專利名稱：三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機床和工業(yè)機器人，尤其涉及一種用于并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸數(shù)控機床和 并聯(lián)機器人的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機構(gòu)廣泛應(yīng)用于重載模擬設(shè)備、機器人、數(shù)控機床、傳感器及微操作領(lǐng)域。然 而，并聯(lián)機構(gòu)各驅(qū)動單元之間是耦合的，即并聯(lián)機構(gòu)整體輸出平臺(動平臺)沿任一方向的 運動都是所有驅(qū)動單元的運動合成，并且各驅(qū)動單元的運動與并聯(lián)機構(gòu)整體運動(即輸入 與輸出)之間是非線性的。這一特性導(dǎo)致并聯(lián)機構(gòu)控制復(fù)雜，標(biāo)定困難，且制約了精度的提 高。因此，如何實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)解耦，以簡化控制和標(biāo)定，提高運動精度，一直是一個困難而富 有挑戰(zhàn)性的課題。運動解耦并聯(lián)機器人是指輸出運動的任一個自由度都僅依賴單個驅(qū)動單元，其他 驅(qū)動單元動作不對此自由度產(chǎn)生影響。具有完全解耦的并聯(lián)機構(gòu)運動關(guān)系簡單、標(biāo)定簡便、 控制精度高、剛度大，在虛軸機床和機器人領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。[Hunt K H. Structu ral Kinematics of In -Parallel -Actuated RobotArms, Journal of Mechanisms，Transmissions and Automation in Design，1983，105 :705-712] 報道了一種兩轉(zhuǎn)動一移動并聯(lián)機構(gòu)，主要由機架、動平臺和固連在機架和動平臺之間的三 個結(jié)構(gòu)形式相同的運動支鏈組成，每個運動支鏈依次由轉(zhuǎn)動副、移動副、萬向鉸鏈及相應(yīng)桿 件組成，并且三個運動支鏈空間對稱分布。文獻[Huang Ζ, Wang J. Fang Y F, Analysis of Instantaneous Motions ofDeficient-Rank 3-RPS Parallel Manipulators. Mechanism and Machine Theory, 2002, 37 (2) :2^-240.]報道了該類型并聯(lián)機構(gòu)存在瞬時運動，其轉(zhuǎn) 動自由度的軸線只存在于單葉雙曲面上。中國專利文獻CN101036986A報道了由動平臺、固定平臺及連接它們的四條閉環(huán) 運動支鏈組成的兩轉(zhuǎn)動一移動并聯(lián)機構(gòu)，每條閉環(huán)支鏈含有一組對稱結(jié)構(gòu)的六桿球形機 構(gòu)，動平臺和固定平臺與每條支鏈用轉(zhuǎn)動副連接。文獻[XianwenKong，Clement Μ. Gosselin Type synthesis of input-output decoupled paralIe!manipulators, Transactions of the CSME，Vol. 28，Special Edition, 2004]中報道了具有兩移動一轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機 構(gòu)，由動平臺、固定平臺和串并聯(lián)混搭的運動支鏈組成。文獻[李惠良，金瓊，楊廷力，一類 一平移兩轉(zhuǎn)動解耦并聯(lián)機構(gòu)及其位移分析，機械制造與研究，F(xiàn)eb 2002，(1) :9_12，14]提 出一種具有三角化解耦特性的兩轉(zhuǎn)動一移動并聯(lián)機構(gòu)，但輸出自由度不完全由單個驅(qū)動器 控制，仍屬于部分解耦并聯(lián)機構(gòu)，完全解耦的三自由度機構(gòu)文獻發(fā)明目前尚未檢索到。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的，就是為了提供一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，以克服現(xiàn)有技 術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制不便、運動精度低的缺陷。