CN103968207B - 一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，由动平台、静平台以及联接动平台和静平台的第一条运动支链、第二条运动支链和第三条运动支链组成，其特征在于：所述第一条运动支链用以驱动动平台三维转动的一个方向运动，所述第二条运动支链用以驱动动平台三维转动的另一个方向运动，所述第三条运动支链用以驱动三维转动的还有一个方向运动。本发明转动能力强，工作空间大，转动平稳连续，不存在驱动奇异，有效的解决了运动耦合的问题，而且节能环保。
Description
一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构
技术领域
本发明涉及并联机构领域，具体涉及无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构。
背景技术
并联机构通常是由动平台、静平台以及联接两个平台的支链三部分组成。相对于串联机构，并联机构具有刚度大、精度高、承载能力强、速度响应快、累积误差小等特点。因此，并联机构在并联机床、微操作机器人、医疗机器人、运动模拟器等领域具有广阔的应用前景。但是一般的并联机构均具有强耦合性，这使得机构在控制、标定和轨迹规划方面非常困难。由此可见，解耦是并联机构的关键问题。
完全各向同性并联机构是指在整个工作空间内，雅克比矩阵条件数恒等于1的机构。该机构完全解耦，在整个工作空间内不存在运动学奇异，且控制简单。因此，具有完全各向同性的并联机构近年来成为并联机构的研究热点。
目前，已有一些学者设计出具有完全各向同性的并联机构，并申请了国家发明专利。
专利号：200710017956.2（发明名称：无奇异完全各向同性空间移动并联机构，申请日：2007.05.31公开日：2007.10.24公开号：CN101058185A)该发明由三条相同的支链组成，每条支链由两个圆柱副和一个转动副组成。该机构输入输出速度成一一对应的线性关系，轨迹规划方便；
专利号：201010250918.3（发明名称：一种完全各向同性三自由度空间并联机器人，申请日：2010.08.11公开日：2010.12.29公开号：CN101927491A)该发明由三个移动副、六个转动副和两个虎克绞组成，能够实现两个方向移动，一个方向转动。该机构控制简单、标定和运动轨迹规划容易实现。
专利号：201010274733.6（发明名称：解耦的三转动并联机构，申请日：2010.09.07公开日：2011.01.05公开号：CN101934521A)该发明由三个虎克绞、两个球铰、一个移动副、一个转动副构成。虽然结构简单，但是存在难以高精度加工的球铰，此外该机构并不能彻底解决运动耦合问题。
专利号：201110079087.2（发明名称：一种解耦式三转动并联机构，申请日：2011.03.30公开日：2011.07.13公开号：CN102020299A）该发明由三条支链组成，第一条支链为URRRRRRR第二条支链为RR第三条支链为UPRR。该机构整体结构复杂，虽运动解耦但并不能彻底解决运动耦合问题。
目前，三转动并联机构大都是解耦的而非完全各向同性的，解耦问题并没有彻底解决，鉴于完全各向同性并联机构的优点，设计具有完全各向同性的三转动并联机构具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，解决目前空间三维转动并联机构存在的运动耦合性强（控制困难）、奇异位形复杂及工作空间小等问题。
本发明的技术方案在于：
一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，由动平台、静平台以及联接动平台和静平台的第一条运动支链、第二条运动支链和第三条运动支链组成，其特征在于：所述第一条运动支链用以驱动动平台三维转动的一个方向运动，所述第二条运动支链用以驱动动平台三维转动的另一个方向运动，所述第三条运动支链用以驱动三维转动的还有一个方向运动。
其中，所述的第一条运动支链是由第一转动副、第二转动副和第三转动副依次串联组成；所述的第一转动副与第二转动副通过第一构件联接，第二转动副与第三转动副通过第二构件联接，其中第一转动副与静平台相联接，第三转动副与动平台相联接；
所述的第二条运动支链是由第四转动副、第五转动副和第六转动副依次串联组成；所述第四转动副与第五转动副通过第三构件相连，第五转动副与第六转动副通过第四构件相连，其中，第四转动副与静平台相连，第六转动副与动平台相连；
所述的第三条运动支链是由第七转动副、第八转动副、第九转动副、第一移动副、第二移动副和第三移动副依次串联而成；第七转动副与第八转动副通过第五构件相连，第八转动副与第九转动副通过第六构件相连，第九转动副与第一移动副通过第七构件相连，第一移动副与第二移动副通过第八构件相连，第二移动副与第三移动副通过第九构件相连；第七转动副与静平台相连，第三移动副与动平台相连。
所述的第一转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线垂直；所述第四转动副的转动轴线与第七转动副的转动轴线垂直；所述第七转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线垂直。
