CN101232978A - 并联运动学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于杆(1，11，21，41)和促动器的、具有固定的平台和可运动的平台的并联运动学装置，其中至少一个促动器(A，A1，A2)构成为长度恒定的、具有相对于所述固定的平台可运动的底点(6，16，26，46)的杆，并且具有位于所述可运动的平台上的、与一长度恒定的具有位于所述固定的平台上的固定的底点的杆(1，11，21，41)共同的顶点(2，12，22，42)并且保持力与运动学装置的角位置尽可能无关，其中所述可运动的底点(6，16，26，46)被一个具有在所述固定的平台上的固定的底点的转向杆(7，17，27，47)沿着一个圆弧引导，所述转向杆与所述可运动的底点铰接连接，并且操纵机构(B，B1，B2)作用在与该转向杆通过力导入部件(9，49)固定连接的作用点(10，40)上。

Description

并联运动学装置

技术领域

本发明涉及一种一种基于杆和促动器的、具有固定的平台和可运动的平台的并联运动学装置，其中至少一个促动器构成为长度恒定的、具有相对于所述固定的平台可运动的底点的杆，并且具有位于所述可运动的平台上的、与一长度恒定的具有位于所述固定的平台上的固定的底点的杆共同的顶点。

背景技术

这种并联运动学装置也称为剪床(Schere)或指针对(Zeigerpaare)并且通常是公知的。其中两个杆之一(或者两者)可以延伸超过顶点，而不会由此不利地影响该装置的运动特性。通常，固定点置于一种构件中，该构件称为“固定的平台”且是至少一个局部的惯性系统，但任何情况下都是一种被视为固定的基准系统。促动器的可运动的底点也可以相对于该系统运动。装置的共同的顶点通常是所谓的“可运动的平台”的一部分，其中术语“可运动的”用于与固定的平台相区分，并且同样系指这两个平台之间的相对运动。

在多数情况下，两个平台之间的运动并非在平面内进行，于是这就涉及到空间的运动学装置，本装置也可以是这种空间运动学装置的一部分。

本发明的这种运动学装置可以应用在一级或多级的通常的并联运动学装置的范围内，或者用作串联的运动学装置的一级。特别是本发明的运动学装置可用于操作机器人。下面为便于阅读始终都谈及“运动学装置”，其系指相应的本发明的装置。

例如WO 03/004223 A披露了一种并联运动学装置，该装置的底点可运动，但未构造指针对，通过引用将该对比文件的内容作为本申请的内容。该对比文件是一个内容丰富的小册子，其涉及一种奇特的装置，即用于可运动的平台的中心对称的、并联的杆运动学装置，其通过六个杆的沿着并联于中心轴延伸的直线轴的底点移动被操纵。附加地，所示实施例具有用于在可运动的平台上的工具平台的旋转机构，该串联构造的旋转机构利用旋转杆和电机通过相应的耦联被操纵。也可以使用运动学协调的系统并且将底点机构与长度可变的促动器组合使用。

该装置的详细结构如下：在固定的平台上中心对称地设置用于底点移动的六个垂直的轨。三个杆较长，另三个杆较短，较短的杆作用在可运动的平台的“位置较低”的区域上，并且围绕中心轴相对于较长的杆偏移60°。

由此实现基本上可沿着中心轴移动的可运动的平台，这也可以由该对比文件的图4来证明。该对比文件示出上述配置的装置，以便将该装置设计成可在Stuart平台上移动，由此两个并联运动学装置串联地耦联。但在本实施方式中颇有意味的是，一个并联运动学装置的运动根本不是用于另一并联运动学装置的运动，也就是说，第二并联运动学装置自动地在中间平台上进行整个运动，从而事实上这里只有一套机组而没有组合。

最后，利用该运动学装置只能在装置边界以内的范围(或者其基座上方的区域)工作，也就是说，该装置可用作机床等，但无论如何都不可用作或适配调整为机器人或者用于物体的传输。

同样，WO 03/059581 A-在此其内容被引用为本申请的内容-涉及一种基于底点移动工作的独特的运动学装置，其中操纵机构上的引起底点移动的不同的杆具有共同底点，因此这些共同的底点进行相同的移动。这些操纵机构基本上旋转地工作，从而最后通过对底点移动的特殊设计再次将串联的部件引入到运动学装置中。此点也可由图2和3的比较得到，因为图3示出几乎完全类似于前述的WO 03/004223A的底点移动。按照开头部分所述定义的指针对也没有该装置。

