完全解耦的平面二自由度并联机构.pdf

本发明公开了一种完全解耦的平面二自由度并联机构,旨在克服目前存在运动空间需求较大、自身惯量和结构间隙均较大、响应速度较慢的问题。完全解耦的平面二自由度并联机构包括固定平台(1)、矮滑块(2)、高滑块(3)、长连杆(4)、短连杆(5)与手柄(6)。矮滑块(2)安装在固定平台(1)的竖向滑块槽(7)内为滑动连接，高滑块(3)安装在固定平台(1)的横向滑块槽(8)内为滑动连接，手柄(6)位于长连杆(4)与短连杆(5)之间并悬于固定平台(1)之上，短连杆(5)右端与矮滑块(2)转动连接，短连杆(5)左端与手柄(6)转动连接，长连杆(4)左端与高滑块(3)转动连接，长连杆(4)右端与手柄(6)转动连接。

权利要求书
1.  一种完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于，所述的完全解耦的 平面二自由度并联机构包括固定平台(1)、矮滑块(2)、高滑块(3)、长连杆 (4)、短连杆(5)与手柄(6)；
矮滑块(2)安装在固定平台(1)上为滑动连接，高滑块(3)安装在固定 平台(1)上为滑动连接，手柄(6)位于长连杆(4)与短连杆(5)之间并悬 于固定平台(1)之上，短连杆(5)的右端与矮滑块(2)转动连接，短连杆(5) 的左端与手柄(6)转动连接，长连杆(4)的左端与高滑块(3)转动连接，长 连杆(4)的右端与手柄(6)转动连接。

2.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的矮滑块(2)安装在固定平台(1)上为滑动连接是指：矮滑块(2)安装 在固定平台(1)上的竖向滑块槽(7)内为滑动连接；
高滑块(3)安装在固定平台(1)上为滑动连接是指：高滑块(3)安装在 固定平台(1)上的横向滑块槽(8)内为滑动连接。

3.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的短连杆(5)的短连杆右孔(12)与矮滑块(2)上的矮滑块螺栓配合套 装为转动连接，短连杆(5)的短连杆左孔(11)与手柄(6)上的螺杆的光杆 部分配合套装为转动连接；长连杆(4)上的长连杆左孔(9)与高滑块(3)上 的高滑块螺栓配合套装为转动连接，长连杆(4)上的长连杆右孔(10)与手柄 (6)上的螺杆的光杆部分配合套装为转动连接，长连杆(4)的右端与短连杆 (5)的左端为上下叠置。

4.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的固定平台(1)为圆盘形结构件，固定平台(1)的顶端设置有安装矮滑 块(2)的T形的竖向滑块槽(7)和安装高滑块(3)的T形的横向滑块槽(8)， 竖向滑块槽(7)和横向滑块槽(8)在圆盘形的固定平台(1)上沿直径方向贯 穿布置，竖向滑块槽(7)和横向滑块槽(8)垂直相交，同时将竖向滑块槽(7) 和横向滑块槽(8)相交结合处的4个直角均做2×45°的倒角处理。

5.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的矮滑块(2)与高滑块(3)横截面为“凸”字形的结构件，皆由螺栓与 底座组成，即矮滑块(2)与高滑块(3)的上表面的中心分别设置有一个矮滑 块螺栓与高滑块螺栓，矮滑块螺栓与高滑块螺栓顶端设置有螺纹，矮滑块螺栓 与高滑块螺栓其它部分为矮滑块螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分，矮滑块 螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分的底端和矮滑块底座与高滑块底座的上表 面固定连接或连成一体。

6.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的长连杆(4)与短连杆(5)为矩形横截面的等截面杆类结构件，长连杆 (4)与短连杆(5)的两端均设置有相同直径的螺栓通孔，两端的螺栓通孔的 回转轴相互平行，长连杆(4)与短连杆(5)的有效长度即两端的螺栓通孔的 孔距不同；长连杆(4)两端的螺栓通孔分别称为与高滑块(3)的高滑块螺栓 光杆部分配装的长连杆左孔(9)和与手柄(6)中螺杆配装的长连杆右孔(10)， 短连杆(5)的两端的螺栓通孔分别称为与手柄(6)中螺杆配装的短连杆左孔 (11)和与矮滑块(2)的矮滑块螺栓光杆部分配装的短连杆右孔(12)。

