两自由度球面运动并联机构的制作方法

本发明属于并联机构技术领域，特别涉及一种两自由度球面运动并联机构。

背景技术：

球面机构作为一类特殊的空间机构，当机构运动时,其构件上所有点在一个与固定点保持不变距离的球面上运动。球面机构具有结构简单、工作空间大等优点。球面两自由度机构可以实现沿球面曲线的运动，在食品、药品的包装，工艺产品的加工，球形物体的检测等方面应用广泛。

现有的球面两自由度并联机构中，其输出运动都是机构上一点在球面上的移动，而很多情况需要末端连杆在球面上具有灵活的运动，且结构更简单的机构。

技术实现要素：

针对以上情况，本发明提供了一种固定连杆与末端连杆通过第一对称运动分支和第二对称运动分支连接，在运动过程中固定连杆和末端连杆始终关于中间平面保持对称，并且末端连杆具有以球心为转动中心的两自由度球面运动并联机构。

本发明采用的技术方案是，一种两自由度球面运动并联机构，其包括固定连杆、末端连杆以及设置在所述固定连杆与末端连杆之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，所述第一对称运动分支由第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆和第三转动副构成rrr串联分支，所述第一连杆的第一端通过所述第一转动副与所述固定连杆的第一端相连，且所述第一连杆的第二端通过所述第二转动副与所述第二连杆的第一端相连，所述第二连杆的第二端通过所述第三转动副与所述末端连杆的第一端相连，且所述固定连杆、第一连杆以及第二连杆均呈弧形结构，所述固定连杆、第一连杆以及第二连杆所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心，且所述第一转动副、第二转动副以及第三转动副的中心轴线均汇交于所述第一球心；所述第二对称运动分支由第一圆柱副、第三连杆、第四转动副、第四连杆和第二圆柱副构成crc串联分支，所述第三连杆的第一端通过所述第一圆柱副与所述固定连杆的第二端相连，且所述第三连杆的第二端通过所述第四转动副与所述第四连杆的第一端相连，所述第四连杆的第二端通过所述第二圆柱副与所述末端连杆的第二端相连，所述第四转动副中心轴线经过所述第一圆柱副转动副轴线与第二圆柱副转动副轴线的交点，过所述交点且同时与所述第一圆柱副中的移动副轴线和第二圆柱副中的移动副轴线垂直的直线不过所述第一球心。

进一步地，所述第二转动副轴线与所述第四转动副轴线间的连线、所述第四转动副轴线与所述第一球心间的连线以及所述第一球心与所述第二转动副轴线间的连线构成中间平面，所述固定连杆与末端连杆之间、所述第一对称运动分支中的第一连杆与第二连杆之间以及所述第二对称运动分支中的第三连杆与第四连杆之间均关于所述中间平面对称，且机构运动过程中所述固定连杆与末端连杆始终关于所述中间平面对称。

优选地，所述第一球心为两自由度球面运动并联机构的转动中心。

优选地，所述固定连杆所在平面的圆弧圆心、第一连杆所在平面的圆弧圆心、第二连杆所在平面的圆弧圆心以及末端连杆所在平面内的圆弧圆心均重合于所述第一球心，且所述固定连杆所在平面的圆弧半径、第一连杆所在平面的圆弧半径、第二连杆所在平面的圆弧半径以及末端连杆所在平面内的圆弧半径相等。