对于较大负载的运动或较大的力的传递，该对比文件并未给出任何范例，因为在可运动的底点和实施该底点运动的促动器之间的力传递，甚至用于底点移动的杆及其保持杆之间的力传递，是非常不利的。同样，对于较大的工作区域来说，该装置也不能使用，因为其相对的占用位置(占用位置与工作空间的比)很大。

最后，US 5,378,282 A还提到，其装置基于底点移动。其中通过蜗杆传动对相互靠近地作用在可运动的平台上的三个杆进行适配地定位。可运动的平台沿着中间的杆的方向延伸，并且在其(必要时弯曲的)裸露的尖端具有一个工具。因此该装置是个稀少的混合机构，因为可运动的平台的位置由中间的杆的相应的点的位置和该杆的位置限定。该装置只能用于狭窄的空间，并且由于多次力传递不适于大的负载。按照开头部分所述的定义的指针对也没有该装置。

在“The Parallel Mechanismus Information Center(并联机构信息中心)”的主页：http://www.parallemic.org上的Illian Bonev的文章“The True Origins of Parallel Robots”(并联机器人的真正起源)给出了关于并联运动学装置的历史发展的杰出概括和基本原理，包括对最重要的专利的说明。

另一方面存在如下机构，其属于平面运动学装置，通常简单地称为平面运动学装置，这种机构在现有技术中经常出现且具有多种形式。由于易于绘制，由于可以相对简单地计算运动方程，由于现有的使得必需的纯旋转铰接机构可精确且成本低廉地制造的制造方法，也由于可预先给定的动态关系，平面的运动学装置用于机床、力变换器、起重机以及机器人，其中大多数情况下，平面的运动学装置的不同的各个构件相继地设置成“开口链”，以便由此通过对这种平面的运动构件的组合在所希望的情况下还会导致空间的运动构件。

例如通常在很多情况下，如果现在考虑最简单类型的由长度恒定的杆和长度可变的杆构成的这种平面运动学装置，其中这些杆的两个底点相互间的距离恒定且与其顶点重合，其中围绕顶点或底点的所有运动都是围绕垂直于由两个杆限定的平面的轴的旋转，那么可直接看到，在促动器(其是长度可变的杆)长度改变时，一个位于平面(其它的力在此未谈及)中的顶点上的、始终垂直于固定长度的杆作用的具有相同大小的力在促动器中根据长度恒定的杆的角位置，需要差别很大的反作用力，以便实现对该负载的“保持”。其中在角位置已经较小变化的情况下，最小必需的保持力和最大必需的保持力可以相差2倍或更多。

随着保持力的所述大的变化也会引起整个运动学装置、支承件、基本结构和杆的相应大的负载，这要求必需相应大的构造，通过该构造再次明显增加了自重以及促动器的最小的必需的驱动功率。所有这些当然是不利的，而且会引起成本和能量的消耗。

现有技术中人们尝试以如下方式克服这些问题，即在如下区域内对基本机构的长度和力多边形的位置与形状进行选择，所述区域根据应用领域或者是要求高运动精度的区域，或者是负载最大的区域，或者进行大多数加工步骤的区域等，从而在该区域中存在相应最有利的动态情况，并且因此在不太有利的运动区域内或者仅以减小的负载或者尽可能少地实施操作。

这些限制特别是对于操作机器人来说(但不仅仅对于操作机器人)是不利的，因为它们会不利地影响操作机器人的普遍应用，该操作机器人可以通过对其自由编程实现，同一个操作机器人例如既可以“在顶部以上”又可以在旁侧以及在底部区域中工作。对于涂装机器人来说，由于工具的重量较轻不会造成过大的干扰，但对于焊接机器人，特别是对于其部件运动的所有操作机器人来说，此点就已经是个不利的限制。

发明内容

本发明的目的在于，避免上述的现有技术的缺点，提供一种必要时平面的并联运动学装置，其中用于对作用在运动学装置的可运动部分上的预先给定的力进行保持所必需的保持力在很大程度上独立于该运动学装置的相应的瞬时角位置。

根据本发明，这些目的通过如下措施得以实现，在开头部分所定义的并联运动学装置中，所述可运动的底点被一个具有在所述固定的平台上的固定的底点的转向杆沿着一个圆弧引导，所述转向杆与所述可运动的底点铰接连接，并且操纵机构作用在所述转向杆上或者作用在与该转向杆通过力导入部件固定连接的作用点上。

