CN102120299B - 一种解耦式三转动并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种解耦式三转动并联机构，包括基座、动平台以及连接在基座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；所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副以及第七转动副，所述第二运动支链包括顺序相连的第十转动副、第十一转动副和第二连接杆；所述第三运动支链包括顺序相连的第二万向铰链、移动副、第十二转动副、第十三转动副，所述第十二转动副的一端与第七转动副之间通过动平台转动连接；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；运动解耦，控制简单，从而降低了开发成本。

Description

一种解耦式三转动并联机构
技术领域
本发明涉及机床和工业机器人领域，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式三转动并联机构。
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、静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，动平台和静平台与每条支链用转动副连接。文献[Xianwen Kong，Clement M.Gosselin Type synthesis ofinput-output decoupled parallel manipulators，Transactions of the CSME，Vol28，SpecialEdition，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、静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
本发明所要解决的技术问题是提供一种解耦式三转动并联机构，以克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种解耦式三转动并联机构，包括基座、动平台以及连接在基座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；
所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副以及第七转动副，所述第一转动副通过内杆件与所述第一万向节铰链相连，第五转动副通过杆件与所述第一万向节铰链连接，所述第一万向节铰链与所述基座相连接，所述第一万向铰链的第一转动轴与所述第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副以及第六转动副平行；所述第六转动副与第七转动副相互垂直，并通过第一连接杆相连；
所述第二运动支链包括顺序相连的第十转动副、第十一转动副和第二连接杆；第十转动副还与基座相连，第二连接杆还与第一连接杆相连；所述第十转动副垂直于第十一转动副；
所述第三运动支链包括顺序相连的第二万向铰链、移动副、第十二转动副、第十三转动副，所述第十二转动副的一端与第七转动副之间通过动平台转动连接；所述第十二转动副通过移动副与所述第二万向铰链铰接，所述第十三转动副一端连接基座另端与所述第二万向铰链相互铰接。
所述第十三转动副垂直于第二万向铰链的第四转动轴，第二万向铰链的第三转动轴与第七转动副、第十二转动副相互平行，移动副垂直于第十二转动副。
所述第十转动副、第十三转动副以及第一万向铰链的第二转动轴同轴，第二转动轴、第十转动副、第十三转动副、第三转动轴的轴线汇交于一点。
有益效果
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为本发明的结构示意图。
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
如图1所示：一种解耦式三转动并联机构，包括基座1、动平台2以及连接在基座1与动平台2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；
所述的第一运动支链3包括顺序相连的第一万向铰链31、第一转动副32、第二转动副33、第三转动副34、第四转动副35、第五转动副36、第六转动副37以及第七转动副55，所述第一转动副32通过内杆件321与所述第一万向节铰链31相连，第五转动副36通过杆件322与所述第一万向节铰链31连接，所述第一万向节铰链31与所述基座1相连接，所述第一万向铰链31的第一转动轴312与所述第一转动副32、第二转动副33、第三转动副34、第四转动副35、第五转动副36以及第六转动副37平行；所述第六转动副37与第七转动副55相互垂直，并通过第一连接杆38相连；
所述第二运动支链4包括顺序相连的第十转动副41、第十一转动副42和第二连接杆412；第十转动副41还与基座1相连，第二连接杆412还与第一连接杆38相连；所述第十转动副41垂直于第十一转动副42；
所述第三运动支链5包括顺序相连的第二万向铰链52、移动副53、第十二转动副54、第十三转动副55，所述第十二转动副54的一端与第七转动副55之间通过动平台2转动连接；所述第十二转动副54通过移动副53与所述第二万向铰链52铰接，所述第十三转动副55一端连接基座1另端与所述第二万向铰链52相互铰接。
所述第十三转动副55垂直于第二万向铰链52的第四转动轴522，第二万向铰链52的第三转动轴521与第七转动副55、第十二转动副54相互平行，移动副53垂直于第十二转动副54。
所述第十转动副41、第十三转动副51以及第一万向铰链31的第二转动轴311同轴，第二转动轴311、第十转动副41、第十三转动副51、第三转动轴521的轴线汇交于一点。
本发明的工作原理如下：
(1)当第一运动支链3的内杆件321与杆件322之间夹角变化时，带动动平台2绕第一转动副32转动；而第二运动支链4具有同轴的转动副，第三运动支链5具有三个转动自由度，因此，内杆件321与杆件322之间夹角变化时，动平台2绕第一转动副32转动；
(2)当第二运动支链4内的第十转动副41转动时，带动动平台2绕第十转动副41转动；而第一运动支链3和第三运动支链5具有绕第十转动副41的转动自由度，因此，在移动副53驱动下，动平台2绕第十转动副41转动；
(3)当第三运动支链5内的移动副53转动时，带动动平台2绕转动副第十三55转动；而第一运动支链3和第二运动支链4运动支链具有绕第十三转动副55的转动自由度，因此，在移动副53驱动下，动平台2绕第十三转动副55转动；
(4)由于第十转动副41、第十一转动副42、第十三转动副55轴线汇交，并且第十转动副41、第十一转动副42垂直，因此机构具有三个解耦的转动自由度。

Claims (1)

1.一种解耦式三转动并联机构，包括基座(1)、动平台(2)以及连接在基座(1)与动平台(2)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)；其特征在于：
所述第一运动支链(3)包括顺序相连的第一万向铰链(31)、第一转动副(32)、第二转动副(33)、第三转动副(34)、第四转动副(35)、第五转动副(36)、第六转动副(37)以及第七转动副(55)，所述第一转动副(32)通过内杆件(321)与所述第一万向铰链(31)相连，第五转动副(36)通过杆件(322)与所述第一万向铰链(31)连接，所述第一万向铰链(31)与所述基座(1)相连接，所述第一万向铰链(31)的第一转动轴(312)与所述第一转动副(32)、第二转动副(33)、第三转动副(34)、第四转动副(35)、第五转动副(36)以及第六转动副(37)平行；所述第六转动副(37)与第七转动副(55)相互垂直，并通过第一连接杆(38)相连；
所述第二运动支链(4)包括顺序相连的第十转动副(41)、第十一转动副(42)和第二连接杆(412)；第十转动副(41)还与基座(1)相连，第二连接杆(412)还与第一连接杆(38)相连；所述第十转动副(41)垂直于第十一转动副(42)，所述第十转动副(41)与第一万向铰链(31)的第二转动轴(311)同轴，所述第十转动副(41)和第一万向铰链(31)的第二转动轴(311)的轴线汇交于一点；
所述第三运动支链(5)包括顺序相连的第二万向铰链(52)、移动副(53)、第十二转动副(54)、第十三转动副(51)，所述第十二转动副(54)的一端与第七转动副(55)之间通过动平台(2)转动连接；所述第十二转动副(54)通过移动副(53)与所述第二万向铰链(52)铰接，所述第十三转动副(51)一端连接基座(1)另端与所述第二万向铰链(52)相互铰接，所述第十三转动副(51)垂直于第二万向铰链(52)的第四转动轴(522)，第二万向铰链(52)的第三转动轴(521)与第七转动副(55)、第十二转动副(54)相互平行，移动副(53)垂直于第十二转动副(54)，所述第十三转动副(51)与第十转动副(41)和第一万向铰链(31)的第二转动轴(311)同轴，所述第十三转动副(51)、第三转动轴(521)与所述第十转动副(41)和第二转动轴(311)的轴线汇交于一点。 
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