CN100374244C

CN100374244C - 用于机器人操作的三维平移并联机构

Info

Publication number: CN100374244C
Application number: CNB2005100379517A
Authority: CN
Inventors: 沈惠平; 杨廷力
Original assignee: Jiangsu Polytechnic University
Current assignee: Jiangsu Polytechnic University
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: CN1651186A

Abstract

一种用于机器人、虚拟轴坐标测量划线机、雕刻机的三维平移并联机构，由上动平台、下静平台及其混合链、简单开链组成；混合链包含由五个转动副、二个移动副组成的七杆空间单环机构，其中，二个轴线平行的一组转动副与另三个轴线平行的一组转动副垂直，而二个移动方向相同的移动副在下静平台上；再在其一输出构件上用一个轴线与该输出构件重合的转动副连接另一个构件，该构件又用另一轴线相平行的转动副与动平台连接；而简单开链腿由三构件通过轴线平行的二个转动副连接后，其一外接构件与动平台用与上述二轴线平行的转动副连接，另一外接构件又和静平台用与转动副平行的移动副连接。控制下平台上三个移动构件，即可获得上平台三维纯平移输出。该机构具有输入一输出具有解耦性、便于制造安装等优点，可作为新型并联坐标测量机划线机、雕刻机等的执行机构。

Description

用于机器人操作的三维平移并联机构

技术领域

本发明涉及一种机器人操作、虚拟轴雕刻机、坐标测量机、划线机的执行机构，具体地说是为并联结构虚拟轴并联坐标测量、划线机、雕刻机与并联机器人提供一种新型的并联机构。

背景技术

自从Gough以及Stewart提出并联机构概念以来，并联机构在机器人、虚拟轴机床、坐标测量机、仿真平台、微操作机械手等领域获得广泛应用，但大多数研究工作主要集中在6自由度Stewart机构，例，一般的并联结构数控机床是指以6自由度Stewart并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。又如，并联结构的虚轴坐标测量机(含测量划线机)，也是近年来科学测量仪上的一个重大进展，与传统的属于串联结构的测量机相比，并联结构坐标测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特性，可使测量精度及测量效率等性能得到很大改善。目前，已有的相对成熟的并联式坐标测量机结构有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等，对于6-SPS和6-RSS机构来说，由于其可动平台相对于基平台具有6个空间自由度，因而其末端执行器的空间位姿比较灵活，但由于该机构的结构相对比较复杂，致使其末端执行器的求解较困难。

由于6自由度并联机构结构的限制，有不少关键技术没能很好解决，如运动耦合性强、运动学正解复杂，工作空间较小等。在工业应用中，常要求具有2～5自由度的并联机构，为此，不少学者研究了三维纯平移输出并联机构，如Delta机构、Star Like机构等；基于上述情况，Tsai提出虚拟轴数控机床用两个并联机构：下平台为三维平移并联机构，上平台为三维转动并联机构(US Pateat，Tsai，Patent Nember：5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与六腿Stewart机构相比，工作空间较大；完全由转动副组成并联机构，与球面副相比容易制造。但Tsai机构仍有以下缺点：

①运动学正解为8次封闭解，需建立一元8次方程并求解，这使得系统的控制和轨迹规划较为复杂。

②三维平移机构本身运动输入—输出为强耦合，使系统控制甚为复杂。

③机构存在虚约束，使其制造与装配较复杂。

④工作空间仍相对较小。

中国学者在新型三维纯平移输出并联机构的研究与发明上也取得了一大批重要成果(专利申请号：01108297.6；01113519.0；01108297.6；01108283.6等)。

综上所述，并联虚轴数控机床和并联坐标测量机、雕刻机、划线机及并联机器人的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的缺点，提供一个新的三维平移并联机构，该类机构具有结构简单、输入—输出具有解耦性、工作空间较大、便于制造安装等优点，可以极大地简化并联结构虚拟轴机床、并联坐标测量机、雕刻机、划线机和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性，为虚轴机床、机器人、虚轴坐标测量机、雕刻机、划线机及微动机器人的开发与实用化提供了可能。