所述的第一条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第二条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第三条运动支链的第七转动副的转动轴线与第八转动副的转动轴线垂直相交、第八转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直相交、第七转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直；第一移动副的移动方向与第二移动副的移动方向垂直相交、第二移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直相交、第一移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直；第七转动副的转动轴线与第一移动副的移动方向平行；第八转动副的轴线与第二移动副的移动方向平行；第九转动副的轴线与第三移动副的移动方向平行。
所述的第二转动副的转动轴线与第六转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第三转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第一转动副的转动轴线与第五转动副的转动轴线在同一条轴线上。
所述第一转动副、第四转动副、第七转动副的转动自由度分别作为机构的主动输入。
本发明的优点在于：
本并联机构的动平台具有空间三维转动输出；
转动能力强，工作空间大，转动平稳连续；
机构在整个工作空间内其雅克比矩阵的条件数恒为1，所以本并联机构在整个工作空间内表现为完全各向同性，且不存在驱动奇异；
本机构完全解耦，机构动平台的输出速度与机构的输入速度之间是一一对应的线性关系，即动平台的一个运动输出只需要一个驱动装置控制，这不仅大大减少了各个支链间的相互影响，有效的解决了运动耦合的问题，而且节能环保；
本并联机构具有较高的使用价值，为医疗机器人等技术领域提供了一种新机型。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1.静平台2.动平台3.第一构件4.第二构件5第三构件6.第四构件7.第五构件8.第六构件9.第七构件10.第八构件11.第九构件R1第一转动副R2第二转动副R3第三转动副R4第四转动副R5第五转动副R6第六转动副R7第七转动副R8第二八转动副R9第九转动副P1第一移动副P2第二移动副P3第三移动副。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，结合附图作详细说明如下。
参考图1，本发明涉及一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，由动平台2、静平台1以及联接动平台和静平台的第一条运动支链、第二条运动支链和第三条运动支链组成，所述第一条运动支链用以驱动动平台三维转动的一个方向运动，所述第二条运动支链用以驱动动平台三维转动的另一个方向运动，所述第三条运动支链用以驱动三维转动的还有一个方向运动。
上述的第一条运动支链是由第一转动副R1、第二转动副R2和第三转动副R3依次串联组成；所述的第一转动副与第二转动副通过第一构件3联接，第二转动副与第三转动副通过第二构件4联接，其中第一转动副与静平台相联接，第三转动副与动平台相联接；
上述的第二条运动支链是由第四转动副R4、第五转动副R5和第六转动R6副依次串联组成；所述第四转动副与第五转动副通过第三构件5相连，第五转动副与第六转动副通过第四构件6相连，其中，第四转动副与静平台相连，第六转动副与动平台相连；
上述的第三条运动支链是由第七转动副R7、第八转动副R8、第九转动副R9、第一移动副P1、第二移动副P2和第三移动副P3依次串联而成；第七转动副与第八转动副通过第五构件7相连，第八转动副与第九转动副通过第六构件8相连，第九转动副与第一移动副通过第七构件9相连，第一移动副与第二移动副通过第八构件10相连，第二移动副与第三移动副通过第九构件11相连；第七转动副与静平台相连，第三移动副与动平台相连。
上述的第一转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线垂直；所述第四转动副的转动轴线与第七转动副的转动轴线垂直；所述第七转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线垂直。
上述的第一条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第二条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第三条运动支链的第七转动副的转动轴线与第八转动副的转动轴线垂直相交、第八转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直相交、第七转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直；第一移动副的移动方向与第二移动副的移动方向垂直相交、第二移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直相交、第一移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直；第七转动副的转动轴线与第一移动副的移动方向平行；第八转动副的轴线与第二移动副的移动方向平行；第九转动副的轴线与第三移动副的移动方向平行。
上述的第二转动副的转动轴线与第六转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第三转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第一转动副的转动轴线与第五转动副的转动轴线在同一条轴线上。
上述第一转动副、第四转动副、第七转动副的转动自由度分别作为机构的主动输入。
