CN116783036A - 六自由度运动机构 - Google Patents
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Abstract
一种六自由度运动机构，包括平台(10)和三个支链(20)，每个支链(20)包括基台(20a)、第一活动件(21)、第二活动件(22)和第三活动件(23)，第一活动件(21)能相对于基台(20a)在第一方向(x)上平动，第二活动件(22)能相对于第一活动件(21)在第二方向(y)上平动，第三活动件(23)能相对于第二活动件(22)在第三方向(z)上发生位移，第一活动件(21)、第二活动件(22)和第三活动件(23)中的至少两者为主动件，第三活动件(23)与平台(10)通过转动连接结构(J)相连，平台(10)相对于基台(20a)具有三个平动自由度和三个转动自由度。
Description
本发明涉及运动机构领域，且特别地涉及一种具有六个自由度的运动机构。
在一些用于实现复杂作业的运动机构中，需要运动机构具有较多的自由度，较大的行程、刚性、速度、以及较高的精度等，这些方面的要求通常不易兼顾。
发明内容
本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种六自由度运动机构。
提供一种六自由度运动机构，包括平台和三个支链，其中，
每个所述支链包括基台、第一活动件、第二活动件和第三活动件，所述第一活动件能相对于所述基台在第一方向上平动，所述第二活动件能相对于所述第一活动件在第二方向上平动，所述第三活动件能相对于所述第二活动件在第三方向上发生位移，所述第一活动件、所述第二活动件和所述第三活动件中的至少两者为主动件，所述主动件可以是电机丝杠导轨模组，或者直线电机导轨模组，或者压电陶瓷电机导轨模组等驱动装置，并相应由编码器或光栅尺等传感器提供位置反馈。所述从动件也可以选择性地安装光栅尺等传感器提供位置反馈用于提高控制精度以及校准等。
所述第三活动件与所述平台通过转动连接结构相连，所述转动连接结构使得所述平台相对于所述第三活动件具有绕所述第一方向、所述第二方向和 所述第三方向的三个转动自由度，
所述平台相对于所述基台具有三个平动自由度和三个转动自由度。
在至少一个实施方式中，至少两个所述支链的所述第一方向平行。
在至少一个实施方式中，三个所述支链的所述第一方向均不平行。
在至少一个实施方式中，所述基台为所述第一活动件的平动提供第一导向件，至少两个所述第一活动件共用一个所述第一导向件。
在至少一个实施方式中，所述第一方向为圆弧方向。
在至少一个实施方式中，所述第三活动件能相对于所述第二活动件平动。
在至少一个实施方式中，所述第一方向和所述第二方向均平行于第一平面，所述第三方向垂直于所述第一平面。
在至少一个实施方式中，所述第二活动件包括斜坡面，所述斜坡面相对于所述第一平面倾斜地设置，所述第三活动件能沿所述斜坡面往复运动，或者
所述第三活动件能相对于所述第二活动件在竖直方向上运动。
在至少一个实施方式中，所述第三活动件能相对于所述第二活动件绕垂直于所述第三方向的轴线转动。
在至少一个实施方式中，所述转动连接结构包括能相对转动的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分中的一者与所述平台相连、另一者与所述第三活动件相连，
所述第一部分包括一个第一球凸，所述第二部分包括多个第二球凸，
所述多个第二球凸环绕并接触所述第一球凸，所述第一球凸和所述第二球凸的接触面均为球面。
在至少一个实施方式中，一个所述第一球凸与三个所述第二球凸相接 触。
在至少一个实施方式中，所述第一部分和所述第二部分依靠磁场而具有相互吸引的力。
在至少一个实施方式中，所述第二部分包括磁铁，所述第一球凸的制作材料包括铁磁性材料，所述磁铁与所述第一部分不接触。
根据本发明的六自由度运动机构结构简单、控制方便。
图1是根据本发明的第一实施方式的六自由度运动机构的示意图。
图2是根据本发明的第一实施方式的六自由度运动机构的转动连接结构的沿第三方向剖开的示意图。
图3是图2所示的转动连接结构的第一球凸和第二球凸在经过三个接触点的剖面的示意图。
图4至图6是根据本发明的第二实施方式的六自由度运动机构的三个变型的示意图。