7.  按照权利要求6所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的长连杆(4)与短连杆(5)和矮滑块(2)、高滑块(3)、竖向滑块槽(7) 与横向滑块槽(8)的结构尺寸要满足如下条件：
(0.5L1+0.5L5)2+(0.5L1+0.5L5+L7)2＝L62
L3+L2＝L4
式中：L1为矮滑块(2)和高滑块(3)的底座上部分的宽度；L2为长连杆 (4)和短连杆(5)的厚度；L3为矮滑块的高度；L4为高滑块的高度；L5为矮 滑块(2)和高滑块(3)的长度；L6为长连杆(4)的两端孔的中心距；L7为短 连杆(5)两端孔的中心距。

8.  按照权利要求1所述的完全解耦的平面二自由度并联机构,其特征在于， 所述的手柄(6)由底盘、螺杆与球柄组成；
所述的底盘为圆盘类结构件，底盘的圆心处设置有一个螺纹孔；螺杆为两 端设置有螺纹的圆柱形直杆，螺杆的中间段为光杆；球柄由球头体与六棱柱体 上下叠置固连成一体，球头回转轴线与六棱主体的纵向对称线共线，在六棱柱 体纵向对称线上由下至上设置有螺纹盲孔；螺杆的上端即上螺纹段与球柄上的 螺纹盲孔配装为固定连接，螺杆的下端即下螺纹段与底盘螺纹固定连接。

