CN110883761B - 一种六自由度运动解耦柔顺机构 - Google Patents

Abstract

一种六自由度运动解耦柔顺机构，包括输出模块、X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链；输出模块用于外接负载，输出模块采用刚性结构，通过X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链相互独立的向输出模块分别只施加对应方向上的驱动力，使输出模块沿X轴、Y轴、Z轴方向直线运动，以及使输出模块绕X轴、Y轴、Z轴方向旋转运动；X轴/Y轴/Z轴直线运动柔性支链结构相同；X轴/Y轴/Z轴旋转运动柔性支链结构相同。

Description

一种六自由度运动解耦柔顺机构

技术领域

本发明属于柔顺机构技术领域，特别是涉及一种六自由度运动解耦柔顺机构。

背景技术

在生物界，许多生物体都是巧妙地使用自身机体的柔性将可用能转化为精妙复杂的运动，人类的心脏就是利用肌肉的柔性而完成数以百亿次的连续运动而不疲劳。在工程领域，同样存在利用柔性完成运动的机构，即柔顺机构。柔顺机构的实践应用可以追溯到数千年前的弓和弹弓，而柔顺机构的理论研究也在近30年内得到了迅猛的发展，并已成为现代机构学的一个重要分支。

柔顺机构最显著的特征就是没有刚性关节或刚性铰链，正是由于这一显著特征，使柔顺机构与传统刚性机构相比具有了如下优点：①、免于装配，可以整体化设计和加工，故便于微型化制造；②、无回程误差，无间隙和磨损，故可以实现高精度运动；③、无摩擦，无噪声，寿命高；④、无需润滑，避免污染；⑤、运动刚度可调，可用于能量存贮和转化。基于柔顺机构的以上优点，其在精密工程、机器人和智能结构等领域得到了广泛应用。

其中，具有六自由度运动(沿着三个坐标轴的直线运动和绕着三个坐标轴的转动运动)的柔顺机构是一种非常重要的柔顺机构，其在精密工程，特别是微纳操作研究领域有着非常广泛的应用。微纳操作是指在微米、纳米精度上对操作对象进行移动、定位、抓取等的操作，其在精密制造、微纳科技、光学工程等领域有着举足轻重的作用。而在微纳操作应用领域中，最为理想的六自由度运动柔顺机构应该具有如下三种运动解耦特性：①、输出运动解耦：六个自由度方向上的输出运动相对独立且互相影响小；②、输入驱动解耦：六个输出运动分别对应六个驱动且驱动之间相互独立；③、驱动传递解耦：每一个输出运动只由与其相对应的输入驱动来控制且不受另外五个驱动影响。

但是，目前现有的六自由度运动柔顺机构均为运动非解耦柔顺机构，其无法解决运动耦合问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种六自由度运动解耦柔顺机构，其是具有运动解耦特性的六自由度运动柔顺机构，能够有效解决运动耦合问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种六自由度运动解耦柔顺机构，包括输出模块、X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链；所述输出模块用于外接负载，输出模块采用刚性结构，通过X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链相互独立的向输出模块分别只施加对应方向上的驱动力，使输出模块沿X轴、Y轴、Z轴方向直线运动，以及使输出模块绕X轴、Y轴、Z轴方向旋转运动。

所述X轴直线运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链及Z轴直线运动柔性支链结构相同，均包括直线运动传递模块、直线运动输入模块、直线运动导向模块及直线运动支链基础模块；所述直线运动传递模块一端固连在输出模块上，另一端固连在直线运动输入模块上；所述直线运动导向模块一端固连在直线运动传递模块上，另一端固连在直线运动支链基础模块上；所述直线运动支链基础模块用于外接固定基座；所述X轴旋转运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链结构相同，均包括旋转运动传递模块、旋转运动输入模块、旋转运动导向模块及旋转运动支链基础模块；所述旋转运动传递模块一端固连在输出模块上，另一端固连在旋转运动输入模块上；所述旋转运动导向模块一端固连在旋转运动传递模块上，另一端固连在旋转运动支链基础模块上，旋转运动支链基础模块用于外接固定基座；所述直线运动输入模块和旋转运动输入模块用于外接驱动器。

