CN101780670A - 一种二转动一移动自由度解耦并联机构 - Google Patents

一种二转动一移动自由度解耦并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二转动一移动自由度解耦并联机构，该并联机构由机架(1)、动平台(3)和连接机架(1)与动平台(3)的两条运动支链(2a)、(2b)组成，所述运动支链(2a)的移动副的轴线与运动支链(2b)的三个轴线平行的转动副轴线垂直，并且运动支链(2a)和运动支链(2b)有两对同轴的转动副。与现有技术相比，本发明仅含少量运动副，结构简单、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

一种二转动一移动自由度解耦并联机构
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.Structural Kinematics of In-Parallel-Actuated Robot Arms，Journal ofMechanisms，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，WangJ.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[Xian wen Kong，Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallel manipulators，Transactions of the CSME，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，完全解耦的二转动一移动自由度解耦并联机构文献、发明目前尚未检索到。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、控制方便、运动精度高的二转动一移动自由度解耦并联机构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种二转动一移动自由度解耦并联机构，该并联机构由机架1、动平台3和连接机架1与动平台3的两条运动支链2a、2b组成，其特征在于，所述运动支链2a的移动副的轴线与运动支链2b的三个轴线平行的转动副轴线垂直，并且运动支链2a和运动支链2b有两对同轴的转动副。
所述的运动支链2a包括移动副21、转动副22、转动副23和杆件，所述的运动支链2b包括转动副24、转动副25、转动副26、转动副27、转动副28和杆件，转动副24、转动副25和转动副26轴线平行，移动副21的轴线与转动副24、转动副25、转动副26的轴线垂直，转动副22与转动副27同轴，转动副23与转动副28同轴。
所述的运动支链2b的转动副24一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副25、转动副26、转动副27和转动副28，转动副28连接平台3。
所述的运动支链2a包括移动副21、转动副22、转动副23和杆件，所述的运动支链2b包括转动副24、转动副25、转动副26、转动副27和杆件，转动副24、转动副25和转动副26轴线平行，移动副21的轴线与转动副24、转动副25、转动副26的轴线垂直，转动副22与转动副26同轴，转动副23与转动副27同轴。
所述的运动支链2b的转动副24一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副25、转动副26和转动副27，转动副27连接平台3。
所述的运动支链2a的移动副21一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副22和转动副23，转动副23连接平台3。
所述机构的工作原理如下：当运动支链2a的移动副21沿轴线伸长或缩短时，驱动动平台沿轴线方向上升或下降，而运动支链2b的平行的转动副24、转动副25、转动副26提供该轴向移动的随动的自由度，因此运动支链2a的移动副21驱动并联机构动平台沿其轴向方向移动。
当运动支链2a的转动副22绕轴线旋转时，运动支链2b具有同轴的转动副，因此动平台3可以在转动副22驱动下转动，因此运动支链2a的转动副22驱动并联机构动平台绕其轴线转动。
当运动支链2a的转动副23绕轴线旋转时，运动支链2b具有同轴的转动副，因此动平台3可以在转动副23驱动下转动，因此运动支链2a转动副23驱动并联机构动平台绕其轴线转动。
因此，该机构具有解耦的两转动和一移动自由度，转动自由度和移动自由度仅依赖单个主动副控制，实现非常简单，具有非常好的线性关系。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述的解耦二转动一移动自由度解耦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为本发明二转动一移动自由度解耦并联机构的结构示意图；
图2为本发明另一种二转动一移动自由度解耦并联机构的结构示意图。
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
本发明一种二转动一移动自由度解耦并联机构，如图1所示，由机架1、动平台3和连接机架1与动平台3的两条运动支链(运动支链2a、运动支链2b)组成，所述的运动支链2a包括移动副21、转动副22、转动副23和杆件，移动副21一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副22和转动副23，转动副23连接平台3，所述的运动支链2b包括转动副24、转动副25、转动副26、转动副27、转动副28和杆件，转动副24一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副25、转动副26、转动副27和转动副28，转动副28连接平台3；转动副24、转动副25和转动副26轴线平行，并且运动支链2a的转动副22与运动支链2b的转动副27同轴，运动支链2a的转动副23与运动支链2b的转动副28同轴。
实施例2
本发明一种二转动一移动自由度解耦并联机构，如图2所示，由机架1、动平台3和连接机架1与动平台3的两条运动支链(运动支链2a、运动支链2b)组成，所述运动支链2a包括移动副21、转动副22、转动副23和杆件，移动副21一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副22和转动副23，转动副23连接平台3，所述运动支链2b包括转动副24、转动副25、转动副26、转动副27和杆件，转动副24一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副25、转动副26和转动副27，转动副27连接平台3；转动副24、转动副25、转动副26轴线平行，并且运动支链2a的转动副22与运动支链2b的转动副26同轴，运动支链2a的转动副23与运动支链2b的转动副27同轴。

Claims (6)

1.一种二转动一移动自由度解耦并联机构，该并联机构由机架(1)、动平台(3)和连接机架(1)与动平台(3)的两条运动支链(2a)、(2b)组成，其特征在于，所述运动支链(2a)的移动副的轴线与运动支链(2b)的三个轴线平行的转动副轴线垂直，并且运动支链(2a)和运动支链(2b)有两对同轴的转动副。
2.根据权利要求1所述的一种二转动一移动自由度解耦并联机构，其特征在于，所述的运动支链(2a)包括移动副(21)、转动副(22)、转动副(23)和杆件，所述的运动支链(2b)包括转动副(24)、转动副(25)、转动副(26)、转动副(27)、转动副(28)和杆件，转动副(24)、转动副(25)和转动副(26)轴线平行，移动副(21)的轴线与转动副(24)、转动副(25)、转动副(26)的轴线垂直，转动副(22)与转动副(27)同轴，转动副(23)与转动副(28)同轴。
3.根据权利要求4所述的一种二转动一移动自由度解耦并联机构，其特征在于，所述的运动支链(2b)的转动副(24)一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副(25)、转动副(26)、转动副(27)和转动副(28)，转动副(28)连接平台(3)。
4.根据权利要求1所述的一种二转动一移动自由度解耦并联机构，其特征在于，所述的运动支链(2a)包括移动副(21)、转动副(22)、转动副(23)和杆件，所述的运动支链(2b)包括转动副(24)、转动副(25)、转动副(26)、转动副(27)和杆件，转动副(24)、转动副(25)和转动副(26)轴线平行，移动副(21)的轴线与转动副(24)、转动副(25)、转动副(26)的轴线垂直，转动副(22)与转动副(26)同轴，转动副(23)与转动副(27)同轴。
5.根据权利要求2所述的一种二转动一移动自由度解耦并联机构，其特征在于，所述的运动支链(2b)的转动副(24)一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副(25)、转动副(26)和转动副(27)，转动副(27)连接平台(3)。
6.根据权利要求1所述的一种二转动一移动自由度解耦并联机构，其特征在于，所述的运动支链(2a)的移动副(21)一端连接机架，另一端通过杆件依次连接转动副(22)和转动副(23)，转动副(23)连接平台(3)。
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