图7是根据本发明的第三实施方式的六自由度运动机构的示意图。
图8是根据本发明的第四实施方式的六自由度运动机构的示意图。
附图标记说明：
10平台；20支链；20a基台；21第一活动件；22第二活动件；22s斜坡面；23第三活动件；
J转动连接结构；J1第一部分；J10第一球凸；J2第二部分；J20第二球凸；J21磁铁；
x第一方向；y第二方向；z第三方向。
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
若非特殊说明，本发明以图1所示的三维坐标系来说明各部件的位置关系。应当理解，本发明中根据x、y和z轴定义的位置关系是相对的，根据装置的实际应用场合，坐标轴可进行空间旋转。
(第一实施方式)
参照图1至图3，介绍根据本发明的第一实施方式的六自由度运动机构(以下简称机构)。
该机构包括平台10和支承并控制平台10运动的三个支链20。平台和支链20之间通过转动连接结构J相连，转动连接结构J使每个支链20能相对于平台具有三个方向上(绕x轴、绕y轴和绕z轴)的转动自由度。协同地驱动三个支链20(例如通过计算确定每个支链20的主动件的位置)，可以实现平台10的六自由度运动。
每个支链20包括基台20a、第一活动件21、第二活动件22和第三活动件23。可选地，可以每个支链20有一个独立的基台20a，也可以是多个支链20共用一个基台20a。
第一活动件21叠置在基台20a上，第二活动件22叠置在第一活动件21上，第三活动件23叠置在第二活动件22上。
第一活动件21能相对于基台20a沿第一方向x往复运动(平动)；第二活动件22能相对于第一活动件21沿第二方向y往复运动(平动)；第三活动件23能相对于第二活动件22沿斜坡面22s往复运动(平动)，该斜坡面22s在第三方向z上形成落差，由此第三活动件23能相对于第二活动件22在第三方向z上和第一方向x上发生位移。应当理解，这里的平动是相对转动而言的，虽然在 本实施方式中，平动是沿直线方向，然而这并不是必须的，即平动也可以是沿曲线的平动。
具体地，定义与第一方向x和第二方向y均平行的平面为第一平面，则斜坡面22s相对于第一平面倾斜地设置。
可选地，基台20a为第一活动件21的沿x方向的运动提供了第一导向件(图未示，例如导轨或导槽)；第一活动件21为第二活动件22的沿y方向的运动提供了第二导向件。第二活动件22的与第三活动件23相接触的面为斜坡面22s，第二活动件22为第三活动件23提供了沿斜坡面22s的倾斜升降方向运动的第三导向件。
第一活动件21、第二活动件22和第三活动件23中有两个为主动件，另一个为从动件。例如，第一活动件21和第二活动件22被配置为主动件，第三活动件23为从动件。通过在第一方向x上驱动第一活动件21和/或在第二方向y上驱动第二活动件22，与平台10相连的第三活动件23将跟随地在第三方向z上发生位移。由此实现了每个支链20的第三活动件23在第一方向x上、第二方向y上和第三方向z上的三个平动自由度。
可选地，也可以将第二活动件22和第三活动件23配置为主动件，将第一活动件21配置为从动件。这种设置使得驱动主动件所需的驱动力较小，驱动更灵活。
对每个支链20中的活动部件的描述使用该支链20自己的坐标系，则本实施方式中，各支链20的坐标系不相同(或者说不平行，本申请中提到的方向相同/方向平行包括平行但不共线、以及共线的情况)，具体地，各支链20的第一方向x和第二方向y不相同。在本实施方式中，三个支链20等间距地设置。
由于第三活动件23与平台10之间使用可万向转动的转动连接结构J，因此，随着三个支链20被分别驱动，三个第三活动件23的位置发生变化，平台 10不仅具有三个平动自由度，还具有绕第一方向x、绕第二方向y和绕第三方向z的三个转动自由度。由此，平台10具有六个自由度。
接下来参照图2和图3，介绍根据本发明的转动连接结构J。
转动连接结构J包括第一部分J1和第二部分J2。第一部分J1与平台10固定连接(或者第一部分J1是平台10的一部分)，第二部分J2与第三活动件23固定连接(或者第二部分J2是第三活动件23的一部分)。
第一部分J1包括一个第一球凸J10。第二部分J2包括三个第二球凸J20。且优选地，第一球凸J10与第一部分J1的本体J1m固定连接，或者说第一球凸J10和本体J1m形成为一体；第二球凸J20与第二部分J2的本体J2m固定连接，或者说第二球凸J20和本体J2m形成为一体。
