CN102366896B

CN102366896B - 具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构

Info

Publication number: CN102366896B
Application number: CN 201110357878
Authority: CN
Inventors: 李秦川; 陈巧红; 余旭锋; 马吉刚; 武传宇
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: CN102366896A

Abstract

本发明涉及并联运动机床。目的是提供的机构具有易于标定控制等优点。技术方案：具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架及三个分支；其特征在于第一分支和第二分支串接有万向铰、移动副、连杆和转动副；第三分支串接有转动副、移动副、连杆和万向铰；第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线共线且平行于第三分支的转动副轴线；第一分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线与第二分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线；第三分支中，万向铰第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰第二根转轴轴线平行于第一分支和第二分支的转动副轴线。

Description

具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种具有两条垂直交错转轴三自由度并联机构，尤其是三自由度并联运动机床。

背景技术

并联机器人或并联机床是以并联机构为执行机构的装置。目前在国际上研发出来的并联机器人或并联机床大都基于传统的6 自由度Stewart机构（例如CN00102901.0、CN03113115.8、CN200410041753.3、CN200310106458.7）；这种机构由定平台、动平台和连接它们的长度可调的连杆组成，连杆两端分别为球副和万向节, 通过控制连杆的长度来改变动平台的位姿。但这类机构存在以下问题：（1）运动学复杂，强耦合，不利于控制；（2）机构复杂，工作空间较小；（3）高精度球副制造困难。

具有两个转动自由度和一个移动自由度（简称2转1移）的3自由度并联机构（如US6431802、WO0025976、ZL200610013608.3、EP1123175、CA2349579、DE59905578D、ES2198991T、ZL200710057179.4）是少自由度并联机构中非常重要的一类，也可被应用为并联机器人或并联机床，如基于3-PRS并联机构的Z3(WO2000025976)主轴头，基于2-SPR/UPR并联机构的Exechon混联机床(WO2006054935)。但是3-PRS并联机构的两个转动自由度的轴线（简称转轴）随动平台的位姿变化，使得标定和控制具有很大困难；而2-SPR/UPR并联机构中配有球铰，在制造精度和转动范围上存在较大问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存在的不足，提供一种具有两条固定转轴，且不含球铰链的两转一移三自由度并联机构，该机构应具有运动学模型简单、易于标定控制、结构简单、刚度好以及制造成本低等优点。

本发明采用的技术方案是：

具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间三个独立可伸缩调整的分支；其特征在于：

自机架至动平台之间的第一分支中依次串接有万向铰、移动副、连杆和转动副；

自机架至动平台之间的第二分支中依次串接有万向铰、移动副、连杆和转动副；

自机架至动平台之间的第三分支中依次串接有转动副、移动副、连杆和万向铰；

第一分支中的万向铰与第二分支中的万向铰，以第三分支中的转动副为基准对称布置；第一分支中的万向铰的外部转轴轴线与第二分支中的万向铰的外部转轴轴线共线且平行于第三分支中的转动副轴线；第一分支中的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线与第二分支中的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线；

第三分支中，万向铰第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰第二根转轴轴线平行于第一分支中的转动副轴线和第二分支中的转动副轴线。

所述第一分支、第二分支以及第三分支中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或者伺服电机。

所述第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线以及第三分支中的转动副轴线均平行于机架所在的平面。

具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间四个独立可伸缩调整的分支；其特征在于：

自机架至动平台之间的第四分支中依次串接有转动副、移动副、连杆和万向铰；

所述第一分支中的万向铰的外部转轴轴线与第二分支中的万向铰的外部转轴轴线共线，且平行于第三分支中的转动副轴线以及第四分支中的转动副轴线，又作为第三分支中的转动副轴线以及第四分支中的转动副轴线的对称中心线；第一分支中的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线与第二分支中的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线；

第三分支中，万向铰的第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰的第二根转轴轴线平行于第一分支中的转动副轴线和第二分支中的转动副轴线；

第四分支中，万向铰的第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰的第二根转轴轴线平行于第一分支中的转动副轴线和第二分支中的转动副轴线。

所述第一分支、第二分支、第三分支以及第四分支中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机。

所述第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线、第三分支中的转动副轴线以及第四分支中的转动副轴线均平行于机架所在的平面。