其中需要强调，促动器的可运动的底点，相应于转向杆的顶点，既不是固定的平台的部件，也不是可运动的平台的部件，而是相对于所述固定的平台沿着圆弧运动。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明。图中示出：

图1以不同角度位置的两个视图示出根据现有技术的通常的平面的力多边形；

图2示出在图1的力F保持恒定的情况下，活塞力的通常的关系曲线；

图3a完全示意地示出本发明的通常的运动学装置；

图3b示出本发明的平面的运动学装置的第一实施方式在三个不同的位置；

图4示出操纵机构上的类似于图2的、但用于图3b的运动学装置的力曲线；

图5为本发明的平面的运动学装置例如可用于操作机器人时的实施方式的斜视图；

图6为根据图4的运动学装置的侧视图，其带有与其串联设置的本发明的另一运动学装置；

图7为带有图6的运动学装置的操作机器人的构造的立体图；和

图8示出两个并联设置的本发明的平面运动学装置的应用。

具体实施方式

图1示出通常的由处于两个不同的角位置的长度恒定的杆1和长度变化的促动器A构成的力多边形。作用于共同的顶点2上的、在所示位置通过围绕底点3的力臂l作用的力F要求促动器A上的力Fa为：

Fa＝(F×l)/Rw

其中Rw表示促动器A围绕底点3的与角度相关的力臂。图1b示出在偏转状态下的情形，杆1的长度l始终不变，力F照常作用于杆1上。例如由促动器A中的保持的力Fa的力臂的显著减小引起，在促动器A中待施加的力明显变大，用于保持力F。可见，在杆1围绕底点3继续运动的情况下，将到达一个独一无二的点，此时顶点2与底点3和4处于一条线上，于是所述当然仅仅是纯粹假设的保持力Fa无限大。

图2纯粹示意性地示出促动器A中的保持力Fa与始终沿着圆周方向作用到杆1上的力F之间的比例与杆1的角度α的关系曲线，其中角α相对于两个底点3，4的连接线。

如果力F并不跟随杆1，而是具有恒定的方向，特别是对于起重机来说通常就属于这种情况，那么所述曲线会呈现不同的形状，甚至在力多边形关于载荷F的方向的设计不利时还会出现奇点。

为了克服这些问题，于是本发明规定了一种平面的运动学装置，其原理结构如图3所示：图3分成了两个部分附图，其中图3a示出了原理，图3b则是一个实际的方案。

图3a示出，具有其底点3和顶点2的杆1与图1的设置相同，但促动器A是长度恒定的另一杆，其一端作用在顶点2上，另一端作用在一个可运动的底点6上，所述平面的运动学装置的一个转向杆7也铰接地作用在该底点6上。转向杆7的背离可运动的底点6的一端(相应于其顶点)铰接在位置固定的旋转点8(其底点)上。

现在，一个操纵机构B以其顶点10作用在转向杆7或与该转向杆固定连接的力导入部件9上，该操纵机构以其另一端同样作用在位置固定的铰接点(其底点4)上。

例如由对图3a的短暂的观察可知，现在可以通过对位置固定的铰接点或底点4和8的相应的选择、对转向杆7和促动器A的长度的相应的选择并且通过对力导入部件9的形状和大小的选择并且由此通过对操纵机构B的顶点10的确定，在作用在顶点2上的力F和操纵机构B上的对于平衡该力F的所必需的保持力Fa之间建立一个关联，这种关联允许在整个可用的区域上尽可能恒定的载荷。

由此实现的运动学上的、特别是动态的优点如此之大，以至于与根据图1的已知装置相比所付出的部件较多的代价不会起决定作用。为了清楚地阐明本发明的基本构思，还在图3a中示出一个示意图，其中对占用空间做了极大的夸张，图3b示出了实际上的可实施的解决方案有多么紧凑和精美。

如图3b所示，可以通过合适地选择位置固定的支承板35(固定的平台)实现非常紧凑的结构，在该支承板上构造有杆1及转向杆7的铰接点3和8和操纵机构B的底点4，然而所述紧凑的结构却开辟出对顶点2的较大的可接近范围(未示出的可运动的平台的一部分)，关于一个空间固定的坐标系在几乎180度范围内。

图4示出对于本发明的动力学机构来说，力Fb关于杆1的摆动角的关系曲线，由此可见，尽管杆1可几乎180°地摆动，但操纵机构B中的保持力Fb却围绕其平均值只波动约15％。

