CN1598389A - 由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构 - Google Patents

Abstract

一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的多个均由圆柱副C、圆柱副C和球面副S构成的运动链组成，即该并联机构为6－CCS或6－SCC或3－CCS并联机构。本发明是对传统并联机构的结构改进而推出的并联机构，其实质是把传统并联机构中控制两点间距离的运动链改变为控制点到直线间距离或控制点到平面间距离的运动链，用来实现两个刚体间的位置与姿态的调节。该并联机构结构新颖、正解简单、驱动位置选择灵活、控制容易、工作空间大。可以采用其它运动副的多种不同运动链进行变异改造而构成多种不同结构型式。本发明是一种在位置驱动和调节、机械加工、传感器等许多领域具有广泛的潜在应用前景的并联机构。

Description

由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机构，确切地说，涉及一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，属于机械系统中的执行机构、位置姿态调节机构、机器人、机床、力或位置传感器或检测与测量装置中的并联机构技术领域。

背景技术

1965年Stewart提出一种新型的6自由度的空间并联机构，它是由上下两个平台和6个并联的、可伸缩的杆件组成。传统的Stewart并联机构由6个SPS运动链构成，即每个运动链由两端的两个球面副(S)和位于中间的、由一个长短伸缩可变、作为驱动的滑动副(P)所组成。该传统的Stewart并联机构中连接上下两个动、静平台的每一个SPS运动链实质上都是通过控制动、静平台上两球面副中心点之间的距离，进而实现位置控制的。从运动副的构成来看，该传统并联机构中的每个运动链都是由S、P、S运动副组成。自由度数目为3+1+3＝7。如果去掉其中一个围绕直线转动的局部自由度，改为TPS运动链(T为虎克铰链或称万向节)，总自由度数目为6。事实上，目前许多并联机构都设计成6-TPS运动链。从理论上来说，由R(转动副)、P(滑动副)、C(圆柱副)和S(球面副)组成任意排列的六个自由度的运动链，都可以构成具有确定运动的并联机构。问题是如何使得这种并联机构具有明显的优点才有实际意义。

经过30余年的不断改进和发展，并联机构目前已经在机床、机器人机构、微动机构、传感器等领域获得了广泛应用。但是，传统Stewart并联机构存在一些固有的缺点。比如说，球铰制造比较复杂，种类变化比较少，位置正解比较困难等问题。所谓位置正解就是已知每个运动链中两个球铰之间的距离作为输入驱动量，求解动平台的位置和姿态。这个问题曾经有十几年的时间没有获得解决，是一个相当困难的问题，所以国内外许多业内人士对此进行了多年的研究和开发。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，该并联机构采用6-CCS或6-SCC或3-CCS运动链组成，具有工作空间大，驱动位置选择灵活等特点。另外，该并联机构的变异或等效转换后的并联机构也具有正解简单、控制容易的优点，因此具有潜在的广泛应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供了一种由圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的多个运动链组成；其特征在于：所述运动链为6个，均是由圆柱副C、圆柱副C和球面副S组成的运动链，该6个运动链中的运动副排列次序是圆柱副C连接静平台，球面副S连接动平台，该圆柱副C和球面副S两者之间通过一个圆柱副C相连；即该并联机构为6-CCS并联机构。

所述6个运动链分为三组，每组有两个互相平行的运动链，且三组运动链之间互相垂直或接近垂直，以便能够实现互相垂直的三个坐标轴方向解耦或近似解耦。

所述并联机构的6个运动链中的运动副排列次序是球面副S连接静平台，圆柱副C连接动平台，该球面副S和圆柱副C两者之间通过一个圆柱副C相连；即该并联机构为6-SCC并联机构。

所述与动平台连接的6个球面副可以位于同一平面。

所述6-CCS或6-SCC并联机构中的6个运动链都只有一个驱动副：或者是位于中间的圆柱副C，或者是位于静平台上的圆柱副C。所述6-CCS或6-SCC并联机构中的两个圆柱副CC的空间位置是垂直相交，或是垂直不相交，即两者相互位置形成空间垂直异面直线。

所述并联机构中的6个运动链除了由圆柱副C、圆柱副C和球面副S运动链组成的CCS运动链之外，还可以是下述多种运动链的其中之一：由圆柱副C、滑动副P和球面副S组成的CPS运动链，或由圆柱副C、圆柱副C和虎克铰T组成的CCT运动链，或由滑动副P、转动副R、圆柱副C和球面副S组成的PRCS运动链，或由转动副R、滑动副P、圆柱副C和球面副S组成的RPCS运动链，或由滑动副P、转动副R、滑动副P和球面副S组成的PRPS运动链，或由转动副R、滑动副P、滑动副P和球面副S组成的RPPS运动链，或由滑动副P、转动副R、圆柱副C和虎克铰T组成的PRCT运动链，或由转动副R、滑动副P、圆柱副C和虎克铰T组成的RPCT运动链。