本发明的运动原理是：动平台可实现空间的两个转动自由度和一个移动自由度；其中一个转动自由度是动平台可绕第三分支的万向铰（35）的第二根转轴（35b）与第四分支的万向铰（36）的第二根转轴（45b）的共线轴线发生转动，另一个转动自由度是动平台可绕第一分支（5.1）中的万向铰的外部转轴（12.1a）与第二分支（5.2）中的万向铰的外部转轴（22.1a）的共线轴线发生转动；移动自由度是动平台可在垂直方向发生移动。

本发明的有益效果是：由于不含球铰链，所以本发明提供的两转一移三自由度并联机构的运动学模型较为简单，易于标定控制，转动范围也得到扩大；而且结构简单，刚度好，制造精度可显著降低，制造成本也得到下降。

附图说明

图1是本发明实施例之一的立体结构示意图。

图2是本发明实施例之二的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

以下各实施例中，所述每个分支的万向铰中的两个转轴（外部转轴和内部转轴）的轴线相互垂直且相交；第一分支中的转动副、第二分支中的转动副、第三分支中的万向铰第二根转轴35b、第四分支中的万向铰第二根转轴45b，是4个分别直接连接动平台的转动副；所述的移动副轴线是指与移动副的运动方向平行的直线，转动副轴线是指转动副转动时所围绕转动的中心线。此外，每一分支中的移动副均是主动移动副，调整位置时使用；所述的主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机。以上所述均为一般机器人机构的常规设计。

实施例1：

图1所示，动平台4通过三个分支与机架11、机架21和机架31并联连接；第一分支5.1中，机架11依次通过万向铰12（该万向铰包括通过外部转轴12.1a可转动地安装在机架上的外部旋转元件12.1以及通过内部转轴12.2a可转动地安装在外部旋转元件上的内部旋转元件12.2）、移动副13、连杆14以及转动副15与动平台4连接；第二分支5.2中，机架21依次通过万向铰22（该万向铰包括通过外部转轴22.1a可转动地安装在机架上的外部旋转元件22.1以及通过内部转轴22.2a可转动地安装在外部旋转元件上的内部旋转元件22.2）、移动副23、连杆24以及转动副25与动平台4连接；第三分支5.3中，机架31依次通过转动副32、移动副33、连杆34、万向铰35与动平台4连接；

其中，机架11与第一分支中的万向铰12的外部转轴12.1a铰接，机架12与第二分支的万向铰22的外部转轴22.1a铰接，机架13与第三分支的转动副转轴32a铰接。

此外，第一分支中的万向铰12与第二分支中的万向铰22，以第三分支中的转动副为基准对称布置；并且，第一分支中的万向铰12的外部转轴12.1a的轴线与第二分支中的万向铰22的外部转轴22.1a的轴线共线且平行于第三分支中的转动副转轴32a的轴线；第一分支中的万向铰12的内部转轴12.2a的轴线与第二分支中的万向铰22的内部转轴22.2a的轴线平行且平行于第一分支中的转动副15的转轴轴线以及第二分支中的转动副25的转轴轴线。

第一分支中，移动副13的轴线还与转动副15的转轴轴线垂直。

第二分支中，移动副23的轴线还与转动副25的转轴轴线垂直。

第三分支中，移动副33的轴线还与万向铰第一根转轴35a的轴线垂直。

实施例2：

动平台4通过四个分支与机架11、机架21、机架31和机架41连接；第一分支5.1中的机架11依次通过万向铰12（该万向铰包括通过外部转轴12.1a可转动地安装在机架上的外部旋转元件12.1以及通过内部转轴12.2a可转动地安装在外部旋转元件上的内部旋转元件12.2）、移动副13、连杆14以及转动副15与动平台4连接；第二分支5.2中的机架21依次通过万向铰22（该万向铰包括通过外部转轴22.1a可转动地安装在机架上的外部旋转元件22.1以及通过内部转轴22.2a可转动地安装在外部旋转元件上的内部旋转元件22.2）、移动副23、连杆24以及转动副25与动平台4连接；第三分支中的机架31依次通过转动副32、移动副33、连杆34、万向铰35与动平台4连接；第四分支5.4中的机架41依次通过转动副42、移动副43、连杆44、万向铰45与动平台4连接；

其中，机架11与第一分支中的万向铰12的外部转轴12.1a铰接，机架12与第二分支的万向铰22的外部转轴22.1a铰接，机架13与第三分支的转动副转轴32a铰接，机架14与第四分支中的转动副转轴42a铰接。

