CN1775487A - 二自由度解耦球面并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二自由度解耦球面并联机构，包括机座和动平台及分别固连在它们间的第一运动支链和第二运动支链；前者包括由连杆L1、L2、L3、L4及其联结的四个轴线空间平行回转副R1、R2、R3、R4构成的平行四边形机构，三个轴线空间平行的回转副R5、R6、R7和一个轴线空间垂直的回转副R8以及对应联结它们的连杆L5、L6、L7和一端与回转副R8连接的连杆L8；后者包括轴线垂直的两个回转副R9、R10以及联结它们的连杆L9；回转副R5固连在连杆L4上，且回转副R5轴线与回转副R1、R2、R3、R4轴线垂直，而与回转副R9轴线平行；第一运动支链的一端用连杆L8与动平台连接，回转副R8轴线与回转副R5、R6、R7垂直，而与回转副R10轴线平行；另一端用回转副R1装在机座上；第二运动支链的一端用回转副R10与动平台连接，另一端用回转副R9装在机座上；回转副R1和回转副R9的轴线相互垂直。

Description

二自由度解耦球面并联机构
技术领域
本发明涉及机械学领域的并联机构，具体为一种可在二自由度下无条件解耦的球面并联机构，国际专利分类号拟为Int.Cl7B25J9/08。
背景技术
并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任意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)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构的解耦，以简化其控制和标定，提高运动精度，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，首先说明如下概念的定义：
解耦：如果并联机构在某方向的平动或转动仅依赖于一个方向驱动单元动作，则称之为解耦；
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；
有条件解耦：如果并联机构在任意位置、特定姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦；
瞬时解耦：如果并联机构仅在特定位置、特定姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦。
目前，在并联机构解耦研究方面已有一些成果，例如，CN1261018A提出的“六自由度虚拟轴机床”，实现了空间一个位置(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，因此该设计是瞬时解耦；又例如，中国专利文献ZL00100198.1、CN00100197.3、CN00100196.5、CN99121020.4分别提出的“三、四、五、六自由度结构解耦并联微动机器人”和CN1377757A提出的“可重组模块化3-6自由度结构解耦并联微动机器人”，仅适用于微动领域，原因是这些机构的解耦是近似的，且随着工作空间的加大，各驱动单元之间的耦合度也会增加。为了保持输入输出之间的近似解耦关系，该设计实际工作空间仅为数微米，因此仍具有瞬时解耦的特点。对于只具有转动自由度的并联机构而言，解耦则更加困难。例如，中国专利文献CN03258423.7文献报道的“基于球面机构的太阳跟踪装置”中采用了三自由度球面机构，但它的三个转动完全耦合，即不能解耦；美国专利US005966991A提出的二自由度球面机构也只能在初始位置瞬时解耦，其他位置不能解耦。有关可以解耦的二自由度球面机构文献发明入目前尚未检索到。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是：提供一种二自由度解耦球面并联机构，它可做到二自由度下无条件解耦，并具有结构简单，控制和标定容易，精度高等特点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：
设计一种二自由度解耦球面并联机构，包括机座和动平台以及分别固连在机座和动平台之间的第一运动支链和第二运动支链；所述的第一运动支链包括：由连杆L1、连杆L2、连杆L3、连杆L4及由其联结的四个轴线空间平行的回转副R1、回转副R2、回转副R3、回转副R4而构成的平行四边形机构，三个轴线空间平行的回转副R5、回转副R6、回转副R7和一个轴线空间垂直的回转副R8以及对应联结它们的连杆L5、连杆L6、连杆L7和一端与所述的回转副R8连接的连杆L8；所述的第二运动支链包括：轴线垂直的两个回转副R9、R10以及联结它们的连杆L9；所述的回转副R5固连在所述平行四边形机构的连杆L4上，且回转副R5的轴线与平行四边形机构的回转副R1、回转副R2、回转副R3、回转副R4轴线垂直，而与所述回转副R9轴线平行；所述第一运动支链的一端通过与回转副R8连接的连杆L8的另一端与动平台连接，回转副R8的轴线与所述三个轴线平行的回转副R5、回转副R6、回转副R7垂直，而与所述回转副R10轴线平行；而另一端通过所述的回转副R1安装在机座的一端上；所述的第二运动支链的一端通过回转副R10与动平台连接，另一端通过所述的回转副R9安装在机座的另一端上；所述的回转副R1和回转副R9的轴线相互垂直。
与现有技术相比，本发明的二自由度解耦球面并联机构中，所述的每一支链的单独驱动都会使得动平台仅绕相应轴旋转，而与另外一个支链的驱动单元无关，因而可以实现无条件解耦，简化了运动学方程，使机构运动控制和标定容易，精度提高，并且结构简单。
附图说明
图1为本发明二自由度解耦球面并联机构一种实施例的总体结构示意图；
图2为本发明二自由度解耦球面并联机构所述运动支链2的一种实施例的结构示意图；
图3为本发明二自由度解耦球面并联机构所述的运动支链4的一种实施例的结构示意图；
图4为本发明二自由度解耦球面并联机构所述的运动支链2的另一种实施例的结构示意图。
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，但它不限制本发明的权利要求。
本发明的二自由度解耦球面并联机构(参见图1-3)，包括机座1和动平台3以及分别固连在机座1和动平台3之间的第一运动支链2和第二运动支链4；所述的第一运动支链2包括：由连杆L1(图中标记为22a，下同)、连杆L222b、连杆L322c、连杆L422d及由其联结的四个轴线空间平行的回转副R121a、回转副R221b、回转副R321c、回转副R421d而构成的平行四边形机构，三个轴线空间平行的回转副R523a、回转副R623b、回转副R723c和一个轴线空间垂直的回转副R825以及对应联结它们的连杆L524a、连杆L624b、连杆L724c和一端与所述的回转副R825连接的连杆L826；所述的第二运动支链4包括：轴线垂直的两个回转副R941、R1043以及联结它们的连杆L942；所述的回转副R523a固连在所述平行四边形机构的连杆L422d上，且回转副R523a的轴线与平行四边形机构的回转副R121a、回转副R221b、回转副R321c、回转副R421d轴线垂直，而与所述回转副R941轴线平行；所述第一运动支链2的一端通过与回转副R825连接的连杆L826的另一端与动平台3连接，回转副R825的轴线与所述三个轴线平行的回转副R523a、回转副R623b、回转副R723c垂直，而与所述回转副R1043轴线平行；而另一端通过所述的回转副R121a安装在机座1的一端上；所述的第二运动支链4的一端通过回转副R1043与动平台3连接，另一端通过所述的回转副R941安装在机座1的另一端上；所述的回转副R121a和回转副R941的轴线相互垂直。
在本发明二自由度解耦球面并联机构中，所述的动平台3、机座1的结构形状不受限定。在不影响所述机构自由运动的情况下，它们的结构形状可以是任意的。
根据本发明的独创设计，本发明二自由度解耦球面并联机构无论在任何姿态下，当只驱动回转副R941时，动平台3只绕固定轴Z1也即回转副R941的轴线旋转，且旋转角速度相同(参见图1-3)；同样，当只驱动平行四边形机构的回转副R121a时，动平台3也只绕动轴Z2，也即回转副R1043的轴线旋转。由于所述的每一运动支链的单独驱动使得动平台3仅绕相应轴旋转，而与另外一个运动支链的驱动无关，因而动平台3沿轴线Z1和Z2的转动是解耦的，并且是无条件解耦的。
本发明二自由度解耦球面并联机构上述实施例的一大特点是，该机构全部采用回转副，它所带来的突出优点是：可以实现二自由度高速无条件解耦运转。
本发明二自由度解耦球面并联机构的另一实施例是：上述实施例所述的第一运动支链2中的平行四边形机构可由移动副21代替(参见图4)，且移动副21的运动方向与所述三个轴线平行的回转副R523a、回转副R623b、回转副R723c轴线方向平行，也与所述的回转副R941轴线方向平行，移动副21安装在机座1上，移动副21由连杆L1022与所述的回转副R523a连接。本实施例的二自由度解耦球面并联机构同样可以实现二自由度运动解耦，即无论在任何姿态下(参见图1、4)，当只驱动回转副R941，动平台3只绕固定轴Z1也即回转副R941的轴线旋转，且旋转角速度相同；同样，当只驱动移动副21时，动平台3也只绕动轴Z2，也即回转副R1043的轴线旋转。由于每一运动支链的单独驱动使得动平台3仅绕相应轴旋转，而与另外一个运动支链的驱动无关，因而动平台3沿轴线Z1和Z2的转动是解耦的，并且是无条件解耦的。本实施例设计的突出优点是：结构简单，制造容易，维养方便。
本发明未述及之处适用于现有技术。
本发明的二自由度解耦球面并联机构，由于运动是完全解耦的，因而可以简化机构的运动学模型，从而为机构的精确控制和标定带来了可能和方便，便于工业实施应用。