设定沿X轴方向的直线运动自由度为Tx，设定沿Y轴方向的直线运动自由度为Ty，设定沿Z轴方向的直线运动自由度为Tz，设定绕X轴方向的旋转运动自由度为Rx，设定绕Y轴方向的旋转运动自由度为Ry，设定绕Z轴方向的旋转运动自由度为Rz；所述X轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Ty、Tz、Rx、Ry及Rz，X轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tx，X轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述X轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Ry及Rz，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rx，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Y轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Tz、Rx、Ry及Rz，Y轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Ty，Y轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Rz，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Ry，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Z轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Rx、Ry及Rz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Ry，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rz，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度。

所述的六自由度运动解耦柔顺机构包括无冗余柔性支链的基本构型和有冗余柔性支链的非基本构型。

本发明的有益效果：

本发明的六自由度运动解耦柔顺机构，其控制复杂度和难度低；在自由度方向上的力与位移关系模型的线性度高；在各个解耦方向上的几何结构可以实现制造上的相互独立且制造误差不累积，还能降低制造难度和成本；在各个解耦方向上的刚度相互独立，便于对各个方向上的刚度进行独立调节，容易将各个方向上的刚度和结构进行同一化设计，以达到各向性能均一；当向输出模块施加一个任意方向的外部负载力时，能够较容易地将此负载力在六个方向上实现分解；本发明还可以用于外力感知，即输入模块能够感知输出模块受到的力。

附图说明

图1为本发明的一种六自由度运动解耦柔顺机构的结构原理图；

图2为输出模块的实施例结构示意图；

图3为X轴/Y轴/Z轴旋转运动传递模块的实施例结构示意图；

图4为图3的爆炸图；

图5为X轴/Y轴/Z轴旋转运动输入与导向模块的实施例结构示意图；

图6为X轴/Y轴/Z轴旋转运动柔性支链组合体的实施例结构示意图；

图7为X轴/Y轴/Z轴直线运动传递模块的实施例结构示意图；

图8为X轴/Y轴/Z轴直线运动输入与导向模块的实施例结构示意图；

图9为X轴/Y轴/Z轴直线运动柔性支链组合体的实施例结构示意图；

图10为X轴/Y轴/Z轴旋转与直线运动柔性支链组合体的实施例结构示意图；

图11为一体式基础模块的实施例结构示意图；

图12为无冗余柔性支链基本构型的六自由度运动解耦柔顺机构的实施例结构示意图；

图13为有冗余柔性支链构型(柔性支链全对称布置)的六自由度运动解耦柔顺机构的实施例结构示意图；

图中，1—输出模块，2—Y轴直线运动传递模块，3—Y轴直线运动输入模块，4—Y轴上施加的外部直线驱动，5—Y轴直线运动导向模块，6—Y轴直线运动支链基础模块，7—Y轴旋转运动传递模块，8—Y轴旋转运动输入模块，9—Y轴上施加的外部旋转驱动，10—Y轴旋转运动导向模块，11—Y轴旋转运动支链基础模块，12—X轴直线运动传递模块，13—X轴直线运动输入模块，14—X轴上施加的外部直线驱动，15—X轴直线运动导向模块，16—X轴直线运动支链基础模块，17—X轴旋转运动传递模块，18—X轴旋转运动输入模块，19—X轴上施加的外部旋转驱动，20—X轴旋转运动导向模块，21—X轴旋转运动支链基础模块，22—Z轴直线运动传递模块，23—Z轴直线运动输入模块，24—Z轴上施加的外部直线驱动，25—Z轴直线运动导向模块，26—Z轴直线运动支链基础模块，27—Z轴旋转运动传递模块，28—Z轴旋转运动输入模块，29—Z轴上施加的外部旋转驱动，30—Z轴旋转运动导向模块，31—Z轴旋转运动支链基础模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种六自由度运动解耦柔顺机构，包括输出模块1、X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链；所述输出模块1用于外接负载，输出模块1采用刚性结构，通过X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链相互独立的向输出模块分别只施加对应方向上的驱动力，使输出模块沿X轴、Y轴、Z轴方向直线运动，以及使输出模块绕X轴、Y轴、Z轴方向旋转运动。

