專利名稱：一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造領(lǐng)域，特別涉及一種能夠應(yīng)用于數(shù)控裝置制造領(lǐng)域的一種模塊化的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機構(gòu)是由多個支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)具有以下優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單緊湊、剛度高、單位重量上承載能力大、無誤差積累、運動部件質(zhì)量小、易 于實現(xiàn)高速運動等優(yōu)點。這些優(yōu)點在一定程度上彌補了傳統(tǒng)數(shù)控裝置的不足。然而，并聯(lián) 機構(gòu)也有其天生的缺陷，尤其是6自由度并聯(lián)機構(gòu)，其運動耦合性強、工作空間小、運動學(xué) 正解復(fù)雜、工作空間不規(guī)則、數(shù)控編程復(fù)雜，等等。這些缺點增加了控制和后續(xù)的標(biāo)定工作 的復(fù)雜性，從而使得并聯(lián)機構(gòu)的推廣應(yīng)用受到了較大程度的限制。近年來，少自由度并聯(lián)機構(gòu)(自由度數(shù)少于六自由度的并聯(lián)機構(gòu))越來越受到研 究者的重視和青睞，。一些少自由度并聯(lián)裝置已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，如德國DS Technologie 公司研制的Sprint Z3三自由度并聯(lián)主軸頭在數(shù)控加工中心中獲得了巨大的成功。該主軸 頭作為數(shù)控加工中心的一個模塊，實現(xiàn)一個移動和兩個轉(zhuǎn)動自由度。該類機構(gòu)的特點是 容易實現(xiàn)加工模塊化、運動學(xué)簡單、具有解耦或者部分解耦的特性。運動解耦的機構(gòu)容易控 制，并且可以達(dá)到更高的運動精度，并且解耦運動對機構(gòu)的運動控制和軌跡規(guī)劃都有一定
眉、ο本發(fā)明所提出的機構(gòu)也同屬于少自由度并聯(lián)機構(gòu)中的三自由度并聯(lián)機構(gòu)。為了進(jìn)一步克服并聯(lián)機構(gòu)的一些缺點，比如工作空間小以及工作空間不規(guī)則等， 常采用添加冗余驅(qū)動的方式，利用冗余特性來避免機構(gòu)的奇異，從而增大原有機構(gòu)的工作 空間，同時達(dá)到提高其剛度和精度的目的，這樣構(gòu)成的機構(gòu)即為驅(qū)動冗余的并聯(lián)機構(gòu)。本發(fā) 明所提出的機構(gòu)即為驅(qū)動冗余的三自由度并聯(lián)機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機 構(gòu)，本發(fā)明通過冗余驅(qū)動的添加，該機構(gòu)在具備了一般三自由度并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點的同時，其 剛度和精度都得到了進(jìn)一步的提高。本發(fā)明提出的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和 定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈；該第一、第 二支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；其特征在于該裝置還包含一個含有冗余驅(qū)動的第 三支鏈，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度，且冗余驅(qū)動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動 副是被驅(qū)動的，該第三支鏈連接于動平臺和定平臺之間；所述第一、第二和第三支鏈分別與 定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運 動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的特點及技術(shù)效果
本發(fā)明的機構(gòu)通過在實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的運動學(xué)支鏈上的移動副添加一個冗余驅(qū)動，由四個輸入驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。動平臺可實現(xiàn)較大的轉(zhuǎn) 動輸出是該機構(gòu)的一個突出優(yōu)點，克服了以往并聯(lián)機構(gòu)轉(zhuǎn)動能力有限的缺點。通過冗余驅(qū) 動的添加，該機構(gòu)在具備了一般三自由度并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點的同時，其剛度和精度都得到了 進(jìn)一步的提高，更容易實現(xiàn)模塊化。該冗余機構(gòu)具有以下優(yōu)點(1)機構(gòu)簡單、緊湊；(2)剛度高；(3)工作空間大，尤 其是轉(zhuǎn)動工作空間，轉(zhuǎn)動能力可達(dá)115°。這些優(yōu)點使得該機構(gòu)靈活性更好、加工精度更高， 更容易實現(xiàn)模塊化，配合其它裝置可實現(xiàn)對復(fù)雜自由曲面類零件的多軸聯(lián)動數(shù)控加工。


圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明中采用的伸縮桿式驅(qū)動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)合附圖及實施例詳細(xì)說明如下本發(fā)明提出的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和 定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈；該第一、第 二支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；其特征在于該裝置還包含一個含有冗余驅(qū)動的第 三支鏈，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度，且冗余驅(qū)動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動 副是被驅(qū)動的，該第三支鏈連接于動平臺和定平臺之間；所述第一、第二和第三支鏈分別與 定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運 動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的機構(gòu)，第一、第二支鏈可以是PRRR型或PRU型或PRS型運動支鏈也可以 是RPRR型或RPU型或RPS型運動支鏈，第三支鏈可以是PPRR型或者PRPR型運動支鏈。