CN105252528B - 一种绳牵引并联平动微动运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械领域，涉及一种绳牵引并联平动微动运动平台。微动运动平台由n(1≤n≤3)条主动支链驱动，并受到3‑n条被动支链的约束，以实现相应自由度的平动运动。每条主动支链中，运动平台通过两组主动绳分别与支架两端相连；支架安装在长程电机动子上，长程电机的定子固定；支架与地面构成移动副；主动支链数目为两条或三条时需要合理布置以防止运动干涉。每条被动支链中，两组被动绳一端与运动平台相连，一端固定。本发明的微动平台结构简单、运动响应速度快，运动稳定性好，并且各方向运动间的耦合性低，运动控制简单。本发明的微动平台可用于精密定位和主动减振中。

Description

一种绳牵引并联平动微动运动平台

技术领域

本发明涉及机械领域，具体为一种绳牵引并联平动微动运动平台。

背景技术

并联机构具有刚度大、负载能力强和精度高等特点，因而在各领域得到广泛应用。同时，并联机构运动链较短，驱动装置可置于定平台(机架)上或接近定平台(机架)的位置，这样运动部分重量轻，惯性小，速度高，动态响应好。

在狭小空间内实现微幅运动时通常需要一些特殊的支链结构，而传统所使用的支链尺寸大，结构复杂、加工难度大、易疲劳破坏从而影响定位精度，因此需要找出一种合适的材料作为力传递媒介。绳的强度大，重量轻，连接形式简单，成本低廉且更换方便，以绳为力传递媒介的并联机构在负载能力、精度及尺寸等方面具有并联机构的优势，而且机构的结构形式简单且惯量小，利用绳的弹性变形可很容易地实现微幅运动。本发明正是以绳为运动传递介质来实现微动运动。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种具有若干个平动自由度的绳牵引并联平动微动运动装置，以简化微动运动平台的结构、提高精度和降低成本。即用绳代替柔性或刚性支链驱动运动平台实现微幅运动。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种绳牵引并联平动微动运动平台，包括微动运动平台，以及连接所述运动平台的n条主动支链和设置在所述运动平台上的m-n条被动支链；

所述主动支链包括连接在运动平台上的一对主动绳组，一对主动绳组连接在一个框型支架上，支架通过一对移动副组连接长程电机；

所述被动支链包括设置在运动平台上的一对被动绳组；

每条主动支链中，运动平台通过一对主动绳组分别与框型支架两端相连；框型支架通过移副组安装在长程电机动子上，长程电机动子连接至长程电机定子，移动副组相对固定在安装基础上。

进一步地，每条被动支链中一对被动绳组一端与运动平台相连，一端固定。

进一步地，每条主动支链和被动支链中，一对主动绳组和被动绳组中每组为一根或多根，各绳相互平行，且各绳对运动平台的作用力的合力经过运动平台的质心；这种布置方法可以有效抑制平动运动过程中平台的转动自由度。

进一步地，所述主动绳组和被动绳组中，绳组为绳、弹簧或者绳与弹簧相连的绳组。

主动支链的安装数量n与上述微动运动平台所需的平动自由度的数目相同，1≤n≤3，被动支链的安装数量m-n为3-n。

进一步地，运动平台为单自由度平动时，运动平台沿X方向平动，在X方向设一条主动支链，同时在Y、Z方向上各设一条被动支链；使主动支链中支架的运动方向与运动平台的运动X方向一致。

进一步地，运动平台为两自由度平面平动时，平面内相互垂直的方向设为X和Y方向，在X、Y向各设一条主动支链，同时在Z方向上设一条被动支链；使两主动支链中支架的运动方向分别与X方向和Y方向一致。

进一步地，运动平台为三自由度空间平动时，空间内相互垂直的方向设为X、Y和Z方向，在X、Y和Z方向上各设一条主动支链；使主动支链中支架的运动方向分别与X、Y和Z方向一致。

