本實用新型涉及無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)及使用該機(jī)構(gòu)的雕刻機(jī)。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)可定義為：定平臺和動平臺之間用兩個或兩個以上的獨立運動支鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)又稱并聯(lián)機(jī)器人，是近年來機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點之一，具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差累計小、動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。并聯(lián)機(jī)器人又分為六自由度并聯(lián)機(jī)器人和少自由度并聯(lián)機(jī)器人。少自由度并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、控制較為容易、制造成本低等特點，使得少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)機(jī)器人、虛軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)、運動模擬器及醫(yī)用機(jī)器人等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用場景。

申請公布日為2010年12月8日、申請公布號為CN 101905458 A的一篇發(fā)明專利公開了一種三平臺空間并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括動平臺和定平臺，定平臺通過三條支鏈與動平臺連接，三條支鏈分別具有與定平臺相連的轉(zhuǎn)動鉸或驅(qū)動副，當(dāng)各轉(zhuǎn)動鉸或驅(qū)動副在控制下運動不同的角度時，三條支鏈做相應(yīng)的運動，從而實現(xiàn)動平臺在工作空間內(nèi)做平動運動。

但是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的一次平動運動需要每條支鏈均主動輸入一定的運動來實現(xiàn)，運動耦合性較強(qiáng)，動平臺的一個運動輸出需要多個動力輸入控制，運動學(xué)求解復(fù)雜，規(guī)劃和控制設(shè)計困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中并聯(lián)機(jī)構(gòu)耦合性強(qiáng)而導(dǎo)致運動學(xué)求解復(fù)雜的問題，目的還在于提供使用該機(jī)構(gòu)的雕刻機(jī)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案是：無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括定平臺和動平臺，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還包括連接定平臺和動平臺的三條結(jié)構(gòu)形式相同的分支運動鏈，各分支運動鏈從定平臺到動平臺順序布置有第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿，第一連桿通過第一轉(zhuǎn)動副與定平臺連接，第二連桿通過第二轉(zhuǎn)動副與第一連桿連接，第三連桿通過第三轉(zhuǎn)動副與第二連桿連接，第四連桿通過移動副與第三連桿連接，第四連桿另一端與動平臺通過第四轉(zhuǎn)動副連接，第一轉(zhuǎn)動副和第二轉(zhuǎn)動副的軸線平行，第三轉(zhuǎn)動副和第四轉(zhuǎn)動副的軸線平行且垂直于第一轉(zhuǎn)動副和第二轉(zhuǎn)動副的軸線，移動副的移動方向垂直于第三轉(zhuǎn)動副和第四轉(zhuǎn)動副的軸線，所述第一轉(zhuǎn)動副為主動副，三條分支運動鏈的三個第四轉(zhuǎn)動副的軸線互相垂直且呈空間正交分布。

所述動平臺為規(guī)則的六面體，各分支運動鏈對應(yīng)的第四連桿分別通過第四轉(zhuǎn)動副設(shè)于所述六面體中互相垂直的三個面上。

所述定平臺為框架結(jié)構(gòu)，各分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的軸線相互垂直，且各分支運動鏈的第一連桿通過第一轉(zhuǎn)動副設(shè)于框架結(jié)構(gòu)的三個側(cè)面上。

本實用新型雕刻機(jī)的技術(shù)方案是：雕刻機(jī)，包括雕刻刀和無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括定平臺和動平臺，所述雕刻刀固設(shè)于所述動平臺上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還包括連接定平臺和動平臺的三條結(jié)構(gòu)形式相同的分支運動鏈，各分支運動鏈從定平臺到動平臺順序布置有第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿，第一連桿通過第一轉(zhuǎn)動副與定平臺連接，第二連桿通過第二轉(zhuǎn)動副與第一連桿連接，第三連桿通過第三轉(zhuǎn)動副與第二連桿連接，第四連桿通過移動副與第三連桿連接，第四連桿另一端與動平臺通過第四轉(zhuǎn)動副連接，第一轉(zhuǎn)動副和第二轉(zhuǎn)動副的軸線平行，第三轉(zhuǎn)動副和第四轉(zhuǎn)動副的軸線平行且垂直于第一轉(zhuǎn)動副和第二轉(zhuǎn)動副的軸線，移動副的移動方向垂直于第三轉(zhuǎn)動副和第四轉(zhuǎn)動副的軸線，所述第一轉(zhuǎn)動副為主動副，三條分支運動鏈的三個第四轉(zhuǎn)動副的軸線互相垂直且呈空間正交分布；雕刻機(jī)還包括用于驅(qū)動各分支運動鏈第一轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動的動力機(jī)構(gòu)。

雕刻機(jī)還包括固設(shè)于動平臺上的用于驅(qū)動雕刻刀旋轉(zhuǎn)的雕刻刀電機(jī)。

所述定平臺為框架結(jié)構(gòu)，各分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的軸線相互垂直，且各分支運動鏈的第一連桿通過第一轉(zhuǎn)動副設(shè)于框架結(jié)構(gòu)的三個側(cè)面上。

所述動力機(jī)構(gòu)為驅(qū)動第一轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動的第一轉(zhuǎn)動副電機(jī)。

本實用新型的有益效果是：本實用新型的無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，動平臺可輸出空間三自由度的移動運動，動平臺的一個線性輸出運動僅由一條分支運動鏈中的其中一條的第一轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動即可，大大減小了各分支運動鏈之間的影響，解決了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦性差導(dǎo)致的運動學(xué)求解復(fù)雜、軌跡和控制設(shè)計困難等問題。本實用新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，運動副僅由轉(zhuǎn)動副和移動副組成，大大減小加工難度，降低實際生產(chǎn)價格。

附圖說明

圖1為本實用新型雕刻機(jī)實施例中無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理圖；

圖2為本實用新型雕刻機(jī)實施例的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式作進(jìn)一步說明。

本實用新型雕刻機(jī)的實施例，如圖1和圖2所示，圖1為無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理圖，其中10為定平臺，20為動平臺，連接定平臺10和動平臺20的為三條結(jié)構(gòu)形式相同的分支運動鏈，分別為第一分支運動鏈L1、第二分支運動鏈L2和第三分支運動鏈L3。本實施例以第一分支運動鏈L1為例進(jìn)行闡述，各分支運動鏈的結(jié)構(gòu)形式相同，且在圖中的附圖標(biāo)記也類似。

第一分支運動鏈L1中由定平臺10到動平臺20依次為第一轉(zhuǎn)動副R11、第二轉(zhuǎn)動副R12、第三轉(zhuǎn)動副R13、移動副P1和第四轉(zhuǎn)動副R14，其中，第一轉(zhuǎn)動副R11和第二轉(zhuǎn)動副R12由第一連桿1-1連接，第二轉(zhuǎn)動副R12和第三轉(zhuǎn)動副R13由第二連桿1-2連接，第三轉(zhuǎn)動副R13和移動副P1由第三連桿1-3連接，移動副P1和第四轉(zhuǎn)動副R14由第四連桿1-4連接。第一轉(zhuǎn)動副R11和第二轉(zhuǎn)動副R12的軸線平行，第三轉(zhuǎn)動副R13和第四轉(zhuǎn)動副R14的軸線平行，而且第三轉(zhuǎn)動副R13和第四轉(zhuǎn)動副R14的軸線垂直于第一轉(zhuǎn)動副R11和第二轉(zhuǎn)動副R12的軸線。移動副P1的移動方向垂直于第三轉(zhuǎn)動副R13和第四轉(zhuǎn)動副R14的軸線。第一連桿1-1通過第一轉(zhuǎn)動副R11連接于定平臺10上，第四連桿1-4通過第四轉(zhuǎn)動副R14連接于動平臺20上。三條分支運動鏈的第四轉(zhuǎn)動副的軸線互相垂直且呈空間正交分布。本實施例中，動平臺20為規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)，三條分支運動鏈的第四連桿通過第四轉(zhuǎn)動副對應(yīng)連接在六面體結(jié)構(gòu)的三個互相垂直的面上。其中三條分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副均為主動副，在工作時，起到動力輸入的作用，其余的轉(zhuǎn)動副和移動副為從動副。

本實用新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作時，當(dāng)需要動平臺20沿圖示1的上下方向移動時，第二分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副驅(qū)動動平臺20上下移動，同時第一分支運動鏈和第三分支運動鏈的各從動副作適應(yīng)性的運動即可；當(dāng)需要動平臺沿圖示1的左右方向移動時，第三分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副驅(qū)動動平臺20左右移動，同時第一分支運動鏈和第三分支運動鏈的各從動副作適應(yīng)性的運動即可；當(dāng)需要動平臺沿圖示1的前后方向移動時，第一分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副驅(qū)動動平臺20前后移動，同時第二分支運動鏈和第三分支運動鏈的各從動副作適應(yīng)性的運動即可。由于該機(jī)構(gòu)的雅克比矩陣為3×3的對角陣，因此該機(jī)構(gòu)運動學(xué)具有無耦合特性，本機(jī)構(gòu)的運動輸入輸出間可實現(xiàn)一對一的控制關(guān)系，即動平臺20的一個運動輸出只需一個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動即可，解決了現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動學(xué)解耦性差的問題。該機(jī)構(gòu)在并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、三左邊測量機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

由圖2中可以看出，定平臺為框架結(jié)構(gòu)，三個分支運動鏈的第一連桿通過第一轉(zhuǎn)動副設(shè)于框架結(jié)構(gòu)的三個側(cè)面上，且三個分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的軸線相互垂直。

在其他實施例中，各分支運動鏈的第四連桿通過第四轉(zhuǎn)動副連接在在動平臺上的位置可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。

在其他實施例中，動平臺的形狀可以根據(jù)實際情況進(jìn)行重新設(shè)計。

如圖2所示，雕刻機(jī)包括雕刻刀40和驅(qū)動雕刻刀40旋轉(zhuǎn)的雕刻刀電機(jī)30。雕刻刀40固定在動平臺20的下端面上，雕刻刀電機(jī)30固定在動平臺的上端面上。雕刻機(jī)還包括無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與上述無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一致，其內(nèi)容在此不再贅述。本實施例中，雕刻機(jī)包括驅(qū)動第一分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的電機(jī)12、驅(qū)動第二分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的電機(jī)13和驅(qū)動第三分支運動鏈的第一轉(zhuǎn)動副的電機(jī)14。電機(jī)12、電機(jī)13和電機(jī)14均固定在定平臺10上，安裝時，保證電機(jī)12、電機(jī)13和電機(jī)14的轉(zhuǎn)動軸線互相垂直且呈空間正交分布。

雕刻機(jī)工作時，雕刻刀通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)空間三個方向移動的同時自身能夠旋轉(zhuǎn)，完成雕刻工作。

本實施例中，電機(jī)12、電機(jī)13和電機(jī)14即為第一轉(zhuǎn)動副電機(jī)，形成了動力機(jī)構(gòu)，在其他實施例中，動力機(jī)構(gòu)可以為液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)等。

本實用新型無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的具體實施例，與上述雕刻機(jī)實施例中無耦合三自由度空間移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一致，其內(nèi)容在此不再贅述。