[发明专利]具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，属于机器人、精密仪器和设备以及机械制造领域。

背景技术

并联机构自出现以来，因其具有刚度大、精度高、承载能力强、运动惯量小等特点，广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。在并联机构的应用中，少自由度并联机构应用最广，尤其在机器人关节、空间指向及对接装置、负载模拟仿真设备等领域具有相当高的应用价值。如：公开号为US4651589中公开的基于三自由度多铰链并联机构专利，被成功用作具有两个转动自由度的并联雷达追踪器(Canterbury Satellite Tracker)；公开号为US5893296与公开号为WO99/21070中公开的一种四支链的二自由度并联转动机构，并被成功用作娱乐喷泉等装置；公开号为US7478576与公开号为US7472622中公开的一种三支链的二自由度并联转动机构。

在一类特殊的应用场合，如，空间追踪及指向装置对机构所占据的空间有较强的限制，要求机构既要有较大的运动范围又要有较强的承载能力，普通的并联转动机构不易满足设计要求。具有球面纯滚性质的并联转动机构既具有常规并联机构刚度大、承载能力强等特点，又能实现较大的运动范围，在此类场合具有很好的应用价值。目前，国内尚无此类机构的相关研究成果；国外在此类机构的研究及应用过程了虽已取得了不错的成果，但新构型很少，不易推广应用；已有的机构中运动平台和基座均是平面型，不利于对运动空间进行规划设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具有等径球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，可实现运动平台绕固定基座做二自由度等径球面纯滚转动。且具有安装传感器、线缆等附件的空间，使本发明并联转动机构在应用时运动范围大且占据空间小，具有很好的包容性；同时本发明并联转动机构还具有较大的刚度、较强的承载能力，可以广泛应用于机器人手腕、空间指向及对准装置、医疗手术装置、娱乐设施等领域。

所述球面纯滚性质的二自由度并联转动机构，包括固定基座、运动平台和运动支链；

所述固定基座为至少三个一端相交于N点的定轴构成的一体结构，各个定轴的另一端具有转动副连接轴，且各个定轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，0＜θ≤90°，由此使各个定轴向上倾斜设置。

所述运动平台为至少三个一端相交于M点的动轴构成的一体结构，各个动轴的另一端具有转动副连接端，且各个动轴与过N点的竖直中心线夹角为θ，由此使各个动轴向下倾斜设置。

固定基座中的定轴与运动平台中的动轴间通过至少三个运动支链相连；所述运动支链包括上连杆、中连杆和下连杆；上连杆与下连杆一端开有贯穿前后两侧的转动副连接孔，另一端外侧具有转动副连接轴；中连杆两端均向前侧或后侧弯折，两端均开有贯穿前后两侧的转动副连接孔；上述上连杆与下连杆均位于中连杆的前侧或后侧；其中，上连杆一端转动副连接孔与运动基座上动轴的转动副连接端连接，形成转动副；上连杆另一端转动副连接轴与中连杆一端的转动副连接孔连接，形成转动副；下连杆一端转动副连接孔与固定基座上定轴的转动副连接端相连接，形成转动副；下连杆另一端转动副连接轴与中连杆另一端的转动副连接孔连接，形成转动副。

上述结构满足以下三点：

1、上连杆和运动平台间的转动副转动轴线，与上连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点B；

2、下连杆和固定基座间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点C；

3、上连杆和中连杆间的转动副转动轴线，与下连杆和中连杆间的转动副转动轴线共面且相交于点A。

同时运动支链还需满足A、B和C三点构成的三角形ABC为A、B间距离与A、C间距离相等的等腰三角形；且在运动支链与固定基座、运动平台连接后：点B与点M重合，点C与点N重合。

由此通过旋转上连杆会产生两种运动支链构型，具体为：

构型A运动支链：上连杆与下连杆位于中连杆左侧或右侧；

构型B运动支链：下连杆与下连杆分别位于中连杆左右两侧。

本发明的优点在于：

（1）本发明二自由度并联机构在运动平台和固定基座间可以设置多个运动支链，使机构具有较大的刚度和较强的承载能力；

（2）本发明二自由度并联机构能实现运动平台可以绕固定基座实现二自由度球面纯滚转动；

（3）本发明二自由度并联机构可在固定基座上方形成一个虚拟空间，可用于容纳传感器等附件；

（4）本发明二自由度并联机构中只含有转动副，结构简单，易于制造；