CN100348377C - 二自由度解耦球面并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二自由度解耦球面并联机构，包括机座和动平台以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链；第一运动支链包括：移动副，回转轴线相互平行的上回转副和下回转副，连接上回转副和下回转副的短连杆；第二运动支链包括：回转轴线相互垂直相交的机座回转副和平台回转副，以及连接机座回转副和平台回转副的长连杆；移动副的滑杆的上端与下回转副连接，并与下回转副的轴线垂直相交，滑杆的下端通过机座回转副的中心，且可被机座回转副带动一起转动，机座回转副安装在机座上；上回转副与平台回转副分别安装在动平台上，其回转轴线彼此平行，并平行于下回转副，垂直于移动副和机座回转副。

Description

二自由度解耦球面并联机构
技术领域
本发明涉及机械学领域的并联机构，具体为一种可在二自由度下无条件解耦的球面并联机构，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。
为了清楚描述并联机构的解耦问题，首先说明相关概念的定义如下：
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、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、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，CN 1261018A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，但除初始位置外，其它位置仍是耦合的，因此该设计是瞬时解耦；又例如，中国专利文献ZL00100198.1、CN 00100197.3、CN00100196.5、CN 99121020.4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”，仅适用于微动领域，原因是这些机构的解耦是近似的，且随着工作空间的加大，各驱动单元之间的耦合度也会增加。为了保持输入输出之间的近似解耦关系，该设计实际工作空间仅为数微米，因此仍具有瞬时解耦的特点。对于只具有转动自由度的并联机构而言，解耦则更加困难。例如，中国专利文献CN03258423.7文献报道的“基于球面机构的太阳跟踪装置”中采用了三自由度球面机构，但它的三个转动完全耦合，即不能解耦；美国专利US005966991A提出的二自由度球面机构也只能在初始位置瞬时解耦，其他位置不能解耦。有关可以解耦的二自由度球面并联机构的文献发明人目前尚未检索到。
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：提供一种二自由度解耦球面并联机构，它可做到二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：设计一种二自由度解耦球面并联机构，包括机座和动平台以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链，其特征在于所述的第一运动支链包括：移动副，回转轴线相互平行的上回转副和下回转副，连接上回转副和下回转副的短连杆；所述的第二运动支链包括：回转轴线相互垂直相交的机座回转副和平台回转副，以及连接机座回转副和平台回转副的长连杆；所述移动副的滑杆的上端与所述的下回转副连接，并与所述下回转副的轴线垂直相交，滑杆的下端通过所述机座回转副的中心，且可被机座回转副带动一起转动，机座回转副安装在机座上；所述上回转副与平台回转副分别安装在动平台上，其回转轴线彼此平行，并平行于所述下回转副，垂直于所述移动副和机座回转副。
本发明的二自由度解耦球面并联机构(参见图1)，与现有技术相比，本发明的二自由度解耦球面并联机构中，所述的每一支链的单独驱动都会使得动平台仅绕相应轴旋转，而与另外一个支链的驱动单元无关，因而可以实现无条件解耦，简化了运动学方程，使机构运动控制和标定容易，精度提高，并且结构简单。
附图说明
图1为本发明二自由度解耦球面并联机构一种实施例的结构示意图；
图2为本发明二自由度解耦球面并联机构另一种实施例的结构示意图；
图3为本发明二自由度解耦球面并联机构第三种实施例的结构示意图；
图4为本发明二自由度解耦球面并联机构附加驱动装置的一种实施例的结构示意图。
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，但它不限制本发明的权利要求。
本发明的二自由度解耦球面并联机构(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之间的第一运动支链2和第二运动支链3；所述的第一运动支链2包括：移动副21，回转轴线相互平行的上回转副24和下回转副22，连接上回转副24和下回转副22的短连杆23；所述的第二运动支链3包括：回转轴线相互垂直相交的机座回转副31和平台回转副33，以及连接机座回转副31和平台回转副33的长连杆32；所述移动副21的滑杆26的上端与所述的下回转副22连接，并与所述下回转副22的轴线垂直相交，滑杆26的下端通过所述机座回转副31的中心，且可被机座回转副31带动一起转动，机座回转副31安装在机座1上；所述的上回转副24与平台回转副33分别安装在动平台4上，其回转轴线彼此平行，并平行于所述下回转副22，垂直于所述移动副21和机座回转副31。
本发明的并联机构也可采用另外的实施方式(参见图2和图3)，即所述移动副21的滑杆26的上端弯折90度后再与所述的下回转副22连接。这种设计方式使所述的下回转副22的轴线与所述移动副21和机座回转副31的轴线构成空间垂直交叉，而不是前述实施例的平面垂直交叉。实际上，滑杆26的上端弯折为其他角度，或者弯折为其他形状也是可行的，但都要保证滑杆26的上端与下回转副22连接后，不影响下回转副22的顺畅运动。所述滑杆26上端的未弯折部分(即直杆部分)的长度应当满足所述移动副21的工作动程需要。
本发明并联机构所述移动副21的滑杆26的横截面形状可以是被所述机座回转副31带动一起转动的任何形状。本发明图示实施例的滑杆26的横截面形状采用正方形，但也可以是长方形、三角形、六边形、花键形等常用移动副滑杆横截面形状。
在本发明并联机构中，在不影响所述并联机构自由运动的情况下，所述的动平台4、机座1的结构形状可以是任意的，不受限定；同样，在不影响所述第一和/或第二运动支链2和/或3作用情况下，所述短连杆23和长连杆32的结构形状也不受限定。
本发明并联机构的工作原理是(参见图1、2、3)：所述第一运动支链2的移动副21为主驱动运动副，第二运动支链3的机座回转副31为主驱动运动副。当单独驱动所述第一运动支链2的移动副21时，所述动平台4可绕所述平台回转副33的轴线转动，与所述第二运动支链3的驱动无关；当单独驱动第二运动支链3的机座回转副31时，所述动平台4可绕所述其自身回转中心转动，也即绕所述机座回转副31的轴线转动，与所述第一运动支链2的驱动无关。因此，动平台4沿机座回转副31的轴线转动和平台回转副33的轴线转动是相互解耦的，并且是无条件解耦的。
本发明并联机构可以根据需要附加适当的驱动装置。本发明并联机构附加驱动装置的一种实施例结构如下(参见图4)：设计在机座1下面通过支架安装一根丝杠25，丝杠25由安装在支架上的下电机29直接驱动；丝母28套在丝杠25上，可沿丝杠方向移动；丝母28和一个回转副27连接在一起，且回转副27与所述的机座回转副31同轴；移动副21的滑杆26穿过机座回转副31的中心，固连在回转副27的回转轴上，或者设计移动副21的滑杆26与回转副27的回转轴为一体件；上电机35安装在机座1上，且其回转轴线与机座回转副31的轴线平行；机座回转副31与电机输出轴通过齿形带34连接传动。
本发明并联机构附加驱动装置的工作过程如下(参见图4)：当上电机35通过齿形带34驱动机座回转副31转动时，所述动平台4在第二运动支链3的作用下可绕机座回转副31的轴线转动，且可以连续沿一个方向旋转而无干涉；当下电机29驱动丝杠25回转时，带动与丝杠25配套的丝母28连同与丝母28安装在一起的回转副27和移动副21的滑杆26上下运动，也即驱动移动副21上下运动，进而驱使动平台4绕平台回转副33的轴线转动。由于任一运动支链(第一运动支链2或第二运动支链3)的单独驱动都可使得动平台4仅绕相应的轴旋转，而与另外一个运动支链(第二运动支链3或第一运动支链2)的驱动无关，因而动平台4沿机座回转副31轴线的转动和平台回转副33轴线的转动是相互解耦的，并且是无条件解耦的。
本发明并联机构未述及之处适用于现有技术。
本发明并联机构设计的突出优点是：结构简单，制造容易，维养方便。
本发明的二自由度解耦球面并联机构，由于运动是完全解耦的，因而可以简化机构的运动学模型，从而为二自由度解耦球面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。

