專利名稱：用于虛擬軸數(shù)控機(jī)床與機(jī)械測(cè)量機(jī)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類機(jī)床、機(jī)器人與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體地說(shuō)是為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸數(shù)控機(jī)床、虛擬軸并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與并聯(lián)機(jī)器人提供一類(4種)新型的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
基于上述情況，Tsai提出虛擬軸數(shù)控機(jī)床用兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺(tái)為三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，上平臺(tái)為三維轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(US Patent，Tsai，Patent Nember5656905，1997)。其主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為8次；位置與方向解耦；與六腿Stewart機(jī)構(gòu)相比，工作空間較大；完全由轉(zhuǎn)動(dòng)副組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)，與球面副相比容易制造。但Tsai機(jī)構(gòu)仍有以下缺點(diǎn)①運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為8次封閉解，需建立一元8次方程并求解，這使得系統(tǒng)的控制和軌跡規(guī)劃較復(fù)雜。②三維平移機(jī)構(gòu)本身運(yùn)動(dòng)輸入—輸出為強(qiáng)耦合，使系統(tǒng)控制甚為復(fù)雜。③機(jī)構(gòu)存在虛約束，使其制造與裝配較復(fù)雜。④工作空間仍相對(duì)較小。
并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，也是近年來(lái)科學(xué)測(cè)量?jī)x上的一個(gè)重大進(jìn)展，與傳統(tǒng)的屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的測(cè)量機(jī)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運(yùn)動(dòng)速度高、誤差不疊加等獨(dú)特性，可使測(cè)量精度及測(cè)量效率等性能得到很大改善。目前，已有的相對(duì)成熟的并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等。對(duì)于6-SPS和6-RSS機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于其可動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于基平臺(tái)具有6個(gè)空間自由度，因而其末端執(zhí)行器的空間位姿比較靈活，但由于該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，空間約束較少，致使其末端執(zhí)行器的求解較困難。
由于上述幾種結(jié)構(gòu)中均含有較多的球面副，因此其制造及裝配均較復(fù)雜。
綜上所述，虛軸數(shù)控機(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)器人的發(fā)展和實(shí)用化需要?jiǎng)?chuàng)造出優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的新機(jī)型。
附圖2～附圖4為附

圖1所示的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合鏈腿的三種衍生結(jié)構(gòu)示意圖1、附圖2為附圖1所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合鏈腿的衍生結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它由一個(gè)五桿(1、2、3、4、5)依次通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R6、R7、R3、R4、R5)連接構(gòu)成的平面閉路結(jié)構(gòu)及構(gòu)件6組成，平面閉路結(jié)構(gòu)的構(gòu)件2、5分別與靜平臺(tái)1用轉(zhuǎn)動(dòng)副R6、R5機(jī)械聯(lián)接，構(gòu)件3與構(gòu)件6以轉(zhuǎn)動(dòng)副R2機(jī)械連接，而構(gòu)件6與上動(dòng)平臺(tái)0用球副S1機(jī)械連接。
2、附圖3為附圖1所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合鏈腿的另一衍生結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它由一個(gè)六桿(1、2、3、4、5、6)依次通過(guò)六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R1、R2、R3、R5、R6、R7)連接構(gòu)成的平面閉路結(jié)構(gòu)及一個(gè)由構(gòu)件7、8通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R8)連接構(gòu)成的開鏈結(jié)構(gòu)組成；開鏈結(jié)構(gòu)的構(gòu)件7與平面閉路結(jié)構(gòu)的構(gòu)件4以軸線平行于轉(zhuǎn)動(dòng)副R8的轉(zhuǎn)動(dòng)副R4連接，構(gòu)件8與上動(dòng)平臺(tái)o用轉(zhuǎn)動(dòng)副R9機(jī)械連接；而平面閉路結(jié)構(gòu)的構(gòu)件2、6分別與靜平臺(tái)1用轉(zhuǎn)動(dòng)副R1、R7機(jī)械聯(lián)接。
3、附圖4為附圖1所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合鏈腿的又一衍生結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它為一空間閉路結(jié)構(gòu)，由兩條分別包含二個(gè)構(gòu)件(2、3)或(4、5)的球副—球副—轉(zhuǎn)動(dòng)副型支鏈(S1-S2-R3)或(S1-S5-R4)組成，兩條支鏈的二外接球副S1共球心活動(dòng)連接后，又與動(dòng)平臺(tái)0構(gòu)成復(fù)合球副S1連接，而其外接轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、R3分別與靜平臺(tái)1機(jī)械連接。
當(dāng)上述三種衍生混合鏈腿分別替代附圖1中的混合鏈腿時(shí)，可構(gòu)成另外三個(gè)不同的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，均可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)三個(gè)平移及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。
