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1、(10)申请公布号 CN 103029119 A (43)申请公布日 2013.04.10 C N 1 0 3 0 2 9 1 1 9 A *CN103029119A* (21)申请号 201210513677.6 (22)申请日 2012.12.04 B25J 9/00(2006.01) B23Q 1/64(2006.01) (71)申请人天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人赵学满 孙涛 宋轶民 王攀峰 董罡 (74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人李丽萍 (54) 发明名称 一种三转动自由度并联机构 (57) 摘要 本发明。
2、公开了一种三转动自由度并联机构， 包括定平台、动平台以及连接定平台与动平台之 间的第一分支、第二分支和第三分支；动平台包 括上平台、中平台和下平台；第一、二分支内分别 设有一组平面平行四边形结构，第一分支内平面 平行四边形结构所在平面与第二分支内平面平行 四边形结构所在平面相交，中平台、下平台上的四 个铰链中心共面，且下平台上两铰链中心连线与 中平台上两铰链中心连线的交点通过中平台和下 平台之间的转动副的回转轴线；通过三个分支内 的主动臂转动，可实现上平台、中平台和下平台的 转动，进而实现动平台的三维转动。本发明构造简 单，结构紧凑，运动质量小，便于装配，易于控制， 可用于机器人关节或机床附件。
3、。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书3页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种三转动自由度并联机构，包括定平台（1）、动平台（2）以及连接所述定平台（1） 与动平台（2）之间的第一分支（3）、第二分支（4）和第三分支（5）；其特征在于： 所述动平台（2）包括上平台（2a）、中平台（2b）和下平台（2c），所述上平台（2a）与所述 中平台（2b）之间通过转动副连接，所述上平台（2a）与所述下平台（2c）之间通过转动副连 接，两转动副的回转轴线重合且垂直于所述上平台（2a）、中平。
4、台（2b）和下平台（2c）所在的 平面； 所述第一分支（3）包括一个第一主动臂（3a）和两个等长的第一从动臂（3b、3c），所述 第一主动臂（3a）与所述定平台（1）通过转动副连接，且作为主动副为机构提供动力；两个 第一从动臂（3b、3c)的一端分别与所述第一主动臂（3a）通过转动副连接，且两个第一从动 臂（3b、3c）与第一主动臂（3a）之间转动副的回转轴线同所述第一主动臂（3a）与定平台（1） 之间转动副的回转轴线共面平行；两个第一从动臂（3b、3c)的另一端与所述下平台（2c）通 过三自由度球铰链或者二自由度虎克铰链连接；第一分支（3）内，所述第一主动臂（3a）、两 个第一从动臂（3b、。
5、3c）和下平台（2c）构成一组平面平行四边形结构，从而限制下平台（2c） 沿所述第一主动臂（3a）上的转动副轴线方向平动； 所述第二分支（4）包括一个第二主动臂（4a）和两个等长的第二从动臂（4b、4c），所述 第二主动臂（4a）与所述定平台（1）通过转动副连接，且作为主动副为机构提供动力；两个 第二从动臂（4b、4c)的一端与所述第二主动臂（4a）通过转动副连接，且两个第二从动臂 （4b、4c）与第二主动臂（4a）之间转动副的回转轴线同所述第二主动臂（4a）与定平台（1）之 间转动副的回转轴线共面平行；所述第二从动臂（4b、4c)的另一端与所述中平台（2b）通过 三自由度球铰链或者二自由度虎。
