CN1528569A - 用于虚轴机床与机器人等的一类(三平移三转动)并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(3种)6自由度(三平移三转动)并联机构。其中一种，由动平台、静平台和3条支路组成。第1条支路的具体结构：由两个移动副与三个球面副组成5杆回路，再并联一个由一个移动副与两个球面副串联而成的子支路，最后再串联一个球面副，从而构成第1条支路；第2条支路由一个移动副与两个球面副串联而成；第3条支路由两个移动副与三个球面副组成5杆回路，再串联一个球面副而成。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。驱动6个移动副，可控制动平台的三平移三转动输出。该机构具有运动输入——输出的部分解耦性，即可实现部分控制解耦；运动学分析可依次对各基本回路单独求解，且各回路仅为2次解析式，有利于实现机器人的实时控制与在线、离线运动规划；机构不含二重与三重球面副、结构简单，工作空间较大等优点。该机构可作为虚轴机床、虚轴机械测量机、机器人等的执行机构。

Description

用于虚轴机床与机器人等的一类(三平移三转动)并联机构

技术领域

本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚轴机床、并联机器人与虚轴坐标测量机等提供一类(3种)6自由度(三平移三转动)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(如美国Giddings andLewis公司的Variax型关联机床)，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姿。

并联机构的虚轴坐标测量机，也是近年来测量机的一个重大进展，与传统属于串联结构的测量机相比，具有刚度大、运动速度高、误差不叠加等特性，可使测量精度与测量效率等有较大改善。目前已有的并联机构测量机多采用Stewart机构(如俄罗斯Lapic公司的KNM-750型3坐标测量机)。其动平台相对于基平台具有6个空间自由度，通过控制6根连杆度，改变动平台上测头位置。

Stewart机构有很多关键性技术没能完全解决。如(1)运动学正解困难(高维非线性代数方程组)；(2)运动平台位姿是输入的强耦合，不利于控制；(3)机构复杂，使其工作空间较小；(4)制造高精度球副困难等。

为改善Stewart机构性能，有文献提出将支路进行适当合并，引入二重、三重球面副，但多重球面副设计制造、困难，不利于实用。

总之，虚轴机床、虚轴测量机与机器人等的发展与实用化，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(3种)6自由度(三平移三转动)并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、不存在多重球面副，制造、安装较简单等优点。特别是可实现部分控制解耦，运动学正解可依次单独求解各基本回路，且各回路仅为二次解析式，显著简化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、虚轴测量机、机器人、微动操作手等提供新机型，为其开发与实用化提供可能。

附图说明

附图1是本发明机构简图。它由动平台(1)、静平台(0)和结构相同的三条支路组成。第1条支路由两个移动副(P₂与P₄)和三个球面副(S₁、S₃与S₅)组成的5杆回路再串联一个球面副(S₆)而成；第2条、第3条支路结构与第1条支路结构相同，为附图1所示。3条支路两端构件分别固联在动、静两平台上。

附图2本发明的另一种机构简图。它由动平台1、静平台(0)和结构不全相同的4条支路组成。第1条支路的具体结构：由两个移动副(P₂与P₄)与三个球面副(S₁、S₃与S₅)组成5杆回路，再并联一个由移动副(P₇)与两球面副(S₆与S₈)串联组成的子支路，最后再串联一个球面副(S₉)，从而构成第1条支路；第2条支路由移动副(P₁₁)两球面副(S₁₀与S₁₂)串联而成；第3条与第4条支路结构同于第2条支路，如附图2所示。诸支路两端构件分别固联在动、静两平台上。

附图3为附图2所示并联机构的衍生并联机构。附图3的第1条支路同于附图2的第1条支路，第2条支路同于附图2的第2条支路；附图3的第3条支路由两个移动副(P₁₄与P₁₆)与三个球面副(S₁₃、S₁₅与S₁₇)组成的5杆回路再串联一个球面副(S₁₈)而成。诸支路两端构件分别固联在动、静两平台上。

本发明为一类3自由度(三平移三转动)新型并联机构。该类机构具有以下特点：

(1)机构动平台具有三平移三转动输出；

(2)附图2与附图3机构的运动输入——输出具有部分解耦性，即可实现部分控制解耦，特别是附图3机构，不但动平台的位置具有部分控制解耦，且其姿态也具有部分控制解耦；

(3)并联机构的运动学分析较为简单，特别对附图3所示并联机构，其运动学分析可依次对5个基本回路单独求解，且各回路的运动分析仅为2次解析式，有利于实现机器人的实时控制与在线、离线运动规划；

(4)机构不含二重、三重球面副、结构简单、便于制造、装配，机构工作空间较大。

总之，本发明为虚轴机床、机器人、虚轴测量机、微动操作手等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型机床、机器人、测量机、微动操作手的开发与实用化。

具体实施方式

附图3所示并联机构可视为本发明用于虚轴测量机的一个实施例，其具体结构已如前述附图3说明。在动平台(1)上安装测量头(A)。当机构各构件尺度参数确定后，控制6个驱动副(移动副P₂、P₄、P₇、P₁₁、P₁₄与P₁₆)的输入运动，可控制动平台(1)上的测量头(A)的三维坐标，即可为虚轴机械测量机的执行机构。因有6个主动输入，有利于避开机构的奇异位形。

Claims (3)

1.一种可用于虚轴机床、机器人与虚轴机械测量机等的6自由度(三平移三转动)并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的3条结构相同的支路；每一条支路都由两个移动副与三个球面副组成的5杆回路再串联一个球面副而成，诸支路两端构件分别固联在动、静两平台上。

2.可用于虚轴机床、机器人等的6自由度(三平移三转动)另一种并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的4条结构不全相同的支路，第1条支路的具体结构：由两个移动副与三个球面副组成5杆回路，再并联一个由一个移动副与两个球面副串联而成的子支路，最后再串联一个球面副，从而构成第1条支路、第2条、第3条与第4条支路结构相同，每条支路都由一个移动副与两个球面副串联而成，诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。

3.按照权利2要求所述并联机构，第3与第4两条支路用一新支路替代，新支路由两个移动副与三个球面副组成的5杆回路再串联一个球面副而成。

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