為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，由機架、動平臺以及連接在機架與動平臺之間的第一運動支鏈，第二運動支鏈和第三 運動支鏈組成；所述的第一運動支鏈包括順序相連的第一機架端連接桿、第一機架端萬向鉸鏈、 第一移動副、第一動平臺端萬向鉸鏈和第一動平臺端連接桿；所述的第一運動支鏈的一端 通過第一機架端連接桿與機架相連，另一端通過第一動平臺端連接桿與動平臺相連；所述 的第一機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第一機架端連接桿連接在一條軸線上，第一機架端 萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第一移動副的軸線垂直；所述的第一動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸與第一動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第一動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第 一移動副的軸線垂直并且與第一機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第二運動支鏈包括順序相連的第二機架端連接桿、第二機架端萬向鉸鏈、 第二移動副、第二動平臺端萬向鉸鏈和第二動平臺端連接桿；所述的第二運動支鏈的一端 通過第二機架端連接桿與機架相連，另一端通過第二動平臺端連接桿與動平臺相連；所述 的第二機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第二機架端連接桿連接在一條軸線上，第二機架端 萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第二移動副的軸線垂直；所述的第二動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸與第二動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第二動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第 二移動副的軸線垂直并且與第二機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第三運動支鏈包括順序相連的第三機架端連接桿、第三機架端萬向鉸鏈、 第三移動副、第三動平臺端萬向鉸鏈和第三動平臺端連接桿；所述的第三運動支鏈的一端 通過第三機架端連接桿與機架相連，另一端通過第三動平臺端連接桿與動平臺相連；所述 的第三機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第三機架端連接桿連接在一條軸線上，第三機架端 萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第三移動副的軸線垂直；所述的第三動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸與第三動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第三動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第 三移動副的軸線垂直并且與第三機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第一機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第三動平臺端萬向鉸鏈的第 一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上；所述的第二機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第一動平臺端萬向鉸鏈的第 一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上；所述的第三機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第二動平臺端萬向鉸鏈的第 一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上。所述的三個動平臺端萬向鉸鏈上對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)動軸分別設(shè)有一個弧形臂，相應(yīng)的 動平臺端連接桿的一端與所述弧形臂的前端相連，并且所述動平臺端連接桿與所述第一轉(zhuǎn) 動軸位于同一條軸線上。本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)由于采用了以上技術(shù)方案，使其與現(xiàn)有技術(shù) 相比，具有以下的優(yōu)點和特點1、具有解耦的三個轉(zhuǎn)動自由度，轉(zhuǎn)動自由度僅依賴單個運動支鏈的運動副控制， 實現(xiàn)原理非常簡單，具有非常好的線性關(guān)系。2、僅含少量運動副，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、轉(zhuǎn)動慣量小，運動響應(yīng)快。3、運動解耦，基本單個輸出自由度僅需要控制單個驅(qū)動單元，標(biāo)定容易，控制簡 單，從而降低了開發(fā)成本。
