一种五自由度广义球面并联机构制造技术

本发明专利技术为一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心；动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条。该机构灵活度更高，适应性更强。

A five degree of freedom generalized spherical parallel mechanism

The invention is a five degree of freedom generalized spherical parallel mechanism, which includes a moving platform, a static platform and a branch chain. The parallel mechanism has two non coincident rotating spherical centers, which are respectively a fixed spherical center and a moving spherical center. All the branch chains are composed of A-type connecting rod and B-type connecting rod. The A-type connecting rod is a spherical connecting rod, the B-type connecting rod is a double spherical connecting rod, and the two of all B-type connecting rods in the same parallel mechanism The distance between the spherical centers is equal. All the B-bar spherical centers coincide to form the spherical center of the generalized spherical parallel mechanism, and all the B-bar spherical centers coincide to form the spherical center of the generalized spherical parallel mechanism. The moving platform moves around the spherical center with a degree of freedom of 3, and the moving spherical center moves around the spherical center with a degree of freedom of 2. The branch chain of the five degree of freedom generalized spherical parallel mechanism has two types There are two branches of AABA type and three branches of ABAA type. The mechanism has higher flexibility and stronger adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种五自由度广义球面并联机构
本专利技术涉及机械工程领域，具体涉及一种五自由度广义球面并联机构。
技术介绍
随着医疗康健领域与机器人领域的不断发展，越来越多的康健机器人进入人们的视野。康健机器人不仅可以帮助关节损伤患者作康复运动，还可以用于运动员的运动训练和和老年人群的关节矫正。现有的康复机器人普遍具有刚度大、承载能力强、灵活度高的优点。然而，针对人体关节运动的复杂性，使用现有的机构已很难提高康复机器人的拟合精度、消除人机交互力，康健机器人的机构设计以遇到了较大的瓶颈。以踝关节康复机器人为例，其大部分构型以灵巧眼机构(三自由度球面并联机构)为基础，该机构具有一个动平台，一个静平台和三条支链，每一条直链均有两个球面连杆与三个转动副构成，且该机构的所有转动副回转中心轴会交与空间一点，将人体踝关节等效为标准球面副，而人体踝关节是人体最为复杂的关节之一，包含有胫骨、腓骨、距骨、舟骨与跟骨等，如果简单的将其简化为标准球面副，则会产生较大的人机交互力。为解决此类问题，提出一种可以充分拟合踝关节运动的新机构是十分有意义的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种五自由度广义球面并联机构，并为一种新型人体踝关节康健机器人设计方案提供理论基础。该机构具有与人体踝关节相适应的自由度与运动空间，充分考虑由于踝关节距骨存在引起的球面不对心问题(目前的踝关节康复机器人设计均将踝关节视为标准的球面运动，但此类运动即踝关节胫骨与距骨之间的相对运动并非标准球面运动，存在着严重不对心的问题)；该机构具有足够的灵活度、简单、灵巧、多变、适应性强。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，其特征在于，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为用于控制动球心绕定球心的球面运动的AABA型支链与用于控制动平台绕动球心的球面运动的ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条；所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，B型连杆为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，同一并联机构中的所有B型连杆的“双心距”必须相等，且运动过程中所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术首次提出五自由度广义球面并联机构构型，机构具有两个转动球心，一个为定球心，一个为动球心，动球心相对于定球心做两自由度转动，动平台绕动球心作三自由度转动，具有五条支链，相邻支链之间形成转动副。该机构既具有并联机构承载能力强，运动灵巧性高等特点，又可以拟合部分串联机构的运动。本专利技术并联机构能运用于人体康健机器人踝关节设计之中，不仅更加符合人体踝关节的运动规律，灵巧性高，拟合更加精确、合理，而且制造成本较低，结构简单，控制方便，有效解决了传统三自由度球面并联机构拟合踝关节运动交互性能差的问题，五自由度广义球面并联机构拟合精度更高，但是需要的电机数量较多，相对来说成本较高，尤其适用于精度要求较高的场合，如应用于高端市场。附图说明图1为本专利技术一种实施例的整体结构示意图。图2为本专利技术一种实施例的1、5号支链局部结构示意图。图3为本专利技术一种实施例的2、3、4号支链局部结构示意图。图中，1、一号支链；11、一号支链一号连杆；12、一号支链二号连杆；13、一号支链三号连杆；14、一号支链四号连杆；15、一号支链一号轴；16、一号支链二号轴；17、一号支链三号轴；18、一号支链四号轴；19、一号支链五号轴；2、二号支链；21、二号支链一号连杆；22、二号支链二号连杆；23、二号支链三号连杆；24、二号支链四号连杆；25、二号支链一号轴；26、二号支链二号轴；27、二号支链三号轴；28、二号支链四号轴；29、二号支链五号轴；3、三号支链；31、三号支链一号连杆；32、三号支链二号连杆；33、三号支链三号连杆；34、三号支链四号连杆；35、三号支链一号轴；36、三号支链二号轴；37、三号支链三号轴；38、三号支链四号轴；39、三号支链五号轴；4、四号支链；41、四号支链一号连杆；42、四号支链二号连杆；43、四号支链三号连杆；44、四号支链四号连杆；45、四号支链一号轴；46、四号支链二号轴；47、四号支链三号轴；48、四号支链四号轴；49、四号支链五号轴；5、五号支链；51、五号支链一号连杆；52、五号支链二号连杆；53、五号支链三号连杆；54、五号支链四号连杆；55、五号支链一号轴；56、五号支链二号轴；57、五号支链三号轴；58、五号支链四号轴；59、五号支链五号轴；6、静平台；7、动平台；具体实施方式下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请的保护范围。本专利技术五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动，故广义球面并联机构具有5个自由度，可充分适应、匹配踝关节自由度；5自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链，其中AABA型支链主要控制动球心绕静球心的球面运动，ABAA型支链主要控制动平台绕动球心的球面运动；广义球面并联机构所有支链均由A型连杆，和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，而B型连杆为广义球面连杆，B型连杆在并联机构中可视其为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，B型连杆两端孔的轴心线在空间内不一定相交，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，广义球面并联机构要求同一广义球面并联机构中的所有B型连杆的“双心距”必须相等，且运动过程成所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心。人体踝关节运动更为合理的等效模型为：胫骨下表面与距骨上表面之间配合连接视为球面副，距骨下表面与跟骨上表面之间配合连接视为球面副，两个球面副球心之间的距离为一常数，该常数由使用者距骨相关尺寸参数决定。将五自由度广义球面并联机构应用于踝关节康复机器人中，根据患者距骨的参数，可确定患者胫骨与距骨之间的平均相对转动球心，和距骨与跟骨之间的平均相对转动球心，并可计算两球心之间的距离参数，根据此参数可确定广义球面并联机构的“双心距”，实现在运动拟合过程中机构定球心始终与距骨与跟骨的平均相对转动球心重合，机构动球心始终与胫骨与距骨的平均相对转动球心重合，相对于传统三自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，且运动过程中所有B型连杆的两个球心所连结成的线段始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心；其特征在于，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为用于控制动球心绕定球心的球面运动的AABA型支链与用于控制动平台绕动球心的球面运动的ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条。

【技术特征摘要】
1.一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，且运动过程中所有B型连杆的两个球心所连结成的线段始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，刘承磊，戚开诚，牛建业，郭士杰，刘旭升，刘秀莹，曹益，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12