CN100532028C

CN100532028C - 一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构

Info

Publication number: CN100532028C
Application number: CNB2007100548548A
Authority: CN
Inventors: 张彦斌; 吴鑫; 徐红玉; 何晓玲
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: CN101143446A

Abstract

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，由动、静平台和联接两平台的三条支路组成，从静平台到动平台，第一条支路由一移动副和与该移动副垂直的一圆柱副串联而成；第二条支路由一圆柱副和与该圆柱副轴线平行的两个转动副顺序串联而成；第三条支路由一圆柱副、与该圆柱副轴线平行的两个转动副以及与前两个转动副轴线垂直的一个转动副顺序串联而成；三条支路分别位于静平台上的运动副轴线两两相互垂直，使三条支路成空间正交配置；第一条支路中位于动平台上的圆柱副轴线，与第二条支路中位于动平台上的转动副轴线重合，而与第三条支路中位于动平台的转动副轴线平行；控制静平台上主动副的线性输入，动平台可实现二维移动和一维转动输出。

Description

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构

技术领域

本发明涉及机器人、机床等的末端执行机构，尤其涉及一种可用于并联机器人和虚轴数控机床的无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构。

背景技术

并联机构一般由动平台、定平台和2-6条支路组成。相对于串联机构，并联机构具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小等优点。而少自由度并联机构相对于6自由度并联机构来说，又具有结构简单，造价低，运动学求解相对简单等特点。因而少自由度并联机构在工业机器人、虚轴数控并联机床、坐标测量机、运动模拟器及医用机器人等行业有着广阔的应用前景。

对于一般的并联机构来说，机构运动学耦合性都很强，如著名的Delta机构，该机构由12个球副、3个转动副和14个杆件组成，结构较为复杂，运动学求解繁琐。而后，Tsai在Delta机构的基础上设计了一种新型三维移动并联机构(美国专利，No.5656905，公开日为1997年8月12日)，虽然结构相对与前者简单，但是其运动学求解为八次，耦合性较强，使得在轨迹规划和精度控制方面非常困难。

我国学者也构造了多种新型二维移动一维转动空间并联机构，并申请了国家发明专利。如专利号200410064955.X(发明名称：用于虚轴数控机床及机器人的两移动一转动并联机构，申请日：2004年10月14日，公开日：2005年3月2日，公开号：CN1156805A)，该机构虽然具有部分解耦性，但其结构还是较为复杂。

因此设计结构简单、运动学解耦性好且运动性能高的并联机构已成为该领域研究的新课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构。

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，其中：该机构由静平台、动平台以及联接静平台和动平台的三条支路组成；从静平台到动平台之间，第一条支路是由第一移动副和与第一移动副垂直的第二圆柱副顺序串联而成，两运动副之间通过第三构件连接；第二条支路是由第三圆柱副和与第三圆柱副轴线平行的第四转动副和第五转动副顺序串联而成，第三圆柱副与第四转动副之间、第四转动副与第五转动副之间分别通过第四构件、第五构件连接；第三条支路是由第六圆柱副和与第六圆柱副轴线平行的第七转动副和第八转动副以及与第八转动副轴线垂直的第九转动副顺序串联而成，第六圆柱副与第七转动副之间、第七转动副与第八转动副之间、第八转动副与第九转动副之间分别通过第六构件、第七构件和第八构件连接；其中，第一、第二、第三条支路中分别对应位于静平台上的第一移动副、第三圆柱副轴线、第六圆柱副轴线两两相互垂直，使三条支路在静平台上呈空间正交配置；动平台上，第一条支路位于动平台上的第二圆柱副轴线，与第二条支路中位于动平台上的第五转动副轴线重合，而与第三条支路中位于动平台的第九转动副轴线平行。

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，其中：该机构由静平台、动平台和联结两平台的三条支路组成，从静平台到动平台之间，第一条支路由第一移动副和与第一移动副垂直的第二圆柱副顺序串联而成，两运动副之间通过第三构件连接；第二条支路由第三移动副和轴线与第三移动副平行的第四转动副、第五转动副、第六转动副顺序串联而成，第三移动副与第四转动副之间、第四转动副与第五转动副之间、第五转动副与第六转动副之间分别通过第四构件、第五构件、第六构件连接；第三条支路由第七移动副、与第七移动副平行的第八转动副、第九转动副和第十转动副以及与第十转动副轴线垂直的第十一转动副顺序串联而成，第七移动副与第八转动副之间、第八转动副与第九转动副之间、第九转动副与第十转动副之间、第十转动副与第十一转动副之间分别通过第七构件、第八构件、第九构件和第十构件连接；位于静平台上的第一移动副、第三移动副和第七移动副两两相互垂直，使三条支路在静平台上成空间正交配置；位于动平台上的第二圆柱副的轴线与第六转动副轴线重合，而与第十一转动副轴线平行。

