CN102042464B - 具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械技术领域，具体地说是一种具有四自由度运动能力的三支杆并联调整装置，其特征是：包括上平台、下平台、第一长度固定支杆、第二长度固定支杆和第三长度固定支杆、十字导轨、第一一字导轨和第二一字导轨，第一长度固定支杆、第二长度固定支杆和第三长度固定支杆连接在上平台和下平台之间；其方法特征：以下平台上的构成θ1、θ2、θ3的三个导轨的延长线交点为原点，建立空间坐标系（X、Y、Z）；当第二长度固定支杆和第三长度固定支杆的空间姿态不变时，第一长度固定支杆沿着X轴运动，带动上平台沿着X轴运动，实现沿着X轴运动。它提供了一种具有在一个水平面上的前后和左右两个方向的直线自由度的4自由度并联机构。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及非电变量的调整或控制系统中有关平台的位置和姿态调整的控制装置，具体地说是一种具有4自由度运动能力的三支杆并联调整装置，可用于精密测量、精密加工等领域。
背景技术
近年来，少自由度并联结构受到了大家的重视，小于6自由度的并联机构具有结构简单、制作成本低，控制相对容易等优点。对于一些需要少于6个自由度机械结构的系统来说，少自由度并联结构是非常实用的。4自由度并联机构作为少自由度并联结构的一种，与3自由度并联机构相比，其数量相对较少。因此，4自由度并联机构的研究已经成为国内外机械学研究的新型热点。
1999年罗兰（Rolland）提出了两个4自由度并联机构，分别为Manta和Kanuk。参见文献《The Manta and the Kanulk: Novel 4-DOF Parallel Mechanisms for Industrial Handling》in Proc. ASME Dynamic System and Control Division, IMECE’99 Conference, Nashville, USA. Vol.67, 1999, pp.831-844。2001年，Zlatanov和Gosselin提出了四自由度并联机构——4-(RRR)bRR，这个并联机构具有3个转动自由度和一个直线运动自由度。参见文献《A new parallel architecture with four degrees of freedom》in Proceeding of the 2nd workshop on Computational Kinematics, May 19-22, Seoul, Korea, 2001, pp.57-66。2000年，T.S.Zhao和Z.Huang给出了4-URU机构，该机构具有3个直线运动自由度和一个旋转自由度。参见文献《A novel spatial four-dof parallel mechanism and its position analysis》，Mechanical Science and Technology, vol.19(6),2000,pp.927-929。2002年，一个具有两个直线运动自由度和两个转动自由度的机构被W.J.Chen等人提出，但这个4自由度机构实现的是一个Y轴方向的直线自由度和一个Z轴方向的直线自由度。参见文献 《A 2T-2R,4-Dof parallel manipulator》，ASME DETC/CIE, Montreal,Canada,DETC2002/MECH-34303。
如上所述，近年来，4自由并联机构得到了发展，但是实现4自由度并联机构都是有4个或者更多支杆来形成并联机构。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有在一个水平面上的前后和左右两个方向的直线自由度的4自由度并联机构，以及简化4自由度并联结构的复杂性的具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构，其特征是：包括上平台、下平台、第一长度固定支杆、第二长度固定支杆和第三长度固定支杆、十字导轨、第一一字导轨和第二一字导轨，第一长度固定支杆、第二长度固定支杆和第三长度固定支杆连接在上平台和下平台之间。
所述的第一长度固定支杆与下平台处在垂直状态，第一长度固定支杆与下平台上的一个十字导轨连接，在下平台的十字导轨上沿着十字导轨沿X轴或Y轴方向运动，第二长度固定支杆和第三长度固定支杆分别与下平台上按不同方向固定的第一一字导轨和第二一字导轨通过两个旋转副连接。
所述的第一长度固定支杆与上平台以虎克铰的方式连接。
所述的第二长度固定支杆和第三长度固定支杆与上平台以球铰的方式连接。
所述的十字导轨、第一一字导轨和第二一字导轨8，其中包括十字导轨中的一个导轨在下平台的面上相互形成夹角θ1 、θ2 、θ3，其中，夹角θ1 、θ2 、θ3的角度分别是120°。当然十字导轨另一个导轨垂直于构成120°角度的导轨。
具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构的方法：其方法特征：以下平台上的构成θ1 、θ2 、θ3的三个导轨的延长线交点为原点，建立空间坐标系（X、Y、Z）；当第二长度固定支杆和第三长度固定支杆的空间姿态不变时，第一长度固定支杆沿着X轴运动，带动上平台沿着X轴运动，实现沿着X轴运动；
当第二长度固定支杆和第三长度固定支杆的空间姿态不变时，第一长度固定支杆沿着Y轴运动，带动上平台沿着Y轴运动，实现沿Y轴运动的直线运动自由度；
如果第一长度固定支杆在下平台上的位置不变，即第一长度固定支杆不沿着X轴或Y轴运动，第一一字导轨和第二一字导轨的直线运动由旋转副分别带动第二长度固定支杆和第三长度固定支杆空间姿态的变化；
当第二长度固定支杆和第三长度固定支杆与下平台的夹角同时增大或者同时减小，则带动上平台绕Y轴旋转；当第二长度固定支杆和第三长度固定支杆与下平台的夹角一个增大，另一个减小时，则带动上平台绕X轴旋转。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
1. 该装置只使用三个支杆既可以完成4自由度并联机构;
2. 该装置实现了上平台在水平面上具有前后和左右运动的两个直线运动自由度;
