本發(fā)明是一種基于正十二面體結構的對稱可展耦合機構，涉及機構學應用技術領域，尤其涉及了一種具有單自由度移動的機器人執(zhí)行機構。

背景技術：

構型綜合一直是機構學中的研究熱點，是機械創(chuàng)新的根本所在。機構的發(fā)展經歷了由簡單到復雜的過程。在一些高強度、重載等這些需要用工業(yè)機械臂代替人力勞動的工作場合，往往要求機械臂的執(zhí)行機構強度高，結構簡單，成本低，維修方便，并且末端執(zhí)行構件需要滿足運動平穩(wěn)，容易控制的需求?，F有的并聯機構具有承載能力強，剛度大，慣性低等優(yōu)點，但是工作空間有限；串聯機構工作空間大，結構簡單靈巧，但強度低，不適用于重載場合。

在這樣的發(fā)展趨勢下，混聯機構應運而生。這類機構很好地將串聯機構和并聯機構的優(yōu)點有效復合，同時突破各自結構的缺點，近年來成為機構領域的研究熱點。結構組成復雜但外觀新穎的混聯機構，其機架和動平臺之間的連接支鏈相互耦合，彼此之間并不獨立，通常以多個相同的環(huán)結構連接成網狀耦合機構的形式呈現，使得該類機構具備了結構功能及外觀的雙重優(yōu)點，符合機構的發(fā)展趨勢。日常生活中有很多這類機構或機械在偶然或必然中被設計出來滿足人類發(fā)展的需求，由于耦合機構能滿足特定工作場合中大型工業(yè)機械裝備的工作需求，常常作為核心機構應用于其中。但是，由于現有成熟的構型綜合理論適用于具有獨立分支的并聯機構。與并聯機構結構上的迥異，決定了已有的構型綜合理論對多環(huán)耦合機構并不適用，大大限制了耦合機構，特別是多面體耦合新機構的提出。所以促進這類機構的大量開發(fā)和應用是非常必要的。

技術實現要素：

基于以上背景，本發(fā)明提供了一種可作為移動機器人執(zhí)行機構的單自由度移動對稱可展耦合機構，該機構具有剛度大、承載能力強、運動平穩(wěn)、結構簡單、裝配和維修方便的特點，為國內企業(yè)及研究機構提供專利信息和技術支持。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為單自由度移動十二面體可展對稱耦合機構，該機構基于正十二面體的幾何組成特點和對稱性，形成了一種具有單自由度移動對稱可展耦合機構。一個正十二面體包含二十個頂點和三十條棱邊，由十二個完全相同的正五邊形圍成。

將正五邊形面A₁A₂A₃A₄A₅和B₁B₂B₃B₄B₅看作一個幾何要素，用一個正五邊形構件代替，其余的十個頂點分別為C、C’、D、D’、E、E’、F、F’、G、G’，用十個等腰三角形構件代替，其余的二十條棱邊A₁C、A₂D、A₃E、A₄F、A₅G、B₁C’、B₂D’、B₃E’、B₄F’和B₅G’用二十個含有兩個轉動副的連桿代替。每個五邊形構件上的五個轉動副軸線均位于五邊形平面內，且相鄰軸線之間的夾角均為108°。將正五邊形構件的五個轉動副軸線按順時針方向分別標記為a1、a2、a3、a4、a5，連接a1、a3和a4軸線的中點得到等腰三角形構件，等腰三角形構件上的三個轉動副均位于三角形平面內。每個連桿均為包含兩個連接轉動副的同一類連接桿件，并且這兩個轉動副的軸線相平行。

該機構包括機架(D1)、動平臺(M1)以及連接機架(D1)與動平臺(M1)的五條分支和五個耦合支鏈。五條分支包括第一分支、第二分支、第三分支、第四分支、第五分支。五個耦合支鏈包括第一耦合支鏈、第二耦合支鏈、第三耦合支鏈、第四耦合支鏈、第五耦合支鏈。每個耦合支鏈與其中兩條相鄰分支連接，五條分支和五個耦合支鏈間隔連接形成網狀耦合結構，將十個等腰三角形構件均定義為節(jié)點構件，其中與機架(D1)直接連接的五個節(jié)點構件對應各自所在的分支，分別為機架節(jié)點構件一(N1)、機架節(jié)點構件二(N2)、機架節(jié)點構件三(N3)、機架節(jié)點構件四(N4)和機架節(jié)點構件五(N5)，與動平臺(M1)直接連接的五個節(jié)點構件對應各自所在的分支，分別為動平臺節(jié)點構件一(N1)、動平臺節(jié)點構件二(N2)、動平臺節(jié)點構件三(N3)、動平臺節(jié)點構件四(N4)和動平臺節(jié)點構件五(N5)。