本发明的上述技术方案具有如下特点：

①本机构动平台具有二维移动一维转动输出，且非期望输出运动为常数；

②本机构雅可比矩阵为3×3对角阵，运动输入-输出间可实现一对一的控制关系；

③本机构动平台的转动能力强，动平台的姿态角范围为(-π/2，π/2)；

④机构灵巧性能好；

⑤本机构整个工作空间内不存在奇异位形；

⑥本机构运动副简单，易于加工制造；

⑦由于动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制，因此本机构还具有节能、环保等优点。

综上所述，本发明技术方案具有较高的实用价值和广阔的应用前景，为并联机器人、数控机床等技术领域提供了一种新机型。

附图说明

图1是本发明的第一种实施例结构示意图；

图2是本发明的第二种实施例结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，由静平台1、动平台2、以及分别连接在静平台1和动平台2之间的三条支路组成，其具体结构如图1所示：第一条支路从静平台1到动平台2之间是由第一移动副P₁和一个与第一移动副P₁垂直的第二圆柱副C₂串联而成，两运动副之间通过第三构件3连接；第二条支路从静平台1到动平台2之间是由第三圆柱副C₃和与第三圆柱副C₃轴线平行的第四转动副R₄和第五转动副R₅顺序串联而成，第三圆柱副C₃与第四转动副R₄之间、第四转动副R₄与第五转动副R₅之间分别通过第四构件4、第五构件5连接，该第二条支路中由静平台1到动平台2的各运动副依次顺序及配置关系为第三圆柱副C₃//第四转动副R₄//第五转动副R₅；第三条支路从静平台1到动平台2之间是由第六圆柱副C₆和与第六圆柱副C₆轴线平行的第七转动副R₇、第八转动副R₈以及与第八转动副R₈轴线垂直的第九转动副R₉顺序串联而成，第六圆柱副C₆与第七转动副R₇之间、第七转动副R₇与第八转动副R₈之间、第八转动副R₈与第九转动副R₉之间分别通过第六构件6、第七构件7和第八构件8连接，该第三条支路中由静平台1到动平台2之间的各运动副依次顺序及配置关系为第六圆柱副C₆//第七转动副R₇//第八转动副R₈⊥第九转动副R₉；图1中为清楚显示三条支路的结构，将静平台1分为三处，实际上，动、静平台都只有一个；其中，第一、第二、第三条支路中分别对应位于静平台1上的第一移动副P₁、第三圆柱副C₃轴线、第六圆柱副C₆轴线两两相互垂直，使三条支路在静平台上呈空间正交配置；动平台2上，第一条支路位于动平台上的第二圆柱副C₂的轴线，与第二条支路中位于动平台上的第五转动副R₅的轴线重合，而与第三条支路中位于动平台上的第九转动副R₉的轴线平行。

控制三条支路分别位于静平台1上的第一移动副P₁、第三圆柱副C₃、第六圆柱副C₆的线性输入，动平台2即可实现二维移动和一维转动输出，本机构的所述三个位于静平台上的主动运动副可采用直线伺服电机驱动；将刀具、操作手安装在动平台2上，本机构即可作为数控机床和机器人的末端执行机构。