6、克铰链连接；第二分支（4）内，所述第二主动臂（4a）、两个 第二从动臂（4b、4c）和中平台（2b）构成一组平面平行四边形结构，从而限制中平台（2b）沿 所述第二主动臂（4a）上的转动副轴线方向平动； 所述第三分支（5）包括一个第三主动臂（5a），所述第三主动臂（5a）的一端与所述定平 台（1）通过转动副连接，并作为主动副为机构提供动力；所述第三主动臂（5a）的另一端与 所述上平台（2a）通过二自由度虎克铰链连接； 所述第一分支（3）内平面平行四边形结构所在平面与所述第二分支（4）内平面平行四 边形结构所在平面相交，所述中平台（2b）、下平台（2c）上的四个铰链中心共面，且所述下 平台（2c）。
7、上两铰链中心连线与所述中平台（2b）上两铰链中心连线的交点通过所述中平台 （2b）和下平台（2c）之间的转动副的回转轴线；受到第一分支（3）和第二分支（4）内的平 面平行四边形结构的限制，所述下平台（2c）上两铰链中心连线与中平台（2b）上两铰链中 心连线的交点位置是固定的；所述第三分支（5）内的二自由度虎克铰链中心同所述下平台 （2c）上两铰链中心连线与所述中平台（2b）上两铰链中心连线的交点重合；通过第一分支 （3）内第一主动臂（3a）、第二分支（4）内第二主动臂（4a）和第三分支（5）内第三主动臂（5a） 的转动，可实现上平台（2a）、中平台（2b）和下平台（2c）的转动，进而实现动平台。
8、（2）的三维 转动。 2.根据权利1所述三转动自由度并联机构，其特征在于：两个第一从动臂（3b、3c)与 所述下平台（2c）之间采用二自由度虎克铰链连接，其中一个二自由度虎克铰链与下平台 （2c）相连的轴线通过所述下平台（2c）上另一个二自由度虎克铰链的中心，同时，每个二自 由度虎克铰链和与之相连接的第一从动臂的连接轴线平行于该第一从动臂一端的转动副 权 利 要 求 书CN 103029119 A 2/2页 3 轴线； 两个第二从动臂（4b、4c)与所述中平台（2b）之间采用二自由度虎克铰链连接，其中一 个二自由度虎克铰链与中平台（2b）相连的轴线通过所述中平台（2b）上另一个二自由度虎 克铰。
9、链的中心，同时，每个二自由度虎克铰链和与之相连接的第二从动臂相连的轴线平行 于该第二从动臂一端的转动副轴线。 权 利 要 求 书CN 103029119 A 1/3页 4 一种三转动自由度并联机构 技术领域 0001 本发明属于机械领域，特别涉及一种可应用于机器人关节或机床附件的无伴随运 动的三转动自由度并联机构。 背景技术 0002 目前，机器人关节多采用齿轮传动、串联式结构实现，其结构复杂、难以安装、制造 成本高。作为机床附件的三自由度转头亦多为串联形式，其运动质量大，刚度较差。 发明内容 0003 针对上述现有技术，本发明提供一种构造简单、结构紧凑、无伴随运动的三转动自 由度的并联机构。。
10、 0004 为了解决上述技术问题，本发明一种三转动自由度并联机构予以实现的技术方案 是：包括定平台、动平台以及连接所述定平台与动平台之间的第一分支、第二分支和第三分 支；所述动平台包括上平台、中平台和下平台，所述上平台与所述中平台之间通过转动副连 接，所述上平台与所述下平台之间通过转动副连接，两转动副的回转轴线重合且垂直于所 述上平台、中平台和下平台所在的平面；所述第一分支包括一个第一主动臂和两个等长的 第一从动臂，所述第一主动臂与所述定平台通过转动副连接，且作为主动副为机构提供动 力；两个第一从动臂的一端分别与所述第一主动臂通过转动副连接，且两个第一从动臂与 第一主动臂之间转动副的回转轴线同。
11、所述第一主动臂与定平台之间转动副的回转轴线共 面平行；两个第一从动臂的另一端与所述下平台通过三自由度球铰链或者二自由度虎克 铰链连接；第一分支内，所述第一主动臂、两个第一从动臂和下平台构成一组平面平行四 边形结构，从而限制下平台沿所述第一主动臂上的转动副轴线方向平动；所述第二分支包 括一个第二主动臂和两个等长的第二从动臂，所述第二主动臂与所述定平台通过转动副连 接，且作为主动副为机构提供动力；两个第二从动臂的一端与所述第二主动臂通过转动副 连接，且两个第二从动臂与第二主动臂之间转动副的回转轴线同所述第二主动臂与定平台 之间转动副的回转轴线共面平行；所述第二从动臂的另一端与所述中平台通过三自由度。
