CN100348378C - 一种三自由度解耦并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三自由度解耦并联机构，包括机座和动平台以及分别固连在机座和动平台之间彼此相互垂直的一个回转运动支链和两个结构相同的移动运动支链；回转运动支链包括依次机械连接的机座回转副，机座虎克铰、移动副和平台虎克铰；所述的移动运动支链包括用小连杆连接起来的机座移动副和平台移动副，与平台移动副连接的一个方台及方台上连接的平台回转副；两个移动运动支链的结构相同，并具有共同的方台和平台回转副，两个结构相同的移动运动支链相互垂直布置，并分别安装在同一个方台相互垂直的两个侧面上，两个结构相同的移动运动支链通过共同的平台回转副与动平台连接。本发明并联机构具有可连续回转动平台，在三自由度下无条件解耦，并具有结构简单，控制和标定容易，精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及机械学领域的并联机构，具体为一种三自由度解耦并联机构，它具有可连续回转动平台，国际专利分类号拟为Int.Cl7 B25J 9/08。
背景技术
并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任意一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了工作精度的提高。因此，如何实现并联机构的解耦，以简化其控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富于挑战性的课题。另外，并联机构的工作空间相对较小，如何提高其运动空间，尤其是回转工作空间也是个重要的难题。
为了清楚描述并联机构解耦问题，首先说明如下概念的定义：
解耦：如果并联机构在某方向的平动或转动仅依赖于一个方向驱动单元动作，则称之为解耦；
无条件解耦：如果并联机构在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦；
有条件解耦：如果并联机构在任意位置和特定姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦；
瞬时解耦：如果并联机构仅在特定位置和特定姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦。
目前，在并联机构解耦研究方面已有一些成果，例如，中国专利文献CN1261018A提出的“六自由度虚拟轴机床”，实现了空间一个位置(即初始位置)处的解耦，并因此降低了整机的耦合度。但该机构除了在初始位置外，其它位置仍是耦合的，或者说是不解耦的，因此该机构设计属于瞬时解耦；又例如，中国专利文献ZL00100198.1、CN 00100197.3、CN00100196.5、CN99121020.4分别提出的“三、四、五、六自由度结构解耦并联微动机器人”和CN1377757A提出的“可重组模块化3-6自由度结构解耦并联微动机器人”，这些文献报道的并联机构也仅适用于微动领域，原因是这些机构的解耦仅是近似的，随着工作空间的加大，其各驱动单元之间的耦合度也会不断增加，使机构逐渐成为不解耦。为了保持该并联机构动力的输入输出之间的近似解耦关系，这些机构设计的实际工作空间只为数微米，因此这些机构仍仅具有瞬时解耦的特点。本发明提出的三自由度解耦并联机构，具有可连续回转动平台的显著特征，而具有该特征的文献目前尚未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种三自由度解耦并联机构，它具有可连续回转的动平台，并且在三自由度下无条件解耦，并具有结构简单，控制和标定容易，精度高等特点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种三自由度解耦并联机构，包括机座和动平台，其特征是在所述机座和动平台之间分别固连有彼此相互垂直的一个回转运动支链和两个结构相同的移动运动支链；所述的回转运动支链包括依次机械连接的机座回转副，机座虎克铰、移动副和平台虎克铰；所述机座回转副与机座固连，其轴线与机座虎克铰的中心相交，并始终垂直于机座虎克铰的一个回转轴线；所述移动副的外连杆和内连杆分别与机座虎克铰和平台虎克铰固连，其中心线分别通过机座虎克铰和平台虎克铰的中心；所述平台虎克铰通过连杆与所述动平台的一个侧面固连，且连杆的轴线始终与所述机座回转副的轴线平行，并与平台虎克铰的两个回转轴线垂直相交；所述的移动运动支链包括用小连杆连接起来的机座移动副和平台移动副，与平台移动副连接的一个方台及方台上连接的平台回转副；机座移动副和平台移动副的运动方向相互垂直，机座移动副安装在机座上，平台移动副安装在方台的一个侧面上，而平台回转副安装在所述方台的另一个侧面上，并使平台回转副的轴线与所述的机座移动副和平台移动副垂直，且与所述的连杆同轴；所述的两个移动运动支链的结构相同，并具有共同的方台和平台回转副，两个结构相同的移动运动支链相互垂直布置，即它们的两个机座移动副相互垂直，两个平台移动副相互垂直，并分别安装在同一个方台相互垂直的两个侧面上，两个结构相同的移动运动支链通过共同的平台回转副与动平台连接；同时两个结构相同的移动运动支链又与所述的回转运动支链垂直布置。
与现有技术相比，本发明的三自由度解耦并联机构设计了彼此相互垂直的一个回转运动支链和两个结构相同的移动运动支链，它们在三自由度下运动是解耦的，并且是完全解耦的，同时具有可连续回转动平台，或者说本发明是一种具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构。本发明的这种结构设计可以大大简并联化机构的运动学模型，从而为机构的精确控制和标定带来了可能和方便，便于工业实施应用。同时，由于并联机构所述的动平台可以连续回转，因此可大大增加动平台的回转工作空间，也必然会拓展本发明并联机构的应用领域。