进一步地，所述运动平台的形状为正方体、正棱锥、正棱柱或球体，连接在所述运动平台三个方向的主动支链和被动支链两两相互垂直，且互不运动干涉。

本发明利用以绳为力传递媒介的并联机构在负载能力、精度及尺寸等方面具有并联机构的优势，利用机构的结构形式简单且惯量小的特点，采用绳的弹性变形很容易地实现微幅运动。本发明能够在狭小空间内以绳为运动传递介质来实现微动运动，其微动平台结构简单、运动响应速度快，运动稳定性好，并且各方向运动间的耦合性低，运动控制简单。本发明的微动平台可用于精密定位和主动减振中。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明主动支链结构示意图；

图2是本发明实施例1结构示意图；

图3是本发明实施例2结构示意图；

图4是本发明实施例3结构示意图；

图中：2、运动平台；111、长程电机定子；112、长程电机动子；113、支架；114、主动绳组Ⅰ；124、主动绳组Ⅱ；134、主动绳组Ⅲ；115、移动副组；11、主动支链Ⅰ；12、主动支链Ⅱ；13、主动支链Ⅲ；21、被动支链Ⅰ；22、被动支链Ⅱ；214、被动绳组Ⅰ；224、被动绳组Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种绳牵引并联平动微动运动平台，包括运动平台2，以及连接运动平台2的1条主动支链和设置在运动平台2上的2条被动支链；主动支链包括连接在运动平台2上的一对主动绳组Ⅰ114，一对主动绳组Ⅰ114连接在一个框型支架113上，支架113通过一对移动副组115连接长程电机；2条被动支链包括分别设置在运动平台2上的一对被动绳组被动绳组Ⅰ214和被动绳组Ⅱ224，见图2所示。

其中，一条主动支链包括：长程电机定子111、长程电机动子112、支架113、主动绳组Ⅰ114。运动平台2通过一对主动绳组Ⅰ114分别与支架113两端相连；支架113通过移动副组115与长程电机动子112相连，长程电机动子112连接至长程电机定子111，长程电机的定子111固定在安装基础上。受长程电机动子112驱动，且支架113与安装基础之间由移动副组115相连，这样做是为了让移动副组115承受在垂直于主动支链运动方向上的横向力，从而保证长程电机正常工作。见图2所示，每条被动支链中一对被动绳组Ⅰ214和被动绳组Ⅱ224一端与运动平台2相连，一端在安装基础上。

每条主动支链和被动支链中，一对主动绳组和被动绳组中每组为一根或多根，各绳相互平行，且各绳对微动运动平台的作用力的合力经过运动平台的质心。这种布置方法可以有效抑制平动运动过程中运动平台2的转动自由度。每条被动支链中的被动绳布置方法与主动绳相同。

一条主动支链的具体安装步骤为：移动副组115固定于安装基础上，支架113穿过移动副组115构成移动副；主动绳组114一端固连在支架113上，另一端固连在运动平台2上，保证主动绳组114中绳的方向与长程电机动子112的运动方向相同。

以下按平动自由度数目的不同分别给出实施例：

实施例1：

对于微动运动平台单自由度平动的情况，结构如图2所示，包括主动支链Ⅰ11、被动支链Ⅰ21和被动支链Ⅱ22、运动平台2、主动绳组Ⅰ114、被动绳组Ⅰ214和被动绳组Ⅱ224。如运动平台2沿X方向平动，需要在X方向安装一条主动支链Ⅰ11，同时在Y、Z方向上各安装一条被动支链Ⅰ21、被动支链Ⅱ22。安装时要使主动支链Ⅰ11中支架113的运动方向与运动平台2的运动方向(X向)一致，被动支链Ⅰ21、被动支链Ⅱ22中四组被动绳组Ⅰ214、被动绳组Ⅱ224一端与运动平台2相连，另一端固定。主动支链Ⅰ11和被动支链Ⅰ21、被动支链Ⅱ22安装时既要两两垂直，又要防止运动干涉。主动支链Ⅰ11中长程电机动子112通过主动绳组Ⅰ114驱动运动平台2做X向微幅运动，此时，Y、Z向的四组被动绳组Ⅰ214、被动绳组Ⅱ224微幅倾斜，发生弹性变形，由于四组被动绳组Ⅰ214、被动绳组Ⅱ224与X方向几乎垂直，故其施加在运动平台2上的沿X向的分力很小，长程电机能够驱动运动平台2实现X向运动。同时X向主动绳组Ⅰ114也发生弹性变形，但其变形量远小于运动平台2位移，故近似认为运动平台2位移等于长程电机动子112的行程。