圖1是本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本實用新型。附圖所示為本實用新型的一個較 佳實施例，本實用新型的技術(shù)方案不限于本實施例。參見圖1，本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，由機架1、動平臺2以及連接在機 架與動平臺之間的第一運動支鏈3，第二運動支鏈4和第三運動支鏈5組成。其中的第一運動支鏈3包括順序相連的第一機架端連接桿31、第一機架端萬向鉸 鏈32、第一移動副33、第一動平臺端萬向鉸鏈34和第一動平臺端連接桿35。第一運動支鏈 的一端通過第一機架端連接桿31與機架1相連，另一端通過第一動平臺端連接桿35與動 平臺2相連。第一機架端萬向鉸鏈32的第一轉(zhuǎn)動軸321與第一機架端連接桿32連接在一 條軸線上，第一機架端萬向鉸鏈32的第二轉(zhuǎn)動軸322與第一移動副33的軸線垂直。第一 動平臺端萬向鉸鏈；34的第一轉(zhuǎn)動軸341與第一動平臺端連接桿35位于同一條軸線上，第 一動平臺端萬向鉸鏈34的第二轉(zhuǎn)動軸342與第一移動副33的軸線垂直并且與第一機架端 萬向鉸鏈32的第二轉(zhuǎn)動軸322平行。其中的第二運動支鏈4包括順序相連的第二機架端連接桿41、第二機架端萬向鉸 鏈42、第二移動副43、第二動平臺端萬向鉸鏈44和第二動平臺端連接桿45。第二運動支鏈 4的一端通過第二機架端連接桿41與機架1相連，另一端通過第二動平臺端連接桿45與動 平臺2相連。第二機架端萬向鉸鏈42的第一轉(zhuǎn)動軸421與第二機架端連接桿41連接在一 條軸線上，第二機架端萬向鉸鏈42的第二轉(zhuǎn)動軸422與第二移動副43的軸線垂直。第二 動平臺端萬向鉸鏈44的第一轉(zhuǎn)動軸441與第二動平臺端連接桿45位于同一條軸線上，第 二動平臺端萬向鉸鏈44的第二轉(zhuǎn)動軸442與第二移動副43的軸線垂直并且與第二機架端 萬向鉸鏈42的第二轉(zhuǎn)動軸422平行。其中的第三運動支鏈5包括順序相連的第三機架端連接桿51、第三機架端萬向鉸 鏈52、第三移動副53、第三動平臺端萬向鉸鏈M和第三動平臺端連接桿55。第三運動支鏈 5的一端通過第三機架端連接桿51與機架1相連，另一端通過第三動平臺端連接桿55與動 平臺2相連。第三機架端萬向鉸鏈52的第一轉(zhuǎn)動軸521與第三機架端連接桿51連接在一 條軸線上，第三機架端萬向鉸鏈52的第二轉(zhuǎn)動軸522與第三移動副53的軸線垂直。第三 動平臺端萬向鉸鏈討的第一轉(zhuǎn)動軸541與第三動平臺端連接桿55位于同一條軸線上，第 三動平臺端萬向鉸鏈M的第二轉(zhuǎn)動軸542與第三移動副53的軸線垂直并且與第三機架端 萬向鉸鏈52的第二轉(zhuǎn)動軸522平行。上述第一機架端萬向鉸鏈32的第一轉(zhuǎn)動軸321與上述第三動平臺端萬向鉸鏈M 的第一轉(zhuǎn)動軸541位于同一條軸線上。上述第二機架端萬向鉸鏈42的第一轉(zhuǎn)動軸421與上述第一動平臺端萬向鉸鏈34 的第一轉(zhuǎn)動軸341位于同一條軸線上。上述第三機架端萬向鉸鏈52的第一轉(zhuǎn)動軸521與上述第二動平臺端萬向鉸鏈M 的第一轉(zhuǎn)動軸541位于同一條軸線上。[0028]上述三個動平臺端萬向鉸鏈上對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)動軸分別設(shè)有一個弧形臂a，相應(yīng)的 動平臺端連接桿的一端與上述弧形臂的前端相連，并且動平臺端連接桿與第一轉(zhuǎn)動軸位于 同一條軸線上。本實用新型三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)的工作原理可結(jié)合圖說明如下當(dāng)?shù)谝灰苿?副33沿軸線伸長或縮短，而第二移動副43和第三移動副53不動時，由于第二運動支鏈4 的動平臺端萬向鉸鏈44和第三運動支鏈5的機架端萬向鉸鏈52具有垂直于第一移動副33 的轉(zhuǎn)動自由度，因此動平臺2在第一移動副33驅(qū)動下繞萬向鉸鏈44、52的軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)?二移動副43沿軸線伸長或縮短，而第一移動副33和第三移動副53不動時，由于第三運動 支鏈5的動平臺端萬向鉸鏈M和第一運動支鏈3的機架端萬向鉸鏈32具有垂直于第二移 動副43的轉(zhuǎn)動自由度，因此動平臺2在第二移動副43驅(qū)動下繞萬向鉸鏈M、32的軸線旋 轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)谌\動支鏈5的第三移動副53沿軸線伸長或縮短，第一移動副33和第二移動副 43不動時，由于第一運動支鏈3的動平臺端萬向鉸鏈34和第二運動支鏈4的機架端萬向鉸 鏈42具有垂直于第三移動副53的轉(zhuǎn)動自由度，因此動平臺2在第三移動副53驅(qū)動下繞萬 向鉸鏈34、42的軸線旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求1.一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，由機架、動平臺以及連接在機架與動平臺之間的第 一運動支鏈，第二運動支鏈和第三運動支鏈組成；其特征在于所述的第一運動支鏈包括順序相連的第一機架端連接桿、第一機架端萬向鉸鏈、第一 移動副、第一動平臺端萬向鉸鏈和第一動平臺端連接桿；所述的第一運動支鏈的一端通過 第一機架端連接桿與機架相連，另一端通過第一動平臺端連接桿與動平臺相連；所述的第 一機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第一機架端連接桿連接在一條軸線上，第一機架端萬向 鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第一移動副的軸線垂直；所述的第一動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸 與第一動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第一動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第一移 