CN104626099B - 完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构 - Google Patents

完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构 Download PDF

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Abstract

一种完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构，其机座与中间平台一之间由三个结构相同的分支连接，该分支由四个运动副组成，分别是直线驱动移动副，转动副，直线移动副或转动副及万向铰或转动副。中间平台一和中间平台二间由一个转动副连接，中间平台二与动平台间由RPS分支、PSPR分支、PS分支和SPS分支连接。本发明的机座和中间平台一之间的连接部分实现机构三移动的解耦，中间平台一和中间平台二之间的转动副实现机构的一个转动，中间平台二与动平台间的连接部分实现机构两转动的解耦。整个机构可实现六自由度的完全解耦，该机构可作为高档数控机床的机械本体。

Description

完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别涉及一种机器人的混联机构。
背景技术
混联机构兼具串、并联机构的优点,近年来受到广泛关注。文献[LuYi,HuBo,SunTao.Analysesofvelocity,acceleration,statics,andworkspaceofa2(3-SPR)serial-parallelmanipulator.Robotica(2009)volume27,pp.529–538.]提出了一种混联机构，该机构由两个3-SPR串联而成，具有较大的工作空间。专利CN201210324161.7提出了一种基于混联机构的五维隔振平台，利用混联机构的特点实现一种五维隔震。现有的混联机构运动复杂，其输入与输出存在高度耦合，不利于对这类机构的控制。解耦机构可实现运动的独立控制，具有控制容易，精度高等优点。但现有的解耦机构多为少自由度的并联机构，专利CN201310259738.5提出的一种两转动一移动完全解耦并联机构，结构复杂，仅实现三自由度的完全解耦。而目前的六自由度解耦机构又多结构复杂，且多为部分解耦，如专利CN03129994.6提出的一种六自由度并联解耦机构，机构具有六个自由度，但仅能实现五自由度的完全解耦。解耦式混联机构能克服上述问题，但关于解耦式混联机构的研究非常少。
发明内容
本发明的目的是提出一种解耦机构少且结构简单的完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构。
本发明内容如下：
本发明主要包括机座、中间平台一、中间平台二、动平台以及连接机座、中间平台一、中间平台二和动平台间的各分支。
机座和中间平台一间由三个结构相同的分支连接，实现机构三移动的解耦，所述的这种分支包括四个运动副，分别是直线驱动移动副，转动副一，直线移动副或转动副二及万向铰或转动副三，所述分支的始端与机座相连，末端与中间平台一相连，所述的直线驱动移动副对应的导轨分别与机座上三个互相垂直的横梁、竖梁以及纵梁平行，所述的转动副一与直线驱动移动副的导轨平行且垂直于与其相连的直线移动副，直线移动副通过万向铰或转动副三与中间平台一相连，万向铰的两个转动副相互垂直相交，万向铰的内侧转动副与所在支链中的转动副平行，万向铰的外侧转动副与中间平台一相连，三个万向铰的外侧转动副在中间平台一上成圆周分布并相互正交，与中间平台一相连的三个转动副在中间平台一上成圆周分布并相互正交，并平行于所在支链中的转动副一。
实现三转动解耦的运动分支主要包括两部分，即一个一转动结构和一个二转动解耦结构。一转动结构包括中间平台一和中间平台二以及连接两平台的转动副四，中间平台一、二中心重合并相互平行，中间平台一和中间平台二由一个垂直穿过它们中心通孔的转动副四连接，实现机构的一个转动；二转动解耦结构包括RPS分支，PSPR分支，S分支以及SPS分支，所述的四个分支的始端固连在中间平台二上，末端固连在动平台上，所述的RPS分支、PSPR分支以及SPS分支两端分别设在两个圆周上；所述的RPS分支，PSPR分支以及S分支的两端分别在中间平台二和动平台上呈直角三角形分布。所述的RPS分支包括第一转动副，第一直线驱动移动副和第一球副，该分支的第一转动副平行于PSPR分支始端运动副中心和S分支始端中心的连线，该第一转动副与第一直线驱动移动副垂直相连，该第一直线驱动移动副另一端通过第一球副固连于动平台上。所述的PSPR分支包括第二直线移动副，第二球副，第二直线驱动移动副以及第二转动副，其中，第二直线移动副一端垂直固连于中间平台二，另一端通过第二球副与第二直线驱动移动副一端相连，该第二直线驱动移动副另一端与第二转动副相连，该第二转动副平行于RPS分支末端运动副和S分支末端运动副中心的连线，并垂直于与其相连的第二直线驱动移动副。所述的S分支包括一个刚性杆和第三球副，刚性杆与中间平台二中心垂直固连，上述刚性杆通过第三球副固连于动平台中心。所述的SPS分支包括第四球副一，第四直线移动副及第四球副二，其与直线移动副两端相连的第四球副一、第四球副二分别与中间平台二和动平台相连。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的机座和中间平台一之间的连接部分实现机构三移动的解耦，中间平台一和中间平台二之间的转动副实现机构的一个转动，中间平台二与动平台间的连接部分实现机构两转动的解耦，整个机构可实现六自由度的完全解耦。