所述并联机构中的各种运动链都只有一个驱动副：或者是与静平台连接的圆柱副C，或者是位于该运动链中间的圆柱副C，或者是运动链中间的转动副R或滑动副P。

所述并联机构中的各种运动链中的两个圆柱副CC的空间位置或代替其中一个圆柱副C的转动副R和滑动副P的组合空间位置是垂直相交，或是垂直不相交，即两者相互位置形成空间垂直异面直线。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的多个运动链组成；其特征在于：所述并联机构中的运动链为3个，均是由圆柱副C、圆柱副C和球面副S组成，即该并联机构为3-CCS并联机构；每个运动链都有两个圆柱副同时作为驱动副。

传统的Stewart并联机构中，连接静、动平台的每一个运动链SPS实质上都是通过控制静、动两个平台上两个球面副中心点之间的距离来实现位置控制的。本发明是把传统Stewart并联机构的结构原理稍加改进而推出的一种6-CCS或6-SCC并联机构，本发明并联机构由6-CCS或6-SCC或3-CCS运动链构成，其实质是把传统Stewart并联机构中控制两点间的距离的运动链改变为控制点到直线间的距离的运动链而构成的，用来实现两个刚体间的位置与姿态的调节。经过运动链的等效变形，本发明还可改变为控制点到平面间的距离，进而实现两个刚体间的位置与姿态的调节。本发明的并联机构具有结构新颖、正解简单、驱动位置选择灵活、控制容易、工作空间大等优点。该并联机构可以采用其它运动副的多种不同运动链进行变异改造而构成多种不同结构型式，也可以设计成互相垂直的三个坐标轴方向正交或近似正交，还可以将运动链中的两个圆柱副CC或代替圆柱副C的转动副R和滑动副P的组合形成垂直相交或垂直不相交，即两者相互位置形成空间垂直异面直线来扩展其空间活动行程，此外，具有三轴解耦或近似解耦的特点。因此本发明是一种在位置驱动和调节、机械加工、传感器等许多领域具有广泛的潜在应用前景的并联机构。

附图说明

图1为本发明采用的CCS运动链构件的结构示意图；

图2为本发明采用的CCT运动链构件的结构示意图；

图3为本发明采用的CPS运动链构件的结构示意图；

图4为两个圆柱副形成空间异面垂直的CCS运动链的结构示意图；

图5为两个圆柱副形成空间异面垂直的CCT运动链的结构示意图；

图6为圆柱副与滑动副形成空间异面垂直的CPS运动链的结构示意图；

图7(A)、(B)分别为能够取代圆柱副C的转动副R与滑动副P的两种不同组合结构示意图；

图8为PRCT运动链的结构示意图；

图9为RPCT运动链的结构示意图；

图10为PRCS运动链的结构示意图；

图11为RPCS运动链的结构示意图；

图12为本发明采用6-CCS运动链组成的并联机构的结构示意图；

图13为本发明采用6-SCC运动链组成的并联机构的结构示意图；

图14为采用6-PRCS运动链组成的本发明并联机构的结构示意图；

图15为采用6-RPCS运动链组成的本发明并联机构的结构示意图；

图16为采用6-PRCS运动链、并以中间的转动副R为驱动副的本发明并联机构的结构示意图；

图17为本发明采用6-CCS运动链组成的球面副位于同一平面的并联机构的结构示意图；

图18为本发明采用6-PRCS运动链、且球面副位于同一平面的并联机构的结构示意图；

图19为本发明采用6-RPCS运动链、且球面副位于同一平面的并联机构的结构示意图。

图20是本发明采用3-CCS运动链组成的另一种并联机构的结构示意图；其中外侧的圆柱副C和中间的圆柱副C同时作为驱动副。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的各个构件和整体结构分别作进一步的详细描述。

从运动链的结构组成来看，传统并联机构中的每个运动链都是由球面副S、滑动副P和球面副S组成的SPS运动链组成，其自由度数目为3+1+3＝7。如果去掉球面副中的一个围绕直线转动的局部自由度，改为TPS运动链(T为虎克铰链或万向节)，总自由度数目为6。事实上很多并联机构也是设计成6TPS运动链。从理论上来说，由R、P、C、S组成任意排列的六个自由度的运动链，都可以构成具有确定运动的并联机构。问题是如何使得这种机构具有明显的优点才会有实际应用意义和价值。

本发明是一种由圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的6个运动链组成；该6个运动链均为由圆柱副C、圆柱副C和球面副S组成的运动链，即该并联机构为6-CCS并联机构。