附图说明

下面通过附图和实例对本发明的技术给予进一步地说明。

附图1为本发明的三平移并联机构的平面展开结构示意图；它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的一条混合链及一条简单开链组成。混合链包含由五个转动副R₂、R₃、R₅、R₆、R₇、二个移动副P₁、P₈及七杆1、2、3、4、5、6、7组成的空间单环机构，其中，二个轴线平行的一组转动副R₂、R₃与另三个轴线平行的一组转动副R₅、R₆、R₇的转动轴线相垂直，而二个移动方向相同的移动副P₁、P₈在下静平台1上；再在其输出构件4上用一个轴线与该输出构件重合的转动副R₄连接另一个构件8，该构件又用另一轴线相平行的转动副R₉与上动平台0连接；而简单开链腿由三构件10、11、12通过轴线平行的二个转动副R₁₁、R₁₂连接后，其外接构件10与上动平台0用与上述二轴线平行的转动副R₁₀连接，另一外接构件12又和下静平台1用与转动副R₁₂轴线平行的移动副P₁₃连接。图中移动副P₁、P₈的移动方向与P₁₃的移动方向垂直。

图中位于下静平台上的那个移动副和与它最靠近的移动方向平行的那个转动副，可用一个圆柱副代替，而圆柱副的轴线必须平行于移动副的移动方向。

具体实施方式

附图1所示的并联机构可为本发明的一个实施例。它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的一条混合链及一条简单开链组成。混合链包含由五个转动副R₂、R₃、R₅、R₆、R₇、二个移动副P₁、P₈及七杆1、2、3、4、5、6、7组成的空间单环机构，其中，二个轴线平行的一组转动副R₂、R₃与另三个轴线平行的一组转动副R₅、R₆、R₇的转动轴线相垂直，而二个移动方向相同的移动副P₁、P₈在下静平台1上；再在其输出构件4上用一个轴线与该输出构件重合的转动副R₄连接另一个构件8，该构件又用另一轴线相平行的转动副R₉与上动平台0连接；而简单开链腿由三构件10、11、12通过轴线平行的二个转动副R₁₁、R₁₂连接后，其外接构件10与上动平台0用与上述二轴线平行的转动副R₁₀连接，另一外接构件12又和下静平台1用与转动副R₁₂轴线平行的移动副P₁₃连接。图中移动副P₁、P₈的移动方向与P₁₃的移动方向垂直。

控制下静平台1上三个驱动滑块的运动，就可控制上动平台0实现X、Y、Z方向的三维纯平移输出。该种并联机构的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装，该并联机构可作为集装运输用的码垛执行机构，也可作为并联结构的并联坐标测量机、机器人、雕刻机的执行机构。

Claims

1.用于虚拟轴数控雕刻机、虚拟轴坐标测量机、划线机及并联机器人的三维纯平移并联机构，由上动平台、下静平台及连接上动平台和下静平台的一条混合链及一条简单开链组成；其特征是混合链包含由五个转动副、两个移动副组成的七杆空间单环机构，其中，两个轴线平行的一组转动副的轴线与另三个轴线平行的一组转动副的轴线垂直，而两个移动方向相同的移动副在下静平台上，再在七杆空间单环机构中与两个移动副所在下静平台机架相对的那个输出构件上用一个轴线与该输出构件重合的转动副连接另一个构件，该构件又用另一轴线与所述输出构件相平行的转动副与上动平台连接；而简单开链由三构件通过轴线平行的三个转动副以及一个移动副依次串联而成，其中，一端的移动副与下静平台机械连接，且移动副移动方向与三个转动副的轴线相平行，另一端的转动副与上动平台机械连接，且转动副的轴线又必须和混合链上与动平台连接的转动副轴线垂直。

2.按照权利要求1所述的并联机构，其特征在于混合链上七杆空间单环机构中的位于下静平台上的那个移动副和与它最靠近的轴线与移动方向平行的那个转动副，用一个圆柱副代替，而圆柱副的轴线必须平行于移动副的移动方向。

3.按照权利要求1所述的并联机构，其特征在于简单开链上的位于下静平台上的那个移动副和与它最靠近的轴线与移动方向平行的那个转动副，用一个圆柱副代替，而圆柱副的轴线必须平行于移动副的移动方向。