專利名稱：直線平移平面九桿機(jī)構(gòu)及直線平移運動機(jī)構(gòu)構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無導(dǎo)軌直線移動裝置，具體地說是可以產(chǎn)生高精度直線平移運動的平
面連桿機(jī)構(gòu)及其構(gòu)造方法。該發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于需要實現(xiàn)平移運動的場合，可以替代各 種小行程導(dǎo)軌，也可以作為直線運動減速器。
背景技術(shù)：
直線生成機(jī)構(gòu)通常指將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的連桿機(jī)構(gòu)。在第一次工業(yè)革 命中，直線生成機(jī)構(gòu)的研究占有重要的地位，根據(jù)生成直線的精度，可以分為近似直線生成 機(jī)構(gòu)和精確直線生成機(jī)構(gòu)，由于近似直線生成機(jī)構(gòu)通常需要更少的桿，因此應(yīng)用更多。用 于生成近似直線的經(jīng)典四桿機(jī)構(gòu)包括Roberts機(jī)構(gòu)、Watt連桿機(jī)構(gòu)、Daniel連桿機(jī)構(gòu)、 Chebyshev連桿機(jī)構(gòu)、Evans連桿機(jī)構(gòu)、Hoekens連桿機(jī)構(gòu)和Scott Russell連桿機(jī)構(gòu)等等。 另一方面，采用機(jī)構(gòu)尺寸綜合方法也能獲得各種新的近似直線生成機(jī)構(gòu)。 在傳統(tǒng)的直線生成機(jī)構(gòu)中，只有連桿上的一個特定點能沿直線移動，而連桿本身 則伴有轉(zhuǎn)動，因此不能直接用于直線平移運動，通常還需要采用一些特殊設(shè)計。 目前采用連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)直線平移運動的方法目前主要有四種，但是均存在一定的 不足之處。 第一種方法是將兩個直線生成平面四桿機(jī)構(gòu)平行布置或?qū)ΨQ布置，使對應(yīng)的直 線運動點的運動方向平行，并在直線運動點之間用連桿連接，組成過約束的八桿機(jī)構(gòu)。在 平行式八桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以利用平行四邊形機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行一些變形。典型的例子有德 國Physik Instrumente公司的一個產(chǎn)品，采用兩個Roberts連桿相連獲得單自由度直線
移動平臺，然后將三個直線移動平臺疊加組成三維移動平臺。美國通用汽車公司的專利 "Straight Line Linkage Mechanism"(美國專利號US6357768)則通過尺寸綜合提出一 種直線生成四桿機(jī)構(gòu)，可將兩個直線生成四桿機(jī)構(gòu)對稱放置組成直線移動平臺。這類機(jī)構(gòu) 的缺點是移動平臺偏于一側(cè)，當(dāng)負(fù)載離移動平臺的軸線較遠(yuǎn)時整個機(jī)構(gòu)的抗扭能力不足。 為了提高結(jié)構(gòu)剛度，可以將兩個八桿機(jī)構(gòu)平行布置或者對稱布置組合成過約束的十四桿機(jī) 構(gòu)，但是構(gòu)件數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。上述十四桿機(jī)構(gòu)也可以簡化為沒有過約束的十二桿 機(jī)構(gòu)，但是在剛度分布上缺乏對稱性。 第二種方法是在已有直線生成平面四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加兩個桿組成平面六桿 機(jī)構(gòu)，通過尺寸綜合使移動平臺實現(xiàn)直線移動。典型的例子有美國Honeywell公司的專利 "Three degree of freedom translational axis handcontroller mechanism"(美國專 利號US5182961)。這類機(jī)構(gòu)的優(yōu)點是桿數(shù)量少，將兩個六桿機(jī)構(gòu)對稱布置可以獲得剛度更 高的十桿機(jī)構(gòu)；其缺點是直線移動的精度相比第一種方案較低，即移動平臺在直線移動的 同時伴有微幅的轉(zhuǎn)動。 第三種方法是基于雙平行四邊形柔性連桿機(jī)構(gòu)，即將兩個平行四邊形柔性四桿機(jī) 構(gòu)串聯(lián)得到具有兩個移動自由度的雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)，在雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ) 上增加約束得到新機(jī)構(gòu)。瑞士電子與微技術(shù)中心(CSEM)的專利"Device for the guidancein rectilinear translation of anobject that is mobile in relation to a fixed object"(美國專利號US6059481，歐洲專利號EP0857891)。