本发明的第二方面采用的技术方案是，一种两自由度球面运动并联机构，其包括固定连杆、末端连杆以及设置在所述固定连杆与末端连杆之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，所述第一对称运动分支由第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆和第三转动副构成rrr串联分支，所述第一连杆的第一端通过所述第一转动副与所述固定连杆的第一端相连，且所述第一连杆的第二端通过所述第二转动副与所述第二连杆的第一端相连，所述第二连杆的第二端通过所述第三转动副与所述末端连杆的第一端相连，且所述固定连杆、第一连杆以及第二连杆均呈弧形结构，所述固定连杆、第一连杆以及第二连杆所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心，且所述第一转动副、第二转动副以及第三转动副的中心轴线均汇交于所述第一球心；所述第二对称运动分支由第一移动副、第三连杆、第一球副、第四连杆和第二移动副构成psp串联分支，所述第三连杆的第一端通过所述第一移动副与所述固定连杆的第二端相连，且所述第三连杆的第二端通过所述第一球副与所述第四连杆的第一端相连，所述第四连杆的第二端通过所述第二移动副与所述末端连杆的第二端相连，过所述第一球副转动中心且同时与所述第一移动副轴线和第二移动副轴线垂直的直线不过所述第一球心。

进一步地，所述第二转动副轴线与所述第一球副转动中心间的连线、所述第一球副转动中心与所述第一球心间的连线以及所述第一球心与所述第二转动副轴线间的连线构成中间平面，所述固定连杆与末端连杆之间、所述第一对称运动分支中的第一连杆与第二连杆之间以及所述第二对称运动分支中的第三连杆与第四连杆之间均关于所述中间平面对称，且机构运动过程中所述固定连杆与末端连杆始终关于所述中间平面对称。

优选地，所述第一球心为两自由度球面运动并联机构的转动中心。

优选地，所述固定连杆所在平面的圆弧圆心、第一连杆所在平面的圆弧圆心、第二连杆所在平面的圆弧圆心以及末端连杆所在平面内的圆弧圆心均重合于所述第一球心，且所述固定连杆所在平面的圆弧半径、第一连杆所在平面的圆弧半径、第二连杆所在平面的圆弧半径以及末端连杆所在平面内的圆弧半径相等。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种两自由度球面运动并联机构，固定连杆与末端连杆通过第一对称运动分支和第二对称运动分支连接，在运动过程中固定连杆和末端连杆始终关于中间平面对称，可以实现完全对称的运动。

2、本发明提供的一种两自由度球面运动并联机构，末端连杆可以实现绕中间平面上过转动中心的以任意一条直线为轴线的连续转动，给机构的应用和控制带来了很大的方便，具有广阔的应用前景。

3、本发明提供的一种两自由度球面运动并联机构，比现有二自由度机构所用到的连杆个数更少，结构更简单，可操作性更强。

4、本发明提供的一种球面两自由度并联机构，末端连杆以任意一条位于中间平面且过转动中心的直线为轴线做无伴随运动，给机构的控制及应用部分，带来极大便利。

附图说明

图1是本发明的实施例1结构示意图；

图2为本发明的固定连杆结构示意图；

图3为本发明的第一连杆结构示意图；

图4为本发明的第二连杆结构示意图；

图5为本发明的末端连杆结构示意图；

图6是本发明的实施例2结构示意图；

图7是本发明的实施例3结构示意图；

图8是本发明的实施例4结构示意图。

主要附图标记：

固定连杆1；第一连杆2；第二连杆3；末端连杆4；第三连杆5；第四连杆6；转动副r；球副s；移动副p；圆柱副c；第一球心o。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种两自由度球面运动并联机构，如图1所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一圆柱副c1、第三连杆5、第四转动副r4、第四连杆6和第二圆柱副c2构成crc串联分支，第三连杆5的第一端通过第一圆柱副c1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第四转动副r4与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二圆柱副c2与末端连杆4的第二端相连，第四转动副r4中心轴线经过第一圆柱副c1转动副轴线与第二圆柱副c2转动副轴线的交点d1，且过交点d1且同时与第一圆柱副c1中的移动副轴线和第二圆柱副c2中的移动副轴线垂直的直线不过第一球心o。