3. 本发明简化实现4自由并联机构，从而使得机构的总体积得到减少，可以应用到对机构所占空间要求苛刻的系统中，由于系统的机构和控制模型的得到简化，因此其制造和生产成本减少。
由于本发明具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。在工业上，可以作为精密测量仪器或者精密加工机床的调整机构。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的结构组成示意图；
图2是本发明的三个导轨在下平台上的分布图。
图中：1、上平台；2、下平台；3、第一长度固定支杆；4、第二长度固定支杆；5、第三长度固定支杆；6、十字导轨；7、第一一字导轨；8、第二一字导轨。
具体实施方式
参照图1，它是本发明的结构组成示意图，包括上平台1、下平台2、第一长度固定支杆3、第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5、十字导轨6、第一一字导轨7和第二一字导轨8，第一长度固定支杆3、第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5连接在上平台1和下平台2之间。
在优选的一个实施方案中，第一长度固定支杆3与下平台2处在垂直状态，第一长度固定支杆3与下平台2上的一个十字导轨6连接，可以在下平台2的十字导轨6上沿着十字导轨6X、Y轴方向运动，第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5分别与下平台2上按不同方向固定的第一一字导轨7和第二一字导轨8通过两个旋转副连接；第一长度固定支杆3与上平台1以虎克铰的方式连接，第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5与上平台1以球铰的方式连接。
如图2所示，三个导轨（十字导轨6、第一一字导轨7和第二一字导轨8），其中包括十字导轨6中的一个导轨在下平台2的面上相互形成夹角θ1 、θ2 、θ3，其中，夹角θ1 、θ2 、θ3的角度分别是120°。当然十字导轨6另一个导轨垂直于构成120°角度的导轨。
实现四个自由度运动具体过程是：以下平台2上的构成θ1 、θ2 、θ3的三个导轨的延长线交点为原点，建立空间坐标系（X、Y、Z）；当第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5的空间姿态不变时，第一长度固定支杆3沿着X轴运动，带动上平台1沿着X轴运动，实现本发明的一个直线运动自由度，即沿着X轴运动。
当第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5的空间姿态不变时，第一长度固定支杆3沿着Y轴运动，带动上平台1沿着Y轴运动，实现了本发明的沿Y轴运动的直线运动自由度。
如果第一长度固定支杆3在下平台2上的位置不变，即第一长度固定支杆3不沿着X轴或Y轴运动，第一一字导轨7和第二一字导轨8的直线运动由旋转副分别带动第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5空间姿态的变化。
当第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5与下平台2的夹角同时增大或者同时减小，则带动上平台1绕Y轴旋转；当第二长度固定支杆4和第三长度固定支杆5与下平台2的夹角一个增大，另一个减小时，则带动上平台1绕X轴旋转。从而实现本发明两个直线运动自由度和两个旋转运动自由度。
Claims (1)
1.具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构的调整方法，其特征是：具有四自由度运动能力的三支杆并联调整机构包括上平台（1）、下平台（2）、第一长度固定支杆（3）、第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）、十字导轨（6）、第一一字导轨（7）和第二一字导轨（8），第一长度固定支杆（3）、第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）连接在上平台（1）和下平台（2）之间；所述的第一长度固定支杆（3）与下平台（2）处在垂直状态，第一长度固定支杆（3）与下平台（2）上的一个十字导轨（6）连接，在下平台（2）的十字导轨（6）上沿着十字导轨（6）沿X轴或Y轴方向运动，第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）分别与下平台（2）上按不同方向固定的第一一字导轨（7）和第二一字导轨（8）通过两个旋转副连接；所述的十字导轨（6）的其中一个导轨、第一一字导轨（7）和第二一字导轨（8）在下平台（2）的面上相互形成夹角θ1 、θ2 、θ3，其中，夹角θ1 、θ2 、θ3的角度均是120°；十字导轨（6）的另一个导轨垂直于构成120°角度的导轨；
该方法如下：以下平台（2）上的构成θ1 、θ2 、θ3的三个导轨的延长线交点为原点，建立空间坐标系（X、Y、Z）；当第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）的空间姿态不变时，第一长度固定支杆（3）沿着X轴运动，带动上平台（1）沿着X轴运动，实现沿着X轴运动；
当第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）的空间姿态不变时，第一长度固定支杆（3）沿着Y轴运动，带动上平台（1）沿着Y轴运动，实现沿Y轴运动的直线运动自由度；
如果第一长度固定支杆（3）在下平台（2）上的位置不变，即第一长度固定支杆（3）不沿着X轴或Y轴运动，由旋转副分别带动第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）空间姿态的变化：当第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）与下平台（2）的夹角同时增大或者同时减小，则带动上平台（1）绕Y轴旋转；当第二长度固定支杆（4）和第三长度固定支杆（5）与下平台（2）的夹角一个增大，另一个减小时，则带动上平台（1）绕X轴旋转。
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