專利名稱：轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，特別是轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的五自由度機構(gòu)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類型。串聯(lián)式機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、工作空間大等優(yōu)點，但由于機構(gòu)是串聯(lián)連接且需要在關(guān)節(jié)處安裝驅(qū)動電機而造成其具有機械臂重量大、轉(zhuǎn)動慣量大、誤差累積大等不足。相對串聯(lián)機構(gòu)來講，并聯(lián)式機構(gòu)是由多條運動支鏈共同驅(qū)動動平臺來實現(xiàn)其末端執(zhí)行器的位姿輸出，因而此類機構(gòu)具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、承載能力強等優(yōu)點，同時也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難等缺點。混聯(lián)式機構(gòu)是采用并聯(lián)與串聯(lián)結(jié)合的方式來實現(xiàn)機構(gòu)的運動，但由于其串聯(lián)部分仍需 將驅(qū)動安裝在機構(gòu)關(guān)節(jié)上，所以機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)性能較差。US. Patent No. 4976582公開了一種可實現(xiàn)三維平動一維轉(zhuǎn)動空間四自由度機構(gòu)，該機械手采用外轉(zhuǎn)動副驅(qū)動和平行四邊形支鏈結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)末端執(zhí)行器的高速3維平動，同時還在動靜平臺間設(shè)置兩端帶有虎克鉸鏈的可伸縮轉(zhuǎn)軸，以實現(xiàn)末端執(zhí)行器的單自由度轉(zhuǎn)動。此機構(gòu)是在三平移并聯(lián)機構(gòu)上串聯(lián)一個單自由度機構(gòu)來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)動輸出從而實現(xiàn)空間四自由度運動，但發(fā)明人巧妙的將本應(yīng)在動平臺上安裝的電機安裝在機架上。受US. Patent No. 4976582啟發(fā)，本發(fā)明為實現(xiàn)空間五自由度運動而首次將機構(gòu)設(shè)計成三維平動并聯(lián)機構(gòu)上串聯(lián)兩維轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)，且本機構(gòu)的五臺驅(qū)動電機全部安裝在機架上，平動自由度與轉(zhuǎn)動自由度可實現(xiàn)獨立控制。本發(fā)明解決了五自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)正、逆解困難，控制困難等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，可解決五自由度串聯(lián)機構(gòu)剛性差、慣量大、關(guān)節(jié)誤差累積等問題和五自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)正、逆解困難，控制困難等問題。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達到上述目的轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，包括機架、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈、第四運動支鏈、第五運動支鏈、平動臺以及球面運動鏈。