12、球 铰链或者二自由度虎克铰链连接；第二分支内，所述第二主动臂、两个第二从动臂和中平台 构成一组平面平行四边形结构，从而限制中平台沿所述第二主动臂上的转动副轴线方向平 动；所述第三分支包括一个第三主动臂，所述第三主动臂的一端与所述定平台通过转动副 连接，并作为主动副为机构提供动力；所述第三主动臂的另一端与所述上平台通过二自由 度虎克铰链连接；所述第一分支内平面平行四边形结构所在平面与所述第二分支内平面平 行四边形结构所在平面相交，所述中平台、下平台上的四个铰链中心共面，且所述下平台上 两铰链中心连线与所述中平台上两铰链中心连线的交点通过所述中平台和下平台之间的 转动副的回转轴线；受到第一分支和第。
13、二分支内的平面平行四边形结构的限制，所述下平 台上两铰链中心连线与中平台上两铰链中心连线的交点位置是固定的；所述第三分支内的 二自由度虎克铰链中心同所述下平台上两铰链中心连线与所述中平台上两铰链中心连线 说 明 书CN 103029119 A 2/3页 5 的交点重合；通过第一分支内第一主动臂、第二分支内第二主动臂和第三分支内第三主动 臂的转动，可实现上平台、中平台和下平台的转动，进而实现动平台的三维转动。 0005 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 0006 本发明具有的优点和积极效果是：动平台采用三平台结构，将两分支内的平面平 行四边形结构连接起来，限制了动平台的平动自由度，且可实现动。
14、平台的定心转动。本发明 构造简单，结构紧凑，运动质量小，便于装配，易于控制，可用于机器人关节或机床附件。 附图说明 0007 图1为本发明一种三转动自由度并联机构的整体结构示意图； 0008 图2为本发明中动平台机构示意图； 0009 图3为本发明中第一分支结构示意图； 0010 图4为本发明中第二分支结构示意图； 0011 图5为本发明中第三分支示意图。 0012 图中：1-定平台，2-动平台，2a-上平台，2b-中平台，2c-下平台，3第一分支， 3a-第一主动臂，3b、3c-第一从动臂，4-第二分支，4a-第二主动臂，4b、4c-第二从动臂， 5-第三分支，5a-第三主动臂。 具体实施方。
15、式 0013 下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 0014 如图1所示，本发明一种三转动自由度并联机构，包括定平台1、动平台2以及连接 所述定平台1与动平台2之间的第一分支3、第二分支4和第三分支5。 0015 如图2所示，所述动平台2包括上平台2a、中平台2b和下平台2c，所述上平台2a 与所述中平台2b之间通过转动副连接，所述上平台2a与所述下平台2c之间通过转动副连 接，两转动副的回转轴线重合且垂直于所述上平台2a、中平台2b和下平台2c所在的平面， 所述上平台2a的上面设有中心放射状的多条T型槽。 0016 如图3所示，所述第一分支3包括一个第一主动臂3a和两个等长的第一。
16、从动臂 3b、3c，所述第一主动臂3a与所述定平台1通过转动副连接，且作为主动副为机构提供动 力；两个第一从动臂3b、3c的一端分别与所述第一主动臂3a通过转动副连接，且两个第一 从动臂3b、3c与第一主动臂3a之间转动副的回转轴线同所述第一主动臂3a与定平台1之 间转动副的回转轴线共面平行；两个第一从动臂3b、3c的另一端与所述下平台2c通过三 自由度球铰链或者二自由度虎克铰链连接，若两个第一从动臂3b、3c与所述下平台2c之间 采用二自由度虎克铰链连接，其中一个二自由度虎克铰链与下平台2c相连的轴线（即，该 二自由度虎克铰链的近架轴线）通过所述下平台2c上另一个二自由度虎克铰链的中心，同 。