进一步地，第二转动副r2轴线与第四转动副r4轴线间的连线、第四转动副r4轴线与第一球心o间的连线以及第一球心o与第二转动副r2轴线间的连线构成中间平面b，固定连杆1与末端连杆4之间、第一对称运动分支中的第一连杆2与第二连杆3之间以及第二对称运动分支中的第三连杆5与第四连杆6之间均关于中间平面b对称，且机构运动过程中固定连杆1与末端连杆4始终关于中间平面b对称。

优选地，第一球心o为两自由度球面运动并联机构的转动中心。

如图2～图5所示，固定连杆1所在平面的圆弧圆心o1、第一连杆2所在平面的圆弧圆心o2、第二连杆3所在平面的圆弧圆心o3以及末端连杆4所在平面内的圆弧圆心o4均重合于第一球心o，且固定连杆所在平面的圆弧半径r1、第一连杆2所在平面的圆弧半径r2、第二连杆3所在平面的圆弧半径r3以及末端连杆4所在平面内的圆弧半径r4相等，其中固定连杆1和末端连杆4的ln段为弧形，mn段为与ln段相切的直线段。

本发明的第二方面采用的技术方案是，一种两自由度球面运动并联机构，如图7所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一移动副p1、第三连杆5、第一球副s1、第四连杆6和第二移动副p2构成psp串联分支，第三连杆5的第一端通过第一移动副p1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第一球副s1与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二移动副p2与末端连杆4的第二端相连，过第一球副s1转动中心且同时与第一移动副p1轴线和第二移动副p2轴线垂直的直线不过第一球心o。

进一步地，第二转动副r2轴线与第一球副s1转动中心间的连线、第一球副s1转动中心与第一球心o间的连线以及第一球心o与第二转动副r2轴线间的连线构成中间平面b，固定连杆1与末端连杆4之间、第一对称运动分支中的第一连杆2与第二连杆3之间以及第二对称运动分支中的第三连杆5与第四连杆6之间均关于中间平面b对称，且机构运动过程中固定连杆1与末端连杆4始终关于中间平面b对称。

优选地，第一球心o为两自由度球面运动并联机构的转动中心。

如图2～图5所示，固定连杆1所在平面的圆弧圆心o1、第一连杆2所在平面的圆弧圆心o2、第二连杆3所在平面的圆弧圆心o3以及末端连杆4所在平面内的圆弧圆心o4均重合于第一球心o，且固定连杆1所在平面的圆弧半径r1、第一连杆2所在平面的圆弧半径r2、第二连杆3所在平面的圆弧半径r3以及末端连杆4所在平面内的圆弧半径r4相等，其中固定连杆1和末端连杆4的ln段为弧形，mn段为与ln段相切的直线段。

本发明的具体操作步骤如下：

实施例1

本发明提供一种两自由度球面运动并联机构，如图1所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一圆柱副c1、第三连杆5、第四转动副r4、第四连杆6和第二圆柱副c2构成crc串联分支，第三连杆5的第一端通过第一圆柱副c1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第四转动副r4与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二圆柱副c2与末端连杆4的第二端相连，第四转动副r4中心轴线经过第一圆柱副c1转动副轴线与第二圆柱副c2转动副轴线的交点d1，且过交点d1且同时与第一圆柱副c1中的移动副轴线和第二圆柱副c2中的移动副轴线垂直的直线不过第一球心o。

本发明将固定连杆1与第一连杆2连接的转动副r1及固定连杆1与第三连杆5连接的圆柱副c1中的移动副作为驱动副；将末端连杆4作为机构的输出连杆，末端连杆4始终在球面上进行运动。

在驱动副发生运动以后，第一连杆2、第二连杆3、末端连杆4、第三连杆5、第四连杆6一起随着驱动副发生运动，最终末端连杆4可以以过第一球心o且位于中间平面b上的任意一条直线为轴线进行无伴随运动，发生沿着球面方向运动。