图5为本发明用于带有用于最主要部件的对称平面的操作机器人的立体图。只有这样的部件不满足对称条件，所述部件用于在具有垂直于对称平面的法线分量的方向上对所述装置进行加固。其中，本发明的装置虚拟地在所述对称平面上实现，因为用于提高机械强度的各个杆实际上倾斜于对称平面延伸。用以确定运动的旋转轴全部垂直于对称平面延伸，从而各个部件始终平行于对称平面运动。

各个杆的旋转轴保留图3a的分别预先标有“1”的附图标记，对称的杆11之间的加固部分未示出，带有围绕轴13的孔的另一加固部分标有19，这与所述示意图不相称，却有利于编号。

在所示实施例中，操纵机构B直接作用在转向杆17和促动器A之间的铰接机构16上，由此图3a的力导入部件9与该铰接机构的轴重合。

容易看到，可以容易地例如将转向杆17构成为两个单独的杆并将其中之一设计成可改变长度的促动器。于是不言而喻，也可以对这些杆的支承件进行调节，从而在操纵该促动器时实现其它杆的扭转和旋转，这例如可以通过如并联运动学装置中公知的万向悬置机构等来实现。通过这种简单的方式，本发明的装置甚至可以用于提供三维的并联运动学装置。

图6以侧视图示出相应于图5的运动学装置和作用于其位置固定的轴13(图5)上的、与其类似地构造的第二运动学装置，通过该第二运动学装置可以以并联运动学装置的形式操纵第二自由度。该第二并联运动学装置的部件类似于图3a，但标有位于前面的“2”，其中也是第一并联运动学装置的部件的那些部件在图5中未标有这个附图标记，而是保持按照第一运动学装置的示意图。因此在图6中没有为图5的轴13标上该附图标记，而是标上了适合于第二运动学装置的附图标记24。

第二运动学装置的基本结构由构造在杆11上的轴23和28给定，从而对于第二运动学装置来说可以将杆11视为基本结构。在轴28和26之间的杆27构成了用于促动器A2的转向杆。仅由一个简单的线条表示的杆21在轴22和23之间构成本发明的并联运动学装置的长度恒定的杆。如果操纵机构A2的底点通过操纵机构B2来操纵，操纵机构B2以其底点可偏转地铰接在杆11的底点上并且在另一端上作用在促动器A2和转向杆27之间的连接轴上，并且耦合件25或杆21即使行程较短，也会明显摆动。

图7为这种双运动学装置的一个实施例的斜视图，该双运动学装置利用了一种带有安装的臂30的操作机器人，其中为明了起见，未示出相应的底点的旋转轴及这些旋转轴的支承件。它们只通过相关的附图标记来说明。臂30与促动器A2(图6)固定连接并与其随动，底盘31围绕一个未示出的垂直轴可旋转地设置在基座32上。在臂30上纯示意性地示出一个工具架33，该工具架可围绕臂30的纵轴和横轴旋转。因此在本实施例中，本发明的并联运动学装置作为自己的部段设置在串联的运动学装置中。

由附图可见简便的结构和到本发明的运动学装置的所有部件的易接近性，特别是由图3b可见可大范围覆盖的工作范围和工作角度。

图8以透视图示出本发明的运动学装置在并联设置的三维并联运动学装置中的应用示例，其中与图3a或3b的部件对应的部件的附图标记取用前面的“4”：设置两个运动学装置34、34′，它们在所示的“正常状态”下相互并联，但可单独操纵并且因此可相向摆动。因此概念“并联”不应从数学的角度去理解，而应在从技术的角度去理解，因为各个运动学装置也不必构造得相同，而是仅仅在它们位于固定的平台和可运动的平台之间的位置上“并联”设置。

对于两个运动学装置34、34′中的每一个来说，相应的固定板35、35′是(局部的)固定的平台，其基准框架(惯性系统)-总体上是并联运动学装置的固定的平台-由促动器37和38的底点和例如固定板35给定，于是固定板35′可围绕两个轴相对于该基准框架摆动地安装。每个运动学装置34、34′的通过两个固定板35、35′的对称平面给定的平面也可以围绕位于该平面内的或与该平面平行延伸的轴可摆动地支承，所述两个固定板分别对于其装置来说是固定的平台。其中轴的定向可在宽的范围内自由选取，就在装置的可能的位置中平行于促动器37或38的轴的轴而言，必须避免奇点，出于实际原因-力过高的增大-也要避免几乎平行的定向，然而这对于并联运动学装置领域的技术人员来说是公知的。