動副的軸線垂直并且與第一機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第二運動支鏈包括順序相連的第二機架端連接桿、第二機架端萬向鉸鏈、第二 移動副、第二動平臺端萬向鉸鏈和第二動平臺端連接桿；所述的第二運動支鏈的一端通過 第二機架端連接桿與機架相連，另一端通過第二動平臺端連接桿與動平臺相連；所述的第 二機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第二機架端連接桿連接在一條軸線上，第二機架端萬向 鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第二移動副的軸線垂直；所述的第二動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸 與第二動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第二動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第二移 動副的軸線垂直并且與第二機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第三運動支鏈包括順序相連的第三機架端連接桿、第三機架端萬向鉸鏈、第三 移動副、第三動平臺端萬向鉸鏈和第三動平臺端連接桿；所述的第三運動支鏈的一端通過 第三機架端連接桿與機架相連，另一端通過第三動平臺端連接桿與動平臺相連；所述的第 三機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第三機架端連接桿連接在一條軸線上，第三機架端萬向 鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第三移動副的軸線垂直；所述的第三動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸 與第三動平臺端連接桿位于同一條軸線上，第三動平臺端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸與第三移 動副的軸線垂直并且與第三機架端萬向鉸鏈的第二轉(zhuǎn)動軸平行；所述的第一機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第三動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸位于同一條軸線上；所述的第二機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第一動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸位于同一條軸線上；所述的第三機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與所述的第二動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn) 動軸位于同一條軸線上。
2.如權(quán)利要求1所述的三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于所述的三個動平臺端 萬向鉸鏈上對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)動軸分別設(shè)有一個弧形臂，相應(yīng)的動平臺端連接桿的一端與所述 弧形臂的前端相連，并且所述動平臺端連接桿與所述第一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上。
專利摘要本實用新型提供了一種三自由度轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)，它包括機架、動平臺以及連接在機架與動平臺之間的三條結(jié)構(gòu)相同的運動支鏈。三條運動支鏈分別由順序相連的機架端連接桿、機架端萬向鉸鏈、移動副、動平臺端萬向鉸鏈和動平臺端連接桿組成。其中的第一機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第三動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上。第二機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第一動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上。第三機架端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸與第二動平臺端萬向鉸鏈的第一轉(zhuǎn)動軸位于同一條軸線上。本實用新型具有解耦的三個轉(zhuǎn)動自由度，轉(zhuǎn)動自由度僅依賴運動支鏈的運動副的線性控制，實現(xiàn)原理非常簡單，具有非常好的線性關(guān)系。
文檔編號B23Q1/64GK201824355SQ201020520080
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者劉燕, 宋芳, 張帆, 徐新成, 朱建軍, 胡義剛 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)