说明书完全解耦的平面二自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种实现二自由度平动机构，更确切地说，本发明涉及一种完 全解耦的平面二自由度并联机构。
背景技术
主-从遥操作机器人系统要求操作者能够进行控制指令连续输入，并获得包 括力/触觉在内的反馈信息。作为人机接口设备，力反馈操作装置承担着操作者 与遥操作机器人系统之间运动与力信息的双向传输任务，一度成为遥操作机器 人技术发展的瓶颈。在主从机器人系统中，使用高性能的力反馈操纵装置可提 高临场感、作业质量和效率。近年来，有多种类型的力(触)觉反馈交互装置 被研究开发出来，但被广泛使用的PHANToM力反馈操作器的最大控制刚度仅有 1.5N/m左右，难以满足主从机器人系统的要求。
吉林大学设计的2自由度解耦操作杆式的操作手柄，由于自身的杆式结构， 需要足够大的运动空间来满足其运动的需要，操作空间狭小将会给其以限制。 同时由于自身的惯量和结构间隙均比较大，在灵活性和精度方面尚存不足。
很多学者将Microsoft和Logitech公司设计的用于大型飞行游戏的电控手柄 用于遥操作领域。周波等在文献《用DirectInput实现无线遥控挖掘机器人运动 操纵和力反馈》中将DirectInput技术和力反馈操纵手柄(SideWinder Force  Feedback Pro Joystick)应用于无线遥控液压挖掘机器人，实现挖掘过程中机器 人运动操作和挖掘阻力反馈；刘玉芹等在文献《基于网络的力觉临场感的实现》 中利用“弹簧-阻尼器”系统模型来描述力，并将其映射到游戏杆上，变成操纵 方向的约束力。通过采用微软公司的带有力反馈的操纵杆作为力觉提示装置控 制移动机器人小车在非结构化环境下顺利运行，验证了力反馈描述方法的有效 性；其他高校和科研单位也有类似研究，他们所使用的全是有变化规律的模拟 力，而现实中无规律变化的力会出现的更多，但是这种无规律的力在力模拟系 统里尚无任何表述，也就无法在无规律变化情况下使用该类操作杆来充当遥操 作的主手。
目前，遥操作主手多是采用并联机构以保证运动精度，但是转动自由度在 逆解求解过程中，会出现多解的情况，需要我们做进一步的解耦，无形中增加 了运算时间，造成了时延问题在普通遥操作领域普遍存在的现状；同时由于操 作杆自身尺寸和惯量较大，力反馈不够准确，以及操作杆属于空间操作，对力 反馈会产生不利影响等因素，需要设计一款机构来实现操作空间狭小，自身尺 寸惯量小，响应速度快的操作手柄。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的运动空间需求较大，自 身惯量和结构间隙均较大，响应速度较慢的问题，提供了一种完全解耦的平面 二自由度并联机构。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的完全解 耦的平面二自由度并联机构包括固定平台、矮滑块、高滑块、长连杆、短连杆 与手柄.
矮滑块安装在固定平台上为滑动连接，高滑块安装在固定平台上为滑动连 接，手柄位于长连杆与短连杆之间并悬于固定平台之上，短连杆的右端与矮滑 块转动连接，短连杆的左端与手柄转动连接，长连杆的左端与高滑块转动连接， 长连杆的右端与手柄转动连接。
技术方案中所述的矮滑块安装在固定平台上为滑动连接是指：矮滑块安装 在固定平台上的竖向滑块槽内为滑动连接；高滑块安装在固定平台上为滑动连 接是指：高滑块安装在固定平台上的横向滑块槽内为滑动连接。
技术方案中所述的短连杆的短连杆右孔与矮滑块上的矮滑块螺栓配合套装 为转动连接，短连杆的短连杆左孔与手柄上的螺杆的光杆部分配合套装为转动 连接；长连杆上的长连杆左孔与高滑块上的高滑块螺栓配合套装为转动连接， 长连杆上的长连杆右孔与手柄上的螺杆的光杆部分配合套装为转动连接，长连 杆的右端与短连杆的左端为上下叠置。
技术方案中所述的固定平台为圆盘形结构件，固定平台的顶端设置有安装 矮滑块的T形的竖向滑块槽和安装高滑块的T形的横向滑块槽，竖向滑块槽和 横向滑块槽在圆盘形的固定平台上沿直径方向贯穿布置，竖向滑块槽和横向滑 块槽垂直相交，同时将竖向滑块槽和横向滑块槽相交结合处的4个直角均做2 ×45°的倒角处理。
技术方案中所述的矮滑块与高滑块横截面为“凸”字形的结构件，皆由螺 栓与底座组成，即矮滑块与高滑块的上表面的中心分别设置有一个矮滑块螺栓 与高滑块螺栓，矮滑块螺栓与高滑块螺栓顶端设置有螺纹，矮滑块螺栓与高滑 块螺栓其它部分为矮滑块螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分，矮滑块螺栓光 杆部分与高滑块螺栓光杆部分的底端和矮滑块底座与高滑块底座的上表面固定 连接或连成一体。
