CN110587583A - 基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置及其伸缩机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伸缩机构及基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置，其中，伸缩机构可包括音圈电机、电机安装座和导向装置，所述音圈电机固定安装在所述电机安装座中，所述导向装置包括导套和导柱，所述导柱可上下滑动地接合在所述导套中，其中所述导套与所述导柱之间设有滚动件，所述导套的下端和所述导柱的下端分别与所述电机安装座和所述音圈电机的动子固定连接。本发明的伸缩机构部件少，结构相对简单，采用音圈电机作为动力，相对于压电电机来说，成本低，控制简单，并且采用导向装置能够提高导向刚度，保证运动精度。

Description

基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置及其伸缩机构

技术领域

本发明涉及多自由度精密调整技术领域，具体地涉及一种伸缩机构及基于斯图尔特(Stewart)并联机构的六自由度运动装置。

背景技术

多自由度精密调整技术广泛应用于各个领域。调整机构一般分为串联调整机构和并联调整机构，传统的调整机构为串联调整机构为主，虽然串联调整机构具有工作空间大和操作灵活等优点，但是存在承载负载能力弱,定位精度较低以及各轴误差易累积等技术缺陷，当在实际应用中被调整元件超出一定重量后，传统的串联调整机构已不能满足负载和调整精度的要求。

而基于Stewart的六自由度并联机构凭借其刚度大、结构紧凑、承载能力强、累计误差小、响应速度快、易于实现多轴耦合运动等优点在各行各业得到了广泛应用，比如：各种训练模拟器，工业六轴联动机床、工业机器人等。

但现有Stewart六自由度并联机构的伸缩杆主要由传统直线驱动机构实现直线驱动机构中有电机、减速器、联轴器、丝杠、导轨等部件，传动部件繁多，结构复杂，累计误差大，直接影响平台的精度。如在中国专利CN1730235A和美国专利US6320372中，均提出一种电机+丝杆传动的结构形式，通过电机旋转驱动丝杆旋转带动螺母做直线运动，从而使伸缩杆做伸缩运动。该发明虽结构简单可靠，但相比直驱方式相比，传动效率及响应速度等都有待提高。

为解决现有技术存在的传动环节多、传动精度差以及结构刚性差的问题，中国专利CN106891322，均提出一种压电电机+滚珠花键传动的结构形式，通过压电电机直接驱动丝滚珠花键轴，从而实现伸缩杆做伸缩运动。该发明虽然解决了现有技术中的传动环节多，刚性差等问题，但整个六轴并联结构的运动部件的行程偏小，且压电电机的控制较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的基于Stewart并联机构的六自由度运动装置，解决传统Stewart六自由度并联机构传动环节多，刚性差等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种伸缩机构，所述伸缩机构可包括音圈电机、电机安装座和导向装置，所述音圈电机固定安装在所述电机安装座中，所述导向装置包括导套和导柱，所述导柱可上下滑动地安装在所述导套中，所述导柱可上下滑动地安装在所述导套中，其中所述导套与所述导柱之间设有滚动件，所述导套的下端和所述导柱的下端分别与所述电机安装座和所述音圈电机的动子固定连接。

在一实施例中，所述伸缩机构还可包括导向装置安装座、上端座和下端座，所述导向装置安装座与所述电机安装座的上端固定连接，所述导向装置固定安装在所述导向装置安装座中，所述上端座与所述导柱的上端固定连接并且活动套接在所述导向装置安装座上，所述下端座与所述电机安装座的下端固定连接。

在一实施例中，所述上端座和所述下端座上均设有万向节叉形状的连接部，所述连接部用于与虎克铰的十字轴配合安装固定。

在一实施例中，所述导套的下端形成有安装法兰，所述导套通过所述安装法兰固定安装在所述导向装置安装座中。

在一实施例中，所述导向装置安装座上安装有传感器，所述传感器用于测量所述伸缩机构的行程。

在一实施例中，所述滚动件为滚针。

在一实施例中，所述导向装置进一步设有筒套，所述筒套固定套设在所述导柱上并设有用于安装所述滚动件的安装槽。

在一实施例中，所述导柱的横截面为多边形

优选地，所述导柱的横截面四边形或六边形。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置，所述六自由度运动装置可包括运动平台、底座以及多个如上所述的伸缩机构，所述运动平台和所述底座通过铰链分别与所述伸缩机构的上端和下端铰接。

一实施例中，所述六自由度运动装置具有六个伸缩机构。

一实施例中，所述铰链为球铰或者虎克铰。

在一实施例中，所述六个伸缩机构之间构成彼此交替的三个正三角形和三个倒三角形。

在一实施例中，所述虎克铰通过焊接的方式固定安装在所述运动平台和所述底座上。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明的伸缩机构部件少，结构相对简单，采用音圈电机作为动力，相对于压电电机来说，成本低，控制简单，并且采用导向装置能够提高导向刚度，保证运动精度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的伸缩机构的正视图；

图2是沿A-A线截取的图1所示的伸缩机构的剖视图；

图3是图2中的B部分的放大图；

图4是图1所示的伸缩机构的导向装置的立体图；

图5是图4所示的导向装置的剖视图；

图6是根据本发明实施例的基于Stewart(斯图尔特)并联机构的六自由度运动装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

需要说明的是，在本申请的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参照图1-5，描述一种伸缩机构1，所述伸缩机构1可包括音圈电机11、电机安装座12和导向装置13。电机安装座的筒状，其一端开口，另一端为封闭端。音圈电机11固定安装在电机安装座12中。具体地，音圈电机11的定子固定安装在电机安装座的筒内，而动子可相对于底座上下运动。音圈电机11的结构为本领域技术人员所熟知，这里不再进行描述。音圈电机11可以是已知的或者是待开发的任何合适的音圈电机。