此外，第一分支中的万向铰12的外部转轴12.1a的轴线与第二分支中的万向铰22的外部转轴22.1a的轴线共线，并且平行于第三分支中的转动副转轴32a轴线以及第四分支中的转动副转轴42a轴线，又作为第三分支中的转动副转轴32a轴线以及第四分支中的转动副转轴42a轴线的对称中心线（第三分支中的转动副转轴轴线以及第四分支中的转动副转轴轴线分置于该对称中心线的两边）；第一分支中的万向铰12的内部转轴12.2a的轴线、第二分支中的万向铰22的内部转轴22.2a的轴线、第一分支中的转动副15的转轴轴线以及第二分支中的转动副25的转轴轴线相互平行。

第一分支中，移动副13的轴线还与转动副15的转轴轴线垂直。

第二分支中，移动副23的轴线还与转动副25的转轴轴线垂直。

第四分支中，移动副43的轴线还与万向铰第一根转轴45a的轴线垂直。

显然，实施例2与实施例1的区别是增加了第四分支；刚性及承载力自然得到明显提高。

尚需说明的是：为图面清晰，图中所有铰接点仅画出铰接孔，铰接轴均予省略。

Claims

1.具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架以及并联连接在动平台与机架之间三个独立可伸缩调整的分支；其特征在于：

自机架至动平台（4）之间的第一分支（5.1）中依次串接有万向铰（12）、移动副（13）、连杆（14）和转动副（15）；

自机架至动平台（4）之间的第二分支（5.2）中依次串接有万向铰（22）、移动副（23）、连杆（24）和转动副（25）；

自机架至动平台（4）之间的第三分支（5.3）中依次串接有转动副（32）、移动副（33）、连杆（34）和万向铰（35）；

第一分支中的万向铰（12）与第二分支中的万向铰（22），以第三分支中的转动副（31）为基准对称布置；第一分支中的万向铰（12）的外部转轴（12.1a）轴线与第二分支中的万向铰（22）的外部转轴（22.1a）轴线共线且平行于第三分支中的转动副（32）轴线；第一分支中的万向铰（12）的内部转轴（12.2a）轴线、转动副（15）轴线与第二分支中的万向铰（22）的内部转轴（22.2a）轴线、转动副（25）轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线；

第三分支中，万向铰（35）第一根转轴轴线（35a）平行于转动副轴线；万向铰（35）第二根转轴轴线（35b）平行于第一分支（5.1）中的转动副（15）轴线和第二分支中的转动副（25）轴线。

2.根据权利要求1所述的具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支（5.1）、第二分支（5.2）以及第三分支（5.3）中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或者伺服电机。

3.根据权利要求2所述的具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支（5.1）中的万向铰的外部转轴（12.1a）轴线、第二分支（5.2）中的万向铰的外部转轴（22.1a）轴线以及第三分支（5.3）中的转动副轴线均平行于机架所在的平面。

4.具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架以及并联连接在动平台与机架之间四个独立可伸缩调整的分支；其特征在于：

自机架至动平台（4）之间的第三分支（5.3）中依次串接转动副（32）、移动副（33）、连杆（34）和万向铰（35）；

自机架至动平台（4）之间的第四分支（5.4）中依次串接有转动副（42）、移动副（43）、连杆（44）和万向铰（45）；

所述第一分支中的万向铰（12）的外部转轴（12.1a）轴线与第二分支中的万向铰（22）的外部转轴（22.1a）轴线共线，且平行于第三分支中的转动副（32）轴线以及第四分支中的转动副（42）轴线，又作为第三分支中的转动副轴线以及第四分支中的转动副轴线的对称中心线；第一分支中的万向铰（12）的内部转轴（12.2a）轴线、转动副（15）轴线与第二分支中的万向铰（22）的内部转轴（22.2a）轴线、转动副（25）轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰的外部转轴轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴轴线；

第三分支中，万向铰（35）的第一根转轴轴线（35a）平行于转动副轴线；万向铰（35）的第二根转轴轴线（35b）平行于第一分支（5.1）中的转动副（15）轴线和第二分支中的转动副（25）轴线；

第四分支中，万向铰（45）的第一根转轴轴线（45a）平行于转动副轴线；万向铰（45）的第二根转轴轴线（45b）平行于第一分支（5.1）中的转动副（15）轴线和第二分支中的转动副（25）轴线。

5.根据权利要求4所述的具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支（5.1）、第二分支（5.2）、第三分支（5.3）以及第四分支（5.3）中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机。

6.根据权利要求5所述的具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支中的万向铰的外部转轴（12.1a）轴线、第二分支中的万向铰的外部转轴（22.1a）轴线、第三分支中的转动副轴线以及第四分支中的转动副轴线均平行于机架所在的平面。