專利名稱：一種三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連桿空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和幾何測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，也涉及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
與正交運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，上述機(jī)構(gòu)無(wú)高精度的直線導(dǎo)軌，也無(wú)典型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與正交機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)比較，由于本發(fā)明機(jī)構(gòu)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)分之支的末端或自由端形成封閉，因此系統(tǒng)剛度好。
上述第三分支桿芯球鉸位置的正解、逆解問(wèn)題簡(jiǎn)述如下根據(jù)機(jī)架鉸心的位置坐標(biāo)和伸縮桿長(zhǎng)度，可列出以機(jī)架鉸心為球心，伸縮桿長(zhǎng)度為半徑的三個(gè)球面方程，再根據(jù)第三分支伸縮連桿上三個(gè)鉸心位于一條直線的特征和兩個(gè)球鉸中心的距離，可列出兩個(gè)球鉸心的坐標(biāo)的三個(gè)等式，用帶入消元法得到一元二次方程，最終可求出第三分支桿芯球鉸位置的兩個(gè)顯式解，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)單的限位措施可以保證該機(jī)構(gòu)三個(gè)確定的桿長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的位置。根據(jù)空間位置求桿長(zhǎng)的逆解問(wèn)題實(shí)際是求空間兩點(diǎn)的距離，更加簡(jiǎn)單。因此這種空間機(jī)構(gòu)的位置正解、逆解都相當(dāng)容易。
由于球鉸和虎克鉸的間隙比直線導(dǎo)軌的間隙容易消除，伸縮連桿的直線度對(duì)伸縮桿長(zhǎng)度的影響極小，利用伸縮連桿帶有的光柵尺，可精確在線測(cè)量計(jì)算三個(gè)伸縮桿兩端鉸鏈中心的距離即伸縮桿長(zhǎng)，因此可用較低的成本達(dá)到很高的測(cè)量位置重復(fù)精度，此外三個(gè)機(jī)架鉸鏈的中心點(diǎn)在過(guò)該點(diǎn)且與對(duì)應(yīng)桿垂直平面內(nèi)的位置誤差對(duì)第三分支桿芯球鉸位置的影響也極小。由此可見(jiàn)該機(jī)構(gòu)零件的形位誤差不被積累和放大，因此運(yùn)動(dòng)精度高。
此外伸縮連桿也可設(shè)計(jì)成帶動(dòng)力的主動(dòng)伸縮桿，實(shí)現(xiàn)三自由度空間位置的在線精確測(cè)量和閉環(huán)控制，可用于空間位置精確測(cè)量和控制的場(chǎng)合，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和裝配機(jī)器人。
該空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于坐標(biāo)測(cè)量最簡(jiǎn)單的情況是在第三分支伸縮連桿的自由端固定接觸式測(cè)頭，連桿被動(dòng)伸縮，根據(jù)測(cè)頭中心與第三分支伸縮連桿的相對(duì)位置即可確定測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)，制成手動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。由于第三分支伸縮桿用虎克鉸與機(jī)架連接，它不能繞桿的軸線自轉(zhuǎn)，可固定帶2個(gè)分度的測(cè)頭，改進(jìn)坐標(biāo)測(cè)量的靈活性，提高測(cè)量效率。當(dāng)然，如伸縮連桿帶動(dòng)力裝置，則可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。與常規(guī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)相比，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、成本低，剛度好、精度高，易于在制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。
該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也可用于裝配機(jī)器人，此時(shí)伸縮連桿設(shè)計(jì)成帶動(dòng)力的主動(dòng)伸縮桿，在第三分支伸縮連桿的自由端安裝帶關(guān)節(jié)的機(jī)械手或其它執(zhí)行部件如吸盤(pán)等。其優(yōu)點(diǎn)是其構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、成本低，剛度好、精度高，特別是運(yùn)動(dòng)位置正解、逆解有唯一的解析解，便于實(shí)時(shí)進(jìn)行位置測(cè)量和位置閉環(huán)控制。
如第三分支伸縮桿垂向吊掛布置，第一、二分支與第三分支的連接點(diǎn)也可在伸縮桿桿殼上，這樣第三分支桿芯不承受第一、二分支的重量，在手動(dòng)測(cè)量時(shí)，移動(dòng)更方便。
圖2是本發(fā)明用于裝配機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
通過(guò)三個(gè)桿的長(zhǎng)度和三個(gè)機(jī)架鉸點(diǎn)的中心位置，可以確定球鉸9的中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)，根據(jù)比例關(guān)系進(jìn)一步確定，測(cè)頭中心的空間位置，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量。利用該測(cè)量機(jī)構(gòu)可以制成手動(dòng)簡(jiǎn)易坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，當(dāng)然如伸縮桿可主動(dòng)伸縮即可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量。
該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于鉸關(guān)節(jié)的間隙容易消除，桿長(zhǎng)的精確測(cè)量比較容易，伸縮連桿3和伸縮連桿6的直線度對(duì)最終測(cè)量結(jié)果影響很小，因此可達(dá)到很高的測(cè)量位置重復(fù)精度，有利于鉸點(diǎn)空間坐標(biāo)和桿長(zhǎng)的誤差標(biāo)定。由此可見(jiàn)機(jī)構(gòu)并不需要太高的加工精度，只需要消除鉸的間隙，通過(guò)認(rèn)真標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度，與正交機(jī)構(gòu)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，簡(jiǎn)單，輕巧，容易在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到推廣。
