CN101844307A

CN101844307A - 一种驱动冗余三自由度并联机构

Info

Publication number: CN101844307A
Application number: CN 201010165567
Authority: CN
Inventors: 刘辛军; 汪劲松; 谢福贵
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN101844307B

Abstract

本发明涉及一种驱动冗余三自由度并联机构，属于数控装置制造技术领域。包括一个安装执行器的动平台和定平台，以及连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链；该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副；该装置还包含一个含有冗余驱动的第三支链，用于实现转动自由度，且冗余驱动施加在该支链的移动副上；该支链中有两个运动副是被驱动的，该第三支链连接于动平台和定平台之间；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现两个移动自由度和一个转动自由度。该机构灵活性更好、精度和刚度更高，更容易实现模块化。

Description

一种驱动冗余三自由度并联机构

技术领域

本发明属于机械制造领域，特别涉及一种能够应用于数控装置制造领域的一种模块化的驱动冗余三自由度并联机构。

背景技术

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：

结构简单紧凑、刚度高、单位重量上承载能力大、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动等优点。这些优点在一定程度上弥补了传统数控装置的不足。然而，并联机构也有其天生的缺陷，尤其是6自由度并联机构，其运动耦合性强、工作空间小、运动学正解复杂、工作空间不规则、数控编程复杂，等等。这些缺点增加了控制和后续的标定工作的复杂性，从而使得并联机构的推广应用受到了较大程度的限制。

近年来，少自由度并联机构(自由度数少于六自由度的并联机构)越来越受到研究者的重视和青睐，。一些少自由度并联装置已经得到了成功应用，如德国DS Technologie公司研制的Sprint Z3三自由度并联主轴头在数控加工中心中获得了巨大的成功。该主轴头作为数控加工中心的一个模块，实现一个移动和两个转动自由度。该类机构的特点是：容易实现加工模块化、运动学简单、具有解耦或者部分解耦的特性。运动解耦的机构容易控制，并且可以达到更高的运动精度，并且解耦运动对机构的运动控制和轨迹规划都有一定意义。

本发明所提出的机构也同属于少自由度并联机构中的三自由度并联机构。

为了进一步克服并联机构的一些缺点，比如工作空间小以及工作空间不规则等，常采用添加冗余驱动的方式，利用冗余特性来避免机构的奇异，从而增大原有机构的工作空间，同时达到提高其刚度和精度的目的，这样构成的机构即为驱动冗余的并联机构。本发明所提出的机构即为驱动冗余的三自由度并联机构。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种驱动冗余三自由度并联机构，本发明通过冗余驱动的添加，该机构在具备了一般三自由度并联机构的优点的同时，其刚度和精度都得到了进一步的提高。

本发明提出的一种驱动冗余三自由度并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，以及连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链；该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于：该装置还包含一个含有冗余驱动的第三支链，用于实现转动自由度，且冗余驱动施加在该支链的移动副上；该支链中有两个运动副是被驱动的，该第三支链连接于动平台和定平台之间；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现两个移动自由度和一个转动自由度。

本发明的特点及技术效果

本发明的机构通过在实现转动的运动学支链上的移动副添加一个冗余驱动，由四个输入驱动动平台运动，实现两个移动自由度和一个转动自由度。动平台可实现较大的转动输出是该机构的一个突出优点，克服了以往并联机构转动能力有限的缺点。通过冗余驱动的添加，该机构在具备了一般三自由度并联机构的优点的同时，其刚度和精度都得到了进一步的提高，更容易实现模块化。

该冗余机构具有以下优点：(1)机构简单、紧凑；(2)刚度高；(3)工作空间大，尤其是转动工作空间，转动能力可达115°。这些优点使得该机构灵活性更好、加工精度更高，更容易实现模块化，配合其它装置可实现对复杂自由曲面类零件的多轴联动数控加工。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图5为本发明中采用的伸缩杆式驱动支链的结构示意图。

具体实施方式

本发明的驱动冗余三自由度并联机构结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的机构，第一、第二支链可以是PRRR型或PRU型或PRS型运动支链也可以是RPRR型或RPU型或RPS型运动支链，第三支链可以是PPRR型或者PRPR型运动支链。其中，P代表移动副，R代表转动副，U代表虎克铰，S代表球铰，且移动副P是驱动运动副。具体说明如下：

