[发明专利]具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有中心球面副的偏置输出三自由度球面并联机构，属于机构学或机械领域。

背景技术

加拿大学者Gosselin在1994年提出了一种球面三自由度并联机构的设计方法，并设计了‘摄像机自动定位装置’，其工作空间为：半锥顶角70度的圆锥形，自旋角为正、负30度。

三自由度球面并联机构是重要、典型的少自由度并联机构之一，它有很多种构型，有代表性的典型机构为3-RRR机构，如图3所示。它由固定平台、动平台及3个分支链并联于两平台之间以单转动副连接。每个支链有两个圆弧形构件以单转动副串联连接，所有的转动副的轴线交于一点，即球面机构的球心。机构的结构参数α₁、α₂、β₁、β₂、η_1i、η_2i，其中η_1i(i＝1，2，3)分别为z_i1与z₁₁在下平台的投影所成角度；η_2i(i＝1，2，3)分别为z_i3与z₁₃在上平台投影所形成的角度。

中国专利(公告号：CN2564840Y)公开了一种三自由度球面并联机构控制工作台。其技术方案是：下支撑连杆做成球面弯曲形以避免运动时的空间硬干涉；回转工作台的运动由另外电机驱动、相对机构动平台的迴转运动是独立的，工作台的总的回转运动则由机构动平台运动与回转台迴转运动的叠加。三自由度球面并联机构自身的结构、机构学基本特性没有变化。控制工作台属于三自由度球面并联机构与单转动副串联的混联构型。

在现有技术中，三自由度球面并联机构都存在相同的几个缺点：构件上的载荷构成不合理；机构的静刚度较小、角位移刚度虽较大、线位移刚度却极小，线位移与角位移刚度不匹配；机构的输出工作空间较小，两方向摆角超过某一角度后机构将发生奇异现象。当我们将三自由度球面并联机构作为主动关节使用时，上述不足完全暴露无遗。极大的影响了机构在工程上的应用。

发明内容

基于上述问题与工程上的要求，本发明提供一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，该发明具有卸载特性、高过约束、大工作空间和大的静刚度等优点，从根本上突破了三自由度球面并联机构工作空间小的制约，拓宽了机构在工程上的应用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以三自由度球面并联机构为原型，利用机构具有球面公共约束特点，即所有活动构件均为绕球心旋转，机构的中心区域是空腔的特点，在机构的球心点植入一个被动球面铰链，与球窝固联的支撑杆轴线过三自由度球面并联机构的固定平台中心点并与定平台固定；与球头固联输出杆的轴线过三自由度球面机构的动平台中心，并与其固联或以棱锥型轴向移动副P连接；输出杆穿过动平台后其偏置方向为任意，输出杆整体为弯拐形。形成具有中心球面铰链的偏置输出的四支链并联的新球面并联机构。

所述具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，它由三自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元组成。所述三自由度球面并联机构包括固定平台1、驱动输入轴(2，2′，2″)、下连杆(4，4′，4″)、上连杆(18，18′，18″)、上下连杆构成转动的销轴(5，5′，5″)、动平台7和动平台与上连杆上端构成转动的销轴(12，12′，12″)。所述中心球面铰链包括双耳支架17、下支撑杆3、销轴(16，16′)、圆柱直输出杆8、旋转支撑架13、支撑销轴(11，11′)、支撑辊(10，10′)、球头6、活动球窝14和U形拨叉15。所述偏置输出杆单元包括偏置输出杆9和圆柱直输出杆8。