CN101249651B - 解耦的虚轴机床与机器人的二转动一移动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于虚轴机床与机器人的解耦的二转动一移动并联机构，由机架、动平台和连接机架与动平台的三条运动支链组成，一号运动支链、二号运动支链两条结构相同，包括一号转动副、二号转动副、一号移动副、二号移动副、一号球铰链、二号球铰链和杆件，三号运动支链包括三号移动副、三号球铰链和杆件，一号运动支链、二号运动支链的一号转动副、二号转动副垂直分布，三号运动支链与机架连接点为直角顶点，本发明仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快而且基本单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简单，不但控制运动更加精确而且大大降低了开发成本和开发周期。

Description

解耦的虚轴机床与机器人的二转动一移动并联机构

技术领域

本发明涉及机床和工业机器人，尤其涉及一种并联结构虚轴数控机床、并联机器人提供一类新型执行机构。

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，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。

运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人应用前景广阔。

[Hunt K H.Structu ral Kinematics of In -Parallel -Actuated RobotArms，Journal of Mechanisms，Transmissions and Automation in Design，1983，105：705-712]报道了一种两转动一移动自由度并联机构，主要由机架、动平台和固连在机架和动平台之间的三个结构形式相同的运动支链组成，每个运动支链依次由转动副、移动副、球铰链及它们之间的杆件组成，并且三个运动支链空间对称分布。文献[Huang Z，Wang J.Fang Y F，Analysis of Instantaneous Motions of Deficient-Rank 3-RPS ParallelManipulators.Mechanism and Machine Theory，2002，37(2)：229-240.]报道了该类型并联机构存在瞬时运动，其转动自由度的轴线只存在于一单叶双曲面上。

中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、固定平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一类对称结构的六杆球形机构，动平台和固定平台与每条支链用转动副连接。文献[Xianwen Kong，Clement M.Gosselin Typesynthesis of input-output decoupled parallel manipulators，Transactions of theCSME，Vol.28，Special Edition，2004]中报道了具有两移动一转动自由度并联机构，由动平台、固定平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb 2002，(1)：9-12，14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于部分解耦并联机构，完全解耦的三自由度球面机构文献发明目前尚未检索到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种解耦的虚轴机床与机器人的二转动一移动并联机构，以解决现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷

技术方案

本发明提供了一种用于虚轴机床与机器人的解耦的二转动一移动并联机构，由机架、动平台和连接机架与动平台的一号运动支链，二号运动支链，三号运动支链组成，所述一号运动支链，二号运动支链结构相同，包括一号转动副、二号转动副、一号移动副、二号移动副和一号球铰链、二号球铰链和杆件，所述一号转动副、二号转动副固定在机架上，并且轴线延长线相互正交，所述的一号移动副、二号移动副与一号转动副、二号转动副轴线垂直，三号运动支链包括三号移动副、三号球铰链和杆件，所述的三号运动支链的三号移动副竖直固定于在机架上，一号球铰链、二号球铰链、三号球铰链和动平台相连，三个连接点成直角三角形，且三号球铰链与动平台连接点为直角顶点。

所述机构的工作原理如下：当一号运动支链的一号移动副沿轴线伸长或缩短时，如果二号运动支链、三号运动支链、二号移动副、三号移动副不动，一号运动支链驱动动平台绕平行一号转动副轴线转动。同理，当二号运动支链的二号移动副沿轴线伸长或缩短时，而一号运动支链、三号运动支链一号移动副、三号移动副不动，二号运动支链驱动动平台绕平行二号转动副轴线转动。

当三号运动支链的三号移动副沿竖直方向伸长或缩短时，并且其他两个运动支链的一号移动副、三号移动副也同时伸缩相同竖直方向的位移时，动平台在三个运动支链作用下会发生竖直方向的移动。

因此，该机构具有解耦的两转动和一移动并联机构，转动自由度仅依赖单个运动支链的主动副控制，移动自由度虽需要三个运动支链同时运动，但实现非常简单，具有非常好的线性关系。

有益效果

1.本发明所述的解耦二转动一移动并联机构仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。

2.本发明所述的转动一移动并联机构运动解耦，基本单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

附图说明

图1本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种用于虚轴机床与机器人的解耦的二转动一移动并联机构，由机架1、动平台3和连接机架1与动平台3的一号运动支链2a，二号运动支链2b，三号运动支链2c组成，所述一号运动支链2a，二号运动支链2b结构相同，包括一号转动副21、二号转动副24、一号移动副22、二号移动副25和一号球铰链23、二号球铰链26和杆件，所述一号转动副21、二号转动副24固定在机架1上，并且轴线延长线相互正交，所述的一号移动副22、二号移动副25与一号转动副21、二号转动副24轴线垂直，三号运动支链2c包括三号移动副27、三号球铰链28和杆件，所述的三号运动支链2c的三号移动副27竖直固定于在机架1上，一号球铰链23、二号球铰链26、三号球铰链28和动平台3相连，三个连接点成直角三角形，且三号球铰链28与动平台3连接点为直角顶点。

Claims (1)

1.一种用于虚轴机床与机器人的解耦的二转动一移动并联机构，由机架(1)、动平台(3)和连接机架(1)与动平台(3)的一号运动支链(2a)，二号运动支链(2b)，三号运动支链(2c)组成，其特征在于：所述一号运动支链(2a)，二号运动支链(2b)结构相同，所述一号运动支链(2a)包括一号转动副(21)、一号移动副(22)、一号球铰链(23)和一号杆件；所述二号运动支链(2b)包括二号转动副(24)、二号移动副(25)和二号球铰链(26)和二号杆件；所述一号转动副(21)、二号转动副(24)固定在机架(1)上，并且他们的轴线延长线相互正交，所述的一号移动副(22)与一号转动副(21)轴线垂直；所述的二号移动副(25)和二号转动副(24)轴线垂直；三号运动支链(2c)包括三号移动副(27)、三号球铰链(28)和杆件，所述的三号运动支链(2c)的三号移动副(27)竖直固定于机架(1)上，一号球铰链(23)、二号球铰链(26)、三号球铰链(28)和动平台(3)相连，三个连接点成直角三角形，且三号球铰链(28)与动平台(3)的连接点为直角顶点；

当一号运动支链(2a)的一号移动副(22)沿轴线伸长或缩短时，二号移动副(25)、三号移动副(27)不动，一号运动支链(2a)驱动动平台绕平行一号转动副(21)轴线转动，当二号运动支链(2b)的二号移动副(25)沿轴线伸长或缩短时，而一号移动副(22)、三号移动副(27)不动，二号运动支链(2b)驱动动平台绕平行二号转动副(24)轴线转动，当三号运动支链(2c)的三号移动副(27)沿竖直方向伸长或缩短时，并且一号移动副(22)、三号移动副(27)也同时伸缩相同竖直方向的位移时，动平台在三个运动支链作用下会发生竖直方向的移动。

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