專(zhuān)利名稱(chēng)：用于機(jī)器人和虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等的一類(lèi)三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人、機(jī)械測(cè)量機(jī)和機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體地說(shuō)是為并聯(lián)機(jī)器人、虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)和虛軸數(shù)控機(jī)床提供一類(lèi)新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
虛軸數(shù)控機(jī)床是指以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)床，該機(jī)床被認(rèn)為是二十世紀(jì)以來(lái)機(jī)床結(jié)構(gòu)的一次革命。目前在美國(guó)、日本等國(guó)已研制出這種機(jī)床的樣機(jī)，所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)均為傳統(tǒng)的斯圖爾特(Stewart)機(jī)構(gòu)。這種控制刀具在空間的位置和姿態(tài)變化的機(jī)構(gòu)主要由基座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和連桿組成，基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間由連桿相連，連桿兩端分別為球副和萬(wàn)向節(jié)。該機(jī)構(gòu)上備有6個(gè)連桿，但連桿的長(zhǎng)度可調(diào)，通過(guò)控制6根連桿的長(zhǎng)度，改變刀具在空間的位置。
Stewart機(jī)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)①運(yùn)動(dòng)學(xué)正解非常困難；②運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置與方向?yàn)閺?qiáng)耦合；③運(yùn)動(dòng)空間較?。虎苤圃旄呔惹蚋崩щy。
基于上述情況，Tsai提出虛軸數(shù)控機(jī)床用兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)為三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，靜平臺(tái)為三維轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(US Patent,Tsai,Patent Nember:5656905,1997)。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)劃較為復(fù)雜。
②三維平移機(jī)構(gòu)的運(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。
基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)亦稱(chēng)虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)，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)式機(jī)構(gòu)的測(cè)量機(jī)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的坐標(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，已用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)有6-SPS、6-RSS以及3-RPS等。對(duì)于6-SPS和6-RSS機(jī)構(gòu)，其可動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于基平臺(tái)有6個(gè)空間自由度，因而末端執(zhí)行器空間位姿比較靈活，但該機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和誤差分析與校正較困難；對(duì)3-RPS機(jī)構(gòu)，自由度為3，其空間位姿靈活度稍差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于3-RPS機(jī)構(gòu)的非期望輸出不是常量又不存在解耦性，故其誤差分析與校正仍較復(fù)雜。另外，上述三種并聯(lián)機(jī)構(gòu)均含有多個(gè)球面副，其制造及裝配均較復(fù)雜，不利于提高測(cè)量精度。
綜上所述，虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人與虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)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。
本發(fā)明目的是提供一類(lèi)(10種)三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)輸入-輸出具有解耦性、工作空間較大、便于制造、安裝等優(yōu)點(diǎn)，特別是極大地簡(jiǎn)化了并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復(fù)雜性。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人、微動(dòng)機(jī)器人與虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等提供了新機(jī)型，為其開(kāi)發(fā)與實(shí)用化提供了可能。
附

圖1是本發(fā)明機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它由動(dòng)平臺(tái)(1)、靜平臺(tái)(0)和三條結(jié)構(gòu)相同的支路組成。每條支路由相互平行的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(3)和一個(gè)園柱副(2)以及一個(gè)不平行于轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的移動(dòng)副(4)用構(gòu)件(5)和(6)串聯(lián)而成。支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上，但兩條支路的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線為平行配置，第三條支路的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線與前兩條支路轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線呈垂直配置(亦可以是非垂直但必須為非平行配置)。驅(qū)動(dòng)靜平臺(tái)(0)上的三個(gè)移動(dòng)副(4)，即可控制動(dòng)平臺(tái)(1)的三維平移輸出。
附圖3中，每一條支路與附圖1中支路結(jié)構(gòu)完全相同，但三條支路在動(dòng)、靜平臺(tái)的聯(lián)結(jié)應(yīng)使三條支路的園柱副軸線共面且呈中心對(duì)稱(chēng)(即相隔120°)配置。
附圖1并聯(lián)機(jī)構(gòu)亦可去掉兩平行支路中的一條，成為只有兩條支路的新機(jī)型，其支路結(jié)構(gòu)同于附圖1，且兩支路的園柱副軸線在動(dòng)、靜平臺(tái)之間呈垂直配置，如附圖2所示。
附圖4為一種三支路新機(jī)型，其中兩條支路結(jié)構(gòu)相同，同于附圖1，且呈垂直配置，第三條支路為由兩個(gè)球面副(7)和一個(gè)移動(dòng)副(4)用構(gòu)件(8)、(9)串聯(lián)而成，在動(dòng)、靜平臺(tái)間為任意配置。
附圖1-4中的各支路(除去附圖4中由構(gòu)件(1)、(8)、(9)和(0)形成的一條支路)都可以用附圖5的支路結(jié)構(gòu)替代，但各支路在動(dòng)、靜平臺(tái)上的配置方式仍分別同于附圖1-4。附圖5支路中的回路為轉(zhuǎn)動(dòng)副(3)平行四邊形機(jī)構(gòu)，其余兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(13)仍相互平行，且其軸線垂直于平行四邊形的轉(zhuǎn)動(dòng)副(3)的軸線。
