的虎克铰组成，该虎克铰分别与静平台或动平台相连。本发明可实现单自由度变节距螺旋运动和二自由度球面纯平动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人机构学领域的技术，具体是一种能在自锁位形、单自由度变节距螺旋运动和二自由度球面纯平动三种模式间切换的具有0、1、2三种自由度模式的变自由度机构。

背景技术

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比较，并联机器人具有以下优点：无累积误差，精度较高；驱动装置可置于静平台上或接近静平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大。

少自由度并联机构是自由度少于6的并联机构，可应用于许多不需要全部6个自由度的工作任务。与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件减少、构件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等优点。少自由度并联机构比6自由度并联机构具有更复杂的运动特性，由于动平台的运动部分受到约束而表现出很多特殊的性质。

少自由度并联机构的自由度通常也是确定的，但在实际应用的机构中有一类自由度可变的机构，有其特殊的功能，统称为可重构机构。可重构机构往往能解传统机构不能解决的一些困难，在航天可展开机构，火灾救援云梯等均有应用前景。因此，设计结构简单、动平台自由度可调节的可重构并联机构在工程应用中有实用价值。

目前国际上已有的可重构机构(Reconfigurable Mechanism)按重构原理不同主要可分为三大类：运动转向机构(Kinematotropic Mechanism)、变胞机构(Metamorphic Mechanism)和多模式机构(Multiple‐Mode Mechanism)。运动转向机构的拓扑结构不改变，但具有运动分叉点，通过在分叉点处重新选择运动空间实现机构的全周自由度变化。变胞机构通过控制机构的有效杆件数目实现拓扑结构变化，从而改变机构的自由度。多模式机构(Multiple‐Mode Mechanism)的重要特点是自由度类型改变，但机构的拓扑结构和自由度数目往往不变。

由于近年来国内可重构机构(Reconfigurable Mechanism)和变胞机构(Metamorphic Mechanism)发展迅速，变胞机构内涵不断丰富，逐渐成可重构机构的代名词。运动转向机构(Kinematotropic Mechanism)和多模式机构(Multiple‐Mode Mechanism)在国内也常常被称为变胞机构。但现有可重构机构数量虽多，原理类型却还不够丰富，重构原理的创新更是凤毛麟角。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103302660A公开(公告)日2013.09.18， 公开了一种机器人技术领域的两自由度变胞机构，包括：动平台、三个静平台和分别连接两种平台的三个支路，其中：第一支路和第二支路的结构相同，分别包括：依次由连杆相连的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向副，其中：第一单自由度运动副与第一静平台或第二静平台相连，第一万向副或第二万向副与动平台相连；第三支路有两种情况。但该技术理论上属于运动转向机构(Kinematotropic Mechanism)，其初始位置为运动分叉点。虽然机构的拓扑结构始终不变，但是一旦选定运动空间之后，处于另一运动空间中的部分运动副失效。例如，在具体实施方式的各个案例中，当机构绕第一转动轴线L11转动后，万向铰U2中L21对应的转动副失效，只有L22对应的转动副起作用，反之亦然。

中国专利文献号CN103552058A公开(公告)日2014.02.05，公开了一种可实现纯平动和纯转动的并联变胞机构，涉及机器人设计技术领域。该技术的并联变胞机构包括静平台、动平台、连接静平台和动平台且均匀分布的三条相同结构运动链以及构态转换机构。构态转换机构由分别设置在静平台和动平台上的结构相同的两部分组成，每个部分包括连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ和对心机构。连杆Ⅲ和连杆Ⅳ之间通过滑动副连接，连杆Ⅲ的另一端与虎克铰连接，连杆Ⅳ的另一端与对心机构的圆盘之间转动副连接。连杆Ⅴ一端与对心机构的圆盘相连，另一端与静平台或动平台相连。该技术主要通过改变每一条支链对动平台的约束类型从而改变动平台所受的公共约束，最终实现机构自由度类型的改变，但自由度数目并未改变。

发明内容

本发明针对现有可重构机构重构原理创新难的问题，提出一种具有三种自由度模式的变自由度机构，在并联机构每一条支链对动平台的约束类型均不改变的前提下，仅通过调节各支链间约束的组合方式，最终实现动平台自由度类型和数目的改变。

本发明具体通过以下技术方案实现：

本发明包括：静平台、动平台以及连接静平台与动平台的至少三个支链，其中：每条支链由连杆和设置于连杆两端的虎克铰组成，该虎克铰分别与静平台或动平台相连。

所述的动平台与静平台完全相同且始终保持平行，各虎克铰完全相同，各连杆完全相同。

所述的虎克铰中：与连杆相连的一端的轴线和与静平台或动平台相连一端的轴线相互垂直，其中：与静平台或动平台相连一端的轴线始终垂直于动平台及静平台，与连杆相连的一端的轴线始终平行于动平台及静平台。

所述的动平台的自由度为0、1或2。

当动平台的自由度为0是指：各条支链均垂直于动、静平台，拥有一个局部自由度，且所有支链位于同一圆柱面上；所述变自由度的自由度全部为局部自由度，自由度的数目等于支链的数目，同一支链上两个虎克铰的与静平台或动平台相连一端的轴线始终保持共线；所述动 平台受到的公共约束为6。

当动平台的动平台的自由度为1是指：动平台沿上述圆柱的轴线作变节距螺旋运动，此时机构不存在局部自由度，任意一个关节均可作为驱动；所述动平台受到的公共约束为5。

当动平台的动平台的自由度为2是指：动平台作球面纯平动，该球面平移运动的球心上述圆柱轴线与靠近静平台一端所有虎克铰的与连杆相连的一端的轴线所在平面的交点，半径等于连杆的有效长度；所述的连杆有效长度是连杆两段虎克铰的与静平台或动平台相连一端的轴线之间的距离；所述的球面平移运动可通过任意一个虎克铰的两根轴线驱动；所述动平台受到的公共约束为4。

本发明通过调节各支链对动平台的公共约束实现其自由度变化，从而实现动平台0自由度、1自由度、2自由度之间的转换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为实施例构态I示意图。

图3和图4为实施例构态II示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施案例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：静平台1、动平台2、连接静、动平台的至少三个支链3。

本装置在图1所示位形下各支链3位于同一圆柱面8上且所有支链3结构相同，即均由连杆4和设置于连杆4两端的虎克铰5组成，该虎克铰5分别与静平台1或动平台2连接。

在任意构态下，虎克铰轴线6始终垂直于静平台1和动平台2，虎克铰轴线7始终平行于静平台1和动平台2。

本装置共有以下三种不同自由度的构态：

构态I：在图1所示位形下使动平台2绕圆柱的轴线9转动，动平台2的自由度为1，所有支链3的连杆4均绕虎克铰轴线7转动，同时虎克铰绕其轴线6转动。运动时动平台2沿圆柱轴线9作变节距螺旋运动，同一支链上两个虎克铰的轴线6不再共线，但所有虎克铰的轴线6始终相互平行。结果如图2所示。

构态II：在图1所示位形下使全部支链3绕其上虎克铰的轴线6转动直至所有支链上虎克铰的轴线7相互平行，如图3所示。动平台2的自由度为2，运动时动平台2作球面平移运动，球心为各支链靠近静平台1一端的虎克铰轴线7所在平面与圆柱面轴线9的交点，半径等 于连杆4的有效长度。结果如图4所示。

构态III：在如图1所示位形下，使各支链间虎克铰的轴线即不同时指向圆柱的轴线9，又不，相互平行，机构处于自锁状态，动平台2的自由度为0。机构局部自由度数等于支链数。