三个第二球凸J20环绕第一球凸J10设置，且第二球凸J20与第一球凸J10接触。
第一球凸J10与第二球凸J20的彼此相接触的面均为球面，由此，第一球凸J10与每个第二球凸J20外切而形成点接触。三个第二球凸J20与一个第一球凸J10形成三个接触点，由此唯一确定了第一球凸J10的位置。
第一部分J1和第二部分J2的连接方式，相比于现有技术中球与球窝相配合所形成的转动连接结构，具有更高的传动精度。
由于第一球凸J10与第二球凸J20形成点接触，且第一部分J1是直接放置在第二部分J2上方的，为避免第一部分J1在运动过程中例如由于惯性而脱离第二部分J2，优选地，将第一部分J1和第二部分J2设置为是依靠磁场而彼此吸引的。
例如，第二部分J2还包括磁铁J21，第一球凸J10的制作材料包括铁磁性材料。磁铁J21和第一球凸J10不接触，而仅依靠磁场的吸引力，将第一部分J1保持在与第二部分J2接触的状态，且二者之间的摩擦力小，定位准确。
应当理解，在其它可能的情况下，第一部分J1和第二部分J2的相互吸引的部分(例如第二部分J2的具有磁性的部分和第一球凸J10)也可以是接触的，以增大磁场吸引力。
应当理解，除了磁场的吸引力之外，第一部分J1仅依靠重力放置在第二部分J2的上方。
可选地，为了进一步提高对平台10运动位置的控制精度，可以为第一活动件21、第二活动件22和第三活动件23中的从动件设置位置传感器。例如，在第三活动件23为从动件的情况下，可以在第三活动件23附近设置光栅尺，以测量第三活动件23的实时位置。基于从动件的实时位置，建立反馈调节机制，及时调整主动件的运动以提高最终合成的运动的精度；冗余的位置传感器信息也有利于平台的校准。
可选地，也可以同样为主动件设置位置传感器。
可选地，在其它可能的实现方式中，第二活动件22也可以为第三活动件23提供与第三方向z平行的第三导向件，即，使第三活动件23沿第三方向z平动。在这种情况下，第三活动件23优选作为主动件。
可选地，主动件可以是电机丝杠导轨模组，或者直线电机导轨模组，或者压电陶瓷电机导轨模组等驱动装置，并相应由编码器或光栅尺等传感器提供位置反馈。从动件也可以选择性地安装光栅尺等传感器提供位置反馈，以用于提高控制精度或用于校准等。
综上，通过独立驱动三个支链20，可以控制平台10在第一方向x、第二方向y和第三方向z上的位移和转动角度。
(第二实施方式)
下面参照图4至图6说明根据本发明的第二实施方式。第二实施方式是第一实施方式的变型，对于与第一实施方式中的部件结构或功能相同或相似的 部件标注相同的附图标记，并省略对这些部件的具体说明。
在本实施方式中，三个支链20各自的第一方向x和第二方向y是相同的。此外，本实施方式包括三个变型。
参照图4，在第一变型中，对三个第一活动件21起到导引作用的三个第一导向件是彼此平行的，每个第一活动件21可以沿一个第一导向件(即，沿相同的第一方向x)往复运动。两个支链20和另一个支链20的位置在第一方向x上错开。三个支链20的位置在第二方向y上错开。三个支链20的位置在第三方向z上相同。
参照图5，在第二变型中，两个支链20共用一个第一导向件，另一个支链20使用另一个第一导向件。即，机构仅具有两个第一导向件。两个第一导向件均沿着相同的第一方向x延伸，并且在第二方向y上错开。可选地，两个支链20共用的一个第一导向件还可以表现为在第一方向x上分隔开或间隔开的两个独立的第一导向件。
参照图6，在第二变型中，三个支链20共用一个第一导向件。即，机构仅具有一个第一导向件。
根据本实施方式的第一导向件可以在第一方向x上具有较大的长度，从而使平台10在第一方向x上具有较大的活动空间。
对于多个支链20共用一个第一导向件的机构，其结构更加紧凑，能适应于需要占用较少的空间的应用。
如图5和图6所示，在第一和第二变型例中，斜坡面22s的延伸方向可以不平行。
(第三实施方式)
下面参照图7说明根据本发明的第三实施方式。第三实施方式是第一实施方式的变型，对于与第一实施方式中的部件结构或功能相同或相似的部件 标注相同的附图标记，并省略对这些部件的具体说明。
在本实施方式中，第一方向x为圆弧方向，且三个支链20的第一活动件21共用一个环形(优选为圆环形)的第一导向件。