实施例2：

一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，由静平台1、动平台2和三条支路组成，具体结构如图2所示，其中，第一条支路从静平台1到动平台2之间是由第一移动副P₁和一个与第一移动副P₁垂直的第二圆柱副C₂串联而成，所述两运动副之间通过构件3连接；第二条支路从静平台1到动平台2之间是由第三移动副P₃和轴线与第三移动副P₃平行的第四转动副R₄、第五转动副R₅和第六转动副R₆顺序串联而成，第三移动副P₃与第四转动副R₄之间、第四转动副R₄与第五转动副R₅之间、第五转动副R₅与第六转动副R₆之间分别通过第四构件4、第五构件5、第六构件6连接，该第二条支路中由静平台1到动平台2的各运动副依次顺序及配置关系为第三移动副P₃//第四转动副R₄//第五转动副R₅//第六转动副R₆；第三条支路从静平台1到动平台2之间是由第七移动副P₇、与第七移动副P₇平行的第八转动副R₈、第九转动副R₉和第十转动副R₁₀以及与第十转动副R₁₀轴线垂直的第十一转动副R₁₁顺序串联而成，第七移动副P₇与第八转动副R₈之间、第八转动副R₈与第九转动副R₉之间、第九转动副R₉与第十转动副R₁₀之间、第十转动副R₁₀与第十一转动副R₁₁之间分别通过第七构件7、第八构件8、第九构件9和第十构件10连接，该第三条支路中各运动副由静平台1到动平台2的依次顺序及配置关系为第七移动副P₇//第八转动副R₈//第九转动副R₉//第十转动副R₁₀⊥第十一转动副R₁₁；图2中为清楚显示三条支路的结构，将静平台1分为三处，实际上，动、静平台都只有一个；其中，第一、第二、第三条支路中分别对应位于静平台1上的第一移动副P₁、第三移动副P₃和第七移动副P₇两两相互垂直，使三条支路在静平台上成空间正交配置；动平台2上，第一条支路中位于动平台2上的第二圆柱副C₂的轴线，与第二条支路中位于动平台2上的第六转动副R₆轴线重合，而与第三条支路中位于动平台2上的第十一转动副R₁₁轴线平行。

控制三条支路分别位于静平台1上的第一移动副P₁、第三移动副P₃和第七移动副P₇，动平台2即可实现二维移动和一维转动输出，本机构的所述三个位于静平台1上的主动运动副可采用直线伺服电机驱动；将刀具、操作手安装在动平台2上，本机构即可作为数控机床和机器人的末端执行机构。

Claims

1、一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，其特征在于：该机构由静平台、动平台以及联接静平台和动平台的三条支路组成；从静平台到动平台之间，第一条支路是由第一移动副和与第一移动副垂直的第二圆柱副顺序串联而成，两运动副之间通过第三构件连接；第二条支路是由第三圆柱副和与第三圆柱副轴线平行的第四转动副和第五转动副顺序串联而成，第三圆柱副与第四转动副之间、第四转动副与第五转动副之间分别通过第四构件、第五构件连接；第三条支路是由第六圆柱副和与第六圆柱副轴线平行的第七转动副和第八转动副以及与第八转动副轴线垂直的第九转动副顺序串联而成，第六圆柱副与第七转动副之间、第七转动副与第八转动副之间、第八转动副与第九转动副之间分别通过第六构件、第七构件和第八构件连接；其中，第一、第二、第三条支路中分别对应位于静平台上的第一移动副、第三圆柱副轴线、第六圆柱副轴线两两相互垂直，使三条支路在静平台上呈空间正交配置；动平台上，第一条支路位于动平台上的第二圆柱副轴线，与第二条支路中位于动平台上的第五转动副轴线重合，而与第三条支路中位于动平台的第九转动副轴线平行。

2、一种无耦合二移动一转动三自由度空间并联机构，其特征在于：该机构由静平台、动平台和联结两平台的三条支路组成，从静平台到动平台之间，第一条支路由第一移动副和与第一移动副垂直的第二圆柱副顺序串联而成，两运动副之间通过第三构件连接；第二条支路由第三移动副和轴线与第三移动副平行的第四转动副、第五转动副、第六转动副顺序串联而成，第三移动副与第四转动副之间、第四转动副与第五转动副之间、第五转动副与第六转动副之间分别通过第四构件、第五构件、第六构件连接；第三条支路由第七移动副、与第七移动副平行的第八转动副、第九转动副和第十转动副以及与第十转动副轴线垂直的第十一转动副顺序串联而成，第七移动副与第八转动副之间、第八转动副与第九转动副之间、第九转动副与第十转动副之间、第十转动副与第十一转动副之间分别通过第七构件、第八构件、第九构件和第十构件连接；位于静平台上的第一移动副、第三移动副和第七移动副两两相互垂直，使三条支路在静平台上成空间正交配置；位于动平台上的第二圆柱副的轴线与第六转动副轴线重合，而与第十一转动副轴线平行。