其 中，P代表移動副，R代表轉(zhuǎn)動副，U代表虎克鉸，S代表球鉸，且移動副P是驅(qū)動運動副。具 體說明如下第一、第二支鏈可包括滑塊、連桿、U型架以及運動副。所述運動副有四個，一個 是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一 個是連接于連桿和U型架之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副 (R)。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)是被驅(qū)動的，連接于連桿和U型架之間 的轉(zhuǎn)動副(R)和連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)是相互垂直的，且這兩個轉(zhuǎn)動副 可由一個虎克鉸(U)或者一個球鉸(S)代替，該支鏈為PRRR型運動支鏈或PRU型運動支鏈 或PRS型運動支鏈。第一、第二支鏈還可包括外伸縮桿、內(nèi)伸縮桿、U型架以及運動副。所述運動副有 四個，一個是連接于定平臺和外伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮 桿之間的轉(zhuǎn)動副(P)，一個是連接于內(nèi)伸縮桿和U型架之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)。其中，連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副(P)是被驅(qū)動的，連接于連桿和U型架之間的轉(zhuǎn)動副(R)和連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副 (R)是相互垂直的，且這兩個轉(zhuǎn)動副可由一個虎克鉸(U)或者一個球鉸(S)代替，該支鏈為 RPRR型運動支鏈或RPU型運動支鏈或RPS型運動支鏈。第三支鏈可包括滑臺、滑塊、連桿以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于 定平臺和滑臺之間的移動副(P)，一個是連接于滑臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接 于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于連桿和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)。其中， 連接于定平臺和滑臺之間的移動副(P)和連接于滑臺和滑塊之間的移動副(P)是被驅(qū)動 的，該支鏈為PPRR型運動支鏈。第三支鏈還可包括滑臺、外伸縮桿、內(nèi)伸縮桿以及運動副。所述運動副有四個，一 個是連接于定平臺和滑臺之間的移動副(P)，一個是連接于滑臺和外伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副 (R)，一個是連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮桿之間的移動副(P)，另一個是連接于內(nèi)伸縮桿和動 平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)。其中，連接于定平臺和滑臺之間的移動副(P)和連接于外伸縮桿和 內(nèi)伸縮桿之間的移動副(P)是被驅(qū)動的，該支鏈為PRI3R型運動支鏈。實施例1 本實施例的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括定平臺11、定平 臺17、定平臺112、動平臺18及第一、第二、第三支鏈，所述三條支鏈分別連接于定平臺11、 定平臺17、定平臺112和動平臺18之間，并與該平臺11、定平臺17、定平臺112和動平臺 18構(gòu)成空間閉環(huán)機構(gòu)。所述第一、第二支鏈為PRRR型運動支鏈，包括滑塊12、滑塊16、連桿13、連桿15、 U型架14及運動副。所述的運動副有四個，一個是連接于定平臺11、定平臺17和滑塊12、 滑塊16之間的移動副(P)，一個是連接于滑塊12、滑塊16和連桿13、連桿15之間的轉(zhuǎn)動副 (R)，一個是連接于連桿13、連桿15和U型架14之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于U型架 14和動平臺18之間的轉(zhuǎn)動副(R)。連接于定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的 移動副(P)是被驅(qū)動的，且呈對稱布置，運動方向相互平行。連接于連桿13、連桿15和U型 架14之間的轉(zhuǎn)動副(R)和連接于U型架14和動平臺18之間的轉(zhuǎn)動副(R)相互垂直。所述第三支鏈為PPRR型運動支鏈，用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度，且冗余驅(qū)動施加在該支 鏈的移動副上。包括滑臺110、滑塊111、連桿19以及運動副。所述運動副有四個，一個是 連接于定平臺112和滑臺110之間的移動副(P)，一個是連接于滑臺110和滑塊111之間的 移動副(P)，一個是連接于滑塊111和連桿19之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于連桿19 和動平臺18之間的轉(zhuǎn)動副(R)。其中，連接于定平臺112和滑臺110之間的移動副⑵是 被驅(qū)動的，移動方向垂直于連接于定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的移動副的 運動方向且平行于他們所在的平面；連接于滑臺110和滑塊111之間的移動副(P)是被驅(qū) 動的，移動方向平行于連接于定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的移動副的運動 方向。實施例2 本實施例的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該機構(gòu)與實施例1的 不同之處在于滑臺21的放置方向與實施例1中的滑臺110的放置方向相互垂直，此時，滑 臺21上的移動副的方向與實施例1中的連接于定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的移動副運動方向所在的平面垂直。實施例3 本實施例的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該機構(gòu)與實施例1的不同之處在于定平臺31和定平臺32的放置方向與實施例1中的定平臺11和定平臺17的 放置方向垂直，且定平臺31和定平臺32上的移動副的運動方向在一條直線上，該直線方向 平行于實施例1中的連接于定平臺112和滑臺110之間的移動副的運動方向。實施例4 本實施例的驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該機構(gòu)與實施例2的 不同之處在于定平臺41和定平臺42的放置方向與實施例2中相對應(yīng)的定平臺的放置方向 垂直，且定平臺41和定平臺42上的移動副的運動方向在一條直線上，該直線方向平行于實 施例2中的滑臺21的運動方向。