单独的一条主动支链可限制运动平台的两向转动自由度，单独的一条被动支链可限制运动平台沿支链方向的平动自由度和两向转动自由度，一条主动支链和两条被动支链组合使用后限制了运动平台的三个转动自由度和两个沿被动支链方向的平动自由度。故微动运动平台只有沿平动方向的一个平动自由度。

实施例2：

对于微动运动平台两自由度平面平动的情况，结构如图3所示，包括主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12、被动支链Ⅰ21、运动平台2、主动绳组Ⅰ114、主动绳组Ⅱ124、被动绳组Ⅰ214。如运动平台2在XY平面内平动，将平面内相互垂直的两个方向设为X和Y方向，需要在X、Y向各安装一条主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12，同时在Z方向上安装一条被动支链Ⅰ21。主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12和被动支链Ⅰ21安装时既要两两垂直，又要防止运动干涉。被动支链中两组被动绳一端与运动平台2相连，另一端固定在安装基础上。两条主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12中长程电机的动子通过主动绳组Ⅰ114、主动绳组Ⅱ124驱动运动平台2在XY平面内微幅运动，此时Z向的两组被动绳Ⅰ214微幅倾斜，发生弹性变形。由于两组被动绳组Ⅰ214与XY平面垂直，故施加在运动平台2上XY平面内的分力很小，长程电机能够驱动运动平台2实现XY平面内运动。运动平台2在XY平面内运动时，X向主动绳组Ⅰ114微幅倾斜，但仍与Y向垂直，故其施加在Y向的分力很小，对Y向运动几乎没有影响，同理，Y向运动对X向运动也几乎没有影响，故两条主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12的运动基本相互独立，因此可以独立控制X、Y向的长程电机来驱动运动平台2实现XY平面内微幅运动。运动过程中X、Y向主动绳组Ⅰ114、主动绳组Ⅱ124发生弹性变形，但X向主动绳组Ⅰ114的X向变形量远小于运动平台2位移的X轴向分量，Y向主动绳组Ⅰ124的Y向变形量远小于运动平台2位移的Y轴向分量，故近似认为运动平台2位移的X轴向分量等于X向长程电机的行程，运动平台2位移的Y轴向分量等于Y向长程电机的行程。

单独的一条主动支链可限制运动平台的两向转动自由度，单独的一条被动支链可限制运动平台沿支链方向的平动自由度和两向转动自由度，两条主动支链和一条被动支链组合使用后限制了运动平台的三个转动自由度和一个沿被动支链方向的平动自由度。故微动运动平台具有在XY平面内的两个平动自由度。

实施例3：

对于微动运动平台三自由度空间平动的情况，结构如图4所示，包括主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12、主动支链Ⅲ13、运动平台2、主动绳组Ⅰ114、主动绳组Ⅱ124、主动绳组Ⅲ134。运动平台2在空间内平动，将空间内相互垂直的三个方向分别设为X、Y和Z方向，需要在X、Y、Z向各安装一条主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12、主动支链Ⅲ13。三条主动支链11、12、13的结构形式相同，安装时要保证三个主动支链11、12、13的运动方向两两垂直。运动平台2在空间微幅运动时，三条主动支链11、12、13中的主动绳组114、124、134均微幅倾斜，X、Y向两条主动支链Ⅰ11、主动支链Ⅱ12中互相垂直的主动绳组114、124构成的XY平面在运动平台2运动过程中近似认为不变，Z向主动支链Ⅲ13中的主动绳组Ⅲ134基本与上述XY平面垂直，故XY平面内的合力在Z向主动支链Ⅲ13上的分力很小，长程电机能够驱动运动平台2在Z向运动。同理可推知，长程电机能够分别驱动运动平台2在X、Y向运动。由于X、Y、Z向三条主动支链11、12、13中的主动绳组114、124、134基本两两垂直，任意一条支链方向上的力在其余两条支链方向上的分力很小，故X、Y、Z三向主动支链11、12、13的运动基本独立，因此可以独立控制X、Y、Z向的长程电机来驱动运动平台2实现空间内微幅运动。同时，X向主动绳组Ⅰ114的X向变形量远小于运动平台2位移的X轴向分量，Y向主动绳组Ⅱ124的Y向变形量远小于运动平台2位移的Y轴向分量，Z向主动绳组Ⅲ134的Z向变形量远小于运动平台2位移的Z轴向分量，故可以认为运动平台2位移的X轴向分量等于X向长程电机的行程，运动平台2位移的Y轴向分量等于Y向长程电机的行程，运动平台2位移的Z轴向分量等于Z向长程电机的行程。