該專利在雙平行四邊形七桿 機(jī)構(gòu)上增加一個杠桿組成八桿機(jī)構(gòu)，杠桿通過三個柔性帶與機(jī)架和七桿機(jī)構(gòu)的兩個平臺分 別連接，具有直線平移行程大和精度高的優(yōu)點。但是該機(jī)構(gòu)采用的柔性帶較長，變形量很 大，因此結(jié)構(gòu)岡彼較小。美國MIT的專禾U"Apparatus havingmotion with pre-determined degrees of freedom"(美國專利號US6688183)將四組或者八組的雙平行四邊形七桿機(jī) 構(gòu)組合成XY兩自由度并聯(lián)平臺，具有結(jié)構(gòu)對稱和行程較大的優(yōu)點，但運動平臺與機(jī)架之間 采用大量彈性件連接，結(jié)構(gòu)剛度較低。 第四種方法是基于Sarrus空間六桿機(jī)構(gòu)，如美國Rockwell公司的專利"Straight Line Mechanism"(美國專利號US5237887)，該機(jī)構(gòu)的缺點是占有的空間較大。美國 Lockhead Martin公司提出一禾中Sarrus機(jī)構(gòu)的變形，其專利"Large Stroke Linear Motion Flexural Apparatus"(美國專利號US7086300)將Sarrus機(jī)構(gòu)的腿分支用單條或多條柔 性帶代替，因而結(jié)構(gòu)非常緊湊，但該機(jī)構(gòu)更適合負(fù)載較小的情況。美國Equipment Solution 公司的專利"High Stiffness Flexure"(美國專利號US7364145)針對柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的 特點，采用截面為三角形的管材以提高腿分支的剛度，該方案能用于負(fù)載較大的情況?；?Sarrus機(jī)構(gòu)的方案中至少有一個腿分支無法安裝在與直線平移方向平行的平面上，因此通 常只用于直線平移方向垂直于機(jī)架和運動平臺的情況。針對這一局限性，美國Texas大學(xué) 的Yeong-j皿Choi等將基于兩級平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的平面八桿機(jī)構(gòu)方案與基于Sarrus 的方案進(jìn)行合成，在兩個串聯(lián)的平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)上增加兩個Sarrus約束腿分支，獲得 具有一個自由度的直線位移平臺。然后將兩個直線位移平臺疊加為XY兩自由度串聯(lián)平臺， 并通過優(yōu)化布局來減小XY兩自由度平臺占有的空間，但該機(jī)構(gòu)仍然尺寸過大，整體剛度不 高。 因此尋找一種桿數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)剛度高且直線移動精度很高的連桿機(jī) 構(gòu)，并用來代替直線導(dǎo)軌仍是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直努力的目標(biāo)。 另一方面，直線電機(jī)具有高速高精度的特點，并且省去了齒輪和絲桿等機(jī)械傳動 環(huán)節(jié)，因此在很多應(yīng)用中有取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)的趨勢。但是中小型直線電機(jī)的負(fù)載能力相對較 低，而且其最高速度在一些應(yīng)用中也不是必需的，因此希望通過減速機(jī)構(gòu)將高速直線運動 轉(zhuǎn)化為中高速直線運動。但是目前能用于中高速直線運動的減速機(jī)構(gòu)還十分少見，常見的 行程倍增方案雖然可以實現(xiàn)減速，例如采用伸展機(jī)構(gòu)的方案，以及采用齒輪、凸輪或者滑輪 的方案，但是維護(hù)困難，難以用于中高速運動的場合。 因此一種結(jié)構(gòu)緊湊、可以實現(xiàn)較短行程范圍內(nèi)的直線運動減速或者加速的平面連 桿機(jī)構(gòu)是本領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明的一個目的是提出一種桿數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)剛 度高且直線移動精度很高、且可以實現(xiàn)較短行程范圍內(nèi)的直線運動減速的平面連桿機(jī)構(gòu)， 可用來代替直線導(dǎo)軌。 本發(fā)明的另一個目的是提出一種基于直線平移平面九桿機(jī)構(gòu)、建立高精度直線平 移運動的平面連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造方法。
