CN1462670A - 三自由度并联解耦机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三自由度并联解耦机构。它包括具有支撑板A、B、C的机座、动平台，分别固连在机座支撑板A、B、C上和动平台之间且彼此正交布置的三个结构形式相同的驱动单元，其特征在于所述的每一个驱动单元包括与所述对应支撑板固连的导轨座，配装在导轨座上的滑台，固连在导轨座上并与滑台相连的驱动器，以及一端固连在滑台上、另一端固连在动平台上的平面二自由度移动副。本发明的三自由度并联解耦机构。可实现无条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，成本较低，工作空间不受限制等优点。

Description

三自由度并联解耦机构
技术领域
本发明涉及机械学领域，具体为一种三自由度并联解耦机构。所谓解耦机构是指并联机构在某个方向上的平动或转动仅仅依赖于该方向上驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的并联机构。国际专利分类号拟为IPC.CL7.B25J 9/08。
背景技术
并联机构是指两个或两个以上的驱动单元并联安装并共同完成动作的机构，广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等技术领域。由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性关系，因此导致并联机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和成本的下降。所以，如何实现并联机构解耦，以简化并联机构控制和标定，提高设备运动的精度并降低成本，一直是一个困难而富于挑战性的课题。
为了清楚描述并联机构解耦问题，首先对以下定义作出说明：
解耦：如果并联机构在某方向的平动或转动仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的运动组合，则称之为并联机构的解耦。解耦可以分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。
无条件解耦：如果并联机构在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦或完全解耦；
有条件解耦：如果并联机构在任意位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦或限制解耦；
瞬时解耦：如果并联机构仅在特定位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦或点解耦。
迄今，发明人在并联机构解耦方面已有一些研究成果：例如，专利文献“六自由度虚拟轴机床”(参见中国发明专利，公开号为CN1261018A)报道了并联机构在空间一个位置(即初始位置)处的解耦，并因此降低了整机的耦合度，但除初始位置外，其它位置仍是耦合的，因此该项技术属于瞬时解耦或点解耦；又例如，专利文献“3、4、5、6自由度结构解耦并联微动机器人”(参见中国发明专利：ZL00100198.1、ZL00100197.3、ZL00100196.5和ZL99121020.4)和“可重组模块化3-6自由度结构解耦并联微动机器人”(参见中国发明专利，公开号为CN1377757A)报道了在并联解耦研究的进展情况，但这些并联机构仅适用于微动领域，原因是其解耦是近似的，且随着工作空间的加大，各驱动单元之间的耦合度会随之相应增加，这就意味着该并联解耦机构的实际工作空间仅为几微米；换言之，为了保持输入输出之间的近似解耦关系，必须限制该并联解耦机构用于一定范围的微动操作，否则就是非解耦的，因此该项技术仍具有瞬时解耦的特点，本质上也属于瞬时解耦。此外，关于有条件和无条件解耦的并联机构，无论是在宏动领域还是在微动领域，尚未见文献报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明主要解决的技术问题是提供一种三自由度并联解耦机构，它可无条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，成本较低，工作空间不受限制等优点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种三自由度并联解耦机构，包括具有支撑板A、B、C的机座、动平台，分别固连在机座支撑板A、B、C上和动平台之间且彼此正交布置的三个结构形式相同的驱动单元，其特征在于所述的每一个驱动单元包括与所述对应支撑板固连的导轨座，配装在导轨座上的滑台，固连在导轨座上并与滑台相连的驱动器，以及一端固连在滑台上、另一端固连在动平台上的平面二自由度移动副。