单独的一条主动支链可限制运动平台的两向转动自由度，三条主动支链组合使用后限制了平台的三个转动自由度。故微动运动平台具有在空间的三平动自由度。

对于上述3个实施例中所述的形式，下面分情况说明：若该机构在狭小空间安装使用时，支链长度受到限制，为保证运动平台能够达到所需的运动幅度，可选用弹簧来构成绳组，因为弹簧的弹性变形范围较大；若该机构安装空间允许，则应尽可能增加绳的长度，可由弹簧和绳配合使用来构成绳组，具体连接形式是在长绳的一端连上一小段弹簧，此时机构运动的解耦性更好。绳越长，三个方向上的运动解耦性越好。另外，为使运动过程中绳不因压缩弯曲从而影响结构的平稳性，安装时绳要处于拉伸状态，且整个运动过程中要保证始终处于拉伸状态。

绳弹性变形很小，在微幅运动范围内平台的位移在某一坐标轴上的位移分量近似等于该轴向长程电机的行程。根据需要编写合适的控制算法便可控制长程电机输出适当的驱动力及位移，驱动微动平台微幅运动。

上述运动平台的形状为正方体、正棱锥、正棱柱或球体，绳牵引并联平动运动平台，各主被动支链安装时既要保证运动方向两两垂直，又要防止运动干涉。各组主被动绳安装时要张紧且保证各绳长度与受力大小基本相等。各支链中的支架与安装基础之间由移动副相连，以保证长程电机正常工作。

以上是方便本发明阐述所采用的实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：包括运动平台，以及连接所述运动平台的n条主动支链和设置在所述运动平台上的m-n条被动支链；

所述主动支链包括连接在运动平台上的一对主动绳组，一对主动绳组连接在一个框型支架上，支架通过一对移动副组连接长程电机；

所述被动支链包括设置在运动平台上的一对被动绳组；

每条主动支链中，运动平台通过一对主动绳组分别与框型支架两端相连；框型支架通过移动副组安装在长程电机动子上，长程电机动子连接至长程电机定子，移动副组固定在安装基础上。

2.根据权利要求1所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：每条被动支链中一对被动绳组一端与运动平台相连，一端固定。

3.根据权利要求1所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：每条主动支链和被动支链中，一对主动绳组和被动绳组中每组为一根或多根，各绳相互平行，且各绳对微动运动平台的作用力的合力经过运动平台的质心。

4.根据权利要求3所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：所述主动绳组和被动绳组中，绳组为绳、弹簧或者绳与弹簧相连的绳组。

5.根据权利要求1所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：主动支链的安装数量n与上述运动平台所需的平动自由度的数目相同，1≤n≤3，被动支链的安装数量m-n为3-n。

6.根据权利要求5所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：运动平台为单自由度平动时，运动平台沿X方向平动，在X方向设一条主动支链，同时在Y、Z方向上各设一条被动支链；使主动支链中支架的运动方向与运动平台的运动X方向一致。

7.根据权利要求5所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：运动平台为两自由度平面平动时，平面内相互垂直的方向设为X和Y方向，在X、Y向各设一条主动支链，同时在Z方向上设一条被动支链；使两主动支链中支架的运动方向分别与X和Y方向一致。

8.根据权利要求5所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：运动平台为三自由度空间平动时，空间内相互垂直的方向设为X、Y和Z方向，在X、Y和Z方向上各设一条主动支链；使主动支链中支架的运动方向分别与X、Y和Z方向一致。

9.根据权利要求1所述的绳牵引并联平动微动运动平台，其特征在于：所述运动平台的形状为正方体、正棱锥、正棱柱或球体，连接在所述运动平台三个方向的主动支链和被动支链两两相互垂直，且互不运动干涉。