CN102632394B - 具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联数控机床和并联结构的机器人的执行机构。目的是提供的机构具有两条垂直相交的转轴，且具有结构简单、便于制造安装、运动学模型简单，易于标定控制等优点。技术方案是：具有两条垂直相交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的三个独立可伸缩的调整分支；其特征在于：第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第三分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线，或者，第三分支中的第一转动副轴线垂直于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线。

Description

具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种机床和工业机器人的执行机构，尤其是具有两条垂直相交转轴的三自由度的并联数控机床和并联结构的机器人的执行机构。 

背景技术

并联机床具有刚度大、精度高、承载能力强、自重负荷小等串联机构不具有的优点，其被誉为二十一世纪以来机床结构的一次革命。目前国际上研发出的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，连杆两端分别为球铰和万向节，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）结构设计复杂，使其运动学正解困难；（2）机构复杂导致工作空间较小；（3）运动平台位姿强耦合致使轨迹规划和精度控制困难；（4）高精度球副制造困难。

少自由度并联机构具有结构简单、工作空间较大、设计和控制容易等优点，已成为只需要大于3小于6自由度工作场合的重要新型机械设备。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，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)。

为了便于并联机构的姿态控制和标定，一般希望两个转动自由度的轴线（简称转轴）垂直相交，如五轴加工中心的A/B轴，或A/C轴；同时，从机构设计和制造的角度出发，希望机构中的运动副尽量为单自由度的转动副或移动副。在现有并联机构中，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并联机构虽然具有两条垂直相交转轴，但其结构中含有球铰，在制造精度、转动范围上和设计装配上存在较大问题。 

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的不足，提供一种具有至少三个独立可伸缩调整分支且不含球铰的两转一移三自由度并联机构，该机构具有两条垂直相交的转轴，且具有结构简单、便于制造安装、运动学模型简单，易于标定控制等优点。

本发明采用的技术方案是：

具有两条垂直相交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的三个独立可伸缩的调整分支；这三个调整分支分别是： 

由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成的第一分支；

由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成的第二分支；

由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动副、第二连杆和第二转动副组成的第三分支； 

其特征在于：

第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第一分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及转动副轴线，与第二分支中的万向铰内部旋转轴轴线以及转动副轴线相互平行，且垂直于第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线；第三分支中：万向铰内部旋转轴轴线垂直且相交于万向铰的外部旋转轴轴线，并与第二转动副轴线平行；第一转动副轴线垂直且相交于万向铰的外部旋转轴轴线，其交点位于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线上；

第三分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；或者，

第三分支中的第一转动副轴线垂直于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线。 

第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线位于同一平面。

所述第一分支、第二分支、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是伺服电机。

具有两条垂直相交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的四个独立可伸缩的调整分支，这四个调整分支分别为第一分支、第二分支以及与第一分支、第二分支对称分布的第三分支、第四分支；

所述第一分支由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成；

所述第二分支由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成；

所述第三分支由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动副、第二连杆和第二转动副组成；

所述第四分支由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动副、第二连杆和第二转动副组成；

其特征在于：

第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第一分支中的万向铰的内部旋转轴轴线、转动副轴线与第二分支中的万向铰内部旋转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线；第三分支中的第一转动副轴线与第四分支中的第一转动副轴线均垂直于第三分支中万向铰的外部旋转轴轴线、第四分支中万向铰的外部旋转轴轴线；第三分支中的万向铰的外部旋转轴轴线与第四分支中的万向铰的外部旋转轴轴线共线；第三分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及第二转动副轴线，与第四分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及第二转动副轴线相互平行，且垂直于第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第四分支中的万向铰外部旋转轴轴线；

第三分支中的第一转动副轴线、第四分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；或者，

第三分支中的第一转动副轴线与第四分支中的第一转动副轴线共线，该共线直线垂直且相交于第一分支中的万向铰外部旋转轴与第二分支中的万向铰外部旋转轴的共线轴线。

第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第四分支中的万向铰外部旋转轴轴线位于同一平面； 

所述第一分支、第二分支、第三分支、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。

本文所述的两条垂直相交转轴，其中一条是第三分支（或第三分支和第四分支）万向铰第一转动副转轴；另一条是第三分支（或第三分支和第四分支）万向铰外部旋转轴。本发明中，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同时绕第一分支中的万向铰外部旋转轴与第二分支中的万向铰外部旋转轴转动，另一个转动自由度是动平台可绕第三分支中的万向铰外部旋转轴（或同时绕第四分支中的万向铰外部旋转轴）转动；移动自由度是动平台可在垂直方向（即垂直于机架平面的方向）发生移动。