所述第一運動支鏈由第一伺服電機、第一主動桿、第一連桿和第二連桿組成，安裝在機架上的第一伺服電機通過第一轉(zhuǎn)動副驅(qū)動第一主動桿運動，第一主動桿通過第一虎克鉸(或球面副)和第二虎克鉸(或球面副)帶動第一連桿和第二連桿運動，第一連桿和第二連桿通過第三虎克鉸(或球面副)和第四虎克鉸(或球面副)帶動平動臺運動。所述第二運動支鏈由第二伺服電機、第二主動桿、第三連桿和第四連桿組成，安裝在機架上的第二伺服電機通過第二轉(zhuǎn)動副驅(qū)動第二主動桿運動，第二主動桿通過第五虎克鉸(或球面副)和第六虎克鉸(或球面副)帶動第三連桿和第四連桿運動，第三連桿和第四連桿通過第七虎克鉸(或球面副)和第八虎克鉸(或球面副)帶動平動臺運動。所述第三運動支鏈由第三伺服電機、第三主動桿、第五連桿和第六連桿組成，安裝在機架上的第三伺服電機通過第三轉(zhuǎn)動副驅(qū)動第三主動桿運動，第三主動桿通過第九虎克鉸(或球面副)和第十虎克鉸(或球面副)帶動第五連桿和第六連桿運動，第五連桿和第六連桿通過第十一虎克鉸(或球面副)和第十二虎克鉸(或球面副)帶動平動臺運動。所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈聯(lián)合驅(qū)動平動臺運動，所述平動臺可實現(xiàn)空間三維平動的運動。所述第四運動支鏈由第四伺服電機、第七連桿和第八連桿、第一錐齒輪和第二錐齒輪組成，安裝在機架上的第四伺服電機通過第十三虎克鉸驅(qū)動第七連桿運動，第七連桿通過第一移動副與第八連桿連接并帶動第八連桿運動，第八連桿另一端通過第十四虎克鉸帶動第一錐齒輪運動，第一錐齒輪通過第四轉(zhuǎn)動副與平動臺連接且通過與第二錐齒輪嚙合帶動第二錐齒輪運動，第二錐齒輪通過第五轉(zhuǎn)動副與平動臺連接。 所述第五運動支鏈由第五伺服電機、第九連桿和第十連桿、第三錐齒輪和第四錐齒輪組成，安裝在機架上的第五伺服電機通過第十五虎克鉸驅(qū)動第九連桿運動，第九連桿通過第二移動副與第十連桿連接并帶動第十連桿運動，第十連桿另一端通過第十六虎克鉸帶動第三錐齒輪運動，第三錐齒輪通過第六轉(zhuǎn)動副與平動臺連接且通過與第四錐齒輪嚙合帶動第四錐齒輪運動，第四錐齒輪通過第七轉(zhuǎn)動副與平動臺連接。所述球面運動鏈由第十一連桿、第十二連桿、第十三連桿和第十四連桿組成，第二錐齒輪通過第五轉(zhuǎn)動副帶動第十一連桿運動，第四錐齒輪通過第七轉(zhuǎn)動副帶動第十四連桿運動，第十一連桿和第十四連桿通過第八轉(zhuǎn)動副和第十轉(zhuǎn)動副帶動通過第九轉(zhuǎn)動副連接的第十二連桿和第十三連桿運動，第五轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副、第九轉(zhuǎn)動副和第十轉(zhuǎn)動副的軸線相交于一點，第十二連桿和第十三連桿均可實現(xiàn)繞上述交點的兩維轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的突出優(yōu)點在于
1、驅(qū)動電機均安裝在機架上，桿件做成輕桿，機構(gòu)重量輕、剛性好、慣量小、動力學(xué)性能
好;
2、機構(gòu)的平動運動和轉(zhuǎn)動運動分別由不同的支鏈單獨控制，機構(gòu)運動學(xué)正、逆問題求解容易，控制方便；
3、安裝上不同的末端執(zhí)行器，本機構(gòu)可應(yīng)用到裝配、焊接、姿態(tài)調(diào)整和定位設(shè)備、激光、醫(yī)用等領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的第三結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的工作示意圖。圖5為本發(fā)明所述轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的球面運動鏈示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。對照圖I、圖2和圖3，轉(zhuǎn)動 運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，包括機架I、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈、第四運動支鏈、第五運動支鏈、平動臺39以及球面運動鏈。