控制附圖1所述六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)下靜平臺(tái)1上的六個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，就可控制上動(dòng)平臺(tái)0在空間的位置和姿志，實(shí)現(xiàn)空間一般運(yùn)動(dòng)，即三維平移及三維轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。如在動(dòng)平臺(tái)上安裝動(dòng)力頭和刀具，即可以作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸數(shù)控機(jī)床；如在動(dòng)平臺(tái)上安裝測(cè)頭即可以作為并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。
本發(fā)明為一類(4種)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)①機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)六自由度(三個(gè)平移及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)輸出。②機(jī)構(gòu)較簡(jiǎn)單，具有重量輕、剛性好，可高速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。③運(yùn)動(dòng)輸入—輸出具有部分解耦性，可簡(jiǎn)化虛擬軸機(jī)床與機(jī)器人系統(tǒng)的控制問(wèn)題；也可大大地減少在建立并聯(lián)虛軸測(cè)量機(jī)測(cè)量模型、測(cè)量校正與補(bǔ)償模型等方面的難度。④除附圖4所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用10個(gè)球副外，附圖1～附圖3所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)均使用球副較少(4～6個(gè))，其余均采用轉(zhuǎn)動(dòng)副和園柱副，可使機(jī)構(gòu)制造、安裝較為簡(jiǎn)單，利于精密加工，且成本較低。⑤所有驅(qū)動(dòng)馬達(dá)均在靜平臺(tái)上，可減少機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)負(fù)載，改善動(dòng)力學(xué)性能。
總之，本發(fā)明為虛擬軸數(shù)控機(jī)床、并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與機(jī)器人(含步行、爬行機(jī)器人、微動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人)等提供了具有上述特點(diǎn)的新機(jī)型，有利于新型虛軸機(jī)床、新型并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和新型并聯(lián)機(jī)器人的開發(fā)和實(shí)用化。
附圖1為本發(fā)明的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖1所示的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它由上動(dòng)平臺(tái)0、下靜平臺(tái)1及連接上下平臺(tái)的二條結(jié)構(gòu)相同的混合鏈腿與二條結(jié)構(gòu)相同的簡(jiǎn)單開鏈腿組成。混合鏈腿由一平面閉路結(jié)構(gòu)及一開鏈結(jié)構(gòu)組成，平面閉路結(jié)構(gòu)(R2-R9-R11-R10-R3)由一個(gè)五桿(1、2、3、4、5)依次通過(guò)五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R2、R9、R11、R10、R3)連接組成，其構(gòu)件2、5分別與靜平臺(tái)1用轉(zhuǎn)動(dòng)副(R2、R3)機(jī)械聯(lián)接；開鏈結(jié)構(gòu)(R11-R8-R7-R12)的構(gòu)件6、7、8分別通過(guò)軸線相互平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R8、R7)組成，而構(gòu)件6與平面閉路結(jié)構(gòu)中作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件3、4在轉(zhuǎn)動(dòng)副R11處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，構(gòu)件8與上動(dòng)平臺(tái)o用轉(zhuǎn)動(dòng)副R12機(jī)械連接；而簡(jiǎn)單開鏈腿由二構(gòu)件9、10通過(guò)球副S14連接組成，而構(gòu)件9與動(dòng)平臺(tái)0用球副S15機(jī)械連接，構(gòu)件10與靜平臺(tái)1用轉(zhuǎn)動(dòng)副R1機(jī)械聯(lián)接。因此，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜平臺(tái)有六個(gè)聯(lián)接點(diǎn)(R1、R2、R3、R4、R5、R6)，動(dòng)平臺(tái)有四個(gè)聯(lián)接點(diǎn)(R12、R13、S15、S16)。但靜平臺(tái)上的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副可用六個(gè)移動(dòng)副代替。
當(dāng)三條聯(lián)接腿的連桿結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及其在動(dòng)、靜平臺(tái)上的分布位置一定時(shí)，控制靜平臺(tái)1上六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(R1、R2、R3、R4、R5、)的運(yùn)動(dòng)，就可控制動(dòng)平臺(tái)0在空間的一般位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)三維平移及三維轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。該種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制等均可按常規(guī)機(jī)電技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)可作為機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；如在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具或探頭，即可以作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸數(shù)控機(jī)床及虛擬軸并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求