具体实施过程：该机构是由动平台2、静平台1以及联接动平台2和静平台1的三条支链组成。第一条支链是由转动副R1、R2、R3依次串联而成，转动副R1、R2、R3的轴线相互正交，且相交于点O；第二条支链是由转动副R4、R5、R6依次串联而成，转动副R4、R5、R6的轴线相互正交，且交于点O；第三条支链是由转动副R7、R8、R9和移动副P1、P2、P3依次串联而成，转动副R7、R8、R9的轴线相互正交，移动副P1、P2、P3的移动方向相互正交；转动副R7的转动轴线与移动副P1的移动方向平行，转动副R8的转动轴线与移动副P2的移动方向平行，转动副R9的转动轴线与移动副P3的移动方向平行。转动副R1与转动副R2、转动副R2与转动副R3分别通过构件3、构件4相连；转动副R4与转动副R5、转动副R5与转动副R6分别通过构件5、构件6相连；转动副R7与转动副R8、转动副R8与转动副R9分别通过构件7、构件8相连；转动副9与移动副P1通过构件9相连；移动副P1与移动副P2、移动副P2与移动副P3分别通过构件10、构件11相连。
交点0为动平台的转动中心，动平台可以实现空间三维转动。
设第一转动副的轴线方向为X方向，第四转动副的轴线方向为Y方向，第七转动副的轴线方向为Z方向。该机构动平台可以实现绕X、Y、Z三个方向的转动，O点为转动中心。第一支链的转动副R1、第二支链的转动副R4、第三支链的转动副R7为主动副，可由电机驱动。当单独驱动R1时，动平台实现绕X轴的平稳转动，与第二支链和第三支链的驱动无关；当单独驱动R4时，动平台实现绕Y轴的平稳转动，与第一支链和第三支链的驱动无关；当单独驱动R7时，动平台实现绕Z轴的平稳转动，与第一支链和第三支链的驱动无关。动平台的一个运动输出仅与一个驱动装置相关，大大减少了支链间的相互影响，有效的解决了运动耦合和奇异性等问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，由动平台、静平台以及联接动平台和静平台的第一条运动支链、第二条运动支链和第三条运动支链组成，其特征在于：所述第一条运动支链用以驱动动平台三维转动的一个方向运动，所述第二条运动支链用以驱动动平台三维转动的另一个方向运动，所述第三条运动支链用以驱动三维转动的还有一个方向运动；所述的第一条运动支链是由第一转动副、第二转动副和第三转动副依次串联组成；所述的第一转动副与第二转动副通过第一构件联接，第二转动副与第三转动副通过第二构件联接，其中第一转动副与静平台相联接，第三转动副与动平台相联接；
所述的第二条运动支链是由第四转动副、第五转动副和第六转动副依次串联组成；所述第四转动副与第五转动副通过第三构件相连，第五转动副与第六转动副通过第四构件相连，其中，第四转动副与静平台相连，第六转动副与动平台相连；
所述的第三条运动支链是由第七转动副、第八转动副、第九转动副、第一移动副、第二移动副和第三移动副依次串联而成；第七转动副与第八转动副通过第五构件相连，第八转动副与第九转动副通过第六构件相连，第九转动副与第一移动副通过第七构件相连，第一移动副与第二移动副通过第八构件相连，第二移动副与第三移动副通过第九构件相连；第七转动副与静平台相连，第三移动副与动平台相连。
2.根据权利要求1所述的一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，其特征在于：所述的第一转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线垂直；所述第四转动副的转动轴线与第七转动副的转动轴线垂直；所述第七转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线垂直。
3.根据权利要求1所述的一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，其特征在于：所述的第一条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第二条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心；所述的第三条运动支链的第七转动副的转动轴线与第八转动副的转动轴线垂直相交、第八转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直相交、第七转动副的转动轴线与第九转动副的转动轴线垂直；第一移动副的移动方向与第二移动副的移动方向垂直相交、第二移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直相交、第一移动副的移动方向与第三移动副的移动方向垂直；第七转动副的转动轴线与第一移动副的移动方向平行；第八转动副的轴线与第二移动副的移动方向平行；第九转动副的轴线与第三移动副的移动方向平行。
4.根据权利要求1所述的一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，其特征在于：所述的第二转动副的转动轴线与第六转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第三转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线在同一条轴线上；所述的第一转动副的转动轴线与第五转动副的转动轴线在同一条轴线上。
5.根据权利要求1所述的一种无奇异完全各向同性空间三维转动并联机构，其特征在于：所述第一转动副、第四转动副、第七转动副的转动自由度分别作为机构的主动输入。
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