第一分支包括第一連桿(L1)、機架節(jié)點構件一(N1)、第二連桿(L2)、動平臺節(jié)點構件一(T1)、第三連桿(L3)；第一連桿(L1)與機架(D1)通過機架第一轉動副(R1)連接，第一連桿(L1)與機架節(jié)點構件一(N1)通過機架節(jié)點構件一的第一轉動副(R11)連接，第二連桿(L2)與機架節(jié)點構件一(N1)通過機架節(jié)點構件一的第二轉動副(R12)連接，第二連桿(L2)與動平臺節(jié)點構件一(T1)通過動平臺節(jié)點構件一的第一轉動副(R14)連接，第三連桿(L3)與動平臺節(jié)點構件一(T1)通過動平臺節(jié)點構件一的第三轉動副(R16)連接，第一分支表示為簡單串聯運動鏈R1-R11-R12-R14-R16-。

第二分支包括第四連桿(L4)、機架節(jié)點構件二(N2)、第五連桿(L5)、動平臺節(jié)點構件二(T2)、第六連桿(L6)；第四連桿(L4)與機架(D1)通過機架第二轉動副(R2)連接，第四連桿(L4)與機架節(jié)點構件二(N2)通過機架節(jié)點構件二的第一轉動副(R21)連接，第五連桿(L5)與機架節(jié)點構件二(N2)通過機架節(jié)點構件二的第二轉動副(R22)連接，第五連桿(L5)與動平臺節(jié)點構件二(T2)通過動平臺節(jié)點構件二的第一轉動副(R24)連接，第六連桿(L6)與動平臺節(jié)點構件二(T2)通過動平臺節(jié)點構件二的第三轉動副(R26)連接，第二分支表示為簡單串聯運動鏈R2-R21-R22-R24-R26-。

第三分支包括第七連桿(L7)、機架節(jié)點構件三(N3)、第八連桿(L8)、動平臺節(jié)點構件三(T3)、第九連桿(L9)；第七連桿(L7)與機架(D1)通過機架第三轉動副(R3)連接，第七連桿(L7)與機架節(jié)點構件三(N3)通過機架節(jié)點構件三的第一轉動副(R31)連接，第八連桿(L8)與機架節(jié)點構件三(N3)通過機架節(jié)點構件三的第二轉動副(R32)連接，第八連桿(L8)與動平臺節(jié)點構件三(T3)通過動平臺節(jié)點構件三的第一轉動副(R34)連接，第九連桿(L9)與動平臺節(jié)點構件三(T3)通過動平臺節(jié)點構件三的第三轉動副(R36)連接，第三分支表示為簡單串聯運動鏈R3-R31-R32-R34-R36-。

第四分支包括第十連桿(L10)、機架節(jié)點構件四(N4)、第十一連桿(L11)、動平臺節(jié)點構件四(T4)、第十二連桿(L12)；第十連桿(L10)與機架(D1)通過機架第四轉動副(R4)連接，第十連桿(L10)與機架節(jié)點構件四(N4)通過機架節(jié)點構件四的第一轉動副(R41)連接，第十一連桿(L11)與機架節(jié)點構件四(N4)通過機架節(jié)點構件四的第二轉動副(R42)連接，第十一連桿(L11)與動平臺節(jié)點構件四(T4)通過動平臺節(jié)點構件四的第一轉動副(R44)連接，第十二連桿(L12)與動平臺節(jié)點構件四(T4)通過動平臺節(jié)點構件四的第三轉動副(R46)連接，第四分支表示為串聯運動鏈R4-R41-R42-R44-R46-。