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本發(fā)明技術(shù)方案如下用于生成高精度直線平移運動的平面九桿機(jī)構(gòu)，包括一個 Roberts機(jī)構(gòu)、第一平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)、第二平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)、一個運動平臺；兩個 平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)對稱安裝在Roberts機(jī)構(gòu)上，浮動連桿通過鉸鏈與平行四邊形四桿機(jī) 構(gòu)相連；所述運動平臺與Roberts機(jī)構(gòu)的機(jī)架中的一個固定，另一個實現(xiàn)小范圍的高精度 直線平移運動； 其中所述Roberts機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、連桿、左搖桿和右搖桿；所述機(jī)架包括左側(cè)鉸 鏈和右側(cè)鉸鏈；所述連桿包括連桿左邊緣、連桿右邊緣和連桿點；所述連桿點生成高精度 直線軌跡； 所述平面九桿機(jī)構(gòu)關(guān)于對稱軸線左右對稱；所述對稱軸線經(jīng)過Roberts機(jī)構(gòu)的左 側(cè)鉸鏈和右側(cè)鉸鏈連線的中點并垂直于該連線； 所述第一平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括四條邊，第一條邊與第二條邊相鄰，并分別與 Roberts機(jī)構(gòu)的左搖桿和連桿左邊緣重合，第三條邊與第一條邊相連，或與第二條邊相連， 第三條邊上安裝有一個浮動鉸鏈，該浮動鉸鏈處于Roberts機(jī)構(gòu)連桿點(P)與Roberts機(jī) 構(gòu)機(jī)架左側(cè)鉸鏈的連線上； 所述第二平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括四條邊，第一條邊與第二條邊相鄰，并分別與 Roberts機(jī)構(gòu)的右搖桿和連桿右邊緣重合，第三條邊與第一條邊相連，或與第二條邊相連， 并與所述第一個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的第三條邊關(guān)于所述對稱軸線對稱，所述邊上安裝有 一個浮動鉸鏈，該浮動鉸鏈處于Roberts機(jī)構(gòu)連桿點(P)與Roberts機(jī)構(gòu)機(jī)架右側(cè)鉸鏈的 連線上； 所述運動平臺的左、右兩端分別與所述兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的浮動鉸鏈相 連；所述運動平臺與Roberts機(jī)構(gòu)的機(jī)架平行。 所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)兩個搖桿相連的兩個桿去除后得到一種平面 七桿機(jī)構(gòu)；所述平面七桿機(jī)構(gòu)具有兩個自由度，其中一個自由度為直線平移自由度；
所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)的連桿相連的兩個桿去除后得到一種平面七 桿機(jī)構(gòu)；所述平面七桿機(jī)構(gòu)具有兩個自由度，其中一個自由度為直線平移自由度；
構(gòu)造直線平移運動機(jī)構(gòu)的方法，通過從兩自由度機(jī)構(gòu)模塊集合中任意選擇兩個機(jī) 構(gòu)模塊，將兩個機(jī)構(gòu)模塊對稱放置或并列放置，將兩個機(jī)構(gòu)模塊的機(jī)架相互固連，同時將兩 個機(jī)構(gòu)模塊的運動平臺相互固連，獲得只具有一個機(jī)架和一個運動平臺的平面組合機(jī)構(gòu)； 所述平面組合機(jī)構(gòu)的自由度為兩個機(jī)構(gòu)模塊的自由度的交集，是一個沿機(jī)架方向的直線平 移運動自由度。 所述兩自由度機(jī)構(gòu)模塊集合包括四種兩自由度機(jī)構(gòu)模塊；第一種模塊是將所述平 面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)兩個搖桿相連的兩個桿去除得到一種平面七桿機(jī)構(gòu)；第二種模 塊是將所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)兩個搖桿相連的兩個桿去除得到一種平面七桿 機(jī)構(gòu)；第三種模塊是由兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)得到的雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)；第四 種模塊是由Roberts機(jī)構(gòu)和通過一個鉸鏈安裝在Roberts機(jī)構(gòu)連桿點上的一個運動平臺組 成的平面五桿機(jī)構(gòu)；所述每種機(jī)構(gòu)模塊都具有兩個自由度，其運動平臺的運動空間內(nèi)含一 個沿機(jī)架方向的直線平移自由度。 —種直線運動減速器，由兩個生成高精度直線平移運動的平面十二桿機(jī)構(gòu)、一個 機(jī)架和兩個運動平臺組成。所述生成高精度直線平移運動的十二桿機(jī)構(gòu)根據(jù)上述構(gòu)造直線平移運動機(jī)構(gòu)的方法獲得。將兩個平面十二桿機(jī)構(gòu)堆疊放置，所述機(jī)架將一個平面十二桿 機(jī)構(gòu)的機(jī)架與另一個平面十二桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架固連，所述兩個運動平臺將一個平面十二桿機(jī) 構(gòu)中的兩個Roberts機(jī)構(gòu)的連桿與另一個平面十二桿機(jī)構(gòu)中的兩個Roberts機(jī)構(gòu)的連桿分 別固連；驅(qū)動一個運動平臺，使另一個運動平臺產(chǎn)生減速運動。