Claims (5)

1.一种二自由度解耦球面并联机构，包括机座和动平台以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链，其特征在于所述的第一运动支链包括：移动副，回转轴线相互平行的上回转副和下回转副，连接上回转副和下回转副的短连杆；所述的第二运动支链包括：回转轴线相互垂直相交的机座回转副和平台回转副，以及连接机座回转副和平台回转副的长连杆；所述移动副的滑杆的上端与所述的下回转副连接，并与所述下回转副的轴线垂直相交，滑杆的下端通过所述机座回转副的中心，且可被机座回转副带动一起转动，机座回转副安装在机座上；所述上回转副与平台回转副分别安装在动平台上，其回转轴线彼此平行，并平行于所述下回转副，垂直于所述移动副和机座回转副。
2.根据权利要求1所述的二自由度解耦球面并联机构，其特征在于所述移动副的滑杆的上端弯折90度后再与所述的下回转副连接，使所述下回转副的轴线与所述移动副和机座回转副的轴线空间垂直交叉。
3.根据权利要求1或2所述的二自由度解耦球面并联机构，其特征在于所述移动副的滑杆的横截面形状可以是被所述机座回转副带动一起转动的任何形状，包括正方形、长方形、三角形、六边形或花键形。
4.根据权利要求1或2所述的二自由度解耦球面并联机构，其特征在于它附加有驱动装置：包括一根丝杠通过支架安装在机座下面，并由安装在支架上的下电机直接驱动；丝母套在丝杠上，可沿丝杠方向移动；丝母和一个回转副连接在一起，且回转副与所述的机座回转副同轴；移动副的滑杆穿过机座回转副的中心，固连在回转副的回转轴上，或者设计移动副的滑杆与回转副的回转轴为一体件；上电机安装在机座上，且其回转轴线与机座回转副的轴线平行；机座回转副与电机输出轴通过齿形带连接传动。
5.根据权利要求3所述的二自由度解耦球面并联机构，其特征在于它附加有驱动装置：包括在机座下面通过支架安装一根丝杠，丝杠由安装在支架上的下电机直接驱动；丝母套在丝杠上，可沿丝杠方向移动；丝母和一个回转副连接在一起，且回转副与所述的机座回转副同轴；移动副的滑杆穿过机座回转副的中心，固连在回转副的回转轴上，或者移动副的滑杆与回转副的回转轴为一体件；上电机安装在机座上，且其回转轴线与机座回转副的轴线平行；机座回转副与电机输出轴通过齿形带连接传动。
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