第五分支包括第十三連桿(L13)、機架節(jié)點構件五(N5)、第十四連桿(L14)、動平臺節(jié)點構件五(T5)、第十五連桿(L15)；第十三連桿(L13)與機架(D1)通過機架第五轉動副(R5)連接，第十三連桿(L13)與機架節(jié)點構件五(N5)通過機架節(jié)點構件五的第一轉動副(R51)連接，第十四連桿(L14)與機架節(jié)點構件五(N5)通過機架節(jié)點構件五的第二轉動副(R52)連接，第十四連桿(L14)與動平臺節(jié)點構件五(T5)通過動平臺節(jié)點構件五的第一轉動副(R54)連接，第十五連桿(L15)與動平臺節(jié)點構件五(T5)通過動平臺節(jié)點構件五的第三轉動副(R56)連接，第五分支表示為簡單串聯運動鏈R5-R51-R52-R54-R56-。

選擇正五邊形構件(M1)為動平臺，第一分支通過動平臺的第一轉動副(R61)連接到動平臺(M1)，第二分支通過動平臺的第二轉動副(R62)連接到動平臺(M1)，第三分支通過動平臺的第三轉動副(R63)連接到動平臺(M1)，第四分支通過動平臺的第四轉動副(R64)連接到動平臺(M1)，第五分支通過動平臺的第五轉動副(R65)連接到動平臺(M1)，所述五個分支并聯到動平臺(M1)上。另外，第一分支動平臺節(jié)點構件一(T1)和第二分支機架節(jié)點構件二(N2)之間通過第一耦合支鏈(C1)耦合連接，第二分支動平臺節(jié)點構件二(T2)和第三分支機架節(jié)點構件三(N3)之間通過第二耦合支鏈(C2)耦合連接，第三分支動平臺節(jié)點構件三(T3)和第四分支機架節(jié)點構件四(N4)之間通過第三耦合支鏈(C3)耦合連接，第四分支動平臺節(jié)點構件四(T4)和第五分支機架節(jié)點構件五(N5)之間通過第四耦合支鏈(C4)耦合連接，第五分支動平臺節(jié)點構件五(T5)和第一分支機架節(jié)點構件一(N1)之間通過第五耦合支鏈(C5)耦合連接。第一耦合支鏈(C1)與動平臺節(jié)點構件一(T1)通過動平臺節(jié)點構件一第二轉動副(R15)連接，第一耦合支鏈(C1)與機架節(jié)點構件二(N2)通過機架節(jié)點構件二第三轉動副(R23)連接，第一耦合支鏈表示為R15-R23-，第二耦合支鏈(C2)與動平臺節(jié)點構件二(T2)通過動平臺節(jié)點構件二第二轉動副(R25)連接，第二耦合支鏈(C2)與機架節(jié)點構件三(N3)通過機架節(jié)點構件三第三轉動副(R33)連接，第二耦合支鏈表示為R25-R33-，第三耦合支鏈(C3)與動平臺節(jié)點構件三(T3)通過動平臺節(jié)點構件三第二轉動副(R35)連接，第三耦合支鏈(C2)與機架節(jié)點構件四(N4)通過機架節(jié)點構件四第三轉動副(R43)連接，第三耦合支鏈可以表示為R35-R43-，第四耦合支鏈(C4)與動平臺節(jié)點構件四(T4)通過動平臺節(jié)點構件四第二轉動副(R45)連接，第四耦合支鏈(C4)與機架節(jié)點構件五(N5)通過機架節(jié)點構件五第三轉動副(R53)連接，第四耦合支鏈可以表示為R45-R53-，第五耦合支鏈(C5)與動平臺節(jié)點構件五(T5)通過動平臺節(jié)點構件五第二轉動副(R55)連接，第五耦合支鏈(C5)與機架節(jié)點構件一(N1)通過機架節(jié)點構件一第三轉動副(R13)連接，第五耦合支鏈表示為R55-R13-，

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、該機構各分支結構組成相同且空間對稱分布，僅有兩種形式的節(jié)點構件和二副桿構件裝配得到，并且整個機構是基于正十二面體空間結構設計得到的對稱耦合機構，前期裝配和后期維修簡單方便；

2、與實現同樣運動性質的機構相比，其內部結構呈多環(huán)網狀結構，兼?zhèn)浯⒙摍C構的優(yōu)點，具有承載力高，剛度大以及工作空間大等特點，適用于重載機械臂的執(zhí)行機構；