实施例2

本发明提供一种两自由度球面运动并联机构，如图6所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一圆柱副c1、第三连杆5、第四转动副r4、第四连杆6和第二圆柱副c2构成crc串联分支，第三连杆5的第一端通过第一圆柱副c1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第四转动副r4与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二圆柱副c2与末端连杆4的第二端相连，第四转动副r4中心轴线、第一圆柱副c1转动副轴线以及第二圆柱副c2转动副轴线相交于一点d2，且过该点d2且同时与第一圆柱副c1中的移动副轴线和第二圆柱副c2中的移动副轴线垂直的直线不过第一球心o。

本发明将固定连杆1与第一连杆2连接的转动副r1及固定连杆1与第三连杆5连接的圆柱副c1中的移动副作为驱动副；将末端连杆4作为机构的输出连杆，末端连杆4始终在球面上进行运动。

在驱动副发生运动以后，第一连杆2、第二连杆3、末端连杆4、第三连杆5、第四连杆6一起随着驱动副发生运动，最终末端连杆4可以以过第一球心o且位于中间平面b上的任意一条直线为轴线进行无伴随运动，发生沿着球面方向运动。

实施例3

本发明的第二方面提供一种两自由度球面运动并联机构，如图7所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一移动副p1、第三连杆5、第一球副s1、第四连杆6和第二移动副p2构成psp串联分支，第三连杆5的第一端通过第一移动副p1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第一球副s1与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二移动副p2与末端连杆4的第二端相连，过第一球副s1转动中心且同时与第一移动副p1轴线和第二移动副p2轴线垂直的直线不过第一球心o。

本发明将固定连杆1与第一连杆2连接的转动副r1及固定连杆1与第三连杆5连接的移动副p1作为驱动副；将末端连杆4作为机构的输出连杆，末端连杆4始终在球面上进行运动。

在驱动副发生运动以后，第一连杆2、第二连杆3、末端连杆4、第三连杆5、第四连杆6一起随着驱动副发生运动，最终末端连杆4可以以过第一球心o且位于中间平面b上的任意一条直线为轴线进行无伴随运动，发生沿着球面方向运动。

实施例4

本发明的第二方面提供一种两自由度球面运动并联机构，如图8所示，其包括固定连杆1、末端连杆4以及设置在固定连杆1与末端连杆4之间的第一对称运动分支和第二对称运动分支，第一对称运动分支由第一转动副r1、第一连杆2、第二转动副r2、第二连杆3和第三转动副r3构成rrr串联分支，第一连杆2的第一端通过第一转动副r1与固定连杆1的第一端相连，且第一连杆2的第二端通过第二转动副r2与第二连杆3的第一端相连，第二连杆3的第二端通过第三转动副r3与末端连杆4的第一端相连，且固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3均呈弧形结构，固定连杆1、第一连杆2以及第二连杆3所在平面的圆弧圆心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一转动副r1、第二转动副r2以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o；第二对称运动分支由第一移动副p1、第三连杆5、第一球副s1、第四连杆6和第二移动副p2构成psp串联分支，第三连杆5的第一端通过第一移动副p1与固定连杆1的第二端相连，且第三连杆5的第二端通过第一球副s1与第四连杆6的第一端相连，第四连杆6的第二端通过第二移动副p2与末端连杆4的第二端相连，第一移动副p1轴线与第二移动副p2轴线的交点过第一球副s1的转动中心，且过第一球副s1转动中心且同时垂直于第一移动副p1和第二移动副p2的直线不过第一球心o。

本发明将固定连杆1与第一连杆2连接的转动副r1及固定连杆1与第三连杆5连接的移动副p1作为驱动副；将末端连杆4作为机构的输出连杆，末端连杆4始终在球面上进行运动。

在驱动副发生运动以后，第一连杆2、第二连杆3、末端连杆4、第三连杆5、第四连杆6一起随着驱动副发生运动，最终末端连杆4可以以过第一球心o且位于中间平面b上的任意一条直线为轴线进行无伴随运动，发生沿着球面方向运动。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除