所述X轴直线运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链及Z轴直线运动柔性支链结构相同，均包括直线运动传递模块、直线运动输入模块、直线运动导向模块及直线运动支链基础模块；所述直线运动传递模块一端固连在输出模块上，另一端固连在直线运动输入模块上；所述直线运动导向模块一端固连在直线运动传递模块上，另一端固连在直线运动支链基础模块上；所述直线运动支链基础模块用于外接固定基座；所述X轴旋转运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链结构相同，均包括旋转运动传递模块、旋转运动输入模块、旋转运动导向模块及旋转运动支链基础模块；所述旋转运动传递模块一端固连在输出模块1上，另一端固连在旋转运动输入模块上；所述旋转运动导向模块一端固连在旋转运动传递模块上，另一端固连在旋转运动支链基础模块上，旋转运动支链基础模块用于外接固定基座；所述直线运动输入模块和旋转运动输入模块用于外接驱动器。

设定沿X轴方向的直线运动自由度为Tx，设定沿Y轴方向的直线运动自由度为Ty，设定沿Z轴方向的直线运动自由度为Tz，设定绕X轴方向的旋转运动自由度为Rx，设定绕Y轴方向的旋转运动自由度为Ry，设定绕Z轴方向的旋转运动自由度为Rz；所述X轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Ty、Tz、Rx、Ry及Rz，X轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tx，X轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述X轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Ry及Rz，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rx，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Y轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Tz、Rx、Ry及Rz，Y轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Ty，Y轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Rz，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Ry，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Z轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Rx、Ry及Rz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Ry，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rz，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度。

所述的六自由度运动解耦柔顺机构包括无冗余柔性支链的基本构型和有冗余柔性支链的非基本构型。

如图2所示，为输出模块1的实施例结构示意图，其采用正方体结构，在输出模块1上的彼此相邻的三个表面上均设置有用于连接柔性支链的螺栓孔接口；输出模块1也可以采用其它形状，但必须保证其上三个与柔性支链连接的面彼此互相垂直。

如图3、4所示，为X轴/Y轴/Z轴旋转运动传递模块的实施例结构示意图，其由中间部分的刚性框架和两侧的弹性片组成，弹性片通过螺栓固连在刚性框架两端，一侧的弹性片通过螺栓用于与输出模块上的柔性支链接口相连，另一侧的弹性片通过螺栓用于与旋转运动输入模块相连。

本实施例中，旋转运动输入模块和旋转运动导向模块被设计成集成式模块，并构成X轴/Y轴/Z轴旋转运动输入与导向模块，具体如图5所示，其采用两个交叉布置的弹性片，并在弹性片交叉点设有一个刚性块，该刚性块用于转矩的输入，且刚性块表面设置有用于与X轴/Y轴/Z轴旋转运动传递模块进行连接的螺栓孔接口。

将图3所示的X轴/Y轴/Z轴旋转运动传递模块与图5所示的X轴/Y轴/Z轴旋转运动输入与导向模块进行装配，即可构成如图6所示的X轴/Y轴/Z轴旋转运动柔性支链组合体。

如图7所示，为X轴/Y轴/Z直线转运动传递模块的实施例结构示意图，其主体结构为一根刚性长杆，在刚性长杆的端部设置有法兰盘，法兰盘通过螺栓用于与输出模块相连。

本实施例中，直线运动输入模块和直线运动导向模块被设计成集成式模块，并构成X轴/Y轴/Z轴直线运动输入与导向模块，具体如图8所示，其主体结构为两个平行布置的弹性片，在两个弹性片中间和两侧共设有三个刚性块，并且在中间刚性块上设有有用于插入X轴/Y轴/Z直线转运动传递模块刚性长杆的孔，在孔的四周设置有固定连接用的螺栓孔。