下面先介绍本发明的主要构件：CCS运动链，即每个运动链为圆柱副C、圆柱副C、球面副S组成(参见图1)。其中球面副S和中间的圆柱副C两者之间构件有一个围绕自身转动的局部自由度，该局部自由度对机构的整体运动没有影响。如果去掉该局部自由度，CCS运动链可以等效转换为CCT运动链(参见图2)或CPS运动链(参见图3)。所以图1、图2、图3所示的三个运动链之间是等效的。但是，图1～图3所示的三种运动链的球面副中心点到与其间隔一定间距的圆柱副轴线之间的距离变化不能太大，使得这种构造的并联机构的工作空间要受到一定限制。如果将两个圆柱副(或其中一个滑动副)的中心轴线由互相垂直相交改变为垂直异面，就可以克服这个行程限制，使得工作空间得到扩大。图4、图5、图6就是对图1、图2、图3中运动链的两个圆柱副(或滑动副)的中心线由互相垂直相交改造为垂直异面后的结构组成示意图。

另外一种变化是作为运动链的每个圆柱副C都能够等效转换为一个转动副R和一个滑动副P的组合：即RP运动链或PR运动链(参见图7)。这样转换的目的是为了能够方便地在运动链中加入驱动副。目前，驱动副通常是采用转动副R，例如利用一个电机带动一个减速器作为驱动源，这是最经济的驱动源；当然，也可以采用滑动副P作为驱动副，例如利用一个液压缸驱动一个滑杆往复移动。因此，本发明并联机构中的基本构件是CCS运动链或SCC运动链，但是，也可以是经过等效转换后的CPS运动链(参见图3和图6)、CCT运动链(参见图2和图5)、PRCT运动链(参见图8)、RPCT运动链(参见图9)、PRCS运动链(参见图10)和RPCS运动链(参见图11)等。

参见图12，本发明是一种采用6个均为圆柱副C、圆柱副C和球面副S运动链构成的并联机构，由静平台A、动平台B和连接于该两个平台之间的6个运动链组成；其中静平台A位于外侧作为机架。中间的正方体表示动平台B。6个CCS运动链分别连接静平台A和动平台B。该6个运动链中的运动副排列次序是圆柱副C连接静平台A，球面副S连接动平台B，该圆柱副C和球面副S两者之间通过一个圆柱副C相连。即构成圆柱副C的一个构件(图中为运动链外侧中心圆柱)固连在静平台(机架)A上面，构成球面副S的一个构件(图中为球冠)固连在动平台B上面。其驱动源可以采用位于运动链中间的圆柱副C，也可以采用固连在机架上面的圆柱副C，例如用一个液压缸驱动滑杆。该6个运动链分为3组，每组两个运动链，分别平行于X、Y、Z轴，三组之间互相垂直或近似垂直。这样对于动平台B具有三个移动自由度和三个转动自由度，共6个自由度，可以做到解耦或近似解耦。例如驱动其中两个运动链1、2的中间圆柱副C，可以使动平台B沿着X轴平动或绕Y轴转动：当该两个运动链是同速同向驱动时，作平移运动，当该两个运动链是同速反向驱动时，作旋转运动。就是说每组两个运动链控制动平台B的一个转动和一个移动。当然这是在工作空间位于正中心时的情况；当工作空间远离中心时，各个运动之间是有耦合的。如果采用图4所示的两个圆柱副形成空间异面垂直的CCS运动链，则中间圆柱副C的变化行程范围要大一些，工作空间也可以相应地扩大。

如果把球面副S连接到静平台A上，圆柱副C连接到动平台B上。如图13所示，就构成了6-SCC并联机构。这种情况下，一般选择位于运动链中间的圆柱副C作为驱动副，而不是驱动动平台B上的圆柱副C。因为动平台B是运动的，上面安装驱动源通常是不妥当的。如同图12一样，该并联机构的6-SCC运动链构件仍然被分为三组，各组之间互相垂直或近似垂直，做到互相垂直的三个坐标轴的运动互相解耦或近似解耦。

对于图12所示的并联机构，其驱动副也可以选为位于静平台A上的圆柱副C，例如直接驱动静平台A上的液压缸。

再参见图1所示，当位于外侧的圆柱副C1的轴线位置确定，且滑动位移给定，只剩下围绕C1轴线的转动时，球面副S的中心既可以围绕其外侧的圆柱副C1的轴线转动，也可以沿着其中间的圆柱副C2的轴线作往复移动，相当于沿着其外侧的圆柱副C1作径向移动，所以球面副S的中心运动轨迹就构成一个平面。该运动链约束相当于一个点落在一个平面上。这种约束在求解时，其约束方程要相对简单得多。而传统的SPS运动链在其中间运动副(即滑动副P)给定时，运动链约束相当于一个点落在一个球面上，其约束方程要复杂得多。因此，本发明由6-CCS运动链组成的并联机构的位置正解也要相对简单些。