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1.具有桿數(shù)量少、結(jié)構(gòu)剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊和結(jié)構(gòu)對稱等優(yōu)點； 2.鉸鏈可以采用柔性鉸鏈，例如傳統(tǒng)的直梁型柔性鉸鏈、圓弧型柔性鉸鏈、橢圓 形柔性鉸鏈、裂筒式柔性鉸鏈(如美國專利US6585445)、十字交叉型鉸鏈(如美國專利 US3073584、 US3807029、 US5588632)、蝶型鉸鏈(如歐洲專利EP0961151)、以及各種基于簧 片的鉸鏈(如美國專利US6146044、US7044459、NASA的Hexfoil柔性鉸鏈)等，從而減少維 護(hù)； 3.可以組合成直線運動減速器，并且減速比在理論上可以是任意實數(shù)，也可以作 為行程放大器。


圖la-圖ld為本發(fā)明一個直線平移連桿機(jī)構(gòu)實施例的四種基本形式，圖la和圖 lb為兩種包含復(fù)合鉸鏈的平面九桿機(jī)構(gòu)的簡圖，圖3a和圖3b為兩種不包含復(fù)合鉸鏈的平 面九桿機(jī)構(gòu)的簡圖； 圖2a_圖2f為現(xiàn)有技術(shù)中直線平移連桿機(jī)構(gòu)，其中圖2a為Roberts機(jī)構(gòu)的經(jīng)典 形式，圖2b是Roberts機(jī)構(gòu)的通用形式，圖2c和圖2d是基于Roberts機(jī)構(gòu)建立的直線平 移連桿機(jī)構(gòu)，圖2e和圖2f是基于雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)的直線平移連桿機(jī)構(gòu)；
圖3a_圖3d為本發(fā)明用于構(gòu)造新型直線平移連桿機(jī)構(gòu)的四種具有兩自由度的機(jī) 構(gòu)模塊的簡圖； 圖4a_圖4j為本發(fā)明實現(xiàn)直線平移運動的十種平面十二桿機(jī)構(gòu)的簡圖；
圖5a_圖5c為本發(fā)明實現(xiàn)直線平移運動的三種平面十桿機(jī)構(gòu)的簡圖；
圖6a_圖6c為本發(fā)明實現(xiàn)直線平移運動的三種平面八桿機(jī)構(gòu)的簡圖；
圖7為本發(fā)明實現(xiàn)直線平移運動減速器的一種平面十三機(jī)構(gòu)的簡圖；
圖8為本發(fā)明實現(xiàn)行程放大的一種平面十三機(jī)構(gòu)的簡圖；
圖9a和9b為本發(fā)明一個直線平移機(jī)構(gòu)實例的三維示意圖；
圖10為本發(fā)明一個直線平移機(jī)構(gòu)實例的三維分解示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。 如圖la所示為一種產(chǎn)生高精度直線平移運動的具有單個自由度的平面九桿機(jī) 構(gòu)，由機(jī)架1、運動平臺2、若干個桿3，4，5，6，7，8，9和若干個鉸鏈101， 102， 201， 202， 301， 401，402，403，404，501組成。機(jī)架1與運動平臺2之間通過桿3， 4， 5， 6， 7， 8和鉸鏈101， 102， 201， 202， 301， 401， 402， 403， 404， 501連接。 該平面9桿機(jī)構(gòu)具有左右對稱的形式，本質(zhì)上是一個經(jīng)典的Roberts機(jī)構(gòu)與兩個 平行四邊形縮放機(jī)構(gòu)的組合。經(jīng)典的Roberts機(jī)構(gòu)如圖2a所示，其特點是，桿3、桿5以及
7連桿4的兩條邊4c和4d的長度相等。更通用的Roberts機(jī)構(gòu)如圖2b所示，其特點是，桿 3和桿5的長度相等，而連桿4的兩條邊4c和4d的長度相等。當(dāng)滿足上述尺寸條件時， Roberts機(jī)構(gòu)連桿4上的連桿點P初始位置處于鉸鏈101和鉸鏈102的連線上。推動桿3 或桿5，則連桿點P生成一條軌跡C，該軌跡C在對稱位置附近近似為一條直線，而且該直線 與鉸鏈101和鉸鏈102的連線平行。 在圖la所示的平面九桿機(jī)構(gòu)中，桿3在鉸鏈301和鉸鏈401之間的部分為桿3的 上半部3a，桿3在鉸鏈301和鉸鏈101之間的部分為桿3的下半部3b，桿5在鉸鏈501和 鉸鏈401之間的部分為桿5的上半部5a，桿5在鉸鏈501和鉸鏈102之間的部分為桿5的 下半部5a，桿4在鉸鏈401和鉸鏈404之間的部分為桿4的右邊4a，桿4在鉸鏈402和鉸 鏈403之間的部分為桿4的右邊4b。 在圖la所示的平面九桿機(jī)構(gòu)中，桿3的上半部3a、桿6，桿8與連桿4的右邊4a 組成右側(cè)的平行四邊形；桿5的上半部5a、桿7，桿9與連桿4的左邊4b組成左側(cè)的平行四 邊形。而且左右兩側(cè)的平行四邊形關(guān)于對稱軸線V對稱，其中對稱軸線V經(jīng)過Roberts機(jī) 構(gòu)的左側(cè)鉸鏈102和右側(cè)鉸鏈連線101的中點并垂直于該連線。右側(cè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的浮 動鉸鏈201位于機(jī)架1上右側(cè)鉸鏈101和Roberts機(jī)構(gòu)連桿點P的連線上，而左側(cè)平行四 邊形機(jī)構(gòu)的浮動鉸鏈202位于機(jī)架1上左側(cè)鉸鏈102和Roberts機(jī)構(gòu)連桿點P的連線上。 運動平臺2的兩端具有兩個鉸鏈，分別與鉸鏈201和鉸鏈202重合，換句話說，鉸鏈201和 202是復(fù)合鉸鏈，故在圖中采用一個圓圈表示普通鉸鏈，而用兩個圓圈表示復(fù)合鉸鏈。
