CN100400246C - 转动副组合单元组成的运动解耦并联机构 - Google Patents

转动副组合单元组成的运动解耦并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转动副组合单元组成的运动解耦并联机构，它包括机座、动平台和固连其间的转动副组合单元，转动副组合单元包括第一转动副组合单元和第三转动副组合单元；第一转动副组合单元包括转动副轴线空间正交布置并由第二杆连接的两组转动副单元，第三转动副组合单元为在第一转动副组合单元上增加一组与第一转动副单元结构相同的第三转动副单元，其特征在于分别固连在机座和动平台之间的两个结构形式相同的转动副组合单元均为第一转动副组合单元或第三转动副组合单元中的任一种；或者分别固连在机座和动平台之间的两个结构形式不同的转动副组合单元为第一转动副组合单元或第三转动副组合单元的任意组合，且两个转动副组合单元分别与动平台相连的第五转动副其轴线在空间彼此两两正交。

Description

转动副组合单元组成的运动解耦并联机构
技术领域
本发明涉及先进制造领域，具体为转动副组合单元组成的运动解耦并联机构。所谓运动解耦并联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、数控机床、机器人、传感器及微操作等技术领域。
迄今，使用纯转动副的并联机构已有一些研究成果：如，得耳他(DELTA)机构(参见文献《得耳他，一种高速并联机器人》(R.Clavle，″DELTA，a fast robotwith parallel geometry″，in：Proceedings of the International Symposium onIndustrial Robotics，Switzerland，1998，pp.91-100))使用纯转动副构成三自由度平动并联机器人；又如，拉维耳(Laval)大学机器人实验室研制的灵巧眼(参见文献《灵巧眼：高性能三自由度相机定向装置》(Gosselin，C.M.and Hamel，J.-F.″The  Agile  Eye：a High-Performance Three-Degree-of-FreedomCamera-Orienting Device，″IEEE International Conference on Robotics andAutomation，San Diego，CA，pp.781-786，1994.))，使用纯转动副产生空间三个方向的回转运动。然而，上述机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即机构的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，因此导致该机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了精度的提高和成本的下降。
关于纯转动副运动解耦并联机构，尚未见文献报道。
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转动副组合单元组成的运动解耦并联机构，它具有运动解耦，结构简单，控制容易，运动精度高，成本较低等优点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种转动副组合单元组成的运动解耦并联机构，它包括机座1、动平台2和分别固连在机座1上和动平台2之间的两个结构形式相同或不同的转动副组合单元，所述的转动副组合单元包括第一转动副组合单元3和第三转动副组合单元5；所述第一转动副组合单元3包括转动副轴线空间正交布置并由第二杆33连接的两组转动副单元第一转动副单元3A和第二转动副单元3C，所述的第一转动副单元3A包括由第一杆32连接的转动副轴线相互平行的两个转动副第一转动副31a和第二转动副31b；所述的第二转动副单元3C包括由第三杆34和第四杆35连接的各转动副轴线相互平行的三个转动副第三转动副31c、第四转动副31d和第五转动副31e，所述的两组转动副单元第一转动副单元3A和第二转动副单元3C的连接点为所述的第三转动副31c；所述的第三转动副组合单元5为在所述的第一转动副组合单元3上增加一组与所述的第一转动副单元3A结构相同的第三转动副单元3A′，并且也由所述第二杆33连接在所述的连接点第三转动副31c上，所述的第三转动副单元3A′包括由第六杆32′连接的转动副轴线相互平行的两个转动副第六转动副31a′和第七转动副31b′，其特征在于所述分别固连在机座1上和动平台2之间的两个结构形式相同的转动副组合单元均为所述的第一转动副组合单元3或第三转动副组合单元5中的任一种；或者所述分别固连在机座1上和动平台2之间的两个结构形式不同的转动副组合单元为所述的第一转动副组合单元3或第三转动副组合单元5的任意组合，且两个转动副组合单元分别与动平台2相连的第五转动副31e其轴线在空间彼此两两正交。
本发明由于独特设计了所述的转动副组合单元，并且可由其三个分别固连在机座和动平台之间构成运动解耦并联机构，当其中任意一个转动副组合单元执行驱动工作时，其它两个转动副组合单元都会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，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转动副组合单元仅由转动副和连杆组成，因此具有结构简单，工作可靠，容易控制，成本降低等优点。
经检索，国内外尚没有发现与本发明转动副组合单元组成的运动解耦并联机构相同或相似技术的文献报道。
附图说明
图1为本发明中转动副组合单元的一种实施例(即第一转动副组合单元3)示意图；
图2为本发明中转动副组合单元的又一种实施例(即第二转动副组合单元4)示意图。
图3为本发明中转动副组合单元的第三种实施例(即第三转动副组合单元5)示意图；
图4为本发明中由三个结构形式相同的第一转动副组合单元3组成的运动解耦并联机构的一种实施例示意图。
图5为本发明中由三个结构形式相同的第二转动副组合单元4组成的运动解耦并联机构的又一种实施例示意图；
图6为本发明中由三个结构形式相同的第三转动副组合单元5组成的运动解耦并联机构的另一种实施例示意图。
图7为本发明中由三个结构形式不同的转动副组合单元(即第一转动副组合单元3、第二转动副组合单元4.、第三转动副组合单元5)组成的运动解耦并联机构的第四种实施例示意图。
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：
实施例1：
