CN1310075A - 用于机器人和虚轴机械测量机等的一类三维平移并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(10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。每条支路由相互平行的一个转动副和一个圆柱副以及一个不平行于转动副轴线的移动副三者串联而成。支路两端联接在动、静平台上,但两条支路的转动副轴线为平行配置,第三条支路与前两条支路呈垂直配置。驱动静平台上的三个移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。为虚轴机床、机器人以及虚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

用于机器人和虚轴机械测量机等的一类三维平移并联机构

本发明涉及一种机器人、机械测量机和机床的执行机构，具体地说是为并联机器人、虚轴机械测量机和虚轴数控机床提供一类新型并联机构。

虚轴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姿态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。

Stewart机构具有以下缺点：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；③运动空间较小；④制造高精度球副困难。

基于上述情况，Tsai提出虚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 Patent,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-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，虚轴数控机床、机器人与虚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。

本发明目的是提供一类(10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轴机床和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、机器人、微动机器人与虚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(0)和三条结构相同的支路组成。每条支路由相互平行的一个转动副(3)和一个园柱副(2)以及一个不平行于转动副轴线的移动副(4)用构件(5)和(6)串联而成。支路两端构件分别固联在动、静平台上，但两条支路的转动副轴线为平行配置，第三条支路的转动副轴线与前两条支路转动副轴线呈垂直配置(亦可以是非垂直但必须为非平行配置)。驱动静平台(0)上的三个移动副(4)，即可控制动平台(1)的三维平移输出。

附图3中，每一条支路与附图1中支路结构完全相同，但三条支路在动、静平台的联结应使三条支路的园柱副轴线共面且呈中心对称(即相隔120°)配置。

附图1并联机构亦可去掉两平行支路中的一条，成为只有两条支路的新机型，其支路结构同于附图1，且两支路的园柱副轴线在动、静平台之间呈垂直配置，如附图2所示。

附图4为一种三支路新机型，其中两条支路结构相同，同于附图1，且呈垂直配置，第三条支路为由两个球面副(7)和一个移动副(4)用构件(8)、(9)串联而成，在动、静平台间为任意配置。

附图1-4中的各支路(除去附图4中由构件(1)、(8)、(9)和(0)形成的一条支路)都可以用附图5的支路结构替代，但各支路在动、静平台上的配置方式仍分别同于附图1-4。附图5支路中的回路为转动副(3)平行四边形机构，其余两转动副(13)仍相互平行，且其轴线垂直于平行四边形的转动副(3)的轴线。

附图1和3中的各支路都可以用附图6的支路结构替代，但各支路在动、静平台上的配置方式仍分别同于附图1和3。附图6支路中的回路为4个球面副(7)组成的平行四边形。构件1和12的两个球面副(3)，使它们分别具有局部转动自由度，替代了附图5中的两个转动副(13)。

本发明为一类(10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，解有解析公式，极大地简化了机床与机器人系统的控制与轨迹规划问题；亦极大的简化了测量机的正解和校正补偿分析问题。

④运动输入一输出又具有解耦性，进一步简化了系统控制。

⑤机构制造、安装较为简单，易提高机构精度。

⑥工作空间较大。

⑦附图1、2、3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。

附图7所示为本发明用于虚轴机械测量机的实施例。在动平台(1)上安装测量头(10)，在静平台(0)(基座)上安装被测工件(11)，驱动基座(0)上3个移动副，即可控制动平台上测量头(10)在空间的位置(三维移动)，完成指定测量过程。若将附图7动平台(1)上的测量头(10)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)与虚轴机械测量机等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型机床、机器人与机械测量机的开发和实用化。

Claims (7)

1．一种可用于机器人、虚轴数控机床和虚轴机械测量机等的三平移并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的三条支路，其特征在于每一支路由相互平行的一个转动轴和一个园柱副以及一个不平行于转动副轴线的移动副三者串联而成，三条支路与两平台联接的配置方式是：两支路的转动副轴线呈平行配置，第三支路转动副轴线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，三条支路的转动副轴线在动、静平台上可呈共面且中心对称(相间120°)配置。

3．按照权利要求1和2所述并联机构，每条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，即支路由两个转动副和一个转动副平行四边形机构以及一个移动副串联而成。前两个转动副与平行四边形的转动副呈垂直配置。

4．按照权利要求3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。

5．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平移并联机构，两支路呈垂直配置。

6．按照权利要求5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。

7．按照权利要求5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移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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