①、用于虛擬軸數(shù)控機(jī)床、虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及并聯(lián)機(jī)器人的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由上動(dòng)平臺(tái)、下靜平臺(tái)及連接上下平臺(tái)的四條腿組成，其特征在于這四條腿為二條相同的含回路的混合鏈腿及二條相同的簡(jiǎn)單開鏈腿；混合鏈腿包含一個(gè)由五個(gè)構(gòu)件依次通過(guò)五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平面閉路結(jié)構(gòu)及一個(gè)由三個(gè)構(gòu)件通過(guò)軸線平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的開鏈結(jié)構(gòu)，平面閉路結(jié)構(gòu)的兩構(gòu)件與靜平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，而開鏈結(jié)構(gòu)的一外接構(gòu)件與平面閉路結(jié)構(gòu)中作平面運(yùn)動(dòng)的二構(gòu)件構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，其另一外接構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)用一轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接；而簡(jiǎn)單開鏈腿由二構(gòu)件通過(guò)一球副連接組成，其一構(gòu)件與靜平臺(tái)用轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，另一構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)也用一球副機(jī)械連接。
②、按照權(quán)利要求①所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于混合鏈腿的平面閉路結(jié)構(gòu)仍由五個(gè)構(gòu)件依次通過(guò)五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，其中兩構(gòu)件與靜平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接；而開鏈結(jié)構(gòu)可由一構(gòu)件代替，但該構(gòu)件的一端與平面閉路結(jié)構(gòu)中作平面運(yùn)動(dòng)的一構(gòu)件用一轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，另一端與動(dòng)平臺(tái)用球副機(jī)械連接。
③、按照權(quán)利要求①所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于混合鏈腿的平面閉路結(jié)構(gòu)由六個(gè)構(gòu)件依次通過(guò)六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，其中兩構(gòu)件與靜平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接；而開鏈結(jié)構(gòu)由二構(gòu)件通過(guò)一轉(zhuǎn)動(dòng)副連接組成，且開鏈結(jié)構(gòu)的一構(gòu)件和平面閉路結(jié)構(gòu)中與機(jī)架相對(duì)的一構(gòu)件用軸線平行于上述轉(zhuǎn)動(dòng)副的一轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，而另一構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)也用轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接。
④、按照權(quán)利要求①所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于混合鏈腿為一空間閉路結(jié)構(gòu)，它由兩條分別包含二個(gè)構(gòu)件的球副—球副—轉(zhuǎn)動(dòng)副型支鏈組成，兩條支鏈的二外接球副共球心活動(dòng)連接后，又與動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成復(fù)合球副連接，而其外接轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與靜平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接。
⑤按照權(quán)利要求①、②、③、④所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于靜平臺(tái)上的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副可用六個(gè)移動(dòng)副代替。
全文摘要
用于虛擬軸數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)及并聯(lián)機(jī)器人的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)及其二條相同的混合鏈腿與二條相同的簡(jiǎn)單開鏈腿組成?；旌湘溚扔梢黄矫骈]路結(jié)構(gòu)及一開鏈結(jié)構(gòu)組成，平面閉路結(jié)構(gòu)由五桿依次通過(guò)五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，其二構(gòu)件與靜平臺(tái)用轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接；開鏈結(jié)構(gòu)由三個(gè)構(gòu)件分別通過(guò)軸線相互平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，其一端構(gòu)件與平面閉路結(jié)構(gòu)中作平面運(yùn)動(dòng)的二構(gòu)件構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，另一端構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接；而簡(jiǎn)單開鏈腿由二構(gòu)件通過(guò)一球副連接組成，其一構(gòu)件與靜平臺(tái)用轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，另一構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)也用一球副機(jī)械連接。控制靜平臺(tái)上六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，就可控制動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維平移及三維轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。該機(jī)構(gòu)可作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)及并聯(lián)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)B25J3/00GK1445056SQ0311311
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者沈惠平, 楊廷力, 馬履中 申請(qǐng)人:江蘇工業(yè)學(xué)院