以上各實施例所述的第一、第二支鏈，其驅(qū)動方式可由圖5所示的伸縮桿式的驅(qū) 動機構(gòu)實現(xiàn)，包括定平臺51、外伸縮桿52和內(nèi)伸縮桿53及運動副，所述運動副有三個，一 個是連接于定平臺51和外伸縮桿52之間的轉(zhuǎn)動副；一個是連接于外伸縮桿52和內(nèi)伸縮桿 53之間的移動副，且該移動副是被驅(qū)動的；另一個是連接于內(nèi)伸縮桿53和實施例1中U型 架14的轉(zhuǎn)動副。以上各實施例所述的第三支鏈，其滑塊111、連桿19及運動副的驅(qū)動方式可由圖5 所示的伸縮桿式的驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)，包括底座51、外伸縮桿52和內(nèi)伸縮桿53及運動副，所 述運動副有三個，一個是連接于底座51和外伸縮桿52之間的轉(zhuǎn)動副；一個是連接于外伸縮 桿52和內(nèi)伸縮桿53之間的移動副，且該移動副是被驅(qū)動的；另一個是連接于內(nèi)伸縮桿53 和動平臺18的轉(zhuǎn)動副。其中，底座51與滑臺110固定連接。以上各實施例中所述的連接于動平臺18和U型架18之間的轉(zhuǎn)動副以及連接于U 型架18與連桿13或連桿15或內(nèi)伸縮桿53之間的轉(zhuǎn)動副可由一個虎克鉸或者球鉸實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈；該第一、第二支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；其特征在于該裝置還包含一個含有冗余驅(qū)動的第三支鏈，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度，且冗余驅(qū)動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動副是被驅(qū)動的，該第三支鏈連接于動平臺和定平臺之間；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二 支鏈均包括滑塊、連桿、U型架以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑 塊之間的移動副，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動副，一個是連接于連桿和U型架之 間的轉(zhuǎn)動副，另一個是連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副；其中，連接于定平臺和滑塊之 間的移動副是被驅(qū)動的，連接于連桿和U型架之間的轉(zhuǎn)動副和連接于U型架和動平臺之間 的轉(zhuǎn)動副是互相垂直的。
3.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二 支鏈均包括外伸縮桿、內(nèi)伸縮桿、U型架以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接于定 平臺和外伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副，一個是連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副，一個是 連接于內(nèi)伸縮桿和U型架之間的轉(zhuǎn)動副，另一個是連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副；其 中，連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副是被驅(qū)動的，連接于連桿和U型架之間的轉(zhuǎn) 動副和連接于U型架和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副是互相垂直的。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述連接 于連桿和U型架之間和連接于U型架和動平臺之間的兩個轉(zhuǎn)動副采用一個虎克鉸或一個球 鉸。
5.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第三支鏈 包括滑臺、滑塊、連桿以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑臺之間 的移動副，一個是連接于滑臺和滑塊之間的移動副，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動 畐O，另一個是連接于連桿和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副；其中，連接于定平臺和滑臺之間的移動副 和連接于滑臺和滑塊之間的移動副是被驅(qū)動的。
6.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第三支鏈 包括滑臺、外伸縮桿、內(nèi)伸縮桿以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和 滑臺之間的移動副，一個是連接于滑臺和外伸縮桿之間的轉(zhuǎn)動副，一個是連接于外伸縮桿 和內(nèi)伸縮桿之間的移動副，另一個是連接于內(nèi)伸縮桿和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副；其中，連接于 第三定平臺和滑臺之間的移動副和連接于外伸縮桿和內(nèi)伸縮桿之間的移動副是被驅(qū)動的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動冗余三自由度并聯(lián)機構(gòu)，屬于數(shù)控裝置制造技術(shù)領(lǐng)域。包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈；該第一、第二支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；該裝置還包含一個含有冗余驅(qū)動的第三支鏈，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度，且冗余驅(qū)動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動副是被驅(qū)動的，該第三支鏈連接于動平臺和定平臺之間；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過四個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。該機構(gòu)靈活性更好、精度和剛度更高，更容易實現(xiàn)模塊化。
文檔編號B23Q1/26GK101844307SQ20101016556
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者劉辛軍, 汪勁松, 謝福貴 申請人:清華大學(xué)