本发明三自由度并联解耦机构，由于独特设计了分别固连在机座支撑板A、B、C上和动平台之间且彼此正交布置的三个结构形式相同的驱动单元，并且其中任意一个驱动单元执行驱动工作时，其它两个驱动单元都会产生相应牵连运动或者协调运动，而不会产生耦合运动，因此可以实现并联机构的运动解耦，并且是无条件解耦，实现本发明的主要目的或者说解决本发明的主要技术问题。又由于本发明所述的驱动单元基本为常用的机械机构或零部件的组合，因此具有结构简单，工作可靠，控制容易(无耦合运动，因此仅需要对工作的驱动单元进行控制，不需要考虑各驱动单元同步控制问题)，运动精度高(因解耦彻底)，工作空间不受限制(既适用于微动领域，也适用于宏动领域)，同时成本降低的优点。
经检索，国内外尚没有发现与本发明三自由度并联解耦机构相同或相似技术的文献报道。
附图说明
图1为本发明三自由度并联解耦机构的一种实施例示意图；
图2为本发明图1实施例所用驱动单元的一种实施例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明设计的一种三自由度并联解耦机构(参见图1)，包括具有支撑板A、B、C的机座1、动平台3分别固连在机座1的支撑板A、B、C上和动平台3之间彼此正交布置的三个结构形式相同的驱动单元2(参见图2)，其特征在于所述的每一个驱动单元2包括与所述对应支撑板固连的导轨座23，配装在导轨座23上的滑台22，固连在导轨座23上并与滑台22相连的驱动器24，以及一端固连在滑台22、另一端固连在动平台3上的平面二自由度移动副21。所述的驱动器2 4可以驱动滑台22沿导轨座23顺利移动，并且其移动方向与所述的平面二自由度移动副21的移动方向相互正交。
在这一实施例中，当任一驱动单元2(例如支撑板A上的驱动单元2a)驱动动平台3运动时，可以顺利带动其它两个驱动单元2(即支撑板B、C上的两个驱动单元2b、2c)上的平面二自由度移动副21产生平面牵连运动，进而产生动平台3与这两个驱动单元2之间的相对移动，从而使工作的驱动单元2(2a)与另外两个驱动单元2(2b、2c)的运动无关，也即实现了驱动单元2a的运动解耦，并且是无条件解耦。由于三个驱动单元2(2a、2b、2c)结构形式完全一样，因此在X、Y、Z三个方向上都可以实现运动解耦，并且是无条件解耦。即顺利实现本发明机构的三自由度解耦运动。
本发明所述的平面二自由度移动副21上的两个方向移动副正交布置或者非正交布置，也就是说，既可正交布置(如图1、2、3所示)，也可非正交布置(也即成一定角度布置，容易理解，未给出示意图)。这可根据需要选择，但考虑到在动平台3工作空间一定时，双向移动副的正交布置可使每一向移动副的移动距离最小，因此实施例优选正交布置。
本发明三自由度并联解耦机构的机座1的三块支撑板A、B、C的安装方式并不受实施例限制，也就是说它们既可相互垂直布置(如图1所示)，也可不相互垂直布置，还可以相互平行布置(也即成一定角度布置，容易理解，未给出示意图)，只要保证三个驱动单元2彼此正交被牢固安装在其上即可。这可根据实际需要选择。
很明显，当本发明三自由度并联解耦机构在某一方向或者自由度上作某种限定(例如固定任意一个驱动单元)，则并联解耦机构的自由度数将相应降低，将变成平面二自由度并联解耦机构，因此本发明三自由度并联解耦机构具有自由度向下兼容能力。具体应用取决于实际需要。

Claims (2)

1.一种三自由度并联解耦机构，包括具有支撑板A、B、C的机座(1)、动平台(3)、分别固连在机座(1)支撑板A、B、C上和动平台(3)之间且彼此正交布置的三个结构形式相同的驱动单元(2)，其特征在于所述的每一个驱动单元(2)包括与所述对应支撑板固连的导轨座(23)，配装在导轨座(23)上的滑台(22)，固连在导轨座(23)上并与滑台(22)相连的驱动器(24)，以及一端固连在滑台(22)上、另一端固连在动平台(3)上的平面二自由度移动副(21)。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联解耦机构，其特征在于所述的平面二自由度移动副(21)上的两个方向移动副彼此之间正交布置或者非正交布置。
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