CN201824355U

CN201824355U - 三自由度转动的并联机构

Info

Publication number: CN201824355U
Application number: CN2010205200800U
Authority: CN
Inventors: 张帆; 徐新成; 胡义刚; 朱建军; 刘燕; 宋芳
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2020-09-07

Abstract

本实用新型提供了一种三自由度转动的并联机构，它包括机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的三条结构相同的运动支链。三条运动支链分别由顺序相连的机架端连接杆、机架端万向铰链、移动副、动平台端万向铰链和动平台端连接杆组成。其中的第一机架端万向铰链的第一转动轴与第三动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上。第二机架端万向铰链的第一转动轴与第一动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上。第三机架端万向铰链的第一转动轴与第二动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上。本实用新型具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖运动支链的运动副的线性控制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。

Description

三自由度转动的并联机构

技术领域

本实用新型涉及机床和工业机器人，尤其涉及一种用于并联结构虚轴数控机床和并联机器人的三自由度转动的并联机构。

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(动平台)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)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。

运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人领域应用前景广阔。

[Hunt K H.Structu ral Kinematics of In -Parallel -Actuated RobotArms，Journal of Mechanisms，Transmissions and Automation in Design，1983，105：705-712]报道了一种两转动一移动并联机构，主要由机架、动平台和固连在机架和动平台之间的三个结构形式相同的运动支链组成，每个运动支链依次由转动副、移动副、万向铰链及相应杆件组成，并且三个运动支链空间对称分布。文献[Huang Z，Wang J.Fang Y F，Analysis of Instantaneous Motions ofDeficient-Rank 3-RPS Parallel Manipulators.Mechanism and Machine Theory，2002，37(2)：229-240.]报道了该类型并联机构存在瞬时运动，其转动自由度的轴线只存在于单叶双曲面上。

中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、固定平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一组对称结构的六杆球形机构，动平台和固定平台与每条支链用转动副连接。文献[XianwenKong，Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallelmanipulators，Transactions of the CSME，Vol.28，Special Edition，2004]中报道了具有两移动一转动自由度的并联机构，由动平台、固定平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb 2002，(1)：9-12，14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于部分解耦并联机构，完全解耦的三自由度机构文献发明目前尚未检索到。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是为了提供一种三自由度转动的并联机构，以克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种三自由度转动的并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成；

所述的第一运动支链包括顺序相连的第一机架端连接杆、第一机架端万向铰链、第一移动副、第一动平台端万向铰链和第一动平台端连接杆；所述的第一运动支链的一端通过第一机架端连接杆与机架相连，另一端通过第一动平台端连接杆与动平台相连；所述的第一机架端万向铰链的第一转动轴与第一机架端连接杆连接在一条轴线上，第一机架端万向铰链的第二转动轴与第一移动副的轴线垂直；所述的第一动平台端万向铰链的第一转动轴与第一动平台端连接杆位于同一条轴线上，第一动平台端万向铰链的第二转动轴与第一移动副的轴线垂直并且与第一机架端万向铰链的第二转动轴平行；

所述的第二运动支链包括顺序相连的第二机架端连接杆、第二机架端万向铰链、第二移动副、第二动平台端万向铰链和第二动平台端连接杆；所述的第二运动支链的一端通过第二机架端连接杆与机架相连，另一端通过第二动平台端连接杆与动平台相连；所述的第二机架端万向铰链的第一转动轴与第二机架端连接杆连接在一条轴线上，第二机架端万向铰链的第二转动轴与第二移动副的轴线垂直；所述的第二动平台端万向铰链的第一转动轴与第二动平台端连接杆位于同一条轴线上，第二动平台端万向铰链的第二转动轴与第二移动副的轴线垂直并且与第二机架端万向铰链的第二转动轴平行；

所述的第三运动支链包括顺序相连的第三机架端连接杆、第三机架端万向铰链、第三移动副、第三动平台端万向铰链和第三动平台端连接杆；所述的第三运动支链的一端通过第三机架端连接杆与机架相连，另一端通过第三动平台端连接杆与动平台相连；所述的第三机架端万向铰链的第一转动轴与第三机架端连接杆连接在一条轴线上，第三机架端万向铰链的第二转动轴与第三移动副的轴线垂直；所述的第三动平台端万向铰链的第一转动轴与第三动平台端连接杆位于同一条轴线上，第三动平台端万向铰链的第二转动轴与第三移动副的轴线垂直并且与第三机架端万向铰链的第二转动轴平行；

所述的第一机架端万向铰链的第一转动轴与所述的第三动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上；

所述的第二机架端万向铰链的第一转动轴与所述的第一动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上；

所述的第三机架端万向铰链的第一转动轴与所述的第二动平台端万向铰链的第一转动轴位于同一条轴线上。

所述的三个动平台端万向铰链上对应于第一转动轴分别设有一个弧形臂，相应的动平台端连接杆的一端与所述弧形臂的前端相连，并且所述动平台端连接杆与所述第一转动轴位于同一条轴线上。

