單自由度移動(dòng)多環(huán)對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)，涉及機(jī)構(gòu)學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及了一種具有單自由度移動(dòng)的機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)構(gòu)由簡(jiǎn)單向復(fù)雜、平面向空間、單環(huán)向多環(huán)的不斷發(fā)展，機(jī)構(gòu)創(chuàng)新始終是機(jī)器裝備創(chuàng)新的關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)。在一些高強(qiáng)度、重載場(chǎng)合，用工業(yè)機(jī)械臂代替人力勞動(dòng)的現(xiàn)象十分普遍。這些場(chǎng)合往往要求機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維修方便，并且末端執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，容易控制的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)，剛度大，慣性低等優(yōu)點(diǎn)，但是工作空間有限；串聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧，但強(qiáng)度低，不適用于重載場(chǎng)合;混聯(lián)機(jī)構(gòu)將串聯(lián)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)彳丁有效的復(fù)合，同時(shí)突破各自結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，但是混聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)架和末端執(zhí)行器間的連接通常是以在并聯(lián)機(jī)構(gòu)上添加一個(gè)連接上下平臺(tái)的串聯(lián)機(jī)械手的形式存在，這就使整個(gè)機(jī)構(gòu)獲得較大工作空間的同時(shí)，自身的體積不夠靈巧輕便，這給機(jī)構(gòu)的裝配，運(yùn)輸以及執(zhí)行帶來不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于以上背景，本發(fā)明提供了一種可作為移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單自由度移動(dòng)對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有剛度大，承載能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配和維修方便的特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)提供專利信息和技術(shù)支持。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于正多面體結(jié)構(gòu)組成框架的特點(diǎn)，采用一種具有單自由度移動(dòng)對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案。根據(jù)組成正多面體幾何要素的特點(diǎn)，選擇兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的正四面體AB⑶和A’B’C’D’，選擇將這兩個(gè)正四面體各自包含的正三角形面B⑶和B’C’D’重合，得到新的空間多面體AB⑶A’或A B’C’D’A’，其中B與B’重合、C與C’重合、D與D’重合。用三個(gè)正四邊形構(gòu)件分別代替B’、C’和D’，用正三角形構(gòu)件代替A和A’，用九個(gè)兩桿三轉(zhuǎn)動(dòng)副桿組代替空間多面體的九條棱邊，下述方案的兩桿三轉(zhuǎn)動(dòng)副桿組簡(jiǎn)稱為桿組;根據(jù)空間多面體ABCDA’的所有棱邊和頂點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用九個(gè)桿組連接兩個(gè)正三角形構(gòu)件和三個(gè)正四邊形構(gòu)件得到耦合機(jī)構(gòu)。每個(gè)正三角形構(gòu)件上的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線均位于三角形平面內(nèi)，且相鄰軸線之間的夾角均為60°。每個(gè)正四邊形構(gòu)件的四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線均位于構(gòu)件本身所在平面內(nèi)，且相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相互垂直，對(duì)邊軸線相互平行。每個(gè)桿組由兩個(gè)二副桿串聯(lián)得到，所述二副桿均為結(jié)構(gòu)相同的同一類連接桿件，每個(gè)二副桿包含的兩個(gè)連接運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，并且這兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相平行。
[0005]該機(jī)構(gòu)包括機(jī)架(NI)、動(dòng)平臺(tái)(N5)以及連接機(jī)架與動(dòng)平臺(tái)的三條分支和三個(gè)耦合桿組。三個(gè)分支包括第一分支、第二分支、第三分支。三個(gè)耦合桿組包括第一耦合桿組、第二耦合桿組、第三耦合桿組。每個(gè)耦合桿組與其中兩個(gè)分支連接，三個(gè)分支和三個(gè)耦合桿組間隔連接形成網(wǎng)狀耦合結(jié)構(gòu)，將每個(gè)分支中連接耦合桿組的三個(gè)正四邊形構(gòu)件均定義為節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，分別為第一節(jié)點(diǎn)構(gòu)件(N4)、第二節(jié)點(diǎn)構(gòu)件(N2)和第三節(jié)點(diǎn)構(gòu)件(N3)。
[0006]第一分支包括機(jī)架的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rll)、第一桿組(LI)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(R41)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R44)、第七桿組(L7)、動(dòng)平臺(tái)第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(R51);第一桿組(LI)與機(jī)架(NI)通過機(jī)架的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rll)連接，第一桿組(LI)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一 (N4)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(R41)連接，第七桿組(L7)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一 (N4)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R44)連接;其中第一桿組(LI)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-R11-R1-R41-，第七桿組(L7)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-R44-R7-R51 -。
[0007]第二分支包括機(jī)架的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R12)、第二桿組(L2)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R22)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R24)、第八桿組(L8)、動(dòng)平臺(tái)第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R52);第二桿組(L2)與機(jī)架(NI)通過機(jī)架的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R12)連接，第二桿組(L2)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二 (N2)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R22)連接，第八桿組(L8)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二 (N2)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R24)連接;其中第二桿組(L2)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-Rl 2-R2-R22-，第八桿組(L8)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-R24-R8-R52-。
[0008]第三分支包括機(jī)架的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rl3)、第三桿組(L3)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(R33)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R34)、第九桿組(L9)、動(dòng)平臺(tái)第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(R53);第三桿組(L3)與機(jī)架(NI)通過機(jī)架的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rl 3)連接，第三桿組(L3)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三(N3)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(R33)連接，第九桿組(L9)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三(N3)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R34)連接;其中，第三桿組(L3)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-R13-R3-R33-，第九桿組(L9)的組成表示為簡(jiǎn)單串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈-R34-R9-R53-。