實(shí)施例二三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于裝配機(jī)器人如圖2所示，機(jī)器人結(jié)構(gòu)由機(jī)架1、球鉸2、球鉸7、球鉸8和球鉸9，虎克鉸4，伸縮連桿3、伸縮連桿5和伸縮連桿6，單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11，轉(zhuǎn)動(dòng)桿12，單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)13，擺動(dòng)桿14和手爪15組成。其中機(jī)架1可以是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也可以是其它結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特征是伸縮連桿3呈橫向、伸縮連桿5呈豎向、伸縮連桿6呈縱向布置，伸縮連桿5的上端用虎克鉸4鉸接在機(jī)架上，伸縮連桿3、伸縮連桿6的一端通過(guò)球鉸2和球鉸9固定在機(jī)架1上，另一端也通過(guò)球鉸8和球鉸9與伸縮連桿5的桿芯連接，形成封閉結(jié)構(gòu)，伸縮連桿5的自由端通過(guò)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11連接與伸縮連桿5同軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)桿12，轉(zhuǎn)動(dòng)桿12的下端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)13連接擺動(dòng)桿14，擺動(dòng)桿14的另一端固定手爪15。擺動(dòng)軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)桿12的軸線垂直相交，伸縮桿3、伸縮桿5和伸縮桿6的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)桿12相對(duì)伸縮桿5的回轉(zhuǎn)角度及伸縮連桿3相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)桿12的擺動(dòng)角度均可以控制和測(cè)量。
通過(guò)三個(gè)桿的長(zhǎng)度測(cè)量作為三維空間精確位置反饋，可使球鉸9的中心點(diǎn)位于指定的空間位置，完成機(jī)械手大尺度的精確定位，桿3和桿6的直線度誤差對(duì)定位精度的影響很小，因此該機(jī)構(gòu)有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的大部分優(yōu)點(diǎn)，但位置在線計(jì)算非常簡(jiǎn)單。通過(guò)進(jìn)一步控制關(guān)節(jié)11和關(guān)節(jié)13的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)手爪15的姿態(tài)控制。由于轉(zhuǎn)動(dòng)桿12和擺動(dòng)桿14只需要很小的長(zhǎng)度，因此手爪15的位置和姿態(tài)控制的誤差也較小。
權(quán)利要求
1.一種三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括機(jī)架和三個(gè)設(shè)有鉸鏈的可伸縮連桿分支，其特征在于該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)三個(gè)固定伸縮連桿桿殼端部的鉸鏈與機(jī)架連接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一、第二分支各含有一個(gè)單自由度移動(dòng)副、兩個(gè)球鉸，第三個(gè)分支含有一個(gè)單自由度移動(dòng)副、一個(gè)虎克鉸，該伸縮連桿桿殼端部與虎克鉸相連，另一端為伸縮連桿的自由端；所述第一、二分支各有一個(gè)球鉸固定在機(jī)架上，另一個(gè)球鉸與第三分支的伸縮連桿的桿芯連接，機(jī)架的三個(gè)鉸點(diǎn)應(yīng)構(gòu)成一個(gè)平面，第三分支上的虎克鉸和第一、二分支伸縮連桿的桿芯上的兩個(gè)球鉸在一條直線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于第一、二分支的伸縮連桿桿芯的一端也可公用一個(gè)復(fù)合球鉸與第三分支連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于第三分支伸縮連桿的自由端可以安裝機(jī)械手。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于第三分支伸縮連桿的自由端可以安裝測(cè)量頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于第一、二分支的伸縮連桿與第三分支的連接點(diǎn)也可在伸縮桿桿殼上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),屬于幾何測(cè)量領(lǐng)域,該機(jī)構(gòu)包括機(jī)架和三個(gè)設(shè)有鉸鏈的可伸縮連桿分支,特征在于:該機(jī)構(gòu)通過(guò)三個(gè)分支與機(jī)架連接,機(jī)架上的三個(gè)鉸點(diǎn)應(yīng)構(gòu)成一個(gè)平面,三個(gè)分支均含有一個(gè)單自由度移動(dòng)副,其中第一、第二分支還各含有兩個(gè)球鉸,第三分支含一個(gè)虎克鉸;第一、第二分支各有一個(gè)球鉸固定于機(jī)架,另外一個(gè)球鉸與第三分支的伸縮桿桿芯連接,第三分支伸縮連桿殼的一端用虎克鉸連接在機(jī)架上,該分支連桿上的虎克鉸及其桿芯上的兩個(gè)球鉸在一條直線上。上述機(jī)構(gòu)剛度好、精度高,其位置正、逆解有顯式單解,可用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和裝配機(jī)器人。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1339690SQ0112886
公開(kāi)日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2001年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月18日
發(fā)明者周文祥 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)