CN1117650C - 用于虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机的三维平移并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(6种)三维平移并联机构。一种由动平台、静平台和三条支路组成，每条支路由两个转动副和一个园柱副三者的轴线相互平行串联而成。支路两端联接在动、静平台上，但两条支路为平行配置，第三条支路与前两条支路呈垂直配置或者非平行、非垂直配置。驱动静平台上的三个转动副即可控制动平台的三维平移输出。该机构具有结构简单、输入-输出有解耦性、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是极大地简化了机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机等提供了新机型，为它们的开发与实用化提供了可能。

Description

用于虚拟轴数控机床、机器人 和虚拟轴机械测量机的三维平移并联机构

技术领域

本发明涉及一种虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机的执行机构，具体地说是为并联结构虚拟轴数控机床、并联机器人与虚拟轴机械测量机提供一类新型并联机构。

背景技术

并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。目前在美国、日本等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种控制刀具在空间的位置和方向变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构上备有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位置与方向。

Stewart机构有以下缺点：①运动学正解非常困难；②运动平台的位置与方向为强耦合；⑧工作空间较小；④制造高精度球副困难。

基于上述情况，Tsai提出虚拟轴数控机床用两个并联机构：动平台为三维平移并联机构，静平台为三维转动并联机构(US Pateat，Tsai，Patent Nember：5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与六腿Stewart机构相比，工作空间较大；完全由转动副组成并联机构，与球面副相比容易制造。但Tsai机构仍有以下缺点：

①运动学正解为8次封闭解，需建立一元8次方程并求解，这使得系统的控制和轨迹规划较为复杂。

②三维平移机构的运动输入一输出为强耦合，使系统控制甚为复杂。

③机构存在虚约束，使其制造与装配较复杂。

④工作空间仍相对较小。

基于并联机构的坐标测量机亦称虚拟轴机械测量机，是近年来科学测量仪上的一个重大进展。与传统的属于串联式机构的测量机相比，并联结构的坐标测量机具有结构刚性大，运动速度高，误差不叠加等独特特性，可使测量精度及测量效率等性能得到很大改善。目前，已用于坐标测量机的并联机构有6-SPS、6-RSS以及3-RPS等。对于6-SPS和6-RSS机构，其可动平台相对于基平台有6个空间自由度，因而末端执行器空间位姿比较灵活，但该机构复杂，运动学正解和误差分析与校正较困难；对3-RPS机构，自由度为3，其空间位姿灵活度稍差，但结构简单，由于3-RPS机构的非期望输出不是常量又不存在解耦性，故其误差分析与校正仍较复杂。另外，上述三种并联机构均含有多个球面副，其制造及装配均较复杂，不利于提高测量精度。

综上所述，虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。

发明内容

本发明目的是提供一类(6种)三维平移并联机构，该机构具有结构简单、运动输入—输出具有解耦性、工作空间较大、便于制造、安装等优点，特别是极大地简化了并联结构虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机的控制与轨迹规划的复杂性。为虚拟轴数控机床、机器人、微动机器人与虚拟轴机械测量机等提供了新机型，为其开发与实用化提供了可能。

附图1是本发明机构简图。它由动平台(1)、静平台(2)和三条结构相同的支路组成。每条支路由两个转动副(3)和一个园柱副(4)用构件(5)和(6)串联而成且使三者轴线保持相互平行。支路两端构件分别固联在动、静平台上，但两条支路的运动副轴线为平行配置，第三条支路的运动副轴线与前两条支路运动副轴线呈垂直配置或者非平行、非垂直配置。

附图1中每条支路亦可用其衍生结构替代，如附图2所示。但在动、静平台上的配置方式不变。附图2支路中的回路为转动副平行四边形机构，其它转动副仍相互平行。

附图2中每一支路的平行四边形的4个转动副(3)亦可以用4个球面副(7)替代，其余3个转动副中，两个转动副分别由两个球面副组成的二副杆的局部自由度替代，仍相当于存在轴线相互平行的三个转动副，如附图3所示。

附图1与附图2并联机构亦可分别去掉两平行支路中的一条，成为只有两条支路的新机型，如附图4、5所示。其支路结构分别同于附图1、2，且在动、静平台之间呈垂直配置或者非平行、非垂直配置。

附图6为一种三支路新机型，其中两条支路结构相同，同于附图5，且呈垂直配置或者非平行、非垂直配置，第三条支路为由两个球面副(7)和一个转动副(3)用构件(8)、(9)串联而成，在动、静平台间为任意配置。

上述6种新机型中的园柱副都可以用一个转动副与一个移动副串联而成的单开链替代。因此，附图1～6中各种支路都是由三个轴线相互平行的转动副(3)、一个移动副(10)和3个构件(11，12，13)串联而成的单开链的衍生形式，如附图7所示。

本发明为一类(6种)三维平移新型并联机构。该机构具有以下特点：

①机构工作平台可实现三维平移运动输出。

②机构简单，具有重量轻、刚性好，可高速运动等优点。

③其运动学正解为4次，即只需建立与求解两个一元二次方程的解析公式，极大地简化了虚拟轴数控机床、机器人系统的控制与轨迹规划问题；亦极大的简化了虚拟轴机械测量机的正解和校正补偿分析问题。

④运动输入—输出又具有部分解耦性，进一步简化了系统控制。

⑤机构不存在虚约束，使机构制造、安装较为简单。

⑥工作空间较大。

⑦附图1、2、4和5所示机构只使用转动副和园柱副，易精密加工且成本较低，利于提高并联机构的运动精度。

具体实施方式

附图8所示为本发明用于虚拟轴机械测量机的实施例。在动平台(1)上安装测量头(5)，在静平台(2)(基座)上安装被测工件(6)，驱动基座(2)上3个转动副，即可控制动平台上测量头(5)在空间的位置(三维移动)，完成指定测量过程。若将附图8动平台(1)上的测量头(5)换为机械手夹持器，亦可视为本发明用于只需三维平移的装配机器人的实施例。

总之，本发明为虚拟轴数控机床，步行(含爬行、爬壁等)机器人，工业机器人(如装配、堆垛机器人)与虚拟轴机械测量机等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型虚拟轴数控机床、机器人与虚拟轴机械测量机的开发和实用化。

Claims (6)

1.一种可用于虚拟轴数控机床、机器人和虚拟轴机械测量机的三维平移并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的三条支路，每一支路由两个转动副和一个园柱副三者的轴线相互平行串联而成，其特征在于三条支路与两平台联接的配置方式是：两支路平行配置，第三条支路与前两支路呈垂直配置，但也可以是非平行、非垂直配置。

2.按照权利要求1所述并联机构，每支路上园柱副的移动自由度可用转动副平行四边形机构替代，即支路由三个转动副和一个转动副平行四边形机构串联而成。前三个转动副与平行四边形的转动副呈垂直配置。

3.按照权利要求2所述并联机构，每支路中平行四边形机构中的4个转动副全部用球面副替代。

4.按照权利要求1所述并联机构，可去掉平行配置两支路中的任一条支路，成为只有两条支路的三维平移并联机构，两支路呈垂直配置或者非平行、非垂直配置。

5.按照权利要求4所述并联机构，两支路中的园柱副的移动自由度用转动副平行四边形机构替代，成为全部由转动副组成的三维平移并联机构。

6.按照权利要求4所述并联机构，可在两平台之间再附加一个由两个球面副和一个转动副串联组成的支路，该支路在两平台之间为任意配置。

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