CN1878640A - 联动装置 - Google Patents

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Abstract

一种联动装置，其配备有紧凑的、刚性高的、具有大的负荷容量的连杆机构。所述联动装置包括三个或更多个连杆机构。每一个连杆机构由中心连杆件和端连杆件组成，所述端连杆件可旋转地连接到所述中心连杆件和连杆毂上，所述连杆毂分别设置在输入件和输出件上。每一个连杆机构的中心横截面的输入侧和输出侧在几何形状上相同。连接到输入件上的连杆机构中的两个或更多个连杆机构的旋转接点中的一个或更多个旋转接点设置有制动机构，用于将输出件停止在给定的位置。

Description

联动装置
技术领域
本发明涉及一种联动装置，所述联动装置用作连杆机构，例如在三维空间高速地、高精度地执行物品的复杂加工或处理的平行连杆机构或者机械手接头(robot joint)。
背景技术
配备有在三维空间中高速地、高精度地执行物品的复杂加工或处理的平行连杆机构的操作装置是已知的(例如，参见日本专利未审查公开No.2000-94245)。
这个操作装置包括平行连杆机构，所述平行连杆机构包括多个连杆，所述连杆连接底板和移动板，并协作地伸长和缩回以改变移动板相对于底板的位置和方向。当工件保持在可旋转的工作台上时，工具连接到这个平行连杆机构的移动板上，从而工具可以相对于工作台上的工件自由地改变其位置和方向，并在三维空间执行物品的复杂加工或处理。
这种平行连杆机构的主要特性特征在于：可移动部件的重量能够减少，并且几个连杆的定位误差在远端处被校平，这两方面都有利于在三维空间高速地、高精度地进行物品的复杂加工或处理。
另一方面，如果移动板的操作范围需要增加，则因为每一个连杆具有相对小的操作角范围，连杆不得不延长，这增加了平行连杆机构的尺寸并导致整个操作装置较笨重。而且，因为该机构的刚性低，所以携带在移动板上的工具的重量，即移动板的负荷容量不得不限制在较小的范围。
发明内容
本发明的目的是提出一种配备有紧凑的、刚性高的、具有大负荷容量的连杆机构的联动装置。
根据本发明的联动装置包括三个或更多连杆机构，每一个连杆机构由中心连杆件和端连杆件组成，所述端连杆件可旋转地连接到所述中心连杆件和连杆毂(link hub)上，所述连杆毂分别设置在输入件和输出件上，其中，每一个连杆机构的中心横截面的输入侧和输出侧几何上相同，并且其中，连接到输入件上的连杆机构中的两个或更多个连杆机构的旋转接点中的一个或更多个旋转接点设置有制动机构，用于使输出件停止在给定的位置。
由于具有三个或更多个连杆机构的这种结构，本发明的***具有高的刚性和大的输出件负荷容量，并且***也能容易制造得更紧凑。而且，因为用于使输出件停止在给定位置处的制动机构，而使得输出件易于定位，其中所述制动机构位于连接到输入件的连杆毂上的连杆机构中的两个或更多个的旋转接点中。制动机构设置在连杆机构中的两个或更多个连杆机构的旋转接点上的原因是为了确定输出件相对于输入件的位置。
输入件和输出件由三个或更多个连杆机构连接在一起，每一个连杆机构几何上相同的形状。设置三个或者更多个连杆机构的原因在于构造具有输入件和输出件的具有两个自由度的***。“连杆机构的中心横截面的输入侧和输出侧几何上相同”在此指：如果沿着中心连杆件的对称面划分，每一个连杆机构的输入和输出侧具有几何上相同的形状。每一个连杆机构形成具有四个旋转接点的三连杆链。位于输入和输出两侧的端连杆件是球面连杆。三个或更多个连杆机构中的球面连杆的中心重合，每一个球面连杆距中心的距离相同。连接中心连杆件和端连杆件的旋转接点的轴可以一个角度或者彼此平行地布置。任一种方式中，三个或更多个连杆机构的中心连杆件具有几何上相同的形状。