3、該機構具有一個移動自由度，并且在特定的驅動條件下，與機架直接連接的節(jié)點構件和與動平臺直接連接的節(jié)點構件分別交替的實現指向機構幾何中心的伸展和收縮運動，屬于一種多面體可展耦合機構，根據工作條件及環(huán)境需求伸展收攏，便于運輸，能更好的適應特殊場合，有良好的應用前景。

附圖說明

圖1為正十二面體空間結構示意圖。

圖中：正十二面體是由十二個完全相同的正五邊形面圍成的空間實體，一個正十二面體包含二十個頂點和三十條棱邊。其中二十個頂點分別為A1、A2、A3、A4、A5、C、D、E、F、G、C’、D’、E’、F’、G’、B1、B2、B3、B4和B5。

圖2為基于空間正十二面體結構設計的單自由度移動十二面體對稱可展耦合機構的示意圖。

圖中：D1、機架 N1、機架節(jié)點構件一 N2、機架節(jié)點構件二 N3、機架節(jié)點構件三 N4、機架節(jié)點構件四 N5、機架節(jié)點構件五 M1、動平臺 T1、動平臺節(jié)點構件一 T2、動平臺節(jié)點構件二 T3、動平臺節(jié)點構件三 T4、動平臺節(jié)點構件四 T5、動平臺節(jié)點構件五 第一連桿(L1) 第二連桿(L2) 第三連桿(L3) 第四連桿(L4) 第五連桿(L5) 第六連桿(L6) 第七連桿(L7) 第八連桿(L8) 第九連桿(L9) 第十連桿(L10) 第十一連桿(L11) 第十二連桿(L12) 第十三連桿(L13) 第十四連桿(L14) 第十五連桿(L15) 第一耦合支鏈(C1) 第二耦合支鏈(C2) 第三耦合支鏈(C3) 第四耦合支鏈(C4) 第五耦合支鏈(C5) 機架節(jié)點構件一第一轉動副(R11) 機架節(jié)點構件一第二轉動副(R12) 機架節(jié)點構件一第三轉動副(R13) 機架節(jié)點構件二第一轉動副(R21) 機架節(jié)點構件二第二轉動副(R22) 機架節(jié)點構件二第三轉動副(R23) 機架節(jié)點構件三第一轉動副(R31) 機架節(jié)點構件三第二轉動副(R32) 機架節(jié)點構件三第三轉動副(R33) 機架節(jié)點構件四第一轉動副(R41) 機架節(jié)點構件四第二轉動副(R42) 機架節(jié)點構件四第三轉動副(R43) 機架節(jié)點構件五第一轉動副(R51) 機架節(jié)點構件五第二轉動副(R52) 機架節(jié)點構件五第三轉動副(R53) 動平臺節(jié)點構件一第一轉動副(R14) 動平臺節(jié)點構件一第二轉動副(R15) 動平臺節(jié)點構件一第三轉動副(R16) 動平臺節(jié)點構件二第一轉動副(R24) 動平臺節(jié)點構件二第二轉動副(R25) 動平臺節(jié)點構件二第三轉動副(R26) 動平臺節(jié)點構件三第一轉動副(R34) 動平臺節(jié)點構件三第二轉動副(R35) 動平臺節(jié)點構件三第三轉動副(R36) 動平臺節(jié)點構件四第一轉動副(R44) 動平臺節(jié)點構件四第二轉動副(R45) 動平臺節(jié)點構件四第三轉動副(R46) 動平臺節(jié)點構件五第一轉動副(R54) 動平臺節(jié)點構件五第二轉動副(R55) 動平臺節(jié)點構件五第三轉動副(R56) 機架第一轉動副(R1) 機架第二轉動副(R2)機架第三轉動副(R3) 機架第四轉動副(R4) 機架第五轉動副(R5) 動平臺第一轉動副(R61) 動平臺第二轉動副(R62) 動平臺第三轉動副(R63) 動平臺第四轉動副(R64) 動平臺第五轉動副(R65)