附圖1和3中的各支路都可以用附圖6的支路結(jié)構(gòu)替代，但各支路在動(dòng)、靜平臺(tái)上的配置方式仍分別同于附圖1和3。附圖6支路中的回路為4個(gè)球面副(7)組成的平行四邊形。構(gòu)件1和12的兩個(gè)球面副(3)，使它們分別具有局部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，替代了附圖5中的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(13)。
本發(fā)明為一類(lèi)(10種)三維平移新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)①機(jī)構(gòu)工作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)三維平移運(yùn)動(dòng)輸出。
②機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有重量輕、剛性好，可高速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。
③其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為4次，即只需建立與求解兩個(gè)一元二次方程，解有解析公式，極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床與機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃問(wèn)題；亦極大的簡(jiǎn)化了測(cè)量機(jī)的正解和校正補(bǔ)償分析問(wèn)題。
④運(yùn)動(dòng)輸入一輸出又具有解耦性，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制。
⑤機(jī)構(gòu)制造、安裝較為簡(jiǎn)單，易提高機(jī)構(gòu)精度。
⑥工作空間較大。
⑦附圖1、2、3和5所示機(jī)構(gòu)只使用轉(zhuǎn)動(dòng)副和園柱副，易精密加工且成本較低，利于提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。
附圖7所示為本發(fā)明用于虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)的實(shí)施例。在動(dòng)平臺(tái)(1)上安裝測(cè)量頭(10)，在靜平臺(tái)(0)(基座)上安裝被測(cè)工件(11)，驅(qū)動(dòng)基座(0)上3個(gè)移動(dòng)副，即可控制動(dòng)平臺(tái)上測(cè)量頭(10)在空間的位置(三維移動(dòng))，完成指定測(cè)量過(guò)程。若將附圖7動(dòng)平臺(tái)(1)上的測(cè)量頭(10)換為機(jī)械手夾持器，亦可視為本發(fā)明用于只需三維平移的裝配機(jī)器人的總之，本發(fā)明為虛軸數(shù)控機(jī)床，步行(含爬行、爬壁等)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人(如裝配、堆垛機(jī)器人)與虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等，提供了具有上述特點(diǎn)的新機(jī)型，利于新型機(jī)床、機(jī)器人與機(jī)械測(cè)量機(jī)的開(kāi)發(fā)和實(shí)用化。
權(quán)利要求
1．一種可用于機(jī)器人、虛軸數(shù)控機(jī)床和虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等的三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其組成包括動(dòng)、靜平臺(tái)及聯(lián)接在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的三條支路，其特征在于每一支路由相互平行的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和一個(gè)園柱副以及一個(gè)不平行于轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的移動(dòng)副三者串聯(lián)而成，三條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是兩支路的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線呈平行配置，第三支路轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線與前兩支路呈垂直配置，但也可以是非平行、非垂直配置。
2．按照權(quán)利要求1所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，三條支路的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線在動(dòng)、靜平臺(tái)上可呈共面且中心對(duì)稱(chēng)(相間120°)配置。
3．按照權(quán)利要求1和2所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每條支路上園柱副的移動(dòng)自由度可用轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)替代，即支路由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)以及一個(gè)移動(dòng)副串聯(lián)而成。前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與平行四邊形的轉(zhuǎn)動(dòng)副呈垂直配置。
4．按照權(quán)利要求3所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每支路中平行四邊形機(jī)構(gòu)中的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副全部用球面副替代。
5．按照權(quán)利要求1所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可去掉平行配置兩支路中的任一條支路，成為只有兩條支路的三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩支路呈垂直配置。
6．按照權(quán)利要求5所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩支路中的園柱副的移動(dòng)自由度用轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)替代。
7．按照權(quán)利要求5所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可在兩平臺(tái)之間再附加一個(gè)由兩個(gè)球面副和一個(gè)移動(dòng)副串聯(lián)組成的支路，該支路在兩平臺(tái)之間為任意配置。
全文摘要
提供一類(lèi)(10種)三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)。一種由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)和三條支路組成。每條支路由相互平行的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)圓柱副以及一個(gè)不平行于轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的移動(dòng)副三者串聯(lián)而成。支路兩端聯(lián)接在動(dòng)、靜平臺(tái)上,但兩條支路的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線為平行配置,第三條支路與前兩條支路呈垂直配置。驅(qū)動(dòng)靜平臺(tái)上的三個(gè)移動(dòng)副即可控制動(dòng)平臺(tái)的三維平移輸出。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入—輸出有解耦性、工作空間較大、便于制造、安裝等優(yōu)點(diǎn)。特別是極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復(fù)雜性。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人以及虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等提供了新機(jī)型,為它們的開(kāi)發(fā)與實(shí)用化提供了可能。
文檔編號(hào)B23Q35/08GK1310075SQ01113520
公開(kāi)日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月10日
發(fā)明者楊廷力, 金瓊, 杭魯濱, 姚芳華, 沈惠平, 劉安心 申請(qǐng)人:中國(guó)石化集團(tuán)金陵石油化工有限責(zé)任公司周衛(wèi)東轉(zhuǎn)