CN109848969B - 一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连接在静平台与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，各运动支链均由转动副及连接转动副的连杆组成，各转动副的轴线汇交于同一点。与现有技术相比，本发明中第一运动支链和第二运动支链合成一个运动参与控制动平台，第三运动支链单独参与控制动平台，使得本发明具有部分解耦的三个转动自由度，动平台自由度依赖两条运动链控制，相较于三条运动链参与控制动平台的结构，具有更好的解耦度，也更便于控制，能实现更好的运动精度。

Description

一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构

技术领域

本发明涉及机床和工业机器人应用技术领域，尤其是涉及一种用于并联结构虚轴数控机床和并联机器人的用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构。

背景技术

并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台(动平台)沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。

运动解耦并联机器人是指输出运动的任一自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元的动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人领域应用前景广阔。

中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、静平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一组对称结构的六杆球形机构，动平台和静平台与每条支链用转动副连接。文献[Xianwen Kong,Clement M.Gosselin Typesynthesis of input-output decoupled parallel manipulators,Transactions of theCSME,Vol.28,Special Edition,2004]中报道了具有两移动一转动自由度的并联机构，由动平台、静平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb 2002,(1):9-12,14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于部分解耦并联机构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，以减小现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连接在静平台与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，所述的第一运动支链包括经第一连杆、第二连杆顺序相连的第一转动副、第二转动副、第三转动副，

所述的第二运动支链包括经第三连杆、第四连杆、第五连杆顺序相连的第四转动副、第五转动副、第六转动副，

所述的第三运动支链包括经第六连杆、第七连杆顺序相连的第七转动副、第八转动副、第九转动副，

为保证所有铰链能正常运动，上述所有转动副的轴线汇交于同一点，从而实现所有部件的运动轨迹均为同心球面。

连接所述第六转动副的所述第五连杆的输出端固定在连接所述第二转动副及所述第三转动副的所述第二连杆上。

所述第一运动支链的第三转动副与所述动平台相连，所述第三运动支链的第九转动副与所述动平台相连。动平台自由度依赖两条运动链控制，第一运动支链与第二运动支链通过第五连杆和第二连杆的相互固接，构成一个空间五杆机构，根据输入运动motion1和motion2容易解算出第二连杆位姿及第三转动副的位姿，当第二连杆位姿确定后，可以把第二连杆和静平台看作机架，动平台和第三运动支链与该机架相连构成一个空间四杆机构，具有一个自由度，再根据输入运动motion3便容易解算出动平台的位姿。传统的三条运动链参与控制动平台的结构，需要同时根据三个输入运动确定动平台的位姿，较为困难。因此该结构具有更好的解耦度，控制更加简单。

各转动副均由相互连接的两个枢纽组成，各枢纽分别连接一个连杆，设置在端部的转动副只有一个枢纽连接连杆，另一个枢纽不连接连杆，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转，从而实现转动副的转动，进而带动各连杆转动，提升灵活度。

各连杆为圆弧状结构，这些圆弧的长度可根据实际应用进行调整。

所述静平台分别通过铰链第一转动副、第四转动副、第七转动副与第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中第一运动支链和第二运动支链合成一个运动参与控制动平台，第三运动支链单独参与控制动平台，使得本发明具有部分解耦的三个转动自由度，动平台自由度依赖两条运动链控制，相较于传统的三条运动链参与控制动平台的结构，具有更好的解耦度，控制更加简单，从而降低开发成本，也能实现更好的运动精度。