本发明兼具解耦机构和串并联机构的共同优点，机构能实现移动和转动的独立控制，工作空间大，刚度大，运动精度高、且运动学正、反解简单。控制简单、可作为高档数控机床、微纳加工装备等高端装备的机械本体。
附图说明
图1是本发明实施1立体示意图。
图2是本发明解耦的三转动部分机构示意图。
图3是本发明实例2立体示意图。
图4是本发明实例3立体示意图。
图5是本发明实例4立体示意图。
图中：1、机座，1-1、横梁，1-2、竖梁，1-3、纵梁，2、中间平台一，3、中间平台二，4、动平台，5-1、直线驱动移动副，5-2、转动副一，5-3、直线移动副，5-3’、转动副二，5-4万向铰，5-4’、转动副三，6、转动副四，7-1、第一转动副，7-2、第一直线驱动移动副，7-3、第一球副，8-1、第二直线移动副，8-2、第二球副，8-3、第二直线驱动移动副，8-4、第二转动副，9、第三球副，10-1、第四球副一，10-2、第四直线移动副，10-3、第四球副二，11、刚性杆。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示，完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构由机座1，中间平台一2，中间平台二3，动平台4以及连接它们的分支组成。机座1和中间平台一2间由三个结构相同的PRPU分支连接，中间平台一2和中间平台二3间由一个R副连接，中间平台二3和动平台4间由S分支，RPS分支，PSPR分支以及SPS分支这四个分支连接。
如附图1所示，机座1和中间平台一2间由三个结构相同的PRPU分支连接，所述的分支包括直线驱动移动副5-1，转动副一5-2，直线移动副5-3和万向铰5-4，三个直线驱动移动副5-1的导轨分别平行于机座1上的横梁1-1、竖梁1-2以及纵梁1-3这三个互相垂直的方向，转动副一5-2平行于直线驱动移动副5-1的导轨且垂直于直线移动副5-3，万向铰5-4的两个转动副相互正交，万向铰5-4的内侧转动副平行于转动副一5-2，万向铰5-4的外侧转动副与中间平台一2相连，三个万向铰的外侧转动副在中间平台一2上成圆周分布并相互正交。中间平台一2和中间平台二3的中心重合并相互平行，由一个转动副四6连接，转动副四6过中间平台一2、中间平台二3中心并垂直于中间平台一2、中间平台二3，转动副四6作为一个驱动，控制着动平台4绕垂直于中间平台二3方向的转动。
如附图2所示，中间平台二3和动平台4间由RPS分支，PSPR分支，S分支以及SPS分支连接。所述的四个分支的始端固连在中间平台二3上，末端固连在动平台4上，其分布特点为：RPS分支和PSPR分支以及SPS分支两端分别分布在两个圆周上；RPS分支和PSPR分支以及S分支的两端分别在中间平台二3和动平台4上呈直角三角形分布。所述的RPS分支包括第一转动副7-1，第一直线驱动移动副7-2和第一球副7-3，第一转动副7-1平行于PSPR分支始端运动副和S分支始端中心的连线，该第一转动副7-1一端与第一直线驱动移动副7-2垂直相连，另一端通过第一球副7-3固连于动平台4上。所述的PSPR分支包括第二直线移动副8-1，第二球副8-2，第二直线驱动移动副8-3和第二转动副8-4，第二直线移动副8-1一端垂直固连于中间平台二3，另一端通过第二球副8-2与第二直线驱动移动副8-3一端相连，该直线驱动移动副另一端与第二转动副8-4相连。第二转动副8-4平行于RPS分支末端运动副和S分支末端运动副中心的连线，并垂直于第二直线驱动移动副8-3。所述的S分支包括一个刚性杆11和第三球副9，刚性杆11固连于中间平台二3的中心并垂直于中间平台二3，第三球副9固连于动平台4中心。所述的SPS分支包括第四球副一10-1，第四直线移动副10-2，第四球副二10-3。
实施例2
如附图3所示，机座1和中间平台一2间由三个结构相同的PRPR分支连接，所述的分支包括直线驱动移动副5-1，转动副一5-2，直线移动副5-3和转动副三5-4’，三个直线驱动移动副5-1的导轨分别平行于机座1上的横梁1-1、竖梁1-2以及纵梁1-3这三个互相垂直的方向，转动副一5-2平行于直线驱动移动副5-1的导轨且垂直于直线移动副5-3，转动副三5-4’与中间平台一2相连且平行于转动副一5-2，中间平台一2上的三个转动副成圆周分布并相互正交。其它构件和连接方式与实施1相同。
实施例3
如附图4所示，机座1和中间平台一2间由三个结构相同的PRRU分支连接，所述的分支包括直线驱动移动副5-1，转动副一5-2，转动副二5-3’和万向铰5-4，三个直线驱动移动副5-1的导轨分别平行于机座1上的横梁1-1、竖梁1-2以及纵梁1-3这三个互相垂直的方向，转动副一5-2和转动副二5-3’都平行于直线驱动移动副5-1的导轨，万向铰5-4的两个转动副相互正交，万向铰5-4的内侧转动副平行于转动副二5-3’，万向铰5-4的外侧转动副与中间平台一2相连，万向铰的外侧转动副在中间平台一2上成圆周分布并相互正交。其它构件和连接方式与实施1相同。
实施例4
如附图5所示，机座1和中间平台一2间由三个结构相同的PRRR分支连接，所述的分支包括直线驱动移动副5-1，转动副一5-2，转动副二5-3’和转动副三5-4’，三个直线驱动移动副5-1的导轨分别平行于机座1上的横梁1-1、竖梁1-2以及纵梁1-3这三个互相垂直的方向，转动副一5-2、转动副二5-3’以及转动副三5-4’都平行于直线驱动移动副5-1的导轨，转动副三5-4’与中间平台一2相连，中间平台一2上的三个转动副三成圆周分布。其它构件和连接方式与实施1相同。