具體實施方式

如圖2所示，第一分支包括第一連桿(L1)、機架節(jié)點構件一(N1)、第二連桿(L2)、動平臺節(jié)點構件一(T1)、第三連桿(L3)；其中第一連桿(L1)與機架(D1)通過機架第一轉動副(R1)連接，第一連桿(L1)與機架節(jié)點構件一(N1)通過機架節(jié)點構件一的第一轉動副(R11)連接，第二連桿(L2)與機架節(jié)點構件一(N1)通過機架節(jié)點構件一的第二轉動副(R12)連接，第二連桿(L2)與動平臺節(jié)點構件一(T1)通過動平臺節(jié)點構件一的第一轉動副(R14)連接，第三連桿(L3)與動平臺節(jié)點構件一(T1)通過動平臺節(jié)點構件一的第三轉動副(R16)連接，第一分支可以表示為簡單串聯運動鏈R1-R11-R12-R14-R16-。

第二分支包括第四連桿(L4)、機架節(jié)點構件二(N2)、第五連桿(L5)、動平臺節(jié)點構件二(T2)、第六連桿(L6)；其中第四連桿(L4)與機架(D1)通過機架第二轉動副(R2)連接，第四連桿(L4)與機架節(jié)點構件二(N2)通過機架節(jié)點構件二的第一轉動副(R21)連接，第五連桿(L5)與機架節(jié)點構件二(N2)通過機架節(jié)點構件二的第二轉動副(R22)連接，第五連桿(L5)與動平臺節(jié)點構件二(T2)通過動平臺節(jié)點構件二的第一轉動副(R24)連接，第六連桿(L6)與動平臺節(jié)點構件二(T2)通過動平臺節(jié)點構件二的第三轉動副(R26)連接，第二分支可以表示為簡單串聯運動鏈R2-R21-R22-R24-R26-。

第三分支包括第七連桿(L7)、機架節(jié)點構件三(N3)、第八連桿(L8)、動平臺節(jié)點構件三(T3)、第九連桿(L9)；其中第七連桿(L7)與機架(D1)通過機架第三轉動副(R3)連接，第七連桿(L7)與機架節(jié)點構件三(N3)通過機架節(jié)點構件三的第一轉動副(R31)連接，第八連桿(L8)與機架節(jié)點構件三(N3)通過機架節(jié)點構件三的第二轉動副(R32)連接，第八連桿(L8)與動平臺節(jié)點構件三(T3)通過動平臺節(jié)點構件三的第一轉動副(R34)連接，第九連桿(L9)與動平臺節(jié)點構件三(T3)通過動平臺節(jié)點構件三的第三轉動副(R36)連接，第三分支可以表示為簡單串聯運動鏈R3-R31-R32-R34-R36-。

第四分支包括第十連桿(L10)、機架節(jié)點構件四(N4)、第十一連桿(L11)、動平臺節(jié)點構件四(T4)、第十二連桿(L12)；其中第十連桿(L10)與機架(D1)通過機架第四轉動副(R4)連接，第十連桿(L10)與機架節(jié)點構件四(N4)通過機架節(jié)點構件四的第一轉動副(R41)連接，第十一連桿(L11)與機架節(jié)點構件四(N4)通過機架節(jié)點構件四的第二轉動副(R42)連接，第十一連桿(L11)與動平臺節(jié)點構件四(T4)通過動平臺節(jié)點構件四的第一轉動副(R44)連接，第十二連桿(L12)與動平臺節(jié)點構件四(T4)通過動平臺節(jié)點構件四的第三轉動副(R46)連接，第四分支可以表示為簡單串聯運動鏈R4-R41-R42-R44-R46-。

第五分支包括第十三連桿(L13)、機架節(jié)點構件五(N5)、第十四連桿(L14)、動平臺節(jié)點構件五(T5)、第十五連桿(L15)；其中第十三連桿(L13)與機架(D1)通過機架第五轉動副(R5)連接，第十三連桿(L13)與機架節(jié)點構件五(N5)通過機架節(jié)點構件五的第一轉動副(R51)連接，第十四連桿(L14)與機架節(jié)點構件五(N5)通過機架節(jié)點構件五的第二轉動副(R52)連接，第十四連桿(L14)與動平臺節(jié)點構件五(T5)通過動平臺節(jié)點構件五的第一轉動副(R54)連接，第十五連桿(L15)與動平臺節(jié)點構件五(T5)通過動平臺節(jié)點構件五的第三轉動副(R56)連接，第五分支可以表示為簡單串聯運動鏈R5-R51-R52-R54-R56-。