第一、第二支链可包括：滑块、连杆、U型架以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副(P)，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副(R)，一个是连接于连杆和U型架之间的转动副(R)，另一个是连接于U型架和动平台之间的转动副(R)。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副(P)是被驱动的，连接于连杆和U型架之间的转动副(R)和连接于U型架和动平台之间的转动副(R)是相互垂直的，且这两个转动副可由一个虎克铰(U)或者一个球铰(S)代替，该支链为PRRR型运动支链或PRU型运动支链或PRS型运动支链。

第一、第二支链还可包括：外伸缩杆、内伸缩杆、U型架以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和外伸缩杆之间的转动副(R)，一个是连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的转动副(P)，一个是连接于内伸缩杆和U型架之间的转动副(R)，另一个是连接于U型架和动平台之间的转动副(R)。其中，连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的转动副(P)是被驱动的，连接于连杆和U型架之间的转动副(R)和连接于U型架和动平台之间的转动副(R)是相互垂直的，且这两个转动副可由一个虎克铰(U)或者一个球铰(S)代替，该支链为RPRR型运动支链或RPU型运动支链或RPS型运动支链。

第三支链可包括：滑台、滑块、连杆以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑台之间的移动副(P)，一个是连接于滑台和滑块之间的移动副(P)，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副(R)，另一个是连接于连杆和动平台之间的转动副(R)。其中，连接于定平台和滑台之间的移动副(P)和连接于滑台和滑块之间的移动副(P)是被驱动的，该支链为PPRR型运动支链。

第三支链还可包括：滑台、外伸缩杆、内伸缩杆以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑台之间的移动副(P)，一个是连接于滑台和外伸缩杆之间的转动副(R)，一个是连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的移动副(P)，另一个是连接于内伸缩杆和动平台之间的转动副(R)。其中，连接于定平台和滑台之间的移动副(P)和连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的移动副(P)是被驱动的，该支链为PRPR型运动支链。

实施例1：

本实施例的驱动冗余三自由度并联机构的结构如图1所示，包括定平台11、定平台17、定平台112、动平台18及第一、第二、第三支链，所述三条支链分别连接于定平台11、定平台17、定平台112和动平台18之间，并与该平台11、定平台17、定平台112和动平台18构成空间闭环机构。

所述第一、第二支链为PRRR型运动支链，包括滑块12、滑块16、连杆13、连杆15、U型架14及运动副。所述的运动副有四个，一个是连接于定平台11、定平台17和滑块12、滑块16之间的移动副(P)，一个是连接于滑块12、滑块16和连杆13、连杆15之间的转动副(R)，一个是连接于连杆13、连杆15和U型架14之间的转动副(R)，另一个是连接于U型架14和动平台18之间的转动副(R)。连接于定平台11、定平台17和滑块12、滑块16之间的移动副(P)是被驱动的，且呈对称布置，运动方向相互平行。连接于连杆13、连杆15和U型架14之间的转动副(R)和连接于U型架14和动平台18之间的转动副(R)相互垂直。

所述第三支链为PPRR型运动支链，用来实现转动自由度，且冗余驱动施加在该支链的移动副上。包括：滑台110、滑块111、连杆19以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台112和滑台110之间的移动副(P)，一个是连接于滑台110和滑块111之间的移动副(P)，一个是连接于滑块111和连杆19之间的转动副(R)，另一个是连接于连杆19和动平台18之间的转动副(R)。其中，连接于定平台112和滑台110之间的移动副(P)是被驱动的，移动方向垂直于连接于定平台11、定平台17和滑块12、滑块16之间的移动副的运动方向且平行于他们所在的平面；连接于滑台110和滑块111之间的移动副(P)是被驱动的，移动方向平行于连接于定平台11、定平台17和滑块12、滑块16之间的移动副的运动方向。

实施例2：

本实施例的驱动冗余三自由度并联机构的结构如图2所示，该机构与实施例1的不同之处在于滑台21的放置方向与实施例1中的滑台110的放置方向相互垂直，此时，滑台21上的移动副的方向与实施例1中的连接于定平台11、定平台17和滑块12、滑块16之间的移动副运动方向所在的平面垂直。

