一種驅動冗餘三自由度並聯機構的製作方法

2023-04-25 23:04:16

專利名稱：一種驅動冗餘三自由度並聯機構的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械製造領域，特別涉及一種能夠應用於數控裝置製造領域的一種模塊化的驅動冗餘三自由度並聯機構。
背景技術：
並聯機構是由多個支鏈構成的閉環機構，相對於傳統的串聯機構具有以下優點結構簡單緊湊、剛度高、單位重量上承載能力大、無誤差積累、運動部件質量小、易 於實現高速運動等優點。這些優點在一定程度上彌補了傳統數控裝置的不足。然而，並聯 機構也有其天生的缺陷，尤其是6自由度並聯機構，其運動耦合性強、工作空間小、運動學 正解複雜、工作空間不規則、數控編程複雜，等等。這些缺點增加了控制和後續的標定工作 的複雜性，從而使得並聯機構的推廣應用受到了較大程度的限制。近年來，少自由度並聯機構(自由度數少於六自由度的並聯機構)越來越受到研 究者的重視和青睞，。一些少自由度並聯裝置已經得到了成功應用，如德國DS Technologie 公司研製的Sprint Z3三自由度並聯主軸頭在數控加工中心中獲得了巨大的成功。該主軸 頭作為數控加工中心的一個模塊，實現一個移動和兩個轉動自由度。該類機構的特點是 容易實現加工模塊化、運動學簡單、具有解耦或者部分解耦的特性。運動解耦的機構容易控 制，並且可以達到更高的運動精度，並且解耦運動對機構的運動控制和軌跡規劃都有一定
眉、ο本發明所提出的機構也同屬於少自由度並聯機構中的三自由度並聯機構。為了進一步克服並聯機構的一些缺點，比如工作空間小以及工作空間不規則等， 常採用添加冗餘驅動的方式，利用冗餘特性來避免機構的奇異，從而增大原有機構的工作 空間，同時達到提高其剛度和精度的目的，這樣構成的機構即為驅動冗餘的並聯機構。本發 明所提出的機構即為驅動冗餘的三自由度並聯機構。

發明內容
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種驅動冗餘三自由度並聯機 構，本發明通過冗餘驅動的添加，該機構在具備了一般三自由度並聯機構的優點的同時，其 剛度和精度都得到了進一步的提高。本發明提出的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，包括一個安裝執行器的動平臺和 定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結構的第一、第二支鏈；該第一、第 二支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特徵在於該裝置還包含一個含有冗餘驅動的第 三支鏈，用於實現轉動自由度，且冗餘驅動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動 副是被驅動的，該第三支鏈連接於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並聯閉環機構，該空間並聯閉環機構通過四個輸入運 動驅動動平臺運動，實現兩個移動自由度和一個轉動自由度。本發明的特點及技術效果
本發明的機構通過在實現轉動的運動學支鏈上的移動副添加一個冗餘驅動，由四個輸入驅動動平臺運動，實現兩個移動自由度和一個轉動自由度。動平臺可實現較大的轉 動輸出是該機構的一個突出優點，克服了以往並聯機構轉動能力有限的缺點。通過冗餘驅 動的添加，該機構在具備了一般三自由度並聯機構的優點的同時，其剛度和精度都得到了 進一步的提高，更容易實現模塊化。該冗餘機構具有以下優點(1)機構簡單、緊湊；(2)剛度高；(3)工作空間大，尤 其是轉動工作空間，轉動能力可達115°。這些優點使得該機構靈活性更好、加工精度更高， 更容易實現模塊化，配合其它裝置可實現對複雜自由曲面類零件的多軸聯動數控加工。


圖1為本發明實施例1的結構示意圖。圖2為本發明實施例2的結構示意圖。圖3為本發明實施例3的結構示意圖。圖4為本發明實施例4的結構示意圖。圖5為本發明中採用的伸縮杆式驅動支鏈的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的驅動冗餘三自由度並聯機構結合附圖及實施例詳細說明如下本發明提出的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，包括一個安裝執行器的動平臺和 定平臺，以及連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結構的第一、第二支鏈；該第一、第 二支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特徵在於該裝置還包含一個含有冗餘驅動的第 三支鏈，用於實現轉動自由度，且冗餘驅動施加在該支鏈的移動副上；該支鏈中有兩個運動 副是被驅動的，該第三支鏈連接於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並聯閉環機構，該空間並聯閉環機構通過四個輸入運 動驅動動平臺運動，實現兩個移動自由度和一個轉動自由度。本發明的機構，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代表轉動副，U代表虎克鉸，S代表球鉸，且移動副P是驅動運動副。具 體說明如下第一、第二支鏈可包括滑塊、連杆、U型架以及運動副。