由于連桿和鉸鏈的約束，運動平臺2相對于機(jī)架1可以實現(xiàn)小范圍的高精度直線 平移運動，而且平移運動方向X與機(jī)架1上的鉸鏈201和鉸鏈102的連線平行。需要指出 的是，如果將運動平臺2固定而讓機(jī)架1浮動，則機(jī)架1相對于運動平臺2實現(xiàn)小范圍的高 精度直線平移運動。 如圖lb所示為圖la所示平面九桿機(jī)構(gòu)的變形，不同之處在于Roberts機(jī)構(gòu)采用 了更通用的形式。 在圖la和圖lb所示的機(jī)構(gòu)中，桿3的上半部3a的長度相對于桿3的全部長度的 比例可以是從0%到100%。采用的比例越小，運動平臺2能獲得的直線平移運動范圍越大。
圖lc為一種不包含復(fù)合鉸鏈的平面九桿機(jī)構(gòu)的簡圖，通過將圖la平面九桿機(jī)構(gòu) 中的桿6和桿7分別沿桿3和桿5進(jìn)行平移，并增加鉸鏈801和901而獲得；同理，圖ld為 另一種不包含復(fù)合鉸鏈的平面九桿機(jī)構(gòu)的簡圖。為了便于稱呼和引用，以下將圖la-圖ld 中的平面九桿機(jī)構(gòu)命名為Roberts-Pantograph機(jī)構(gòu)。 已知計算平面機(jī)構(gòu)自由度的Grubler公式，Roberts-Pantograph機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)
D0F = 3(n-1)-2m 其中n為機(jī)構(gòu)中的桿數(shù)目，而m為鉸鏈和滑動副的數(shù)目。根據(jù)Grubler公式，圖la 和圖lb所示的機(jī)構(gòu)具有九個桿和12個鉸鏈，因此具有3X (9-l)-2X12 = 0個自由度，而 實際上該機(jī)構(gòu)卻具有一個活動自由度，換句話說，該機(jī)構(gòu)是一種過約束機(jī)構(gòu)，只有當(dāng)尺寸加 工很精確時該機(jī)構(gòu)才能運動，而當(dāng)尺寸加工不精確時該機(jī)構(gòu)不能運動。
圖2a_圖2f顯示了現(xiàn)有技術(shù)的六種直線平移機(jī)構(gòu)。其中圖2a和圖2b分別是 Roberts機(jī)構(gòu)的經(jīng)典形式和通用形式。如圖2c所示為德國PI公司提出的一種基于Roberts 機(jī)構(gòu)的直線平移連桿機(jī)構(gòu)，采用兩個Roberts連桿相連獲得單自由度直線移動平臺。圖2d為一種基于Roberts機(jī)構(gòu)和平行四邊形原理的直線平移連桿機(jī)構(gòu)。上述機(jī)構(gòu)難以獲得緊湊 的結(jié)構(gòu)和很高的結(jié)構(gòu)剛度。 圖2e為瑞士電子與微技術(shù)中心(CSEM)的美國專利US6059481中提出的基于雙平 行四邊形的結(jié)構(gòu)，其基本特征在背景材料中已有介紹，其中機(jī)架1、運動平臺2、中間平臺E、 彈性桿L1、L2、L3、L4組成雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)，剛性桿L5通過彈性帶C1、C2、C3分別與 機(jī)架1、中間平臺E和運動平臺2相連，且彈性帶Cl、 C2、 C3的中點共線，因此剛性桿L5起 2 : l比例的杠桿作用。運動平臺2相對機(jī)架1的運動方向為X，當(dāng)運動平臺2相對機(jī)架1 的移動距離為AX時，中間平臺E相對于機(jī)架1向左移距離AX/2，這使得兩個平行四邊形 的轉(zhuǎn)動方向相反但幅度相同。該機(jī)構(gòu)具有直線平移行程大和精度高的優(yōu)點。但是該機(jī)構(gòu)采 用的柔性帶C1、 C2、 C3較長，變形量很大，因此結(jié)構(gòu)剛度較小。可以看出如果將柔性帶C1、 C2、 C3用三個柔性鉸鏈代替，則運動平臺2雖然能產(chǎn)生平移運動，但平移軌跡是以Cl中點 為圓心的圓弧而非直線，不滿足直線平移的要求。圖2f所示機(jī)構(gòu)為圖2e機(jī)構(gòu)的一種變形， 通過縮放儀機(jī)構(gòu)PT替代圖2e機(jī)構(gòu)中的剛性桿L5起到杠桿的作用，這一機(jī)構(gòu)雖然也具有直 線平移行程大和精度高的優(yōu)點，而且剛度比圖2e機(jī)構(gòu)要高，但其結(jié)構(gòu)比圖la和圖lb中的 機(jī)構(gòu)復(fù)雜很多。 圖3a_圖3d顯示了四種用于構(gòu)造直線平移機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)模塊，它們的共同特點是 (1)包括機(jī)架1、運動平臺2和中間平臺E， (2)具有結(jié)構(gòu)對稱的特點，(3)運動平臺2具有 兩個自由度，其運動空間包括一個沿機(jī)架1方向的直線平移自由度。