本发明的有益效果不仅在于机构具有两条相交转轴，且不含球铰，运动学模型简单，易于控制标定，转动范围大、制造成本也得到下降。另外第三分支的冗余驱动方式，能够提高该机构刚度以及承载力，可广泛应用于并联机器人、并联机床等场合。

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。

图3是本发明实施例之三的立体结构示意图。

图4是本发明实施例之四的立体结构示意图。

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动副的轴线相互垂直且相交；第一分支的转动副15、第二分支的转动副25、第三分支中的转动副37（或第三分支中的转动副37、第四分支中的转动副47），是3（或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，每一分支中移动副均是主动移动副，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、机架31并联连接；其中，第一分支5.1中，机架依次通过万向铰12（该万向铰包括安装在机架上的绕外部旋转轴12.1a旋转的外部旋转元件12.1和安装在外部旋转元件上的绕内部旋转轴12.2a旋转的内部旋转元件12.2）、移动副13、连杆14、转动副15与动平台4连接；第二分支5.2中，机架依次通过万向铰22（该万向铰包括安装在机架上的绕外部旋转轴22.1a旋转的外部旋转元件22.1和安装在外部旋转元件上的绕内部旋转轴22.2a旋转的内部旋转元件22.2）、移动副23、连杆24、转动副25与动平台4连接；第三分支5.3中，机架依次通过第一转动副32、连杆33、万向铰34（该万向铰包括联接在连杆33上的绕外部旋转轴34.1a旋转的外部旋转元件34.1和安装在内部旋转元件上的绕内部旋转轴34.2a旋转的内部旋转元件34.2）、移动副35、连杆36、第二转动副37与动平台4连接；

此外，机架11、机架21和机架31分别与第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a、第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a和第三分支的第一转动副32连接；第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a的轴线、第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a的轴线、第三分支的第一转动副32轴线共线，且垂直于第一分支中的万向铰12的内部旋转轴12.2a轴线、第二分支中的万向铰22的内部旋转轴22.2a轴线；第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a的轴线、第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a的轴线、第三分支的万向铰34的外部旋转轴34.1a的轴线共同位于一平面；第一分支的万向铰12的内部旋转轴12.2a的轴线与第二分支的万向铰22的内部旋转轴22.2a的轴线平行且平行于第一分支的转动副15的轴线与第二分支的转动副25的轴线。

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35的轴线还与转动副37的转轴轴线垂直。

实施例2：

本实施例如图2所示，结构与实施例1基本相同；区别仅是：

实施例1中：第三分支中的第一转动副32轴线与第一分支中的万向铰12外部旋转轴12.1a轴线以及第二分支中的万向铰22外部旋转轴22.1a轴线共线；而且，第三分支中，第一转动副32轴线垂直于万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线；万向铰34内部旋转轴34.2a轴线与第二转动副37轴线平行且垂直于万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线； 

而实施例2中：第三分支中的第一转动副32轴线垂直于第一分支中的万向铰12的外部旋转轴12.1a轴线、第二分支中的万向铰22的外部旋转轴22.1a轴线。而且，第三分支中，第一转动副32轴线垂直于万向铰34外部旋转轴34.1a轴线，且第一转动副32轴线与万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线的交点位于第一分支中的万向铰12外部旋转轴12.1a与第二分支中的万向铰22外部旋转轴22.1a共线轴线上；万向铰34的内部旋转轴34.2a轴线与第二转动副37轴线平行且垂直于万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线。

实施例3：

图3所示，动平台4通过四个分支与机架11、机架21、机架31、机架41并联连接；第一分支5.1中，机架依次通过万向铰12（该万向铰包括安装在机架上的绕外部旋转轴12.1a旋转的外部旋转元件12.1和安装在外部旋转元件上的绕内部旋转轴12.2a旋转的内部旋转元件12.2）、移动副13、连杆14、转动副15与动平台4连接；第二分支5.2中，机架依次通过万向铰22（该万向铰包括安装在机架上的绕外部旋转轴22.1a旋转的外部旋转元件22.1和安装在外部旋转元件上的绕内部旋转轴22.2a旋转的内部旋转元件22.2）、移动副23、连杆24、转动副25与动平台4连接；第三分支5.3中，机架依次通过第一转动副32、连杆33、万向铰34（该万向铰包括联接在连杆33上的绕外部旋转轴34.1a旋转的外部旋转元件34.1和安装在内部旋转元件上的绕内部旋转轴34.2a旋转的内部旋转元件34.2）、移动副35、连杆36、第二转动副37与动平台4连接；第四分支5.4中，机架依次通过第一转动副42、连杆43、万向铰44（该万向铰包括联接在连杆43上的绕外部旋转轴44.1a旋转的外部旋转元件44.1和安装在内部旋转元件上的绕内部旋转轴44.2a旋转的内部旋转元件44.2）、移动副45、连杆46、第二转动副47与动平台4连接。

