CN1233513C - 六自由度并联解耦机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六自由度并联解耦机构，包括在机座支撑板A、B、C上与动平台之间正交固连布置的六个相同的驱动单元，且在每一块支撑板上布置所述驱动单元的数量为1-3个，不同支撑板上的驱动单元之间彼此正交，其特征在于所述的驱动单元包括固连在机座支撑板上的导轨座，安装在导轨座上的滑台，固连在导轨座上并与滑台一端相连的驱动器，以及在滑台另一端上依次固连的平面二自由度移动副和球铰链，球铰链的另一端与所述的动平台固连。本发明可做到五自由度无条件解耦和六自由度有条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，工作空间不受限制，成本较低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械学领域，具体为一种六自由度并联解耦机构。所谓解耦机构是指并联机构在某个方向上的平动或转动仅仅依赖于该方向上驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的并联机构。国际专利分类号拟为IPC.CL7.B25J 9/08。
背景技术
并联机构是指两个或两个以上的驱动单元并联安装并共同完成动作的机构，广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等技术领域。由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任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)之间是非线性关系，因此导致并联机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和成本的下降。所以，如何实现并联机构解耦，以简化并联机构控制和标定，提高设备运动的精度并降低成本，一直是一个困难而富于挑战性的课题。
为了清楚描述并联机构解耦问题，首先对以下定义作出说明：
解耦：如果并联机构在某方向的平动或转动仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的运动组合，则称之为并联机构的解耦。解耦可以分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。
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或完全解耦；
有条件解耦：如果并联机构在任意位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦或限制解耦；
瞬时解耦：如果并联机构仅在特定位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦或点解耦。
迄今，发明人在并联机构解耦方面已有一些研究成果：例如，专利文献“六自由度虚拟轴机床”(参见中国发明专利，公开号为CN1261018A)报道了并联机构在空间一个位置(即初始位置)处的解耦，并因此降低了整机的耦合度，但除初始位置外，其它位置仍是耦合的，因此该项技术属于瞬时解耦或点解耦；又例如，专利文献“3、4、5、6自由度结构解耦并联微动机器人”(参见中国发明专利：ZL00100198.1、ZL00100197.3、ZL00100196.5和ZL99121020.4)和“可重组模块化3-6自由度结构解耦并联微动机器人”(参见中国发明专利，公开号为CN1377757A)报道了在并联解耦研究的进展情况，但这些并联机构仅适用于微动领域，原因是其解耦是近似的，且随着工作空间的加大，各驱动单元之间的耦合度会随之相应增加，这就意味着该并联解耦机构的实际工作空间仅为几微米；换言之，为了保持输入输出之间的近似解耦关系，必须限制该并联解耦机构用于一定范围的微动操作，否则就是非解耦的，因此该项技术仍具有瞬时解耦的特点，本质上也属于瞬时解耦。