其中圖3a和圖3b中 的機(jī)構(gòu)都是圖la中平面九桿機(jī)構(gòu)(Roberts-Pantogr即h機(jī)構(gòu))的變形，通過將其中兩個平 行四邊形縮放機(jī)構(gòu)(Pantograph)的兩個桿去除而獲得。為了便于稱呼，以下將圖3a中的 機(jī)構(gòu)命名為RP-I模塊，將圖3b中的機(jī)構(gòu)命名為RP-II模塊。圖3c為雙平行四邊形七桿機(jī) 構(gòu)模塊，圖3d所示的模塊包括Roberts機(jī)構(gòu)和通過鉸鏈安裝在連桿點P上的運動平臺2，是 Roberts-Pantograph機(jī)構(gòu)在尺寸退化后獲得，即對應(yīng)圖la中的桿3的上半部3a和桿5的 上半部5a的長度減小到零，以下簡稱為RE模塊。 將圖3a_圖3d所示的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行組合可以獲得多種生成直線平移運動的平面 連桿機(jī)構(gòu)。其基本思路是選擇兩個機(jī)構(gòu)模塊，并采用對稱布置或者平行布置，即保持兩個機(jī) 構(gòu)模塊的機(jī)架方向平行，將兩個機(jī)構(gòu)模塊的機(jī)架相固連，同時將兩個機(jī)構(gòu)模塊的運動平臺 相固連。根據(jù)Grubler自由度計算公式計算，這些組合機(jī)構(gòu)正好具有一個自由度，該自由度 只能是兩個機(jī)構(gòu)模塊自由度的交集，即一個沿機(jī)架方向的直線平移自由度。由于這些組合 機(jī)構(gòu)是非過約束機(jī)構(gòu)，因此即使加工尺寸不是很精確，在安裝時和工作時也不會產(chǎn)生過大 的內(nèi)部應(yīng)力。 如圖4a_圖4j所示是十種通過對上述四種機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行組合獲得的十二桿機(jī)構(gòu)。 其中圖4a_圖4d所示的四個機(jī)構(gòu)是通過對稱放置兩個RP-I模塊或兩個RP-II模塊獲得。 而且嚴(yán)格來說，圖4c所示的機(jī)構(gòu)與圖4a所示的機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是同一種機(jī)構(gòu)，不同之處在于兩 個RP-I模塊與水平軸線H的距離不同。同理，圖4d所示的機(jī)構(gòu)與圖4b所示的機(jī)構(gòu)本質(zhì)上 是同一種機(jī)構(gòu)。圖4e和圖4f所示的兩個機(jī)構(gòu)是通過平行放置兩個RP-I模塊或兩個RP-II 模塊獲得。圖4g和圖4h所示的兩個機(jī)構(gòu)是通過平行放置一個RP-I模塊和一個RP-II模塊 獲得。其中圖4g所示的機(jī)構(gòu)與圖4h所示的機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是同一種機(jī)構(gòu)，不同之處在于RP-I 模塊和RP-II模塊與水平軸線H的距離不同。圖4i所示的機(jī)構(gòu)是通過平行放置一個RP-I模
9塊和一個雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)模塊獲得，而圖4j所示的機(jī)構(gòu)是通過平行放置一個RP-II 模塊和一個雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)模塊獲得。 如圖5a_圖5c所示是三種不對稱的十桿機(jī)構(gòu)，圖5a是由RE模塊和RP_I模塊平 行放置組合而成，圖5b是由RE模塊和RP-II模塊平行放置組合而成，圖5c是由RE模塊和 雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)模塊平行放置組合而成。 如圖6a所示是一種對稱的八桿機(jī)構(gòu)，由兩個RE模塊對稱放置組合而成，也可以看 作是圖4a和圖4b所示十二桿機(jī)構(gòu)退化獲得，即對應(yīng)圖la中的桿3的上半部3a和桿5的 上半部5a的長度減小到零；同理，圖6b所示是一種對稱放置兩個RE模塊獲得的八桿機(jī)構(gòu)， 是圖5c和圖5d所示十二桿機(jī)構(gòu)退化獲得；同理，圖6c所示為一種通過平行布置兩個RE模 塊獲得的八桿機(jī)構(gòu)，是圖5e和圖5f所示機(jī)構(gòu)退化獲得。為避免在后面圖7和圖8中產(chǎn)生 混淆，這里運動平臺2改用標(biāo)記2'表示。 基于上述生成直線平移運動的平面連桿機(jī)構(gòu)可以構(gòu)造兩種不同原理的減速機(jī)構(gòu)。
如圖7所示是一種十三桿機(jī)構(gòu)，通過將圖6a所示八桿機(jī)構(gòu)和圖5a中的十二桿機(jī) 構(gòu)層疊安裝組合而成。進(jìn)行層疊安裝的兩個所述連桿機(jī)構(gòu)滿足如下要求它們的Roberts 機(jī)構(gòu)的尺寸相同但平行四邊形機(jī)構(gòu)的尺寸不同。將兩個連桿機(jī)構(gòu)的Roberts機(jī)構(gòu)的連桿進(jìn) 行固接，同時將兩個連桿機(jī)構(gòu)的Roberts機(jī)構(gòu)的機(jī)架進(jìn)行固接，就可以得到具有一個機(jī)架 1、兩個運動平臺2和2'的減速機(jī)構(gòu)。采用如圖7所示的比例關(guān)系時，如果推動驅(qū)動運動平 臺2'移動lmm，運動平臺2的移動距離是0. 5mm，即減速比為2 : 1。