图1为本发明设计的一种转动副组合单元(即转动副组合单元3)的实施例示意图。它包括两组转动副：第一组转动副3A包括31a，31b及连接此二转动副的连杆32；第二组转动副3C包括31c，31d，31e及连接此三个转动副的连杆34和35；两组转动副3A、3C通过连杆33经所述的转动副31b，31c轴线垂直连接成转动副组合单元3。其设计特征在于：所述的两组转动副3A、3C在各组之中的转动副轴线相互平行；两组之间的转动副轴线相互正交。
实施例2：
图2为本发明设计的又一种转动副组合单元(即转动副组合单元4)的实施例示意图。它也包括两组转动副3A、3C：第一组转动副3A同样包括31a，31b及连接此二转动副的连杆32；第二组转动副3C同样包括31c，31d，31e及连接此二转动副的连杆34，35；两组转动副3A、3C通过连杆33经转动副31b，31c轴线垂直连接成转动副组合单元4。其设计特征在于：所述的两组转动副3A、3C，同组之中的转动副轴线相互平行；不同组之间的转动副轴线相互正交。
实施例2与实施例1，或者转动副组合单元3与转动副组合单元4的区别仅在于：两组转动副3A、3C通过连杆33经转动副31b，31c轴线垂直连接成转动副组合单元时，转动副31b的轴线与转动副31c轴线垂直连接方式不同或互为相反。
实施例3：
图3为本发明设计的第三种转动副组合单元(即转动副组合单元5)的实施例示意图。它是在转动副组合单元4的基础上增加一组与转动副单元3A结构相同的转动副单元3A/构成的。所增加的转动副单元3A/以所述的连接点31c为对称轴对称连接，也就是说，这组转动副单元(3A+3A/)包括对称的转动副31a与31a′，对称的转动副31b与31b′，以及对称的连杆32与32′，还有连接转动副31b与31b′的连杆33。其设计特征在于：所述的两组转动副，同组转动副轴线相互平行；不同组转动副轴线相互正交。
实施例3与实施例1、2相比，具有更大和更稳定的驱动力。
实施例4：
图4为由三个所述的转动副组合单元3组成的运动解耦并联机构实施例示意图。它包括机座1、动平台2和分别固连在机座1上和动平台2之间的三个如实施例1所示的转动副组合单元3(3x、3y和3z)。所述的三个结构形式相同的转动副组合单元3与动平台2相连的转动副31e其轴线在空间彼此两两正交。
在这一实施例中，当任一转动副组合单元3(如3x)经输入转动副31a驱动动平台2运动时，可以顺利带动其它两个转动副组合单元3(如3y，3z)上的转动副31c，31d，31e转动及连杆34，35的运动，但所产生的运动是平面牵连运动，进而产生动平台2与这两个转动副组合单元3(如3y，3z)输入转动副31a之间的相对移动，从而使工作的转动副组合单元3x的输入31a与另外两个转动副组合单元3y，3z的输入转动副31a运动无关，也即实现了转动副组合单元3x的驱动动平台2沿x轴运动解耦。由于三个转动副组合单元3结构形式完全一样，因此在x、y、z三个方向上都可以实现运动解耦，也即可以顺利实现本发明运动解耦并联机构的三自由度解耦运动。
实施例5：
图5为由三个所述的转动副组合单元4组成的运动解耦并联机构实施例示意图。它包括机座1、动平台2和分别固连在机座1上和动平台2之间的三个如实施例2所示的转动副组合单元4(4x、4y和4z)。所述的三个结构形式相同的转动副组合单元4与动平台2相连的转动副31e其轴线在空间彼此两两正交。
在这一实施例中，当任一转动副组合单元4(如4x)经输入转动副31a驱动动平台2运动时，可以顺利带动其它两个转动副组合单元4(如4y，4z)上的转动副31c，31d，31e转动及连杆34，35的运动，但所产生的运动是平面牵连运动，进而产生动平台2与这两个转动副组合单元4(如4y，4z)输入转动副31a之间的相对移动。从而使工作的转动副组合单元4x的输入31a与另外两个转动副组合单元4y，4z的输入31a运动无关，也即实现了转动副组合单元4x的驱动动平台2沿x轴运动解耦。由于三个转动副组合单元4结构形式完全一样，因此在x、y、z三个方向上都可以实现运动解耦，也即可以顺利实现本发明运动解耦并联机构的三自由度解耦运动。
实施例6：
图6为由三个所述的转动副组合单元5组成的运动解耦并联机构实施例示意图。它包括机座1、动平台2和分别固连在机座1上和动平台2之间的三个如实施例3所示的转动副组合单元5(5x、5y和5z)。所述的三个结构形式相同的转动副组合单元5与动平台2相连的转动副31e其轴线在空间彼此两两正交。
在这一实施例中，当任一转动副组合单元5(如5x)经输入转动副31a驱动动平台2运动时，可以顺利带动其它两个转动副组合单元5(如5y，5z)上的转动副31c，31d，31e转动及连杆34，35的运动，但所产生的运动是平面牵连运动，进而产生动平台2与这两个转动副组合单元5(如5y，5z)输入转动副31a之间的相对移动。从而使工作的转动副组合单元5x的输入31a与另外两个转动副组合单元5y，5z的输入31a运动无关，也即实现了转动副组合单元5x的驱动动平台2沿x轴运动解耦。由于三个转动副组合单元5的结构形式完全一样，因此在x、y、z三个方向上都可以实现运动解耦，也即可以顺利实现本发明运动解耦并联机构的三自由度解耦运动。
实施例7：
图7为由实施例1、2、3所述的三个转动副组合单元3、4、5组成的运动解耦并联机构实施例示意图。它包括机座1、动平台2和分别固连在机座1上和动平台2之间的三个分别如实施例1、2、3所示的转动副组合单元3、4、5。所述的三个结构形式不同的转动副组合单元3、4、5与在机座1上和动平台2之间的固连安排无关，也即转动副组合单元3、4、5中的任意一个可以与机座1上的任意一个支持面(X、Y、Z)或支持架固连。所述的三个结构形式不同的转动副组合单元3、4、5与动平台2相连的转动副31e其轴线在空间彼此两两正交。
在这一实施例中，当任一转动副组合单元(如4)经输入转动副31a带动动平台2运动时，可以顺利带动其它两个转动副组合单元(如3，5)上的转动副31c，31d，31e转动及连杆34，35的运动，但所产生的运动是平面牵连运动，进而产生动平台2与这两个转动副组合单元(如3，5)输入转动副31a之间的相对移动。从而使工作的转动副组合单元4的输入31a与另外两个转动副组合单元3，5的输入31a运动无关，也即实现了转动副组合单元4驱动动平台2沿x轴方向运动解耦。同理(参见实施例3、5)，也可实现y、z两个方向上的运动解耦。因此在x、y、z三个方向上都可以实现运动解耦，也即可以顺利实现本发明运动解耦并联机构的三自由度解耦运动。
根据实施例4-7所述，还可以进一步给出多个实施例。它们包括实施例1、2、3所述的转动副组合单元3、4、5除实施例7以外的其他任意组合安排：3、3、4；3、3、5；3、4、4；3、5、5；4、4、5；4、5、5等，其他条件同于实施例7。它们依照同样道理在x、y、z三个方向上都可以实现运动解耦，也即可以顺利实现本发明运动解耦并联机构的三自由度解耦运动。