所述第一運動支鏈由第一伺服電機2、第一主動桿10、第一連桿19和第二連桿20組成，安裝在機架I上的第一伺服電機2通過第一轉(zhuǎn)動副7驅(qū)動第一主動桿10運動，第一主動桿10通過第一虎克鉸(或球面副)13和第二虎克鉸(或球面副)14帶動第一連桿19和第二連桿20運動，第一連桿19和第二連桿20通過第三虎克鉸(或球面副)25和第四虎克鉸(或球面副)26帶動平動臺39運動。所述第二運動支鏈由第二伺服電機3、第二主動桿11、第三連桿21和第四連桿22組成，安裝在機架I上的第二伺服電機3通過第二轉(zhuǎn)動副8驅(qū)動第二主動桿11運動，第二主動桿11通過第五虎克鉸(或球面副)15和第六虎克鉸(或球面副)16帶動第三連桿21和第四連桿22運動，第三連桿21和第四連桿22通過第七虎克鉸(或球面副)27和第八虎克鉸(或球面副)28帶動平動臺39運動。所述第三運動支鏈由第三伺服電機4、第三主動桿12、第五連桿23和第六連桿24組成，安裝在機架I上的第三伺服電機4通過第三轉(zhuǎn)動副9驅(qū)動第三主動桿12運動，第三主動桿12通過第九虎克鉸(或球面副)17和第十虎克鉸(或球面副)18帶動第五連桿23和第六連桿24運動,第五連桿23和第六連桿24通過第^^一虎克鉸(或球面副)29和第十二虎克鉸(或球面副)30帶動平動臺39運動。所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈聯(lián)合驅(qū)動平動臺39運動，所述平動臺39可實現(xiàn)空間三維平動的運動。所述第四運動支鏈由第四伺服電機5、第七連桿33和第八連桿35、第一錐齒輪51和第二錐齒輪52組成，安裝在機架I上的第四伺服電機5通過第十三虎克鉸31驅(qū)動第七連桿33運動，第七連桿33通過第一移動副55與第八連桿35連接并帶動第八連桿35運動，第八連桿35另一端通過第十四虎克鉸37帶動第一錐齒輪51運動，第一錐齒輪51通過第四轉(zhuǎn)動副40與平動臺39連接且通過與第二錐齒輪52嚙合帶動第二錐齒輪52運動，第二錐齒輪52通過第五轉(zhuǎn)動副42與平動臺39連接。所述第五運動支鏈由第五伺服電機6、第九連桿34和第十連桿36、第三錐齒輪53和第四錐齒輪54組成，安裝在機架I上的第五伺服電機6通過第十五虎克鉸32驅(qū)動第九連桿34運動，第九連桿34通過第二移動副56與第十連桿36連接并帶動第十連桿36運動，第十連桿36另一端通過第十六虎克鉸38帶動第三錐齒輪53運動,第三錐齒輪53通過第六轉(zhuǎn)動副41與平動臺39連接且通過與第四錐齒輪54嚙合帶動第四錐齒輪54運動，第四錐齒輪54通過第七轉(zhuǎn)動副50與平動臺39連接。所述球面運動鏈由第i^一連桿43、第十二連桿45、第十三連桿47和第十四連桿49組成，第二錐齒輪52通過第五轉(zhuǎn)動副42帶動第十一連桿43運動，第四錐齒輪54通過第七轉(zhuǎn)動副50帶動第十四連桿49運動，第i^一連桿43和第十四連桿49通過第八轉(zhuǎn)動副44和第十轉(zhuǎn)動副48帶動通過第九轉(zhuǎn)動副46連接的第十二連桿45和第十三連桿47運動，第五轉(zhuǎn)動副42、第七轉(zhuǎn)動副50、第八轉(zhuǎn)動副44、第九轉(zhuǎn)動副46和第十轉(zhuǎn)動副48的軸線相交于一點，第十二連桿45和第十三連桿47均可實現(xiàn)繞上述交點的兩維轉(zhuǎn)動。對照圖4，轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，平動臺39在第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈的驅(qū)動下做三維平動運動，而球面運動鏈的兩維轉(zhuǎn)動運動由第四運動支鏈和第五運動支鏈共同驅(qū)動，本機構(gòu)的轉(zhuǎn)動運動與平動運動由不同的運動支鏈驅(qū)動。對照圖2和圖5，轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)的球面運動鏈第五轉(zhuǎn)動副42、第七轉(zhuǎn)動副50、第八轉(zhuǎn)動副44、第九轉(zhuǎn)動副46和第十轉(zhuǎn)動副48 的軸線相交于一點，第十一連桿43、第十二連桿45、第十三連桿47以及第十四連桿49共同組成了一個球面運動鏈。
