專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三自由度機(jī)器人和空間移動(dòng)測(cè)量機(jī)等領(lǐng)域，具體涉及一種完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人、虛軸并聯(lián)機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和運(yùn)動(dòng)模擬器等的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)構(gòu)一般由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和2-6條支路組成。相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、精度高、自重負(fù)荷比小等優(yōu)點(diǎn)。而少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相對(duì)于6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因而少自由度并聯(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(cè)量機(jī)、運(yùn)動(dòng)模擬器及醫(yī)用機(jī)器人等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。
目前，已有不少新型三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，最著名的是Delta機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由12個(gè)球副、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和14個(gè)桿件組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解繁瑣。而后，Tsai在Delta機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型三維移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(美國(guó)專(zhuān)利，No.5656905，
公開(kāi)日為1997.08.12)，雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)與前者簡(jiǎn)單，但是其運(yùn)動(dòng)學(xué)求解為八次，耦合性較強(qiáng)，軌跡規(guī)劃和控制也很復(fù)雜。
我國(guó)不少學(xué)者也構(gòu)造了不少新型三維移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。專(zhuān)利號(hào)01104454.3(發(fā)明名稱(chēng)三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，申請(qǐng)日2001.02.27，
公開(kāi)日2001.09.05，公開(kāi)號(hào)CN1311083)，該發(fā)明由三個(gè)支路構(gòu)成，每條支路又是由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)副、一個(gè)圓柱副串聯(lián)而成，可有不同的組成結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但也只是簡(jiǎn)化了軌跡規(guī)劃和控制，并未徹底解決該問(wèn)題。
專(zhuān)利號(hào)01108283.6(發(fā)明名稱(chēng)用于虛擬機(jī)床和機(jī)器人等的一類(lèi)三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，申請(qǐng)日2001.02.28，
公開(kāi)日2001.07.25，公開(kāi)號(hào)CN1304820)。該發(fā)明由兩到三個(gè)支路構(gòu)成，前兩個(gè)支路可平行配置或一個(gè)支路單獨(dú)配置，第三條支路與前兩個(gè)支路垂直或非平行任意配置，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。但仍存在部分解耦性，并且運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為四次。
但是對(duì)于以上的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，都具有運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合性強(qiáng)、存在奇異位形等問(wèn)題，使得軌跡規(guī)劃和控制較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，解決現(xiàn)有機(jī)構(gòu)中存在的運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合性強(qiáng)和奇異位形等問(wèn)題，使得軌跡規(guī)劃和控制非常簡(jiǎn)單。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)平臺(tái)、作為機(jī)架的定平臺(tái)以及聯(lián)接定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)的相同的三條支路，每條支路包括與定平臺(tái)相連接的第一圓柱副，第一圓柱副連接有與其軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副還連接有與其軸線相垂直第二圓柱副，第二圓柱副的另一端與動(dòng)平臺(tái)相連接，三條支路上相同的三個(gè)第一圓柱副的軸線垂直匯交于定平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)正三角形，三條支路上與其相連的第二圓柱副的軸線相互垂直并匯交于一點(diǎn)，三條支路均以第一圓柱副作為主動(dòng)副，并以第一圓柱副的線性移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)平臺(tái)、作為機(jī)架的定平臺(tái)以及聯(lián)接定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)的相同的三條支路，每條支路包括與定平臺(tái)相連接的第一圓柱副，第一圓柱副連接有與其軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副，與轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接的還有一個(gè)平面平行四邊形機(jī)構(gòu)，平面平行四邊形機(jī)構(gòu)的另一端與動(dòng)平臺(tái)相連接，三條支路上相同的三個(gè)第一圓柱副的軸線垂直匯交于定平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)正三角形，平面平行四邊形機(jī)構(gòu)由四個(gè)軸線相互平行的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，且第二轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線平行，三條支路均以第一圓柱副作為主動(dòng)副，并以第一圓柱副的線性移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)不僅具有完全相同的拓?fù)鋵?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，而且僅含有圓柱副和轉(zhuǎn)動(dòng)副，不存在被動(dòng)移動(dòng)副。所以該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作空間大，易于維護(hù)等特點(diǎn)。更重要的是，在機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中雅可比矩陣均為3×3階單位陣，不但雅可比矩陣的條件數(shù)等于1，而且雅可比矩陣行列式的值恒等于1，因此機(jī)構(gòu)在整個(gè)工作空間內(nèi)表現(xiàn)為無(wú)奇異完全各向同性。機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輸入速度和動(dòng)平臺(tái)輸出速度之間為一一對(duì)應(yīng)的線性映射關(guān)系，即動(dòng)平臺(tái)上任意一點(diǎn)沿某一坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制。機(jī)構(gòu)的工作空間非常規(guī)則，為立方體形式。所以機(jī)構(gòu)的軌跡規(guī)劃和控制非常簡(jiǎn)單，并且該機(jī)構(gòu)利于節(jié)能和環(huán)保。因此，該機(jī)構(gòu)在機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明提供的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明運(yùn)動(dòng)副替換后的另一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.定平臺(tái)、2.動(dòng)平臺(tái)、3.第一圓柱副、4.轉(zhuǎn)動(dòng)副、5.第二圓柱副、6.平面平行四邊形機(jī)構(gòu)、7.第二轉(zhuǎn)動(dòng)副、D為測(cè)量頭。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