将图7所示的X轴/Y轴/Z直线转运动传递模块与图8所示的X轴/Y轴/Z轴直线运动输入与导向模块进行装配，即可构成如图9所示的X轴/Y轴/Z轴直线运动柔性支链组合体。

为了节约空间，可将图9所示的X轴/Y轴/Z轴直线运动柔性支链组合体的刚性长杆从图6所示的X轴/Y轴/Z轴旋转运动柔性支链组合体中心空间插入，并保持X轴/Y轴/Z轴直线运动柔性支链组合体与X轴/Y轴/Z轴旋转运动柔性支链组合体之间不发生相互作用和连接，具体如图10所示。

本实施例中，直线运动支链基础模块与旋转运动支链基础模块被设计成集成式模块，并构成一体式基础模块，具体如图11所示。

分别将三个图10所示的X轴/Y轴/Z轴旋转与直线运动柔性支链组合体与图2所示的输出模块1和图11所示的一体式基础模块进行装配，即可构成无冗余柔性支链基本构型的六自由度运动解耦柔顺机构，具体如图12所示。

为了改善六自由度运动解耦柔顺机构的运动形成，可以添加一个或多个冗余柔性支链，以形成具有冗余柔性支链构型(柔性支链全对称布置)的六自由度运动解耦柔顺机构，具体如图13所示。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种六自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于：输出模块、X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链；所述输出模块用于外接负载，输出模块采用刚性结构，通过X轴直线运动柔性支链、X轴旋转运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链、Z轴直线运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链相互独立的向输出模块分别只施加对应方向上的驱动力，使输出模块沿X轴、Y轴、Z轴方向直线运动，以及使输出模块绕X轴、Y轴、Z轴方向旋转运动；

所述X轴直线运动柔性支链、Y轴直线运动柔性支链及Z轴直线运动柔性支链结构相同，均包括直线运动传递模块、直线运动输入模块、直线运动导向模块及直线运动支链基础模块；所述直线运动传递模块一端固连在输出模块上，另一端固连在直线运动输入模块上；所述直线运动导向模块一端固连在直线运动传递模块上，另一端固连在直线运动支链基础模块上；所述直线运动支链基础模块用于外接固定基座；所述X轴旋转运动柔性支链、Y轴旋转运动柔性支链及Z轴旋转运动柔性支链结构相同，均包括旋转运动传递模块、旋转运动输入模块、旋转运动导向模块及旋转运动支链基础模块；所述旋转运动传递模块一端固连在输出模块上，另一端固连在旋转运动输入模块上；所述旋转运动导向模块一端固连在旋转运动传递模块上，另一端固连在旋转运动支链基础模块上，旋转运动支链基础模块用于外接固定基座；所述直线运动输入模块和旋转运动输入模块用于外接驱动器；

设定沿X轴方向的直线运动自由度为Tx，设定沿Y轴方向的直线运动自由度为Ty，设定沿Z轴方向的直线运动自由度为Tz，设定绕X轴方向的旋转运动自由度为Rx，设定绕Y轴方向的旋转运动自由度为Ry，设定绕Z轴方向的旋转运动自由度为Rz；所述X轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Ty、Tz、Rx、Ry及Rz，X轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tx，X轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述X轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Ry及Rz，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rx，X轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Y轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Tz、Rx、Ry及Rz，Y轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Ty，Y轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Rz，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Ry，Y轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度；所述Z轴直线运动柔性支链的直线运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Rx、Ry及Rz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动输入模块及直线运动导向模块具有的自由度为Tz，Z轴直线运动柔性支链的直线运动支链基础模块无自由度；所述Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动传递模块具有的自由度为Tx、Ty、Tz、Rx及Ry，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动输入模块及旋转运动导向模块具有的自由度为Rz，Z轴旋转运动柔性支链的旋转运动支链基础模块无自由度。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于：所述的六自由度运动解耦柔顺机构包括无冗余柔性支链的基本构型和有冗余柔性支链的非基本构型。

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