在这种设置方式下，平台10能绕第三方向z作角度不受限的转动，尤其适用于平台10需要执行较多旋转操作的情况。
参照图7，第二方向y与第一方向x垂直。第一方向x可以为圆弧方向(圆周方向)，此时，第二方向y为沿着圆弧的径向的方向。三个支链20可以在周向(第一方向x)上等间隔，即相隔120度地设置。
(第四实施方式)
下面参照图8说明根据本发明的第四实施方式。第四实施方式是第二实施方式的变型，对于与第二实施方式中的部件结构或功能相同或相似的部件标注相同的附图标记，并省略对这些部件的具体说明。
在本实施方式中，第三活动件23被配置为与第二活动件22能相对转动地连接，在第三活动件23相对于第二活动件22转动的过程中，第三活动件23相对于第二活动件22在第三方向z上发生位移。
第三活动件23相对于第二活动件22的转动轴线垂直于第三方向z(或者说平行于第一平面)。第三活动件23的转动方向如图中箭头ω所示。
第三活动件23可以作为主动件也可以作为从动件。
在本实施方式中，为作为转动件的第三活动件23设置的位置传感器例如可以是旋转编码器。
应当理解，为了避免第三活动件23在转动过程中旋转至不期望的角度，可以为第三活动件23设置限位挡块。
应当理解，上述各实施方式及其部分方面或特征可以适当地组合。
下面简单说明本发明的上述实施方式的部分有益效果。
(i)根据本发明的机构结构简单，通过在两个方向上单独驱动每个支链20，便能实现对平台10的六自由度的控制，驱动方式简单，操作方便。
(ii)本发明的转动连接结构J的传动精度高，且利用磁场能增强第一部分J1和第二部分J2的连接强度。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。例如，
(i)转动连接结构J也可以被配置为，第二部分J2与平台10固定连接(或者第二部分J2是平台10的一部分)，第一部分J1与第三活动件23固定连接(或者第一部分J1是第三活动件23的一部分)。
(ii)磁铁J21可以是永磁体，也可以是电磁铁。
(iii)第二部分J2也可以具有多于三个的第二球凸J20，这种设置方式更适用于平台10需要承受较大载荷的情形。
(iv)第一球凸J10与第一部分J1的本体J1m也可以是能相对转动地连接，第二球凸J20与第二部分J2的本体J2m也可以是能相对转动地连接。
(v)三个支链的转动连接结构J可以是不对称的，例如，每个第一部分J1与平台10所形成的角度可以是不同的。
(vi)平台10可以是用于安装终端操作机构(例如机械手或手术用器械)的部件，也可以作为终端操作机构的一部分，或者说与终端操作机构形成为一体。
(vii)虽然对于每个支链20，第一活动件21、第二活动件22和第三活动件23中只需要有两者为主动件，另一者为从动件即可，然而，出于例如为提高控制精度等各方面的考虑，也可以使第一活动件21、第二活动件22和第三活动件23均作为主动件，从而提供冗余的控制。
Claims (15)
- 一种六自由度运动机构，包括平台(10)和三个支链(20)，其中，每个所述支链(20)包括基台(20a)、第一活动件(21)、第二活动件(22)和第三活动件(23)，所述第一活动件(21)能相对于所述基台(20a)在第一方向(x)上平动，所述第二活动件(22)能相对于所述第一活动件(21)在第二方向(y)上平动，所述第三活动件(23)能相对于所述第二活动件(22)在第三方向(z)上发生位移，所述第一活动件(21)、所述第二活动件(22)和所述第三活动件(23)中的至少两者为主动件，所述第三活动件(23)与所述平台(10)通过转动连接结构(J)相连，所述转动连接结构(J)使得所述平台(10)相对于所述第三活动件(23)具有绕所述第一方向(x)、所述第二方向(y)和所述第三方向(z)的三个转动自由度，所述平台(10)相对于所述基台(20a)具有三个平动自由度和三个转动自由度。
- 根据权利要求1所述的六自由度运动机构，其特征在于，至少两个所述支链(20)的所述第一方向(x)平行。
- 根据权利要求1所述的六自由度运动机构，其特征在于，三个所述支链(20)的所述第一方向(x)均不平行。
- 根据权利要求2所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述基台(20a)为所述第一活动件(21)的平动提供第一导向件，至少两个所述第一活动件(21)共用一个所述第一导向件。