所謂無(wú)奇異完全各向同性機(jī)構(gòu)是指在整個(gè)工作空間內(nèi)不存在奇異位形，且其雅可比矩陣的條件數(shù)恒等于1的機(jī)構(gòu)。本發(fā)明采用無(wú)奇異完全各向同性機(jī)構(gòu)，使得軌跡規(guī)劃和控制容易，解決了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在的運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合性強(qiáng)和控制難等缺陷。
實(shí)施例1本發(fā)明的無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1所示，包括動(dòng)平臺(tái)2、作為機(jī)架的定平臺(tái)1以及聯(lián)接定平臺(tái)1和動(dòng)平臺(tái)2的相同的三條支路。每條支路包括與定平臺(tái)1相連接的第一圓柱副3，第一圓柱副3連接有與其軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副4，轉(zhuǎn)動(dòng)副4還連接有與其軸線相垂直的第二圓柱副5，第二圓柱副5的另一端與動(dòng)平臺(tái)2相連接，三條支路上相同的三個(gè)第一圓柱副3的軸線垂直匯交于定平臺(tái)1，動(dòng)平臺(tái)2是一個(gè)正三角形，三條支路上與其相連的第二圓柱副5的軸線相互垂直并匯交于一點(diǎn)，三條支路均以第一圓柱副3作為主動(dòng)副，并以第一圓柱副3的線性移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。
實(shí)施例2如圖2所示，每條支路中的第二圓柱副5采用由四個(gè)第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7組成的一個(gè)平面平行四邊形機(jī)構(gòu)6代替，即每條支路由一個(gè)第一圓柱副3、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副4和一個(gè)平面平行四邊形機(jī)構(gòu)6組成，且轉(zhuǎn)動(dòng)副4的軸線與組成平面平行四邊形機(jī)構(gòu)6的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7的軸線平行。
本發(fā)明用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，在動(dòng)平臺(tái)2上安裝測(cè)量頭D，如圖3所示，當(dāng)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺度參數(shù)確定后，控制定平臺(tái)1上三個(gè)主動(dòng)第一圓柱副3的線性輸入運(yùn)動(dòng)，即可確定出動(dòng)平臺(tái)上測(cè)量頭D的空間坐標(biāo)位置，即為虛軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并且測(cè)量頭D沿任意一個(gè)坐標(biāo)軸向的運(yùn)動(dòng)只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制。
實(shí)施結(jié)果表明，本發(fā)明不但解決了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在的運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合性強(qiáng)、存在奇異位形的問(wèn)題，使得軌跡規(guī)劃和控制較為容易，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作空間大，易于維護(hù)，節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)平臺(tái)(2)、作為機(jī)架的定平臺(tái)(1)以及聯(lián)接定平臺(tái)(1)和動(dòng)平臺(tái)(2)的相同的三條支路，其特征在于，每條支路包括與定平臺(tái)(1)相連接的第一圓柱副(3)，第一圓柱副(3)連接有與其軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副(4)，轉(zhuǎn)動(dòng)副(4)還連接有與其軸線相垂直第二圓柱副(5)，第二圓柱副(5)的另一端與動(dòng)平臺(tái)(2)相連接，三條支路上相同的三個(gè)第一圓柱副(3)的軸線垂直匯交于定平臺(tái)(1)，所述的動(dòng)平臺(tái)(2)是一個(gè)正三角形，三條支路上與其相連的第二圓柱副(5)的軸線相互垂直并匯交于一點(diǎn)，三條支路均以第一圓柱副(3)作為主動(dòng)副，并以第一圓柱副(3)的線性移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。
2.一種無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)平臺(tái)(2)、作為機(jī)架的定平臺(tái)(1)以及聯(lián)接定平臺(tái)(1)和動(dòng)平臺(tái)(2)的相同的三條支路，其特征在于，每條支路包括與定平臺(tái)(1)相連接的第一圓柱副(3)，第一圓柱副(3)連接有與其軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副(4)，轉(zhuǎn)動(dòng)副(4)還連接有一個(gè)平面平行四邊形機(jī)構(gòu)(6)，平面平行四邊形機(jī)構(gòu)(6)的另一端與動(dòng)平臺(tái)(2)相連接，三條支路上相同的三個(gè)第一圓柱副(3)的軸線垂直匯交于定平臺(tái)(1)，所述的動(dòng)平臺(tái)(2)是一個(gè)正三角形，所述的平面平行四邊形機(jī)構(gòu)(6)由四個(gè)軸線相互平行的第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(7)組成，且第二轉(zhuǎn)動(dòng)副(7)的軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)副(4)的軸線平行，三條支路均以第一圓柱副(3)作為主動(dòng)副，并以第一圓柱副(3)的線性移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。
全文摘要
無(wú)奇異完全各向同性空間移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)以及聯(lián)接兩平臺(tái)的三條結(jié)構(gòu)相同的支路組成，每條支路由一個(gè)第一圓柱副、一個(gè)與第一圓柱副軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副以及一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線垂直的第二圓柱副串聯(lián)而成；其中第二圓柱副也可由一個(gè)由四個(gè)軸線相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平面平行四邊形機(jī)構(gòu)替代，三條支路均以與定平臺(tái)相連的圓柱副作為主動(dòng)副，并以定平臺(tái)上的三個(gè)圓柱副的移動(dòng)自由度作為主動(dòng)輸入。本發(fā)明的機(jī)構(gòu)雅可比矩陣均為3×3階單位陣，且其行列式的值恒等于1，因此機(jī)構(gòu)在整個(gè)工作空間內(nèi)表現(xiàn)為無(wú)奇異完全各向同性，機(jī)構(gòu)的輸入和輸出速度間成一一對(duì)應(yīng)的線性映射關(guān)系，軌跡規(guī)劃和控制非常簡(jiǎn)單，可用于機(jī)器人，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和虛軸并聯(lián)機(jī)床等。
文檔編號(hào)B25J9/00GK101058185SQ20071001795
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者劉宏昭, 張彥斌, 張明洪, 吳子英, 穆安樂(lè), 王建平 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)