此外，机架11、机架21、机架31以及机架41分别与第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a、第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a、第三分支中的第一转动副32以及第四分支中的第一转动副42连接。 

第一分支中的万向铰12的内部旋转轴12.2a轴线、第二分支中的万向铰22的内部旋转轴22.2a轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰12的外部旋转轴12.1a轴线、第二分支中的万向铰22的外部旋转轴22.1a轴线；第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a的轴线、第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a的轴线、第三分支中的万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线与第四分支中的万向铰44的外部旋转轴44.1a轴线共同位于一平面。

图中还可知：第三分支中的第一转动副32轴线、第四分支中的第一转动副42轴线、第一分支的万向铰12的外部旋转轴12.1a的轴线以及第二分支的万向铰22的外部旋转轴22.1a轴线共线；第一分支的万向铰12的内部旋转轴12.2a的轴线、第二分支的万向铰22的内部旋转轴22.2a的轴线、第一分支的转动副15的轴线、第二分支的转动副25的轴线相互平行。第三分支中的万向铰的内部旋转轴34.2a轴线、第三分支中的第二转动副37轴线、第四分支中的万向铰的内部旋转轴44.2a轴线、第四分支中的第二转动副47轴线相互平行；第三分支中，万向铰34的内部旋转轴34.2a轴线垂直于万向铰的外部旋转轴34.1a轴线，第四分支中，万向铰44的内部旋转轴44.2a轴线垂直于万向铰的外部旋转轴44.1a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35的轴线还与第二转动副37的转轴轴线垂直。

第四分支中，移动副45的轴线还与第二转动副47的转轴轴线垂直。

实施例4：

本实施例如图4所示，结构与实施例3基本相同；区别仅是：

实施例3中：第三分支中的第一转动副32轴线、第四分支中的第一转动副42轴线、第一分支中的万向铰12外部旋转轴12.1a轴线、第二分支中的万向铰22外部旋转轴22.1a轴线共线，还垂直于第三分支中的万向铰34的外部旋转轴34.1a轴线、第四分支中的万向铰44的外部旋转轴44.1a轴线。

而实施例4中：第三分支中的第一转动副32轴线、第四分支中的第一转动副42轴线共线，且垂直于第一分支中的万向铰12的外部旋转轴12.1a轴线、第二分支中的万向铰22的外部旋转轴22.1a轴线；第三分支中的第一转动副32轴线、第四分支中的第一转动副42轴线垂直且相交于第三分支中的万向铰34外部旋转轴34.1a轴线、第四分支中的万向铰44外部旋转轴44.1a轴线，且其交点位于第一分支中的万向铰12外部旋转轴12.1a与第二分支中的万向铰22外部旋转轴22.1a共线轴线上。

较之实施例1和实施例2，实施例3和实施例4由于引入了冗余驱动的第四分支，其结构刚度更大，可承受更大的负载，适用于重载操作任务。

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 (6)

1.具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架（11，21，31）以及并联连接在动平台与机架之间的三个独立可伸缩的调整分支；这三个调整分支分别是： 

由依序连接在机架（11）至动平台（4）之间的万向铰（12）、移动副（13）、连杆（14）和转动副（15）组成的第一分支（5.1）；

由依序连接在机架（21）至动平台（4）之间的万向铰（22）、移动副（23）、连杆（24）和转动副（25）组成的第二分支（5.2）；

由依序连接在机架（31）至动平台（4）之间的第一转动副（32）、第一连杆（33）、万向铰（34）、移动副（35）、第二连杆（36）和第二转动副（37）组成的第三分支（5.3）；

其特征在于：

第一分支中的万向铰（12）的外部旋转轴（12.1a）轴线与第二分支中的万向铰（22）的外部旋转轴（22.1a）轴线共线；第一分支中的万向铰（12）的内部旋转轴（12.2a）轴线以及转动副（15）轴线，与第二分支中的万向铰（22）内部旋转轴（22.2a）轴线以及转动副轴线（25）相互平行，且垂直于第一分支中的万向铰（12）的外部旋转轴（12.1a）轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴（22.1a）轴线；第三分支中：万向铰（34）内部旋转轴（34.2a）轴线垂直且相交于万向铰（34）的外部旋转轴（34.1a）轴线，并与第二转动副（37）轴线平行；第一转动副（32）轴线垂直且相交于万向铰（34）的外部旋转轴（34.1a）轴线，其交点位于第一分支中的万向铰（12）的外部旋转轴（12.1a）与第二分支中的万向铰（22）的外部旋转轴（22.1a）的共线轴线上；

第三分支中的第一转动副（32）轴线、第一分支中的万向铰（12）外部旋转轴（12.1a）轴线以及第二分支中的万向铰（22）外部旋转轴（22.1a）轴线共线；或者，

第三分支中的第一转动副（32）轴线垂直于第一分支中的万向铰（12）的外部旋转轴（12.1a）与第二分支中的万向铰（22）的外部旋转轴（22.1a）的共线轴线。

2.根据权利要求1所述的具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，其特征在于第一分支中的万向铰外部旋转轴（12.1a）轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴（22.1a）轴线以及第三分支中的万向铰（34）外部旋转轴（34.1a）轴线位于同一平面。

3.根据权利要求2所述的具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支、第二分支、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是伺服电机。

4.具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架（11、21、31、41）以及并联连接在动平台与机架之间的四个独立可伸缩的调整分支，这四个调整分支分别为第一分支（5.1）、第二分支（5.2）以及与第一分支、第二分支对称分布的第三分支（5.3）、第四分支（5.4）；

所述第一分支（5.1）由依序连接在机架（11）至动平台（4）之间的万向铰（12）、移动副（13）、连杆（14）和转动副（15）组成；

所述第二分支（5.2）由依序连接在机架（21）至动平台（4）之间的万向铰（22）、移动副（23）、连杆（24）和转动副（25）组成；

所述第三分支（5.3）由依序连接在机架（31）至动平台（4）之间的第一转动副（32）、第一连杆（33）、万向铰（34）、移动副（35）、第二连杆（36）和第二转动副（37）组成；

所述第四分支（5.4）由依序连接在机架（41）至动平台（4）之间的第一转动副（42）、第一连杆（43）、万向铰（44）、移动副（45）、第二连杆（46）和第二转动副（47）组成；

其特征在于：

第一分支中的万向铰（12）外部旋转轴（12.1a）轴线与第二分支中的万向铰（22）外部旋转轴（22.1a）轴线共线；第一分支中的万向铰（12）的内部旋转轴（12.2a）轴线、转动副（15）轴线与第二分支中的万向铰（22）内部旋转轴（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（12）外部旋转轴（12.1a）轴线、第二分支中的万向铰（22）外部旋转轴（22.1a）轴线；第三分支中的第一转动副（32）轴线与第四分支中的第一转动副（42）轴线均垂直于第三分支中万向铰（34）的外部旋转轴（34.1a）轴线、第四分支中万向铰（44）的外部旋转轴（44.1a）轴线；第三分支中的万向铰（34）的外部旋转轴（34.1a）轴线与第四分支中的万向铰（44）的外部旋转轴（44.1a）轴线共线；第三分支中的万向铰（34）的内部旋转轴（34.2a）轴线以及第二转动副（37）轴线，与第四分支中的万向铰（44）的内部旋转轴（44.2a）轴线以及第二转动副（47）轴线相互平行，且垂直于第三分支中的万向铰（34）外部旋转轴（34.1a）轴线、第四分支中的万向铰（44）外部旋转轴（44.1a）轴线；

第三分支中的第一转动副（32）轴线、第四分支中的第一转动副（42）轴线、第一分支中的万向铰（12）外部旋转轴（12.1a）轴线以及第二分支中的万向铰（22）外部旋转轴（22.1a）轴线共线；或者，

第三分支中的第一转动副（32）轴线与第四分支中的第一转动副（42）轴线共线，该共线直线垂直且相交于第一分支中的万向铰（12）外部旋转轴（12.1a）与第二分支中的万向铰（22）外部旋转轴（22.1a）的共线轴线。

5.根据权利要求4所述的具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，其特征在于第一分支中的万向铰外部旋转轴（12.1a）轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴（22.1a）轴线、第三分支中的万向铰外部旋转轴（34.1a）轴线以及第四分支的万向铰外部旋转轴（44.1a）轴线位于同一平面。

6.根据权利要求5所述的具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支、第二分支、第三分支、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。

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