CN100366400C - 柔索驱动三和四自由度解耦并联机构 - Google Patents

柔索驱动三和四自由度解耦并联机构 Download PDF

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Abstract

一种柔索驱动三和四自由度解耦并联机构。属工业机器人和机械制造领域中的柔索驱动并联机构，它由五组驱动单元、机架和运动平台组成，每一驱动单元包括固接于机架的直线电机、定滑轮及柔索。其中前后三组柔索驱动单元柔索的一端与直线电机相连，另一端绕过定滑轮与运动台相连，连接点形成三角形。运动平台内固接一铰链，中间两根柔索的一端连接于铰链活动端，另一端分别与机架张紧连接。采用这样的机构使得该柔索驱动三和四自由度转动机构具有结构简单、位姿解耦、运动惯量低、高频率响应、工作空间大、易于控制、能实现三维定点转动和三维定点转动及一维平动等优点。

Description

柔索驱动三和四自由度解耦并联机构
技术领域
本发明涉及工业机器人和机械制造领域，确切地说涉及一种柔索驱动三四自由度解耦并联机构。
背景技术
在现有三自由度转动机构中，有两类机构：串联和并联。串联式是通过转动副依次相连的开式链，这类三自由度转动机构具有大工作空间和高灵活性，其缺点是：串联运动副的误差累积导致精度低；刚度低；结构复杂；惯量大，动态性能差。现有的并联三自由度转动机构缺点是：结构复杂；惯量较大，动态性能较差。
近年来，随着对并联机构研究的不断深入，国内外学者开始研究一种新型的柔索驱动的并联机构，该机构具有结构简单、惯量减小到最低、动态响应快、工作空间大、高负载能力等，因此被越来越多的重视和研究。如美、法、德、日国等广泛地开展了这方面的研究与应用，我国也开展了这方面的研究，如在申请号为01127939的中国专利公布的一种柔索驱动三自由度并联机构，但是由于未解决柔索只能承受拉力的缺点，所以仍然具有结构相对复杂、运动平台位姿耦合、控制复杂和不能实现三自由度定点转动等不足。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、位姿解耦、运动惯量低、高频率响应、工作空间大、易于控制的柔索驱动三和四自由度解耦并联机构，克服现有刚性构件三和四自由度串并联机构和柔索驱动三自由度并联机构的不足，解决 三维定点转动和三维定点转动及一维平动的问题。
本发明的柔索驱动三和四自由度并联机构，它由五组驱动单元、机架和运动平台组成。具体是每一驱动单元包括固接于机架的直线电机、定滑轮及柔索。其中前后三组柔索驱动单元的三根柔索一端绕过定滑轮与直线电机相连，另一端与运动平台平面上呈三角形的三个点相连，即与运动平台的连接点形成三角形。运动平台内固接一铰链，中间两组柔索驱动单元的两根柔索位于一条直线且通过铰链中心，其一端连接于铰链活动端，另一端分别通过定滑轮分别与固接于机架上、下方的直线电机张紧连接，以实现机构的四自由度运动(三维转动和一维平动)或三自由度定点转动目的。
本发明具有如下优点：
1、无运动副的误差累积而精度高；负载大，惯量减少至最小，动态响应高。
2、易于实现和控制三个姿态角和一个平动，且位姿完全解耦。
3、上下两组驱动单元直接采用柔索替代，并将柔索张紧，可实现机构绕铰链中心的三自由度定点转动。
4、结构简单，易于制造和装配。
5、依据实际需求调节三组柔索驱动单元与机架连接位置，或添加冗余柔索驱动以实现大工作空间和高承载能力。
附图说明
图1为柔索驱动三和四自由度并联机构的结构示意图；
图中标号名称：1、运动平台，2、10、14、15、19五个标号为柔索，3、8、13、17、22五个标号为直线电机，4、7、12、16、21五个标号为机架，5、9、11、18、20五个标号为定滑轮，6、铰链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明
图1为本发明的总体结构示意图，运动平台1通过前后三组柔索驱动单元的柔索2、14、19通过定滑轮5、11、20分别和与固接于机架4、12、21的直线电机3、13、22连接，柔索与运动平台1的连接点形成三角形，运动平台1可为任意形状，前后三组柔索驱动单元同时位于运动平台1的上方或下方，运动平台1中心(或位于三角形内的某一点)固接一铰链6，中间两组柔索驱动单元的两根柔索10、15位于一条直线且通过铰链中心，其一端连接于铰链6的活动端，另一端分别通过定滑轮9、18分别与固接于机架7、16的直线电机8、17张紧连接，机架的结构形式可依据实际工作需要确定，运动平台1通过五组柔索驱动单元的柔索2、10、14、15、19的牵引可实现绕铰链6中心的三自由度定点转动及沿中间两组柔索10、15牵引方向的平动。铰链6可采用球铰，也可采用虎克铰。
图1的总体结构示意图中，若中间两组柔索驱动单元的电机不工作或不安装电机和定滑轮，直接将柔索10、15分别与机架7、16张紧连接，即可限制运动平台1的平动自由度，通过前后三组柔索驱动单元的柔索2、14、19的牵引实现运动平台1绕铰链6中心的三自由度定点转动。
本发明的并联机构可广泛地应用于机床或机器人等调姿态领域，其运动平台替换为风洞试验飞行器模型，可直接变化飞行器的三个姿态角，若在三组柔索和两根柔索上安装单分量测力传感器，可实现试验模型的六维外力测量。

Claims (1)

1.一种柔索驱动三和四自由度解耦并联机构，包括运动平台(1)、三组柔索驱动单元的三根柔索(2、14、19)、三个滑轮(5、11、20)、三个机架(4、12、21)和三个直线电机(3、13、22)，所述运动平台(1)表面里三角形的三个点分别通过同时位于运动平台(1)上方的前后三组柔索驱动单元的第一、第二、第三柔索(2、14、19)分别经过相应的第一、第二、第三滑轮(5、11、20)连于相应的第一、第二、第三直流电机(3、13、22)，所述第一、第二、第三直流电机(3、13、22)分别固定在相对应的第一、第二、第三机架(4、12、21)上，所述第一、第二、第三滑轮(5、11、20)分别固定在同时位于运动平台(1)上方的三个点上，构成三角形平面，其特征在于：还包括运动平台(1)内装有铰链(6)，中间两组柔索驱动单元的第四，第五柔索(15、10)及其相应的第四、第五滑轮(18、9)和相应的第四、第五直流电机(17、8)以及相应的第四、第五机架(16、7)，所述中间两组柔索驱动单元的第四、第五柔索(15、10)的一端分别连于铰链(6)的活动端，其中位于运动平台(1)上方的第四柔索(15)的另一端通过第四滑轮(18)连于固定在第四机架(16)上的第四直流电机(17)，位于运动平台(1)下方的第五柔索(10)的另一端通过第五滑轮(9)连于固定在第五机架(7)上的第五直流电机(8)，所述第四滑轮(18)和第五滑轮(9)分别位于运动平台(1)上方和下方的一条直线上，使得第四柔索(15)和第五柔索(10)构成一条直线，该第四、第五柔索(15、10)同时与前述第一、第二、第三柔索(2、14、19)构成驱动三和四自由度解耦并联机构，实现运动平台三维定点转动及一维平动。
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