此外，关于有条件和无条件解耦的并联机构，无论是在宏动领域还是在微动领域，尚未见更相关的文献报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明主要解决的技术问题是提供一种六自由度并联解耦机构，它可做到六自由度有条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，工作空间不受限制，成本较低等优点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种六自由度并联解耦机构，包括具有三个相互正交支撑板A、B、C的机座、动平台和在机座三个支撑板A、B、C上与动平台之间正交固连布置的六个相同的驱动单元，且在每一块支撑板上布置所述驱动单元的数量为1-3个，不同支撑板上的驱动单元之间彼此正交。其特征在于所述的驱动单元包括固连在机座支撑板上的导轨座，安装在导轨座上的滑台，固连在导轨座上并与滑台一端相连的驱动器，以及在滑台另一端上依次固连的平面二自由度移动副和球铰链，球铰链的另一端与所述的动平台固连。
本发明的六自由度并联解耦机构，由于独特设计了在机座支撑板A、B、C上和动平台之间分别固连且彼此平行正交布置的六个相同的驱动单元，当其中任意支撑板上的一个或多个驱动单元接收控制指令执行驱动工作时，其它支撑板上的驱动单元都只产生相应牵连运动或者协调运动，而不会产生耦合运动，因此可以实现并联机构的运动解耦，可做到三自由度平动无条件解耦和三自由度转动有条件解耦，实现本发明的主要目的或者说解决本发明的主要技术问题。又由于本发明所述的驱动单元基本为常用的机械机构或零部件的组合，因此具有结构简单，工作可靠，控制容易(无耦合运动或者有条件的无耦合运动，因此仅需要对工作的驱动单元进行控制或者在一定条件下对有耦合运动的驱动单元进行控制，不需要全部或者在一定条件下全部考虑各驱动单元同步控制问题)，运动精度高(因解耦程度较高)，工作空间不受限制(既适用于微动领域，也适用于宏动领域)，同时成本降低等优点。
经检索，国内外尚没有发现与本发明六自由度并联解耦机构更相关的文献报道。
附图说明
图1为本发明六自由度并联解耦机构的一种六个驱动单元均分正交布置在机座支撑板上的实施例示意图；
图2为本发明六自由度并联解耦机构另一种六个驱动单元按1、2、3的数量组合正交布置在机座支撑板上的实施例示意图；
图3为本发明六自由度并联解耦机构所用驱动单元的一种实施例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明设计的一种六自由度并联解耦机构(参见图1、2)，包括具有三个相互正交支撑板A、B、C的机座1、动平台2和在机座1三个支撑板A、B、C上与动平台2之间正交固连布置的六个相同的驱动单元3，且在每一块支撑板上布置所述驱动单元3的数量为1-3个，不同支撑板上的驱动单元3之间彼此正交，其特征在于所述的驱动单元3(参见图3)包括固连在机座1支撑板上的导轨座34，安装在导轨座34上的滑台33，固连在导轨座34上并与滑台33一端相连的驱动器35，以及在滑台33另一端上依次固连的平面二自由度移动副32和球铰链31，球铰链31的另一端与所述的动平台2固连。
本发明六自由度并联解耦机构在机座1支撑板A、B、C上与动平台2之间共正交固连布置六个相同的驱动单元3，所谓相同是指驱动单元3的结构形状相同。这六个相同的驱动单元有两种数量组合方法正交固连布置在机座1支撑板A、B、C上：一种实施例的特征是所述的六个相同的驱动单元3均分正交布置在所述的每一块支撑板上，且在一块支撑板上的两个驱动单元3处于同一平面内(参见图1)。具体说是，在同一支撑板上平行或者垂直布置的两个驱动单元3组成一个“驱动单元平面”，不同支撑板上的驱动单元平面之间彼此正交，且不同支撑板A、B、C上的驱动单元之间也彼此正交。另一种实施例的特征是所述的六个相同的驱动单元3按照一、二、三个的数量组合正交布置在所述的支撑板上，且处于同一支撑板上的三个驱动单元不在同一平面上(参见图2)。在这个实施例中，驱动单元3按照一、二、三个的数量组合分别正交布置在所述的支撑板B、A、C上。对于三个数量组合的驱动单元3应当按照三角形排列布置。同样道理，把驱动单元3按照一、二、三个的数量组合分别正交布置在所述的支撑板上的实施例还可以如下设计：即把驱动单元3按照一、二、三个的数量组合分别正交布置在所述的支撑板B、C、A上；或者支撑板A、B、C上；或者支撑板A、C、B上；或者支撑板C、A、B上，或者支撑板C、B、A上(容易理解，未给出示意图)，而其他条件不变。
本发明六自由度并联解耦机构的进一步特征在于所述的平面二自由度移动副32上的两个方向移动副正交布置或者非正交布置，也就是说，既可正交布置(如图1、2、3所示)，也可非正交布置(也即成一定角度布置，容易理解，未给出示意图)。这可根据需要选择。但考虑到在动平台2工作空间一定时，双向移动副的正交布置可使每一向移动副的移动距离最小，因此实施例优选正交布置。