Claims (2)

1.一种转动副组合单元组成的运动解耦并联机构，它包括机座(1)、动平台(2)和分别固连在机座(1)上和动平台(2)之间的两个结构形式相同或不同的转动副组合单元，所述的转动副组合单元包括第一转动副组合单元(3)和第三转动副组合单元(5)；所述第一转动副组合单元(3)包括转动副轴线空间正交布置并由第二杆(33)连接的两组转动副单元第一转动副单元(3A)和第二转动副单元(3C)，所述的第一转动副单元(3A)包括由第一杆(32)连接的转动副轴线相互平行的两个转动副第一转动副(31a)和第二转动副(31b)；所述的第二转动副单元(3C)包括由第三杆(34)和第四杆(35)连接的各转动副轴线相互平行的三个转动副第三转动副(31c)、第四转动副(31d)和第五转动副(31e)，所述的两组转动副单元第一转动副单元(3A)和第二转动副单元(3C)的连接点为所述的第三转动副(31c)；所述的第三转动副组合单元(5)为在所述的第一转动副组合单元(3)上增加一组与所述的第一转动副单元(3A)结构相同的第三转动副单元(3A′)，并且也由所述第二杆(33)连接在所述的连接点第三转动副(31c)上，所述的第三转动副单元(3A′)包括由第六杆(32′)连接的转动副轴线相互平行的两个转动副第六转动副(31a′)和第七转动副(31b′)，其特征在于所述分别固连在机座(1)上和动平台(2)之间的两个结构形式相同的转动副组合单元均为所述的第一转动副组合单元(3)或第三转动副组合单元(5)中的任一种；或者所述分别固连在机座(1)上和动平台(2)之间的两个结构形式不同的转动副组合单元为所述的第一转动副组合单元(3)或第三转动副组合单元(5)的任意组合，且两个转动副组合单元分别与动平台(2)相连的第五转动副(31e)其轴线在空间彼此两两正交。
2.根据权利要求1所述转动副组合单元组成的运动解耦并联机构，其特征在于所述固连在机座(1)上和动平台(2)之间的转动副组合单元均为第三转动副组合单元(5)。
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