导向装置13包括导套131和导柱132，所述导柱132可上下滑动地接合在导套131中。其中，导套131和导柱132之间设有若干滚动件133。滚动件133可以提高导向刚度。导套131的下端和导柱132的下端分别与导向装置安装座14和音圈电机11的动子固定连接。因此，导柱132可以在音圈电机11的驱动下相对于导套131进行伸缩运动。

导柱132的截面可以是圆形或多边形等。在本实施例中，所述导向装置13为四面导向装置，如图4和5所示。即，导柱132的横截面是八边形，其中四条长边与四条短边交替；滚动件133安装在四个面上，每一面的滚动件133沿轴向排布，较佳地沿轴向均匀排布。滚动件133可以是滚针、滚柱或滚珠等。应该理解，导向装置13也可以是六面或八面等偶数面的导向装置。

在本实施例中，导向装置13进一步设有筒套134，所述筒套134固定套设在导柱132上，其上设有用于安装滚动件133的安装槽(未示出)。

相对于现有伸缩机构来说，该伸缩机构1部件少，结构相对简单，并且采用音圈电机作为动力，相对于压电电机来说，成本低，控制简单，并且采用导向装置13能够提高导向刚度，保证伸缩机构的运动精度。

为了便于伸缩机构1的应用，伸缩机构1还可包括导向装置安装座14、上端座15和下端座16。导向装置安装座14与电机安装座12的上端固定连接，例如可以通过螺纹连接、卡接或焊接等固定连接方式。导向装置13固定安装在导向装置安装座14中。具体地，导套131的下端形成有安装法兰1311，安装法兰1311上设有若干螺孔，导套131通过安装法兰1311和相应螺钉(未示出)而固定安装在导向装置安装座14中。上端座15与导柱的上端固定连接(例如，通过螺钉17)并且活动套接在导向装置安装座14上。因此，上端座15可以相对于导向装置安装座14伸缩运动。下端座16与电机安装座12的下端固定连接(例如，通过螺钉(未示出))。

在所示实施例中，上端座15和下端座16上均设有万向节叉形状的连接部151和161，所述连接部151和161用于与虎克铰(图6中以附图标记4示出)的十字轴配合安装固定。应该理解，连接部151和161可以是上端座15和下端座16的一部分，也可以是固定在上端座15和下端座16上的单独部件。

在某些实施例中，下端座16也可以省略，连接部161直接设置在电机安装座12的下端部上。

此外，为了精确控制伸缩机构的行程，所述导向装置安装座14上安装有传感器(未示出)，所述传感器用于测量所述伸缩机构1的行程。

参照图6，描述一种基于Stewart并联机构的六自由度运动装置，所述六自由度运动装置可包括六个伸缩机构1、运动平台2、底座3和十二个虎克铰4。虎克铰4固定安装(例如，通过焊接或螺钉等)在运动平台2的下表面和底座3和上表面上。运动平台2和底座3分别通过相应虎克铰4与伸缩机构1的上端和下端铰接。因此，通过六个伸缩机构1的伸缩运动来实现运动平台2在空间六个自由度的运动。由于伸缩机构1具有成本低、运动精度高的优点，因此该六自由度运动装置也同样具有成本低、运动精度高的优点。

在所示实施例中，六个伸缩机构1之间构成彼此交替的三个正三角形和三个倒三角形。这种布置方式使得该六自由度运动装置的运动平台2具有平衡性和稳定性好的优点，进一步提高了运动平台的运动精度。

以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种伸缩机构，其特征在于，所述伸缩机构包括音圈电机、电机安装座和导向装置，所述音圈电机安装在所述电机安装座中，所述导向装置包括导套和导柱，所述导柱可上下滑动地安装在所述导套中，其中所述导套与所述导柱之间设有滚动件，所述导套的下端和所述导柱的下端分别与所述电机安装座和所述音圈电机的动子固定连接。

2.如权利要求1所述的伸缩机构，其特征在于，所述伸缩机构还包括导向装置安装座、上端座和下端座，所述导向装置安装座与所述电机安装座的上端固定连接，所述导向装置固定安装在所述导向装置安装座中，所述上端座与所述导柱的上端固定连接并且活动套接在所述导向装置安装座上，所述下端座与所述电机安装座的下端固定连接。

3.如权利要求2所述的伸缩机构，其特征在于，所述上端座和所述下端座上均设有万向节叉形状的连接部，所述连接部用于与虎克铰的十字轴配合安装固定。

4.如权利要求2所述的伸缩机构，其特征在于，所述导套的下端形成有安装法兰，所述导套通过所述安装法兰固定安装在所述导向装置安装座中。

5.如权利要求2所述的伸缩机构，其特征在于，所述导向装置安装座上安装有传感器，所述传感器用于测量所述伸缩机构的行程。

6.如权利要求1所述的伸缩机构，其特征在于，所述滚动件为滚针。

7.如权利要求1所述的伸缩机构，其特征在于，所述导向装置进一步设有筒套，所述筒套固定套设在所述导柱上并设有用于安装所述滚动件的安装槽。

8.如权利要求1至7中任一项所述的伸缩机构，其特征在于，所述导柱的横截面为多边形。

9.一种基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置，其特征在于，所述六自由度运动装置包括运动平台、底座、以及多个如权利要求1-8中的任一项所述的伸缩机构，所述运动平台和所述底座通过铰链分别与所述伸缩机构的上端和下端铰接。

一实施例中，所述六自由度运动装置具有六个伸缩机构。

一实施例中，所述铰链为球铰或者虎克铰。

10.如权利要求11所述的六自由度运动装置，其特征在于，所述六个伸缩机构之间构成彼此交替的三个正三角形和三个倒三角形。