[0009]選擇正三角形構(gòu)件(N5)為動(dòng)平臺(tái)，第一分支通過動(dòng)平臺(tái)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(R51)連接到動(dòng)平臺(tái)(N5)，第二分支通過動(dòng)平臺(tái)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(R52)連接到動(dòng)平臺(tái)(N5)，第三分支通過動(dòng)平臺(tái)的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副(R53)連接到動(dòng)平臺(tái)(N5)，所述三個(gè)分支并聯(lián)到動(dòng)平臺(tái)(N5)上。另外，第一分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一 (N4)和第二分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二 (N2)之間通過第一耦合桿組(Ml)耦合連接，第二分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二 (N2)和第三分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三(N3)之間通過第二耦合桿組(M2)耦合連接，第三分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三(N3)和第一分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一 (N4)之間通過第三耦合桿組(M3)耦合連接。其中第一耦合桿組表示為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈(-R42-R4-R21-)，第二耦合桿組表示為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈(-R23-R5-R32-)，第三耦合桿組表示為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈(-R31-R6-R43-)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0011]1、該機(jī)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且對(duì)稱，僅有兩種形式的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件和二副桿構(gòu)件裝配得至IJ，并且整個(gè)機(jī)構(gòu)框架基于兩個(gè)正四面體組合得到的空間多面體結(jié)構(gòu)組成，前期裝配和后期維修簡(jiǎn)單方便；
[0012]2、與實(shí)現(xiàn)同樣運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的機(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈多環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)浯⒙?lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有承載力高，剛度大以及工作空間大等特點(diǎn)，適用于重載機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
[0013]3、該機(jī)構(gòu)具有單自由度移動(dòng)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，做特定方向的伸縮運(yùn)動(dòng)，根據(jù)工作條件及環(huán)境需求伸展收攏，便于運(yùn)輸，能更好的適應(yīng)特殊場(chǎng)合，有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014]圖1為將兩個(gè)完全相同的正四面體組合得到的空間多面體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:A、B、C、D為一個(gè)正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，A’、B’、C’、D’為另一個(gè)正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，使B與B，重合、(:與(:’重合、0與0 ’重合得到新的空間多面體ABCDA ’或A B ’ C ’ D ’ A ’。
[0016]圖2為基于空間多面體結(jié)構(gòu)框架的單自由度移動(dòng)多環(huán)對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)的示意圖。
[0017]圖中:N1、機(jī)架N4、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一N2、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二 N3、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三N5、動(dòng)平臺(tái)Rll、機(jī)架的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副R12、機(jī)架的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副R13、機(jī)架的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副R21、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副R22、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副R23、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副R24、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件二的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副R31、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副R32、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副R33、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副R34、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件三的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副R41、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副R42、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副R43、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副R44、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副R51、動(dòng)平臺(tái)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副R52、動(dòng)平臺(tái)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副R53、動(dòng)平臺(tái)的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副R1、桿組一(LI)中連接Rl I和R41的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R2、桿組二 (L2)中連接Rl2和R22的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、桿組三(L3)中連接Rl3和R33的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、耦合桿組一 (Ml)中連接R21和R42的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R5、耦合桿組二 (M2)中連接R23和R32的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R6、耦合桿組三(M3)中連接R31和R43的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R7、桿組七(L7)中連接R44和R51的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R8、桿組八(L8)中連接R24和R52的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副R9、桿組九(L9)中連接R34和R53的中間轉(zhuǎn)動(dòng)副。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖2所示，第一分支包括機(jī)架的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rll)、第一桿組(LI)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副(R41)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件一的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副(R44)