不言而喻，该基准框架(它是整个装置的固定的平台)例如可以围绕垂直延伸的轴旋转地可运动地支承，于是不再有严格物理意义上的惯性系统，但为了说明可以继续将其视为这种惯性系统。可运动的平台36位于并联运动学装置上。

平面的运动学装置34′与上述装置相比的不同之处在于，可在其底点上移动的促动器A′此外构成为可改变长度的杆。初看起来这似乎是多余的，因为顶点42′的位置始终都处于围绕轴43的环形轨道上，并且操纵机构B可以通过力导入部件49和固定长度的促动器引起顶点的任何可能的运动。但特别是当底点43、46间的相互间隔较大时(平的力多边形)，存在如下位置，即在这些位置上由杆/促动器45′的长度改变引起的顶点42′的摆动既有利于动态特性又有利于可实现的位置精度。

平面的运动学装置34没有这种“双活动的”促动器，这里设有一个固定长度的促动器A。促动器37作用在顶点42的区域中，以便限定可运动的平台36在横向于相互(几乎)平行的可摆动的力多边形34、34′的方向上的位置。

为了最终限定可运动的平台36的位置，还设有一个促动器38。为明了起见，惯性系统(基座、滑架、手推车等)上的各个部件的固定机构(支承件、铰接机构、轴等)未示出。

这里也可以看到，所有部件的易接近性，可以使用标准件作为部件和实现高的活动性的可能性。

本发明并不限于所示和所述的实施例。这些实施例完全通常表明，完全可以容易地相互并联地或彼此串联地设置本发明的运动学装置，其中通过合适的运动逻辑连接可以实现并非简单的加倍，而是如借助这些实施例所述，获得其它的效果。

特别是可以根据需要来适配调整底点间的距离和杆与促动器的长度关系，由此可以较大程度地改变运动和用于多种领域。结合并联运动学装置自身的特性，如自重轻和运动精度高，本发明提供了运动学装置的可广泛应用的基本单元。

Claims (7)

1.一种基于杆(1，11，21，41)和促动器的、具有固定的平台和可运动的平台的并联运动学装置，其中至少一个促动器(A，A1，A2)构成为长度恒定的、具有相对于所述固定的平台可运动的底点(6，16，26，46)的杆，并且具有位于所述可运动的平台上的、与一长度恒定的具有位于所述固定的平台上的固定的底点的杆(1，11，21，41)共同的顶点(2，12，22，42)，其特征在于，所述可运动的底点(6，16，26，46)被一个具有在所述固定的平台上的固定的底点的转向杆(7，17，27，47)沿着一个圆弧引导，所述转向杆与所述可运动的底点铰接连接，并且操纵机构(B，B1，B2)作用在所述转向杆(17，27)上或者作用在与该转向杆通过力导入部件(9，49)固定连接的作用点(10，40)上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转向杆(47)构成面状的或框架形的。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转向杆(47)连同力导入部件(49)基本上具有三角形的形状，所述作用点(6，46；10，40)和所述转向杆的底点(8，48)设置在所述三角形的角部区域中。

4.如前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，所述杆(1)的、所述转向杆(7，17，27，47)的以及所述操纵机构(B，B1，B2)的位置固定的底点(3，4，8)构造在支承板(35)上。

5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述操纵机构(B，B1，B2)构成为丝杠螺母驱动机构。

6.一种并联运动学装置，包括两个如权利要求1至5任一项所述的运动学装置，其特征在于，第一运动学装置具有用于所述操纵机构(B1)的固定点(14)、用于所述转向杆(17)的固定点(18)和用于杆(11)的固定点(13)，第二运动学装置的用于操纵机构(B2)的固定点(24)与平面的第一运动学装置的固定点(13)重合，并且所述转向杆(27)的固定点(28)如同所述杆(21)的固定点(23)一样设置在第一运动学装置的杆(11)的顶点(12)的区域中。

7.一种组合的并联运动学装置，包括至少两个并联设置的如权利要求1至5任一项所述的运动学装置，其特征在于，运动学装置(34、34′)其中至少一个相对于该组合的并联运动学装置的位置固定的系统可围绕一个轴摆动，该轴平行于其中一个运动学装置(34、34′)的对称平面延伸。

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