2、仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。

附图说明

图1为本发明的平面结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其结构如图1-2所示，包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、动平台M、静平台。第一运动支链包括顺序相连的第一转动副ξ_1,1、第二转动副ξ_2,1、第三转动副ξ_3,1，及其顺序连接的第一连杆1a-1、第二连杆1a-2，其中motion1驱动第一转动副ξ_1,1。第二运动支链包括顺序相连的第四转动副ξ_1,2、第五转动副ξ_2,2、第六转动副ξ_3,2，及其顺序连接的第三连杆1b-1、第四连杆1b-2、第五连杆1b-3，其中motion2驱动第四转动副ξ_1,2。第三运动支链包括顺序相连的第七转动副ξ_1,3、第八转动副ξ_2,3、第九转动副ξ_3,3，及其顺序连接的第六连杆1c-1、第七连杆1c-2，其中motion3驱动第七转动副ξ_1,3。上述的第一转动副ξ_1,1至第九转动副ξ_3,3的轴线都汇交于同一点O。各转动副均由相互连接的两个枢纽组成，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转。各枢纽分别连接一个连杆，设置在端部的转动副只有一个枢纽连接连杆，另一个枢纽不连接连杆，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转，从而实现转动副的转动，进而带动各连杆转动，提升灵活度。使用的各连杆为圆弧状结构，弧度和长度根据实际使用情况可以灵活调整。静平台分别通过第一转动副ξ_1,1、第四转动副ξ_1,2、第七转动副ξ_1,3与第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链相连。

本发明用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构的工作原理可结合附图说明如下：动平台M由第一运动支链的第二连杆1a-2和第三运动支链的第七连杆1c-2支撑，其自由度是两个传动链的自由度的交集，具体来说，第六转动副ξ_3,2的第五连杆1b-3的输出端固定在连接第二转动副ξ_2,1及第三转动副ξ_3,1的第二连杆1a-2上，使第一运动支链和第二运动支链共同输出一个运动。第一运动支链的第三转动副ξ_3,1以及第三运动支链的第九转动副ξ_3,3与动平台M相连。整个并联机构总共三个自由度，当第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链各输入一个转动时，动平台的位置和姿态就唯一确定。更进一步来说，motion1、motion2、motion3分别驱动第一转动副ξ_1,1、第四转动副ξ_1,2、第七转动副ξ_1,3。其中第一运动支链和第二运动支链通过第五连杆1b-3和第二连杆1a-2的相互固接，构成一个空间五杆机构并且具有两个自由度，当输入运动motion1和motion2时，该五杆机构的位姿便唯一确定，而动平台上的第三转动副ξ_3,1位于第二连杆1a-2上，因此第三转动副ξ_3,1的位姿也唯一确定。当第二连杆1a-2位姿确定后，可以把第二连杆1a-2和静平台看作机架，动平台和第三运动支链与该机架相连构成一个空间四杆机构，具有一个自由度，当输入运动motion3时，动平台的位姿便唯一确定。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台（M）以及连接在静平台与动平台（M）之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，

其特征在于：

所述的第一运动支链包括经第一连杆（1a-1）、第二连杆（1a-2）顺序相连的第一转动副（ξ _1,1 ）、第二转动副（ξ _2,1 ）、第三转动副（ξ _3,1 ），

所述的第二运动支链包括经第三连杆（1b-1）、第四连杆（1b-2）、第五连杆（1b-3）顺序相连的第四转动副（ξ _1,2 ）、第五转动副（ξ _2,2 ）、第六转动副（ξ _3,2 ），

所述的第三运动支链包括经第六连杆（1c-1）、第七连杆（1c-2）顺序相连的第七转动副（ξ _1,3 ）、第八转动副（ξ _2,3 ）、第九转动副（ξ _3,3 ），各连杆为圆弧状结构；

上述所有转动副的轴线汇交于同一点；

连接所述第六转动副（ξ _3,2 ）的所述第五连杆（1b-3）的输出端固定在连接所述第二转动副（ξ _2,1 ）及所述第三转动副（ξ _3,1 ）的所述第二连杆（1a-2）上，第一运动支链与第二运动支链通过第五连杆和第二连杆的相互固接，构成一个空间五杆机构；

所述第一运动支链的第三转动副（ξ _3,1 ）与所述动平台（M）相连；

所述第三运动支链的第九转动副（ξ _3,3 ）与所述动平台（M）相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其特征在于，各转动副均由相互连接的两个枢纽组成，各枢纽分别连接一个连杆或不连接连杆。

3.根据权利要求2所述的一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其特征在于，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转。

4.根据权利要求1所述的一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其特征在于，所述静平台分别通过第一转动副（ξ _1,1 ）、第四转动副（ξ _1,2 ）、第七转动副（ξ _1,3 ）与第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链相连。

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