实施例3：

本实施例的驱动冗余三自由度并联机构的结构如图3所示，该机构与实施例1的不同之处在于定平台31和定平台32的放置方向与实施例1中的定平台11和定平台17的放置方向垂直，且定平台31和定平台32上的移动副的运动方向在一条直线上，该直线方向平行于实施例1中的连接于定平台112和滑台110之间的移动副的运动方向。

实施例4：

本实施例的驱动冗余三自由度并联机构的结构如图4所示，该机构与实施例2的不同之处在于定平台41和定平台42的放置方向与实施例2中相对应的定平台的放置方向垂直，且定平台41和定平台42上的移动副的运动方向在一条直线上，该直线方向平行于实施例2中的滑台21的运动方向。

以上各实施例所述的第一、第二支链，其驱动方式可由图5所示的伸缩杆式的驱动机构实现，包括：定平台51、外伸缩杆52和内伸缩杆53及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于定平台51和外伸缩杆52之间的转动副；一个是连接于外伸缩杆52和内伸缩杆53之间的移动副，且该移动副是被驱动的；另一个是连接于内伸缩杆53和实施例1中U型架14的转动副。

以上各实施例所述的第三支链，其滑块111、连杆19及运动副的驱动方式可由图5所示的伸缩杆式的驱动机构实现，包括：底座51、外伸缩杆52和内伸缩杆53及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于底座51和外伸缩杆52之间的转动副；一个是连接于外伸缩杆52和内伸缩杆53之间的移动副，且该移动副是被驱动的；另一个是连接于内伸缩杆53和动平台18的转动副。其中，底座51与滑台110固定连接。

以上各实施例中所述的连接于动平台18和U型架18之间的转动副以及连接于U型架18与连杆13或连杆15或内伸缩杆53之间的转动副可由一个虎克铰或者球铰实现。

Claims

1.一种驱动冗余三自由度并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，以及连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链；该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于：该装置还包含一个含有冗余驱动的第三支链，用于实现转动自由度，且冗余驱动施加在该支链的移动副上；该支链中有两个运动副是被驱动的，该第三支链连接于动平台和定平台之间；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现两个移动自由度和一个转动自由度。

2.如权利要求1所述的一种驱动冗余三自由度并联机构，其特征在于，所述第一、第二支链均包括：滑块、连杆、U型架以及运动副；所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副，一个是连接于连杆和U型架之间的转动副，另一个是连接于U型架和动平台之间的转动副；其中，连接于定平台和滑块之间的移动副是被驱动的，连接于连杆和U型架之间的转动副和连接于U型架和动平台之间的转动副是互相垂直的。

3.如权利要求1所述的一种驱动冗余三自由度并联机构，其特征在于，所述第一、第二支链均包括：外伸缩杆、内伸缩杆、U型架以及运动副；所述运动副有四个，一个是连接于定平台和外伸缩杆之间的转动副，一个是连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的转动副，一个是连接于内伸缩杆和U型架之间的转动副，另一个是连接于U型架和动平台之间的转动副；其中，连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的转动副是被驱动的，连接于连杆和U型架之间的转动副和连接于U型架和动平台之间的转动副是互相垂直的。

4.如权利要求2或3所述的一种驱动冗余三自由度并联机构，其特征在于，所述连接于连杆和U型架之间和连接于U型架和动平台之间的两个转动副采用一个虎克铰或一个球铰。

5.如权利要求1所述的一种驱动冗余三自由度并联机构，其特征在于，所述第三支链包括：滑台、滑块、连杆以及运动副；所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑台之间的移动副，一个是连接于滑台和滑块之间的移动副，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副，另一个是连接于连杆和动平台之间的转动副；其中，连接于定平台和滑台之间的移动副和连接于滑台和滑块之间的移动副是被驱动的。

6.如权利要求1所述的一种驱动冗余三自由度并联机构，其特征在于，所述第三支链包括：滑台、外伸缩杆、内伸缩杆以及运动副；所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑台之间的移动副，一个是连接于滑台和外伸缩杆之间的转动副，一个是连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的移动副，另一个是连接于内伸缩杆和动平台之间的转动副；其中，连接于第三定平台和滑台之间的移动副和连接于外伸缩杆和内伸缩杆之间的移动副是被驱动的。