在本发明中，制动机构优选地应该具有增加旋转接点处转矩的结构。例如，旋转接点可以具有轴承结构，所述轴承结构具有负的轴承间隙，从而实现上述增加转矩的结构。这个结构也减少了输入件和输出件之间的反冲，并能够实现输出件的高精密定位控制。
制动机构的备选结构包括设置在旋转接点中的棘轮机构，或用来自由地控制旋转接点的旋转角的致动器。制动机构能够设置在在输入件和输出件之一的连杆毂上的旋转接点中的两个或更多个旋转接点中。
用于从输入件向输出件提供控制介质的通道布置在由连杆机构围住的内部空间内，这对于简化配线和配管操作是有益的。
附图说明
附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的联动装置的透视图，其中所述联动装置配备有具有棘轮结构的制动机构；
图2是图1的连杆机构中的一个的主视图；
图3是图1的连杆机构中的一个的平面图；
图4A是图1的具有棘轮结构的制动机构的相关部件的局部放大横截面主视图，图4B是图4A的侧视图；
图5是在本发明的另一个实施例中的制动机构的另一个实例的相关部件的局部放大横截面主视图；
图6是根据本发明的又一个实施例的联动装置的透视图，所述联动装置配备有回转电机型制动机构；
图7是根据本发明的再一个实施例的联动装置的透视图，所述联动装置配备有由小齿轮、齿条和往复缸构成的制动机构；
图8是本发明的另一个实施例中的联动装置的透视图，其中所述联动装置具有安装在图6所述输出件上的气动缸；和
图9是在本发明的又一个实施例中的连杆机构的局部横截面视图，所述连杆机构为图8所示往复缸的空气软管设置有保护件。
具体实施方式
图1所示的实施例包括三套连杆机构1-3，三套连杆机构1-3例如用作在三维空间高速地、高精度地执行物品的复杂加工或处理的平行连杆机构或者机械手接头。
输入件6和输出件7通过三套连杆机构1-3(第一至第三连杆机构)连接在一起，每一个连杆机构具有几何上相同的形状。输入件6安装在该操作装置并入其中的设备的输入侧部件上，其中所述输入侧部件例如是静止部分。输出件7连接到设备的输出侧部件上，其中所述输出侧部件例如是可移动部分。在这个实施例中，如图所示的，输入件6具有像圆盘的形状，而输出件7具有像轴的形状。
每一个连杆机构1-3形成三连杆链，包括输入端连杆件1a(2a、3a)、中心连杆件1b(2b、3b)、输出端连杆件1c(2c、3c)和四个旋转接点。端连杆件1a-3a和1c-3c用球面连杆分别连接到输入件6和输出件7上。三个连杆机构1-3中的球面连杆的中心重合，每一个球面连杆距中心的距离相同。连接中心连杆件1b-3b到端连杆件1a-3a和1c-3c上的旋转接点的轴可以一角度或者平行地布置。任一种方式中，三个连杆机构1-3的所有的中心连杆件1b-3b具有几何上相同的形状。
如图2和图3所示，一套连杆机构1(2、3)包括：分别设置在输入件6和输出件7上的两个连杆毂4和5；可旋转地连接在连杆毂4和5上的两个端连杆件1a(2a、3a)和1c(2c、3c)；和一个中心连杆件1b(2b、3b)，中心连杆件1b(2b、3b)可旋转地连接到两个端连杆件1a(2a、3a)和1c(2c、3c)上以将它们连接起来。输入连杆毂4和输入端连杆件1a-3a与输出连杆毂5和输出端连杆件1c-3c相对于中心连杆件1b-3b的中心线A旋转对称布置，以便获得大的操作角度。
连杆毂4和5分别包括三个沿径向延伸的腿轴8和9。因为连杆机构1-3的旋转对称设计，腿轴8或9与输入件6或输出件7成直角。腿轴8和9不必同样地位于圆周方向，但是输入连杆毂4和输出连杆毂5必须在同样的圆周位置。连杆毂4和5由三套连杆机构1-3共用，端连杆机构1a-3a、1c-3c分别与腿轴8和9连接。
端连杆件1a-3a和1c-3c是L形，并包括：位于L的一侧、用于可旋转地连接连杆毂4或5的腿轴8或9的孔，和在L的另一侧、用于可旋转地连接中心连杆件1b(2b、3b)的腿轴10(将在后面说明)的孔。因为连杆机构1-3的旋转对称设计，在连杆毂侧的孔与在中心连杆件侧的孔成直角。