附图说明
图1为本发明具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构一种实施例的结构示意图；
图2为本发明具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构所述回转运动支链2的一种实施例的结构示意图；
图3为本发明具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构所述的移动运动支链3的一种实施例的结构示意图。
图4为本发明具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构所述的移动运动支链3’的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的具有可连续回转动平台的三自由度解耦并联机构(以下简称并联机构，参见图1)，包括机座1和动平台4以及分别固连在机座1和动平台4之间彼此相互垂直的一个回转运动支链2和两个结构相同的移动运动支链3和3’；所述的回转运动支链2(参见图2)包括依次机械连接的机座回转副21，机座虎克铰23、移动副25和平台虎克铰27；所述机座回转副21与机座1固连，其轴线与机座虎克铰23的中心相交，并始终垂直于机座虎克铰23的一个回转轴线；所述移动副25的外连杆24和内连杆26分别与机座虎克铰23和平台虎克铰27固连，其中心线分别通过机座虎克铰23和平台虎克铰27的中心；所述平台虎克铰27通过连杆28与所述动平台4的一个侧面固连，且连杆28的轴线始终与所述机座回转副21的轴线平行，并与平台虎克铰27的两个回转轴线垂直相交；所述的移动运动支链3(参见图3)包括用小连杆32连接起来的机座移动副31和平台移动副33，与平台移动副33连接的一个方台34及其上连接的平台回转副35；机座移动副31和平台移动副33的运动方向相互垂直，机座移动副31安装在机座1上，平台移动副33安装在方台34的一个侧面上，而平台回转副35安装在所述方台34的另一个侧面上，并使平台回转副35的轴线与所述的机座移动副31和平台移动副33垂直，且与所述的连杆28同轴；所述移动运动支链3’(参见图1、4)的结构与移动运动支链3相同，并具有共同的方台34和平台回转副35，同时包括用小连杆32’连接起来的机座移动副31’和平台移动副33’，机座移动副31’和平台移动副33’的运动方向相互垂直，机座移动副31’安装在机座1上；两个结构相同的移动运动支链3和3’相互垂直布置，即它们的两个机座移动副31和31’相互垂直，两个平台移动副33和33’相互垂直，并分别安装在同一个方台34相互垂直的两个侧面上，两个结构相同的移动运动支链3和3’通过共同的平台回转副35与动平台4连接；同时两个结构相同的移动运动支链3和3’又与所述的回转运动支链2垂直布置，即运动支链2的机座回转副21与机座移动副31和31’垂直(参见图1)。
本发明并联机构所述的外连杆24、内连杆26和小连杆32的横截面形状不受限定，可以是实施例所给出的方形以外的其他形状，例如圆形、三角形、六边形、花键形等。
本发明并联机构的工作原理如下：本发明并联机构所述的回转运动支链2的机座回转副21和所述两个相同结构的移动运动支链3和3’的两个机座移动副31和31’为主运动副，可由电机驱动。当单独驱动机座回转副21时，动平台4将绕平行于机座回转副21轴线的旋转轴连杆28的轴线旋转，且可以连续沿一个方向旋转而无干涉；当分别单独驱动所述两个机座移动副31和31’中的任意一个时，动平台4将分别沿两个相互垂直的方向，即机座移动副31和31’的运动方向平动，其平动方向和所述动平台4的转动轴线垂直，并且每一平动与另外一个移动运动支链3或3’的驱动无关，同时也与回转运动支链2的驱动无关。因此，每一运动支链(包括回转运动支链2和两个结构相同的移动运动支链3和3’)的单独驱动时，都可使得动平台4仅做相应的运动，而与另外两个运动支链的驱动无关，因而动平台4的两个平动和一个转动是解耦的，并且是无条件解耦的。
本发明并联机构未述及的适用于现有技术。
本发明并联机构实施例设计的突出优点是：结构简单，制造容易，维养方便，易于工业化实施。
Claims (2)
1.一种三自由度解耦并联机构，包括机座和动平台，其特征是在所述机座和动平台之间分别固连有彼此相互垂直的一个回转运动支链和两个结构相同的移动运动支链；所述的回转运动支链包括依次机械连接的机座回转副，机座虎克铰、移动副和平台虎克铰；所述机座回转副与机座固连，其轴线与机座虎克铰的中心相交，并始终垂直于机座虎克铰的一个回转轴线；所述移动副的外连杆和内连杆分别与机座虎克铰和平台虎克铰固连，其中心线分别通过机座虎克铰和平台虎克铰的中心；所述平台虎克铰通过连杆与所述动平台的一个侧面固连，且连杆的轴线始终与所述机座回转副的轴线平行，并与平台虎克铰的两个回转轴线垂直相交；所述的移动运动支链包括用小连杆连接起来的机座移动副和平台移动副，与平台移动副连接的一个方台及方台上连接的平台回转副；机座移动副和平台移动副的运动方向相互垂直，机座移动副安装在机座上，平台移动副安装在方台的一个侧面上，而平台回转副安装在所述方台的另一个侧面上，并使平台回转副的轴线与所述的机座移动副和平台移动副垂直，且与所述的连杆同轴；所述的两个移动运动支链的结构相同，并具有共同的方台和平台回转副，两个结构相同的移动运动支链相互垂直布置，即它们的两个机座移动副相互垂直，两个平台移动副相互垂直，并分别安装在同一个方台相互垂直的两个侧面上，两个结构相同的移动运动支链通过共同的平台回转副与动平台连接；同时两个结构相同的移动运动支链又与所述的回转运动支链垂直布置。
2.根据权利要求1所述的三自由度解耦并联机构，其特征在于所述的外连杆、内连杆和小连杆的横截面形状可以是方形、圆形、三角形、六边形、或者花键形。
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