本实用新型三自由度转动的并联机构由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点：

1、具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖单个运动支链的运动副控制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。

2、仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。

3、运动解耦，基本单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

附图说明

图1是本实用新型三自由度转动的并联机构的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。附图所示为本实用新型的一个较佳实施例，本实用新型的技术方案不限于本实施例。

参见图1，本实用新型三自由度转动的并联机构，由机架1、动平台2以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链3，第二运动支链4和第三运动支链5组成。

其中的第一运动支链3包括顺序相连的第一机架端连接杆31、第一机架端万向铰链32、第一移动副33、第一动平台端万向铰链34和第一动平台端连接杆35。第一运动支链的一端通过第一机架端连接杆31与机架1相连，另一端通过第一动平台端连接杆35与动平台2相连。第一机架端万向铰链32的第一转动轴321与第一机架端连接杆32连接在一条轴线上，第一机架端万向铰链32的第二转动轴322与第一移动副33的轴线垂直。第一动平台端万向铰链34的第一转动轴341与第一动平台端连接杆35位于同一条轴线上，第一动平台端万向铰链34的第二转动轴342与第一移动副33的轴线垂直并且与第一机架端万向铰链32的第二转动轴322平行。

其中的第二运动支链4包括顺序相连的第二机架端连接杆41、第二机架端万向铰链42、第二移动副43、第二动平台端万向铰链44和第二动平台端连接杆45。第二运动支链4的一端通过第二机架端连接杆41与机架1相连，另一端通过第二动平台端连接杆45与动平台2相连。第二机架端万向铰链42的第一转动轴421与第二机架端连接杆41连接在一条轴线上，第二机架端万向铰链42的第二转动轴422与第二移动副43的轴线垂直。第二动平台端万向铰链44的第一转动轴441与第二动平台端连接杆45位于同一条轴线上，第二动平台端万向铰链44的第二转动轴442与第二移动副43的轴线垂直并且与第二机架端万向铰链42的第二转动轴422平行。

其中的第三运动支链5包括顺序相连的第三机架端连接杆51、第三机架端万向铰链52、第三移动副53、第三动平台端万向铰链54和第三动平台端连接杆55。第三运动支链5的一端通过第三机架端连接杆51与机架1相连，另一端通过第三动平台端连接杆55与动平台2相连。第三机架端万向铰链52的第一转动轴521与第三机架端连接杆51连接在一条轴线上，第三机架端万向铰链52的第二转动轴522与第三移动副53的轴线垂直。第三动平台端万向铰链54的第一转动轴541与第三动平台端连接杆55位于同一条轴线上，第三动平台端万向铰链54的第二转动轴542与第三移动副53的轴线垂直并且与第三机架端万向铰链52的第二转动轴522平行。

上述第一机架端万向铰链32的第一转动轴321与上述第三动平台端万向铰链54的第一转动轴541位于同一条轴线上。

上述第二机架端万向铰链42的第一转动轴421与上述第一动平台端万向铰链34的第一转动轴341位于同一条轴线上。

上述第三机架端万向铰链52的第一转动轴521与上述第二动平台端万向铰链54的第一转动轴541位于同一条轴线上。

上述三个动平台端万向铰链上对应于第一转动轴分别设有一个弧形臂a，相应的动平台端连接杆的一端与上述弧形臂的前端相连，并且动平台端连接杆与第一转动轴位于同一条轴线上。

本实用新型三自由度转动的并联机构的工作原理可结合图说明如下：当第一移动副33沿轴线伸长或缩短，而第二移动副43和第三移动副53不动时，由于第二运动支链4的动平台端万向铰链44和第三运动支链5的机架端万向铰链52具有垂直于第一移动副33的转动自由度，因此动平台2在第一移动副33驱动下绕万向铰链44、52的轴线旋转。当第二移动副43沿轴线伸长或缩短，而第一移动副33和第三移动副53不动时，由于第三运动支链5的动平台端万向铰链54和第一运动支链3的机架端万向铰链32具有垂直于第二移动副43的转动自由度，因此动平台2在第二移动副43驱动下绕万向铰链54、32的轴线旋转。当第三运动支链5的第三移动副53沿轴线伸长或缩短，第一移动副33和第二移动副43不动时，由于第一运动支链3的动平台端万向铰链34和第二运动支链4的机架端万向铰链42具有垂直于第三移动副53的转动自由度，因此动平台2在第三移动副53驱动下绕万向铰链34、42的轴线旋转。

Claims

1.一种三自由度转动的并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成；其特征在于：

2.如权利要求1所述的三自由度转动的并联机构，其特征在于：所述的三个动平台端万向铰链上对应于第一转动轴分别设有一个弧形臂，相应的动平台端连接杆的一端与所述弧形臂的前端相连，并且所述动平台端连接杆与所述第一转动轴位于同一条轴线上。