通過改變十二桿機(jī)構(gòu) 中平行四邊形的尺寸，理論上可以獲得任意實數(shù)的減速比，但考慮到關(guān)節(jié)剛度和力傳遞角 等因素，較合適的減速比在5 : l以內(nèi)。 如圖8所示，圖7中的十三桿機(jī)構(gòu)也可以實現(xiàn)差動式行程放大，微位移驅(qū)動器PZT 的兩端分別與運動平臺2'和運動平臺2相連。假設(shè)采用如圖8所示的比例關(guān)系時，運動平 臺2與運動平臺2'的直線平移量的比例是2 : 3，這樣PZT微位移驅(qū)動器每縮短100um，運 動平臺2'移動300um，而運動平臺2運動200um，即可以實現(xiàn)1 : 3的行程放大。該機(jī)構(gòu)理 論上也可以獲得任意實數(shù)的行程放大比例，但較合適的放大比在l : 100以內(nèi)。
需要指出的是，圖7和圖8中的十二桿機(jī)構(gòu)選自圖4a，但也選擇圖4b中所示的 十二桿機(jī)構(gòu)；同時八桿機(jī)構(gòu)可以換成圖4a或圖4b中所示的十二桿機(jī)構(gòu)，因為該八桿機(jī)構(gòu)是 該十二桿機(jī)構(gòu)的一個特例，采用八桿機(jī)構(gòu)僅是為了保持示意圖清晰。 如圖9a和9b所示為一個直線平移機(jī)構(gòu)實例的三維示意圖，分別從正面和底側(cè)顯 示了該機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)和尺寸。該機(jī)構(gòu)對應(yīng)于圖4d中的十二桿機(jī)構(gòu)。 如圖IO所示為該直線平移機(jī)構(gòu)的三維分解圖，該機(jī)構(gòu)主要包括四個構(gòu)件機(jī)架1、 運動平臺2、兩個RP-II模塊(分別用RP-II-a模塊和RP-II-b表示)。RP-II-a模塊和 RP-II-b模塊的尺寸一致，以RP-II-a模塊為例，其構(gòu)件標(biāo)號與圖la的平面視圖相對應(yīng)，其 中鉸鏈101，102，201，202，301，401，402，501采用圓弧型柔性鉸鏈。該機(jī)構(gòu)通過層疊式安裝 以減小機(jī)構(gòu)的體積，其中RP-II-a模塊的機(jī)架la通過兩個螺釘S4與機(jī)架1相固連，RP-II-b 模塊的機(jī)架lb通過兩個螺釘S3與機(jī)架1相固連，RP-II-a模塊的運動平臺2a通過兩個螺 釘S工與運動平臺2相固連，RP-II-b模塊的運動平臺2b通過兩個螺釘S2與運動平臺2相 固連。 與現(xiàn)有技術(shù)(參見圖2c-2d)相比，本發(fā)明克服了現(xiàn)有基于Roberts機(jī)構(gòu)的直線平移機(jī)構(gòu)以及基于雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)的直線平移機(jī)構(gòu)的緊湊程度低和剛度低的缺點，更 具有如下特點 1.具有桿數(shù)量少和結(jié)構(gòu)對稱等優(yōu)點； 2.制造工藝簡單，鉸鏈可以采用柔性鉸鏈或者普通軸承； 3.可以組合成直線運動減速器，并且減速比在理論上可以是任意實數(shù)，也可以作 為行程放大器。
權(quán)利要求
一種生成高精度直線平移運動的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于包括一個Roberts機(jī)構(gòu)、第一平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)、第二平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)、一個運動平臺；兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)對稱安裝在Roberts機(jī)構(gòu)上，浮動連桿通過鉸鏈與平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)相連；所述運動平臺與Roberts機(jī)構(gòu)的機(jī)架中的一個固定，另一個實現(xiàn)小范圍的高精度直線平移運動。
2. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述Roberts機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、連 桿、左搖桿和右搖桿；所述機(jī)架包括左側(cè)鉸鏈和右側(cè)鉸鏈；所述連桿包括連桿左邊緣、連桿 右邊緣和連桿點；所述連桿點生成高精度直線軌跡。
3. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述平面九桿機(jī)構(gòu)關(guān)于對稱軸線 左右對稱；所述對稱軸線經(jīng)過Roberts機(jī)構(gòu)的左側(cè)鉸鏈和右側(cè)鉸鏈連線的中點并垂直于該 連線。
4. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括四 條邊，第一條邊與第二條邊相鄰，并分別與Roberts機(jī)構(gòu)的左搖桿和連桿左邊緣重合，第三 條邊與第一條邊相連，或與第二條邊相連，第三條邊上安裝有一個浮動鉸鏈，該浮動鉸鏈處 于Roberts機(jī)構(gòu)連桿點(P)與Roberts機(jī)構(gòu)機(jī)架左側(cè)鉸鏈的連線上。
5. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括四 條邊，第一條邊與第二條邊相鄰，并分別與Roberts機(jī)構(gòu)的右搖桿和連桿右邊緣重合，第三 條邊與第一條邊相連，或與第二條邊相連，并與所述第一個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的第三條 邊關(guān)于所述對稱軸線對稱，所述邊上安裝有一個浮動鉸鏈，該浮動鉸鏈處于Roberts機(jī)構(gòu) 連桿點(P)與Roberts機(jī)構(gòu)機(jī)架右側(cè)鉸鏈的連線上。
6. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述運動平臺的左、右兩端分別 與所述兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的浮動鉸鏈相連；所述運動平臺與Roberts機(jī)構(gòu)的機(jī)架平 行。
7. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于將所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts 機(jī)構(gòu)兩個搖桿相連的兩個桿去除得到一種平面七桿機(jī)構(gòu)；所述平面七桿機(jī)構(gòu)具有兩個自由 度，其運動空間內(nèi)含一個沿機(jī)架方向的直線平移自由度。
8. 按權(quán)利要求1所述的平面九桿機(jī)構(gòu)，其特征在于將所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts 機(jī)構(gòu)的連桿相連的兩個桿去除得到一種平面七桿機(jī)構(gòu)；所述平面七桿機(jī)構(gòu)具有兩個自由 度，其運動空間內(nèi)含一個沿機(jī)架方向的直線平移自由度。
9. 一種基于權(quán)利要求1所述直線平移平面九桿機(jī)構(gòu)的直線平移運動機(jī)構(gòu)構(gòu)造方法，其 特征在于通過從兩自由度機(jī)構(gòu)模塊集合中任意選擇兩個機(jī)構(gòu)模塊，將兩個機(jī)構(gòu)模塊對稱 放置或并列放置，使兩個機(jī)構(gòu)模塊的機(jī)架方向平行，將兩個機(jī)構(gòu)模塊的機(jī)架相互固連，同時 將兩個機(jī)構(gòu)模塊的運動平臺相互固連，獲得只具有一個機(jī)架和一個運動平臺的平面組合機(jī) 構(gòu)；所述平面組合機(jī)構(gòu)的自由度為兩個機(jī)構(gòu)模塊的自由度的交集，是一個沿機(jī)架方向的直 線平移運動自由度。
10. 按權(quán)利要求9所述構(gòu)造方法，其特征在于所述兩自由度機(jī)構(gòu)模塊集合包括四種 兩自由度機(jī)構(gòu)模塊；第一種模塊是將所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)兩個搖桿相連的兩 個桿去除得到一種平面七桿機(jī)構(gòu)；第二種模塊是將所述平面九桿機(jī)構(gòu)中Roberts機(jī)構(gòu)兩個 搖桿相連的兩個桿去除得到一種平面七桿機(jī)構(gòu)；第三種模塊是由兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)得到的雙平行四邊形七桿機(jī)構(gòu)；第四種模塊是由Roberts機(jī)構(gòu)和通過一個鉸鏈安裝在 Roberts機(jī)構(gòu)連桿點上的一個運動平臺組成的平面五桿機(jī)構(gòu)；所述每種機(jī)構(gòu)模塊都具有兩 個自由度，其運動平臺的運動空間內(nèi)含一個沿機(jī)架方向的直線平移自由度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生成高精度直線平移運動的平面九桿機(jī)構(gòu)和一種構(gòu)造直線平移運動機(jī)構(gòu)的方法。該機(jī)構(gòu)基于Roberts機(jī)構(gòu)和平行四邊形縮放儀(Pantograph)原理設(shè)計，其基本形式由一個Roberts機(jī)構(gòu)和兩個平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)組合而成。在此基礎(chǔ)形式上可以組合和修改成多種變形，具有桿數(shù)量少、結(jié)構(gòu)剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊和結(jié)構(gòu)對稱等特點。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于需要實現(xiàn)平移運動的場合，可以替代各種小行程導(dǎo)軌，簡化維護(hù)，也可以作為直線運動減速器，增大驅(qū)動力。
文檔編號B25J9/16GK101745915SQ20081022998
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者孫元, 羅振軍, 許石哲, 鄒媛媛 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所