参见图14和图15所示的由6-PRCS和6-RPCS运动链组成的并联机构，它们与图12及图13所示的并联机构具有相同的特点，只是采用转动副R与滑动副P的组合结构来取代原先的一个圆柱副C。这两个并联机构中的构件采用的是图10和图11所示的PRCS运动链和RPCS运动链。其中图14所示的并联机构一般采用静平台上的滑动副P作为驱动源。图15所示的并联机构一般采用静平台上的转动副R作为驱动源。当靠近外侧端部的滑动副P或转动副R设定后，球面副S的轨迹都是一个平面，其运动链约束仍然相当于位于平面上的一个点，其位置正解也是比较简单的。另外，在图15中，由于滑动副P的限制，工作空间较小，改为图16的结构可以增加工作空间，但是驱动副R就不与静平台连接了。总之，图12、图13、图14、图15、图16都是本发明由6-CCS、6-SCC、6-PRCS、6-RPCS运动链组成的三轴正交或近似正交的并联机构。

本发明的如同图12的并联机构中，也可以把6个球面副S都安排在同一个平面上，其结构型式要稍微简单一些(参见图17)，图中外侧固定装置是静平台A，中间的圆环为动平台B；但是，此时正交性就没有了，出现了运动耦合。对于图14和图15所示的并联机构也可以根据该原则进行仿照处理，即将6个球面副S都安排在同一个平面上，改造后的结构如图18和图19所示。它们的静平台A位于下面，动平台圆环B位于上面。

前面介绍的各种并联机构都是每个运动链只有一个驱动副，如果每个运动链具有两个驱动副，则可以构造如图20所示的并联机构。该机构中只有3个CCS运动链，但是，该并联机构的六个圆柱副C全是驱动副，该并联机构的结构更加简单，具有很好的应用前景。

Claims (10)

1、一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的多个运动链组成；其特征在于：所述运动链为6个，均是由圆柱副C、圆柱副C和球面副S组成，该6个运动链中的运动副排列次序是圆柱副C连接静平台，球面副S连接动平台，该圆柱副C和球面副S两者之间通过一个圆柱副C相连；即该并联机构为6-CCS并联机构。

2、根据权利要求1所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述6个运动链分为三组，每组有两个互相平行的运动链，且三组运动链之间互相垂直或接近垂直，能够实现互相垂直的三个坐标轴方向解耦或近似解耦。

3、根据权利要求1所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述并联机构的6个运动链中的运动副排列次序是球面副S连接静平台，圆柱副C连接动平台，该球面副S和圆柱副C两者之间通过一个圆柱副C相连；即该并联机构为6-SCC并联机构。

4、根据权利要求1所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述与动平台连接的6个球面副可以位于同一平面。

5、根据权利要求1或3所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述6-CCS或6-SCC并联机构中的6个运动链都只有一个驱动副：或者是位于中间的圆柱副C，或者是位于静平台上的圆柱副C。

6、根据权利要求1或3所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述6-CCS或6-SCC并联机构中的两个圆柱副CC的空间位置是垂直相交，或是垂直不相交，即两者相互位置形成空间垂直异面直线。

7、根据权利要求1所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述并联机构中的6个运动链除了由圆柱副C、圆柱副C和球面副S运动链组成的CCS运动链之外，还可以是下述多种运动链的其中之一：由圆柱副C、滑动副P和球面副S组成的CPS运动链，或由圆柱副C、圆柱副C和虎克铰T组成的CCT运动链，或由滑动副P、转动副R、圆柱副C和球面副S组成的PRCS运动链，或由转动副R、滑动副P、圆柱副C和球面副S组成的RPCS运动链，或由滑动副P、转动副R、滑动副P和球面副S组成的PRPS运动链，或由转动副R、滑动副P、滑动副P和球面副S组成的RPPS运动链，或由滑动副P、转动副R、圆柱副C和虎克铰T组成的PRCT运动链，或由转动副R、滑动副P、圆柱副C和虎克铰T组成的RPCT运动链。

8、根据权利要求7所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述并联机构中的各种运动链都只有一个驱动副：或者是与静平台连接的圆柱副C，或者是位于该运动链中间的圆柱副C，或者是运动链中间的转动副R或滑动副P。

9、根据权利要求7所述的由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，其特征在于：所述并联机构中的各种运动链中的两个圆柱副CC的空间位置或代替其中一个圆柱副C的转动副R和滑动副P的组合空间位置是垂直相交，或是垂直不相交，即两者相互位置形成空间垂直异面直线。

10、一种由圆柱副、圆柱副和球面副构成的并联机构，由静平台、动平台和连接于该两个平台之间的多个运动链组成；其特征在于：所述并联机构中的运动链为3个，均是由圆柱副C、圆柱副C和球面副S组成，即该并联机构为3-CCS并联机构；每个运动链都有两个圆柱副同时作为驱动副。

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