技术方案中所述的长连杆与短连杆为矩形横截面的等截面杆类结构件，长 连杆与短连杆的两端均设置有相同直径的螺栓通孔，两端的螺栓通孔的回转轴 相互平行，长连杆与短连杆的有效长度即两端的螺栓通孔的孔距不同；长连杆 两端的螺栓通孔分别称为与高滑块的高滑块螺栓光杆部分配装的长连杆左孔和 与手柄中螺杆配装的长连杆右孔，短连杆的两端的螺栓通孔分别称为与手柄中 螺杆配装的短连杆左孔和与矮滑块的矮滑块螺栓光杆部分配装的短连杆右孔。
技术方案中所述的长连杆与短连杆和矮滑块、高滑块、竖向滑块槽与横向 滑块槽的结构尺寸要满足如下条件：
(0.5L1+0.5L5)2+(0.5L1+0.5L5+L7)2＝L62
L3+L2＝L4
式中：L1为矮滑块和高滑块的底座上部分的宽度；L2为长连杆和短连杆的 厚度；L3为矮滑块的高度；L4为高滑块的高度；L5为矮滑块和高滑块的长度；L6为长连杆的两端孔的中心距；L7为短连杆两端孔的中心距。
技术方案中所述的手柄由底盘、螺杆与球柄组成。所述的底盘为圆盘类结 构件，底盘的圆心处设置有一个螺纹孔；螺杆为两端设置有螺纹的圆柱形直杆， 螺杆的中间段为光杆；球柄由球头体与六棱柱体上下叠置固连成一体，球头回 转轴线与六棱主体的纵向对称线共线，在六棱柱体纵向对称线上由下至上设置 有螺纹盲孔；螺杆的上端即上螺杆段与球柄上的螺纹盲孔配装为固定连接，螺 杆的下端即下螺杆段与底盘螺纹固定连接。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构中标注为6的手柄不仅 能实现平面两自由度平动形式的运动输入还能实现平面两自由度的输出，利于 力反馈实现和人工交互；
2.本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的结构简单、机构关节 少、运动副均为低副，机构自身惯量和电机转动惯性力均较小，并且制造和安 装方便，成本较低；
3.本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构适于运用在操作空间狭 小的遥操作控制领域，节省空间；
4.本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的纯平动自由度在机器 人逆解求解时，只有唯一解，解算速度快，实时性好。
综上，本发明具有较高的实用价值和广阔的应用前景，为并联机器人、数 控机床、坐标测量机、遥操作等技术领域提供一种新的结构。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构结构组成的轴测投 影图；
图2为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的固定平台 的轴测投影图；
图3为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的矮滑块的 轴测投影图；
图4为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的高滑块的 轴测投影图；
图5为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的长连杆的 轴测投影图；
图6为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的短连杆的 轴测投影图；
图7为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的手柄的轴 测投影图；
图8为本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的连杆尺寸 确定图；
图中：1.固定平台，2.矮滑块，3.高滑块，4.长连杆，5.短连杆，6.手柄， 7.竖向滑块槽，8.横向滑块槽，9.长连杆左孔，10.长连杆右孔，11.短连杆左 孔，12.短连杆右孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构由固定平台1、 矮滑块2、高滑块3、长连杆4、短连杆5与手柄6组成。
矮滑块2安装在固定平台1上为滑动连接，高滑块3安装在固定平台1上 为滑动连接，手柄6位于长连杆4与短连杆5之间，并悬于固定平台1之上； 短连杆5的右端与矮滑块2转动连接，短连杆5的左端与手柄6转动连接，长 连杆4的左端与高滑块3转动连接，长连杆4的右端与手柄6转动连接。