所述運動副有四個，一個 是連接於定平臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接於滑塊和連杆之間的轉動副(R)，一 個是連接於連杆和U型架之間的轉動副(R)，另一個是連接於U型架和動平臺之間的轉動副 (R)。其中，連接於定平臺和滑塊之間的移動副(P)是被驅動的，連接於連杆和U型架之間 的轉動副(R)和連接於U型架和動平臺之間的轉動副(R)是相互垂直的，且這兩個轉動副 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杆、內伸縮杆、U型架以及運動副。所述運動副有 四個，一個是連接於定平臺和外伸縮杆之間的轉動副(R)，一個是連接於外伸縮杆和內伸縮 杆之間的轉動副(P)，一個是連接於內伸縮杆和U型架之間的轉動副(R)，另一個是連接於U型架和動平臺之間的轉動副(R)。其中，連接於外伸縮杆和內伸縮杆之間的轉動副(P)是被驅動的，連接於連杆和U型架之間的轉動副(R)和連接於U型架和動平臺之間的轉動副 (R)是相互垂直的，且這兩個轉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、連杆以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接於 定平臺和滑臺之間的移動副(P)，一個是連接於滑臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接 於滑塊和連杆之間的轉動副(R)，另一個是連接於連杆和動平臺之間的轉動副(R)。其中， 連接於定平臺和滑臺之間的移動副(P)和連接於滑臺和滑塊之間的移動副(P)是被驅動 的，該支鏈為PPRR型運動支鏈。第三支鏈還可包括滑臺、外伸縮杆、內伸縮杆以及運動副。所述運動副有四個，一 個是連接於定平臺和滑臺之間的移動副(P)，一個是連接於滑臺和外伸縮杆之間的轉動副 (R)，一個是連接於外伸縮杆和內伸縮杆之間的移動副(P)，另一個是連接於內伸縮杆和動 平臺之間的轉動副(R)。其中，連接於定平臺和滑臺之間的移動副(P)和連接於外伸縮杆和 內伸縮杆之間的移動副(P)是被驅動的，該支鏈為PRI3R型運動支鏈。實施例1 本實施例的驅動冗餘三自由度並聯機構的結構如圖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於定平臺11、 定平臺17、定平臺112和動平臺18之間，並與該平臺11、定平臺17、定平臺112和動平臺 18構成空間閉環機構。所述第一、第二支鏈為PRRR型運動支鏈，包括滑塊12、滑塊16、連杆13、連杆15、 U型架14及運動副。所述的運動副有四個，一個是連接於定平臺11、定平臺17和滑塊12、 滑塊16之間的移動副(P)，一個是連接於滑塊12、滑塊16和連杆13、連杆15之間的轉動副 (R)，一個是連接於連杆13、連杆15和U型架14之間的轉動副(R)，另一個是連接於U型架 14和動平臺18之間的轉動副(R)。連接於定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的 移動副(P)是被驅動的，且呈對稱布置，運動方向相互平行。連接於連杆13、連杆15和U型 架14之間的轉動副(R)和連接於U型架14和動平臺18之間的轉動副(R)相互垂直。所述第三支鏈為PPRR型運動支鏈，用來實現轉動自由度，且冗餘驅動施加在該支 鏈的移動副上。包括滑臺110、滑塊111、連杆19以及運動副。所述運動副有四個，一個是 連接於定平臺112和滑臺110之間的移動副(P)，一個是連接於滑臺110和滑塊111之間的 移動副(P)，一個是連接於滑塊111和連杆19之間的轉動副(R)，另一個是連接於連杆19 和動平臺18之間的轉動副(R)。其中，連接於定平臺112和滑臺110之間的移動副⑵是 被驅動的，移動方向垂直於連接於定平臺11、定平臺17和滑塊12、滑塊16之間的移動副的 運動方向且平行於他們所在的平面；連接於滑臺110和滑塊111之間的移動副(P)是被驅 動的，移動方向平行於連接於定平臺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 本實施例的驅動冗餘三自由度並聯機構的結構如圖2所示，該機構與實施例1的 不同之處在於滑臺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中的連接於定平臺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 本實施例的驅動冗餘三自由度並聯機構的結構如圖3所示，該機構與實施例1的不同之處在於定平臺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 平行於實施例1中的連接於定平臺112和滑臺110之間的移動副的運動方向。實施例4 本實施例的驅動冗餘三自由度並聯機構的結構如圖4所示，該機構與實施例2的 不同之處在於定平臺41和定平臺42的放置方向與實施例2中相對應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，該直線方向平行於實 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，其驅動方式可由圖5所示的伸縮杆式的驅 動機構實現，包括定平臺51、外伸縮杆52和內伸縮杆53及運動副，所述運動副有三個，一 個是連接於定平臺51和外伸縮杆52之間的轉動副；一個是連接於外伸縮杆52和內伸縮杆 53之間的移動副，且該移動副是被驅動的；另一個是連接於內伸縮杆53和實施例1中U型 架14的轉動副。