现以图1所示的实施例对本发明六自由度并联解耦机构的工作原理作一说明：当任意支撑板、例如A(或B或C)上的两个驱动单元3接受控制指令同步驱动动平台2工作时，动平台2将沿驱动方向、例如Y(或X或Z)向作平动，并带动其它两个支撑板B、C(或A、C或A、B)上驱动单元3的平面二自由度移动副32产生平面牵连运动，进而产生动平台2与这些驱动单元之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令驱动单元的同步驱动工作与这些相对移动或者协调运动驱动单元的运动无关，也即避免了不同支撑板上驱动单元之间的运动耦合，实现动平台2在X、Y、Z三个方向上的平动解耦，并且是无条件解耦。
再来看转动解耦情况：假设支撑板A、B、C上的两个驱动单元3上所述的球铰链31的中心连线分别为XR、ZR、YR，且称为三个“瞬时转动轴”，在图1所示姿态下(即动平台2仅作平动，无转动时)，任意支撑板例如A(或B或C)上的两个驱动单元3按控制指令比例联动，则动平台2可产生绕瞬时转动轴ZR(或YR或XR)的转动，此转动仅与一个接受控制指令驱动单元如支撑板A(或B或C)上的驱动单元3有关，而与其余两个支撑板如B、C(或A、C或者A、B)上的驱动单元3运动无关，因此单向转动是解耦的。但若动平台2绕任一瞬时转动轴ZR(或YR或XR)转动后，再绕其它轴瞬时转动轴转动，则需要各支撑板A、B、C上的驱动单元3联动，此时的双向转动不再解耦。因此这种转动是有条件解耦的。
再以图2所示的实施例对本发明六自由度并联解耦机构的工作原理作一说明：当任意支撑板、例如A(或B或C)上的两个驱动单元3(或一个驱动单元3或三个驱动单元3)接受控制指令同步驱动动平台2工作时，动平台2将沿驱动方向、例如Y(或X或Z)向作平动，并带动其它两个支撑板B、C(或A、C或A、B)上驱动单元3的平面二自由度移动副32产生平面牵连运动，进而产生动平台2与这些驱动单元之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令驱动单元的同步驱动工作与这些相对移动或者协调运动驱动单元的运动无关，也即避免了不同支撑板上驱动单元3之间的运动耦合，实现动平台2在X、Y、Z三个方向上的平动解耦，并且是无条件解耦。
再来看转动解耦情况：假设支撑板A上两个驱动单元球铰的中心连线为XR，过支撑板B上驱动单元的球铰中心作两个分别平行于Y、Z的轴线YR、ZR，且称XR、ZR、YR为三个“瞬时转动轴”，则在图2所示姿态下(即动平台2仅作平动，无转动时)，支撑板A上的两个驱动单元3按比例联动，可产生动平台2绕ZR轴的转动，而与支撑板B、C上的驱动单元3无关，因而转动是解耦的；类似地，支撑板C上的三个驱动单元3按比例联动，可产生动平台2绕YR轴或ZR轴的转动，而与支撑板A、B上的驱动单元3无关，因而转动也是解耦的。若动平台2绕任一瞬时转动轴转动后，再绕其它轴转动，则需要各支撑板A、B、C上的驱动单元3联动，此时的转动不再解耦。因此转动是有条件解耦的。
Claims (4)
1.一种六自由度并联解耦机构，包括具有三个相互正交支撑板A、B、C的机座(1)、动平台(2)和在机座(1)三个支撑板A、B、C上与动平台(2)之间正交固连布置的六个相同的驱动单元(3)，且在每一块支撑板上布置所述驱动单元(3)的数量为1-3个，不同支撑板上的驱动单元(3)之间彼此正交，其特征在于所述的驱动单元(3)包括固连在机座(1)支撑板上的导轨座(34)，安装在导轨座(34)上的滑台(33)，固连在导轨座(34)上并与滑台(33)一端相连的驱动器(35)，以及在滑台(33)另一端上依次固连的平面二自由度移动副(32)和球铰链(31)，球铰链(31)的另一端与所述的动平台(2)固连。
2.根据权利要求1所述的六自由度并联解耦机构，其特征在于所述的平面二自由度移动副(32)上的两个方向移动副正交布置或者非正交布置。
3.根据权利要求1或2所述的六自由度并联解耦机构，其特征在于所述的六个相同的驱动单元(3)均分正交布置在所述的每一块支撑板上，且在一块支撑板上的两个驱动单元(3)处于同一平面内。
4.根据权利要求1或2所述的六自由度并联解耦机构，其特征在于所述的六个相同的驱动单元(3)按照一、二、三个的数量组合正交布置在所述的支撑板上，且处于同一支撑板上的三个驱动单元不在同一平面上。
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