Claims (2)

1.一种完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构，其特征在于：机座和中间平台一间由三个结构相同的分支连接，所述的这种分支包括四个运动副，分别是直线驱动移动副，转动副一，直线移动副或转动副二及万向铰或转动副三，所述分支的始端与机座相连，末端与中间平台一相连，所述的三个直线驱动移动副对应的导轨分别与机座上三个互相垂直的横梁、竖梁以及纵梁平行，所述的转动副一与直线驱动移动副的导轨平行且垂直于与其相连的直线移动副，直线移动副通过万向铰或转动副三与中间平台一相连，中间平台一、二中心重合并相互平行，中间平台一和中间平台二由一个垂直穿过它们中心通孔的转动副四连接，二转动解耦结构包括RPS分支，PSPR分支，S分支以及SPS分支，所述的四个分支的始端固连在中间平台二上，末端固连在动平台上，所述RPS分支，PSPR分支以及SPS分支两端分别设在两个圆周上，所述的RPS分支，PSPR分支以及S分支的两端分别在中间平台二和动平台上呈直角三角形分布，所述的RPS分支与中间平台二相连的第一转动副平行于PSPR分支始端运动副中心和S分支始端中心的连线，该第一转动副与第一直线驱动移动副垂直相连，该第一直线驱动移动副另一端通过第一球副固连于动平台上，所述的PSPR分支中，第二直线移动副一端垂直固连于中间平台二，另一端通过第二球副与第二直线驱动移动副一端相连，该第二直线驱动移动副另一端与第二转动副相连，该第二转动副平行于RPS分支末端运动副和S分支末端运动副中心的连线，并垂直于第二直线驱动移动副，所述的S分支的刚性杆与中间平台二中心垂直固连，上述刚性杆通过第三球副固连于动平台中心，所述的SPS分支中与第四直线移动副两端相连的第四球副一、第四球副二分别与中间平台二和动平台相连。
2.根据权利要求1所述的完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构，其特征在于：连接机座与中间平台一的三个相同的分支中，万向铰的两个转动副相互垂直相交，万向铰的内侧转动副与所在支链中的转动副一平行，万向铰的外侧转动副与中间平台一相连，三个万向铰的外侧转动副在中间平台一上成圆周分布并相互正交；与中间平台一相连的三个转动副三在中间平台一上成圆周分布并相互正交，并平行于所在支链中的转动副一。
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