17、时，每个二自由度虎克铰链和与之相连接的第一从动臂的连接轴线（即，该二自由度虎克铰 链的远架轴线）平行于该第一从动臂一端的转动副轴线。第一分支3内，所述第一主动臂 3a、两个第一从动臂3b、3c和下平台2c构成一组平面平行四边形结构，从而限制下平台2c 沿所述第一主动臂3a上的转动副轴线方向平动。 0017 如图4所示，所述第二分支4包括一个第二主动臂4a和两个等长的第二从动臂 4b、4c，所述第二主动臂4a与所述定平台1通过转动副连接，且作为主动副为机构提供动 说 明 书CN 103029119 A 3/3页 6 力；两个第二从动臂4b、4c的一端与所述第二主动臂4a通过转动副连接，且两个第二。
18、从动 臂4b、4c与第二主动臂4a之间转动副的回转轴线同所述第二主动臂4a与定平台1之间转 动副的回转轴线共面平行；所述第二从动臂4b、4c的另一端与所述中平台2b通过三自由度 球铰链或者二自由度虎克铰链连接，若两个第二从动臂4b、4c与所述中平台2b之间采用二 自由度虎克铰链连接，其中一个二自由度虎克铰链与中平台2b相连的轴线（即，该二自由 度虎克铰链的近架轴线）通过所述中平台2b上另一个二自由度虎克铰链的中心，同时，每个 二自由度虎克铰链和与之相连接的第二从动臂相连的轴线（即，该二自由度虎克铰链的远 架轴线）平行于该第二从动臂一端的转动副轴线。第二分支4内，所述第二主动臂4a、两个 第二从。
19、动臂4b、4c和中平台2b构成一组平面平行四边形结构，从而限制中平台2b沿所述 第二主动臂4a上的转动副轴线方向平动。 0018 如图5所示，所述第三分支5包括一个第三主动臂5a，所述第三主动臂5a的一端 与所述定平台1通过转动副连接，并作为主动副为机构提供动力；所述第三主动臂5a的另 一端与所述上平台2a通过二自由度虎克铰链连接； 0019 所述第一分支3内平面平行四边形结构所在平面与所述第二分支4内平面平行四 边形结构所在平面相交，所述中平台2b、下平台2c上的四个铰链（三自由度或二自由度铰 链）中心共面，且所述下平台2c上两铰链中心连线与所述中平台2b上两铰链中心连线的 交点通过所述中平。
20、台2b和下平台2c之间的转动副的回转轴线；受到第一分支3和第二分 支4内的平面平行四边形结构的限制，所述下平台2c上两铰链中心连线与中平台2b上两 铰链中心连线的交点位置是固定的；所述第三分支5内的二自由度虎克铰链中心同所述下 平台2c上两铰链中心连线与所述中平台2b上两铰链中心连线的交点重合；通过第一分支 3内第一主动臂3a、第二分支4内第二主动臂4a和第三分支5内第三主动臂5a的转动，可 实现上平台2a、中平台2b和下平台2c的转动，进而实现动平台2的三维转动。 0020 本发明与现有技术相比，其不同点在于： 0021 本发明中的动平台采用三平台结构，将两分支内的平面平行四边形结构连接起 。
21、来，限制了动平台的平动自由度。通过两组平行四边形结构传动，实现动平台的定心转动。 本发明可对称布置分支支链，构造简单，结构紧凑，运动质量小，便于装配，易于控制。 0022 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方 式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发 明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。 说 明 书CN 103029119 A 1/3页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103029119 A 2/3页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103029119 A 3/3页 9 图5 说 明 书 附 图CN 103029119 A 。