所述的固定平台1为圆盘形结构件，固定平台1的顶端设置有燕尾(T)形 的竖向滑块槽7和横向滑块槽8，竖向滑块槽7和横向滑块槽8在圆盘形的固定 平台1上沿直径方向贯穿布置，竖向滑块槽7和横向滑块槽8垂直相交，竖向 滑块槽7和横向滑块槽8结构相同，为矮滑块2与高滑块3提供导向和限制矮 滑块2与高滑块3其他自由度，即使矮滑块2与高滑块3只能在竖向滑块槽7 和横向滑块槽8内做平动运动；同时将竖向滑块槽7和横向滑块槽8相交结合 处的4个直角均做2×45°的倒角处理，为矮滑块2与高滑块3通过固定平台1 的圆心时提供导向，避免矮滑块2与高滑块3卡死在中间位置；
所述的矮滑块2和高滑块3横截面为“凸”字形的形状相似的结构件，皆 由螺栓(矮滑块螺栓与高滑块螺栓)与底座(矮滑块底座与高滑块底座)组成， 即矮滑块2和高滑块3的上表面的中心分别设置有一个不含头部的矮滑块螺栓 与高滑块螺栓，矮滑块螺栓与高滑块螺栓顶端设置有螺纹，矮滑块螺栓与高滑 块螺栓其它部分为光杆部分(矮滑块螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分)，矮 滑块螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分的底端和矮滑块底座与高滑块底座的 上表面固定连接(分体式)或连成一体(整体式)，光杆部分插入短连杆5与长 连杆4的一端(短连杆右孔12与短连杆左孔9)为转动连接；然后矮滑块螺栓 与高滑块螺栓的螺纹顶端与螺母配装，使短连杆5与长连杆4仅有1个绕矮滑 块螺栓与高滑块螺栓转动的自由度；矮滑块2安装在竖向滑块槽7中滑动，高 滑块3安装在横向滑块槽8中滑动；
所述的长连杆4和短连杆5为矩形横截面的等截面杆类结构件，长连杆4 和短连杆5两端均有相同直径的螺栓通孔，两端的螺栓通孔的回转轴相互平行， 长连杆4和短连杆5的有效长度即两端的螺栓通孔的孔距不同；长连杆4两端 的螺栓通孔分别称为短连杆左孔9和长连杆右孔10；短连杆5的两端的螺栓通 孔分别称为短连杆左孔11和短连杆右孔12。
所述的手柄6由底盘、螺杆与球柄组成；底盘为圆盘类结构件，底盘的圆 心处设置有一个螺纹孔；螺杆为两端设置有螺纹的圆柱形直杆，螺杆的中间段 为光杆；球柄由球头体与六棱柱体上下叠置固连成一体，球头回转轴线与六棱 主体的纵向对称线共线，在六棱柱体纵向对称线上由下至上设置有螺纹盲孔。
螺杆的光杆部分由上至下地插入长连杆右孔10和短连杆左孔11中，螺杆 的上端即上螺杆段与球柄上的螺纹盲孔配装为固定连接，螺杆的下端即下螺杆 段与底盘螺纹固定连接，这样长连杆4和短连杆5就只能绕手柄6中的螺杆的 光杆转动，而没有其他自由度。
矮滑块2上的矮滑块螺栓与短连杆5上的短连杆右孔12配合套装组成转动 副为转动连接，短连杆5上的短连杆左孔11与手柄6上的螺杆的光杆部分配合 套装组成转动副为转动连接，组成第一支链；
高滑块3上的高滑块螺栓与长连杆4上的长连杆左孔9配合套装组成转动 副为转动连接，长连杆4上的长连杆右孔10与手柄6上的螺杆的光杆部分配合 套装组成转动副为转动连接，组成第二支链；长连杆4的右端与短连杆5的左 端为上下叠置地套装在手柄6上的螺杆的光杆部分上为转动连接，长连杆4右 端的底面与短连杆5左端的顶端面为接触滑动连接。
参阅图1，该完全解耦的平面二自由度并联机构包含固定平台1在内的刚体 总数l＝6；关节总数n＝6；关节i的自由度之和则根据平面机构自由度 计算公式
m = 3 ( l - n - 1 ) + Σ i = 1 n d i ]]>
求得本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的自由度数m＝2。
参阅图8，为了防止矮滑块2与高滑块3在竖向滑块槽7和横向滑块槽8的 结合处相撞，长连杆4与短连杆5和矮滑块2、高滑块3、竖向滑块槽7与横向 滑块槽8的结构尺寸需要满足的条件如下：
(0.5L1+0.5L5)2+(0.5L1+0.5L5+L7)2＝L62
L3+L2＝L4
式中：L1为矮滑块2和高滑块3的底座上部分的宽度；L2为长连杆4和短 连杆5的厚度；L3为矮滑块的高度；L4为高滑块的高度；L5为矮滑块2和高滑 块3的长度；L6为长连杆4的两端孔的中心距；L7为短连杆5两端孔的中心距；
本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的工作原理：
本发明所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的手柄6，在受到外力作用 时，会对手柄的受力和运动进行解耦，将手柄受到的力分解为沿导轨方向分力 和沿连杆方向的分力，沿导轨方向的分力推动滑块做直线运动；将手柄的平面 运动转化为滑块在导轨内的直线运动。
本发明大多采用铰制孔螺栓连接，用于遥操作场合，能保证了遥操作系统 的运动精度。