- 根据权利要求4所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第一方向(x)为圆弧方向。
- 根据权利要求1所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第三活动件(23)能相对于所述第二活动件(22)平动。
- 根据权利要求6所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第一方向(x)和所述第二方向(y)均平行于第一平面，所述第三方向(z)垂直于所述第一平面。
- 根据权利要求7所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第二活动件(22)包括斜坡面(22s)，所述斜坡面(22s)相对于所述第一平面倾斜地设置，所述第三活动件(23)能沿所述斜坡面(22s)往复运动，或者所述第三活动件(23)能相对于所述第二活动件(22)在竖直方向上运动。
- 根据权利要求1所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第三活动件(23)能相对于所述第二活动件(22)绕垂直于所述第三方向(z)的轴线转动。
- 根据权利要求1所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述转动连接结构(J)包括能相对转动的第一部分(J1)和第二部分(J2)，所述第一部分(J1)和所述第二部分(J2)中的一者与所述平台(10)相连、另一者与所述第三活动件(23)相连，所述第一部分(J1)包括一个第一球凸(J10)，所述第二部分(J2)包括多个第二球凸(J20)，所述多个第二球凸(J20)环绕并接触所述第一球凸(J10)，所述第一球凸(J10)和所述第二球凸(J20)的接触面均为球面。
- 根据权利要求10所述的六自由度运动机构，其特征在于，一个所述第一球凸(J10)与三个所述第二球凸(J20)相接触。
- 根据权利要求10所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第一部分(J1)和所述第二部分(J2)依靠磁场而具有相互吸引的力。
- 根据权利要求12所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第二 部分(J2)包括磁铁(J21)，所述第一球凸(J10)的制作材料包括铁磁性材料，所述磁铁(J21)与所述第一部分(J1)不接触。
- 根据权利要求1至13中任一项所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述六自由度运动机构还包括位置传感器，所述位置传感器用于检测所述第一活动件(21)、所述第二活动件(22)和所述第三活动件(23)中的至少一者的位移或位置。
- 根据权利要求14所述的六自由度运动机构，其特征在于，所述第一活动件(21)和所述第二活动件(22)是主动件，所述第三活动件(23)是从动件，所述位置传感器用于检测所述第三活动件(23)的位移或位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215123 unit 410, building B1, bio nano Park, No. 218, Xinghu street, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province Applicant after: Suzhou mailan Technology Co.,Ltd. Address before: 215123 unit 410, B1 building, 218 Xinghu street, Suzhou Industrial Park, Suzhou, Jiangsu Applicant before: SUZHOU MAILAN MEDICAL TECHNOLOGIES Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |