CN101934521A - 解耦的三转动并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种解耦的三转动并联机构，它由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成。其中的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰链；第二运动支链包括顺序相连的第一球铰链、第二移动副和第二球铰链；第三运动支链包括顺序相连的转动副和第三万向铰链。本发明具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖运动支链的运动副的线性控制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。

Description

解耦的三转动并联机构
技术领域
本发明涉及机床和工业机器人，尤其涉及一种用于并联结构虚轴数控机床和并联机器人的解耦的三转动并联机构。
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(动平台)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自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元的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领域应用前景广阔。
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组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[XianwenKong，Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallelmanipulators，Transactions of the C SME，Vol.28，Special Edition，2004]中报道了具有两移动一转动自由度的并联机构，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。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种解耦的三转动并联机构，以克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种解耦的三转动并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成；
所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰链；所述的第一万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第二万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连；
所述的第二运动支链包括顺序相连的第一球铰链、第二移动副和第二球铰链；所述的第一球铰链的另一端与机架相连，所述的第二球铰链的另一端与动平台相连；
所述的第三运动支链包括顺序相连的转动副和第三万向铰链；所述的转动副的另一端与机架相连，所述的第三万向铰链的另一端与动平台相连。
所述的第一万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与x轴平行；所述的第二万向铰链的第一转动轴与x轴平行，第二转动轴线与z轴平行；所述的转动副与z轴平行；所述的第三万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与x轴平行并且与动平台活动相连。
所述的第一万向铰链的第一转动轴与第三万向铰链的第一转动轴在同一条轴线上；所述的第一万向铰链的第二转动轴与第三万向铰链的第二转动轴平行；所述的第二万向铰链的第一转动轴与第一万向铰链的第二转动轴平行并与第三万向铰链的第二转动轴平行。
本发明解耦的三转动并联机构由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点：
1、具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖运动支链的运动副的线性控制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。
2、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。
3、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是本发明解耦的三转动并联机构的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。附图所示为本发明的一个较佳实施例，本发明的技术方案不限于本实施例。
参见图1，本发明解耦的三转动并联机构，由机架1、动平台2以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链3，第二运动支链4和第三运动支链5组成。
第一运动支链3包括顺序相连的第一万向铰链31、第一移动副32和第二万向铰链33；第一万向铰链31的另一端通过连接杆34与机架1相连，第二万向铰链33的另一端通过连接杆35与动平台2相连。
第二运动支链4包括顺序相连的第一球铰链41、第二移动副42和第二球铰链43；第一球铰链41的另一端与机架1相连，第二球铰链43的另一端与动平台2相连。
第三运动支链5包括顺序相连的转动副51和第三万向铰链52；转动副51的另一端与机架1相连，第三万向铰链52的另一端与动平台2相连。
上述第一万向铰链31的第一转动轴311与y轴平行，第二转动轴312与x轴平行；第二万向铰链33的第一转动轴331与x轴平行，第二转动轴332与z轴平行；转动副51与z轴平行；第三万向铰链52的第一转动轴521与y轴平行，第二转动轴522与x轴平行。
上述第一万向铰链31的第一转动轴311与第三万向铰链52的第一转动轴521在同一条轴线上；第一万向铰链31的第二转动轴312与第三万向铰链52的第二转动轴522平行；第二万向铰链33的第一转动轴331与第一万向铰链31的第二转动轴312平行并与第三万向铰链52的第二转动轴522平行。
本发明解耦的三转动并联机构的工作原理如下：当第一移动副32沿轴线伸长或缩短时，由于第二运动支链4和第三运动支链5分别具有绕x轴转动的转动自由度，因此第一移动副32伸长或缩短时驱动动平台2绕x轴转动。当第二移动副42沿轴线伸长或缩短时，驱使动平台2实现六自由度的运动，由于第二运动支链4和第三运动支链5分别具有绕y轴转动的转动自由度，因此第二移动副42伸长或缩短时驱动动平台2绕y轴转动。当转动副51沿轴线旋转时，第三运动支链5驱动动平台2绕z轴转动，由于第一运动支链3和第二运动支链4分别具有绕z轴转动的转动自由度，因此转动副51旋转时驱动动平台2绕z轴转动。

Claims (3)

1.一种解耦的三转动并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成；其特征在于：
所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰链；所述的第一万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第二万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连；
所述的第二运动支链包括顺序相连的第一球铰链、第二移动副和第二球铰链；所述的第一球铰链的另一端与机架相连，所述的第二球铰链的另一端与动平台相连；
所述的第三运动支链包括顺序相连的转动副和第三万向铰链；所述的转动副的另一端与机架相连，所述的第三万向铰链的另一端与动平台相连。
2.如权利要求1所述的解耦的三转动并联机构，其特征在于：所述的第一万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与x轴平行；所述的第二万向铰链的第一转动轴与x轴平行，第二转动轴线与z轴平行；所述的转动副与z轴平行；所述的第三万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与x轴平行并且与动平台活动相连。
3.如权利要求1所述的解耦的三转动并联机构，其特征在于：所述的第一万向铰链的第一转动轴与第三万向铰链的第一转动轴在同一条轴线上；所述的第一万向铰链的第二转动轴与第三万向铰链的第二转动轴平行；所述的第二万向铰链的第一转动轴与第一万向铰链的第二转动轴平行并与第三万向铰链的第二转动轴平行。
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