以上各實施例所述的第三支鏈，其滑塊111、連杆19及運動副的驅動方式可由圖5 所示的伸縮杆式的驅動機構實現，包括底座51、外伸縮杆52和內伸縮杆53及運動副，所 述運動副有三個，一個是連接於底座51和外伸縮杆52之間的轉動副；一個是連接於外伸縮 杆52和內伸縮杆53之間的移動副，且該移動副是被驅動的；另一個是連接於內伸縮杆53 和動平臺18的轉動副。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於動平臺18和U型架18之間的轉動副以及連接於U 型架18與連杆13或連杆15或內伸縮杆53之間的轉動副可由一個虎克鉸或者球鉸實現。
權利要求
一種驅動冗餘三自由度並聯機構，包括一個安裝執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構的第一、第二支鏈；該第一、第二支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特徵在於該裝置還包含一個含有冗餘驅動的第三支鏈，用於實現轉動自由度，且冗餘驅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動的，該第三支鏈連接於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並聯閉環機構，該空間並聯閉環機構通過四個輸入運動驅動動平臺運動，實現兩個移動自由度和一個轉動自由度。
2.如權利要求1所述的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，其特徵在於，所述第一、第二 支鏈均包括滑塊、連杆、U型架以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接於定平臺和滑 塊之間的移動副，一個是連接於滑塊和連杆之間的轉動副，一個是連接於連杆和U型架之 間的轉動副，另一個是連接於U型架和動平臺之間的轉動副；其中，連接於定平臺和滑塊之 間的移動副是被驅動的，連接於連杆和U型架之間的轉動副和連接於U型架和動平臺之間 的轉動副是互相垂直的。
3.如權利要求1所述的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，其特徵在於，所述第一、第二 支鏈均包括外伸縮杆、內伸縮杆、U型架以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接於定 平臺和外伸縮杆之間的轉動副，一個是連接於外伸縮杆和內伸縮杆之間的轉動副，一個是 連接於內伸縮杆和U型架之間的轉動副，另一個是連接於U型架和動平臺之間的轉動副；其 中，連接於外伸縮杆和內伸縮杆之間的轉動副是被驅動的，連接於連杆和U型架之間的轉 動副和連接於U型架和動平臺之間的轉動副是互相垂直的。
4.如權利要求2或3所述的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，其特徵在於，所述連接 於連杆和U型架之間和連接於U型架和動平臺之間的兩個轉動副採用一個虎克鉸或一個球 鉸。
5.如權利要求1所述的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，其特徵在於，所述第三支鏈 包括滑臺、滑塊、連杆以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接於定平臺和滑臺之間 的移動副，一個是連接於滑臺和滑塊之間的移動副，一個是連接於滑塊和連杆之間的轉動 畐O，另一個是連接於連杆和動平臺之間的轉動副；其中，連接於定平臺和滑臺之間的移動副 和連接於滑臺和滑塊之間的移動副是被驅動的。
6.如權利要求1所述的一種驅動冗餘三自由度並聯機構，其特徵在於，所述第三支鏈 包括滑臺、外伸縮杆、內伸縮杆以及運動副；所述運動副有四個，一個是連接於定平臺和 滑臺之間的移動副，一個是連接於滑臺和外伸縮杆之間的轉動副，一個是連接於外伸縮杆 和內伸縮杆之間的移動副，另一個是連接於內伸縮杆和動平臺之間的轉動副；其中，連接於 第三定平臺和滑臺之間的移動副和連接於外伸縮杆和內伸縮杆之間的移動副是被驅動的。
全文摘要
本發明涉及一種驅動冗餘三自由度並聯機構，屬於數控裝置製造技術領域。包括一個安裝執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構的第一、第二支鏈；該第一、第二支鏈均含有一個主動驅動的運動副；該裝置還包含一個含有冗餘驅動的第三支鏈，用於實現轉動自由度，且冗餘驅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動的，該第三支鏈連接於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並聯閉環機構，該空間並聯閉環機構通過四個輸入運動驅動動平臺運動，實現兩個移動自由度和一個轉動自由度。該機構靈活性更好、精度和剛度更高，更容易實現模塊化。
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 優先權日2010年4月30日
發明者劉辛軍, 汪勁松, 謝福貴 申請人:清華大學