中心连杆件1b-3b呈L形，包括在两侧的腿轴10，所述腿轴10连接到输入端连杆件1a-3a和输出端连杆件1c-3c的孔上。在输入侧和输出侧上的腿轴10形成其实际范围在40度至100度之间的一个角度。这是因为：如果所述角度小于40度，那么中心连杆件1b-3b的外直径会太大，如果所述角度大于100度，那么中心连杆件1b-3b在轴向上会太长，而且因为机械干扰，操作角度的范围也会变小。
当连杆毂4和5的腿轴的角度和长度以及输入端连杆件1a-3a和输出端连杆件1c-3c的几何结构一样，并且中心连杆件1b-3b在输入侧和输出侧具有同样的形状时，以及当输入和输出端连杆件1a-3a和1c-3c(分别连接到连杆毂4和5的腿轴8和9以及中心连杆件1b-3b上)相对于中心连杆件1b-3b的对称面处于同样的角位置时，那么，输入连杆毂4和端连杆件1a-3a因为几何对称而与输出连杆毂5和端连杆件1c-3c同样地移动，输入件6和输出件7以同样的旋转速度转过同样的角度。中心连杆件1b-3b的对称面在此称为“恒速二等分面”。
因为位于输入连杆毂4和输出连杆毂5之间的几何上相同的连杆机构1-3为圆周排列，因此，中心连杆件1b-3b仅沿着恒速二等分面移动，从而所有的连杆机构1-3能够彼此间没有干扰地移动，藉此，输入件6和输出件7在任何操作角度上能以同样的速度旋转。
在每个连杆机构1(2、3)中的四个旋转接点，即位于端连杆件1a(2a、3a)和1c(2c、3c)与连杆毂4和5的腿轴8和9之间的两个接点以及位于端连杆件1a(2a、3a)和1c(2c、3c)与中心连杆件1b(2b、3b)的腿轴10之间的两个接点，具有轴承结构，因此在接点上的摩擦阻力或者旋转阻力较低，藉此，得到了平稳的动力传输并提高了耐久性。轴承结构的实例包括滚珠轴承、双排径向止推滚珠轴承和四点接触滚珠轴承，或者轴承结构也可使用滚柱轴承或球面轴承。
通过施加预加负荷以消除这个轴承结构中的径向间隙和推力间隙，接点中的颤振减小，藉此，在输入件6和输出件7之间没有相位差，从而它们总是以同样的速度旋转，并且防止了振动和噪音。特别地，通过在轴承结构中提供负的轴承间隙，减小了输入件6和输出件7之间的反冲。
在图1所示的实施例中，连接到输入件6上的旋转接点中的两个旋转接点，即输入连杆毂4与第一和第二连杆机构1和2的端连杆件1a和2a之间的接点，每一个接点包括用于使输出件7停在给定位置的制动机构11。
如图4A和4B所示，制动机构11具有棘轮结构，棘轮结构包括齿轮12和制动器13。齿轮12整体地固定在连杆毂4的腿轴8上，同时制动器13固定连接到端连杆件1a或2a上，球15通过弹簧14的弹性可收回地与齿轮表面接触。因为这个具有设置在第一和第二连杆机构1和2上的棘轮结构的制动机构11，通过利用弹簧14的弹性使球15与制动机构11中的齿轮12接合，移动中的输出件7能够停在任何要求的位置。
图5显示本发明的另一实施例中的制动机构16，其具有与图4A和4B中所示制动机构11不同的结构。这个制动机构16也设置在位于输入连杆毂4与第一和第二连杆机构1和2的端连杆件1a和2a之间的接点上。
这个实施例中的制动机构16包括与螺杆轴17接合的圆盘状制动器18，其中所述螺杆轴17设置在连杆毂4的腿轴8上，制动器18具有沿轴向直径减小的圆锥形外表面19，圆锥形外表面19设计成与环形制动器接收件20的内表面接合，其中制动器接收件20连接到端连杆件1a或2a上。通过在制动器18的圆锥形外表面19和制动器接收件20的内表面之间的预定的摩擦阻力，制动器18和制动器接收件20彼此保持。因为具有拧入结构的这个制动机构16，通过在与螺杆轴17接合的制动器18拧入时圆锥形外表面19和制动器接收件20的内表面之间的摩擦阻力，移动中的输出件7能够停在任何要求的位置。