Claims (2)

1.一种二自由度解耦球面并联机构，包括机座(1)和动平台(3)以及分别固连在机座(1)和动平台(3)之间的第一运动支链(2)和第二运动支链(4)；所述的第一运动支链(2)包括：由连杆L1(22a)、连杆L2(22b)、连杆L3(22c)、连杆L4(22d)及由其联结的四个轴线空间平行的回转副R1(21a)、回转副R2(21b)、回转副R3(21c)、回转副R4(21d)而构成的平行四边形机构，三个轴线空间平行的回转副R5(23a)、回转副R6(23b)、回转副R7(23c)和一个轴线空间垂直的回转副R8(25)以及对应联结它们的连杆L5(24a)、连杆L6(24b)、连杆L7(24c)和一端与所述的回转副R8(25)连接的连杆L8(26)；所述的第二运动支链(4)包括：轴线垂直的两个回转副R9(41)、R10(43)以及联结它们的连杆L9(42)；所述的回转副R5(23a)固连在所述平行四边形机构的连杆L4(22d)上，且回转副R5(23a)的轴线与平行四边形机构的回转副R1(21a)、回转副R2(21b)、回转副R3(21c)、回转副R4(21d)轴线垂直，而与所述回转副R9(41)轴线平行；所述第一运动支链(2)的一端通过与回转副R8(25)连接的连杆L8(26)的另一端与动平台(3)连接，回转副R8(25)的轴线与所述三个轴线平行的回转副R5(23a)、回转副R6(23b)、回转副R7(23c)垂直，而与所述回转副R10(43)轴线平行；而另一端通过所述的回转副R1(21a)安装在机座(1)的一端上；所述的第二运动支链(4)的一端通过回转副R10(43)与动平台(3)连接，另一端通过所述的回转副R9(41)安装在机座(1)的另一端上；所述的回转副R1(21a)和回转副R9(41)的轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的二自由度解耦球面并联机构，其特征在于：所述的第一运动支链(2)中的平行四边形机构由移动副(21)代替，且移动副(21)的运动方向与所述三个轴线平行的回转副R5(23a)、回转副R6(23b)、回转副R7(23c)轴线方向平行，也与所述的回转副R9(41)轴线方向平行，移动副(21)安装在机座(1)上，移动副(21)由连杆L10(22)与所述的回转副(23a)连接。
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