權(quán)利要求
1.轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，包括機架、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈、第四運動支鏈、第五運動支鏈、平動臺以及球面運動鏈，其特征在于: 所述第一運動支鏈由第一伺服電機、第一主動桿、第一連桿和第二連桿組成，第一主云力桿一端通過第一轉(zhuǎn)動副與安裝在機架上的第一伺服電機連接，第一主動桿另一端通過第一虎克鉸(或球面副)和第二虎克鉸(或球面副)與第一連桿和第二連桿連接，第一連桿另一端通過第三虎克鉸(或球面副)與平動臺連接，第二連桿另一端通過第四虎克鉸(或球面副)與平動臺連接， 所述第二運動支鏈由第二伺服電機、第二主動桿、第三連桿和第四連桿組成，第二主動桿一端通過第二轉(zhuǎn)動副與安裝在機架上的第二伺服電機連接，第二主動桿另一端通過第五虎克鉸(或球面副)和第六虎克鉸(或球面副)與第三連桿和第四連桿連接，第三連桿另一端通過第七虎克鉸(或球面副)與平動臺連接，第四連桿另一端通過第八虎克鉸(或球面副)與平動臺連接， 所述第三運動支鏈由第三伺服電機、第三主動桿、第五連桿和第六連桿組成，第三主動桿一端通過第三轉(zhuǎn)動副與安裝在機架上的第三伺服電機連接，第三主動桿另一端通過第九虎克鉸(或球面副)和第十虎克鉸(或球面副)與第五連桿和第六連桿連接，第五連桿另一端通過第十一虎克鉸(或球面副)與平動臺連接，第六連桿另一端通過第十二虎克鉸(或球面畐1J)與平動臺連接， 所述第四運動支鏈由第四伺服電機、第七連桿和第八連桿、第一錐齒輪和第二錐齒輪組成，第七連桿一端通過第十三虎克鉸與安裝在機架上的第四伺服電機連接，第七連桿另一端通過第一移動副與第八連桿連接，第八連桿另一端通過第十四虎克鉸與第一錐齒輪連接，第一錐齒輪通過第四轉(zhuǎn)動副與平動臺連接，第一錐齒輪與第二錐齒輪嚙合，第二錐齒輪通過第五轉(zhuǎn)動副與平動臺連接， 所述第五運動支鏈由第五伺服電機、第九連桿和第十連桿、第三錐齒輪和第四錐齒輪組成，第九連桿一端通過第十五虎克鉸與安裝在機架上的第五伺服電機連接，第九連桿另一端通過第二移動副與第十連桿連接，第十連桿另一端通過第十六虎克鉸與第三錐齒輪連接，第三錐齒輪通過第六轉(zhuǎn)動副與平動臺連接，第三錐齒輪與第四錐齒輪嚙合，第四錐齒輪通過第七轉(zhuǎn)動副與平動臺連接， 所述球面運動鏈由第十一連桿、第十二連桿、第十三連桿和第十四連桿組成，第十一連桿一端通過第五轉(zhuǎn)動副與第二錐齒輪連接，第十一連桿另一端通過第八轉(zhuǎn)動副與第十二連桿連接，第十二連桿另一端通過第九轉(zhuǎn)動副與第十三連桿連接，第十三連桿另一端通過第十轉(zhuǎn)動副與第十四連桿連接，第十四連桿另一端通過第七轉(zhuǎn)動副與第四錐齒輪連接，第五轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副、第九轉(zhuǎn)動副和第十轉(zhuǎn)動副的軸線相交于一點。
全文摘要
轉(zhuǎn)動運動和平動運動單獨控制的空間五自由度機構(gòu)，包括機架、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈、第四運動支鏈、第五運動支鏈、平動臺以及球面運動鏈。所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈共同驅(qū)動平動臺做三維平動運動；所述第四運動支鏈和第五運動支鏈共同驅(qū)動球面運動鏈運動，球面運動鏈可實現(xiàn)繞球心的兩維轉(zhuǎn)動。本發(fā)明平動運動與轉(zhuǎn)動運動由不同的支鏈單獨控制，機構(gòu)運動學(xué)正、逆解求解容易，控制方便，且驅(qū)動電機均安裝在機架上，桿件可以做成輕桿，有效降低機構(gòu)重量，機構(gòu)剛性好、慣量小、動力學(xué)性能好。
文檔編號B25J9/00GK102773856SQ20121031086
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者王紅州 申請人:江西省機械科學(xué)研究所