图6还显示了本发明的另一个实施例，其中设置在第一和第二连杆机构1和2上的制动机构21包括致动器，其中所述制动器是回转电机22，并且在输入连杆毂4和端连杆件1a和2a之间的接点内。回转电机22固定在安装在输入件6上的电机座23上，且输出轴固定在端连杆件1a或2a上。回转电机22的输出轴正交于端连杆件1a和2a的旋转方向。通过以电动机控制器(没有示出)控制这个回转电机22的旋转，输出件7能够停在任何要求的位置。
图7显示本发明的再一个实施例，其中设置在第一和第二连杆机构1和2上的制动机构24包括致动器，所述致动器由小齿轮25、齿条26和往复缸27构成，并且在输入连杆毂4和端连杆件1a和2a之间的接点中。往复缸27安装在输入件6上，与设置在往复缸27顶端上的齿条26啮合的小齿轮25固定到端连杆件1a或2a上。往复缸27来回移动齿条26以旋转与齿条26啮合的小齿轮25，从而将输出件7停在任何要求的位置。
对图6和图7中的实施例而言，如果输入件6固定在适当的位置，回转电机22或者由小齿轮25、齿条26和往复缸27构成的旋转控制致动器能够布置在作为静止侧的输入件6上，从而输出件7的可移动范围能够调整得较大，而不用担心拖动致动器的电线。同样，因为作为输出侧的输出件7上不具有任何旋转控制致动器，所以惯性力矩较小，高速运动成为可能。
图8显示了另一实施例，其是图6中所示的实施例的变型，具有固定在输出件7的尖端的气动缸28。在这个实施例中，空气软管30设置成延伸通过由三个连杆机构1-3围住的内部空间29以形成空气通道，需要用来操作致动器28的压缩空气(控制介质)通过位于输入件6和输出件7之间的空气软管30供给。
通过利用由三个连杆机构1-3围住的内部空间29，实现了空间的有效利用。设置在输出件7上的气动设备或电动致动器所需的电线和类似物也可以布置在三个连杆机构1-3里面的内部空间29内，从而，它们不会妨碍输出件7的移动，并不会干扰其它部件。
代替与这个实施例一样的气动致动器28，能够安装电动电机或者处理工具，而配线和配管类似地容纳在由连杆机构1-3限定的内部空间29中。并且如图9所示，保护件31可以设置用来保护空气软管30。这个保护件31包括在输入和输出件6和7的球面部件的中心内的波纹管，以跟随输入或输出件6或7的角度变化。

Claims (8)

1、一种联动装置，包括三个或更多个连杆机构，每一个连杆机构由中心连杆件和端连杆件组成，其中所述端连杆件可旋转地连接到所述中心连杆件和连杆毂上，所述连杆毂分别设置在输入件和输出件上，其中，每一个连杆机构的中心横截面的输入侧和输出侧在几何形状上是相同的，并且其中，连接到输入件上的连杆机构中的两个或更多个连杆机构的旋转接点中的一个或更多个旋转接点设置有制动机构，用于将输出件停止在给定的位置。
2、根据权利要求1所述的联动装置，其中，所述制动机构具有增加旋转接点处的转矩的结构。
3、根据权利要求2所述的联动装置，其中，每个所述旋转接点均具有轴承结构，其中所述轴承结构具有负的轴承间隙。
4、根据权利要求1所述的联动装置，其中，所述制动机构具有棘轮机构，所述棘轮机构设置在旋转接点中。
5、根据权利要求1所述的联动装置，其中，所述制动机构具有用来自由地控制旋转接点的旋转角的致动器。
6、根据权利要求2-5中任一项所述的联动装置，其中，所述制动机构设置在位于输入件和输出件中的一个的连杆毂上的旋转接点中的两个或更多个旋转接点中。
7、根据权利要求1-5中任一项所述的联动装置，其中，从输入件向输出件供给控制介质的通道布置在由连杆机构围住的内部空间内。
8、根据权利要求6所述的联动装置，其中，从输入件向输出件供给控制介质的通道布置在由连杆机构围住的内部空间内。
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