专利名称：一种三自由度空间运动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及连杆空间运动机构和几何测量技术领域，也涉及工业机器人技术领域。
与正交运动机构相比，上述机构无高精度的直线导轨，也无典型并联机构的运动平台，因此结构简单。与正交机构和串联机构比较，由于本发明机构的三个运动分之支的末端或自由端形成封闭，因此系统刚度好。
上述第三分支杆芯球铰位置的正解、逆解问题简述如下根据机架铰心的位置坐标和伸缩杆长度，可列出以机架铰心为球心，伸缩杆长度为半径的三个球面方程，再根据第三分支伸缩连杆上三个铰心位于一条直线的特征和两个球铰中心的距离，可列出两个球铰心的坐标的三个等式，用带入消元法得到一元二次方程，最终可求出第三分支杆芯球铰位置的两个显式解，在结构设计中采用简单的限位措施可以保证该机构三个确定的杆长对应一个确定的位置。根据空间位置求杆长的逆解问题实际是求空间两点的距离，更加简单。因此这种空间机构的位置正解、逆解都相当容易。
由于球铰和虎克铰的间隙比直线导轨的间隙容易消除，伸缩连杆的直线度对伸缩杆长度的影响极小，利用伸缩连杆带有的光栅尺，可精确在线测量计算三个伸缩杆两端铰链中心的距离即伸缩杆长，因此可用较低的成本达到很高的测量位置重复精度，此外三个机架铰链的中心点在过该点且与对应杆垂直平面内的位置误差对第三分支杆芯球铰位置的影响也极小。由此可见该机构零件的形位误差不被积累和放大，因此运动精度高。
此外伸缩连杆也可设计成带动力的主动伸缩杆，实现三自由度空间位置的在线精确测量和闭环控制，可用于空间位置精确测量和控制的场合，如三坐标测量机和装配机器人。
该空间运动机构用于坐标测量最简单的情况是在第三分支伸缩连杆的自由端固定接触式测头，连杆被动伸缩，根据测头中心与第三分支伸缩连杆的相对位置即可确定测点空间坐标，制成手动坐标测量机。由于第三分支伸缩杆用虎克铰与机架连接，它不能绕杆的轴线自转，可固定带2个分度的测头，改进坐标测量的灵活性，提高测量效率。当然，如伸缩连杆带动力装置，则可实现自动测量。与常规三坐标测量机构相比，其构造简单、轻巧、成本低，刚度好、精度高，易于在制造业生产现场推广使用。
该运动机构也可用于装配机器人，此时伸缩连杆设计成带动力的主动伸缩杆，在第三分支伸缩连杆的自由端安装带关节的机械手或其它执行部件如吸盘等。其优点是其构造简单、轻巧、成本低，刚度好、精度高，特别是运动位置正解、逆解有唯一的解析解，便于实时进行位置测量和位置闭环控制。
如第三分支伸缩杆垂向吊挂布置，第一、二分支与第三分支的连接点也可在伸缩杆杆壳上，这样第三分支杆芯不承受第一、二分支的重量，在手动测量时，移动更方便。
图2是本发明用于装配机器人的总体结构示意图；
通过三个杆的长度和三个机架铰点的中心位置，可以确定球铰9的中心点的空间坐标，根据比例关系进一步确定，测头中心的空间位置，实现三坐标测量。利用该测量机构可以制成手动简易坐标测量机，当然如伸缩杆可主动伸缩即可实现机动和自动测量。
该机构的优点在于铰关节的间隙容易消除，杆长的精确测量比较容易，伸缩连杆3和伸缩连杆6的直线度对最终测量结果影响很小，因此可达到很高的测量位置重复精度，有利于铰点空间坐标和杆长的误差标定。由此可见机构并不需要太高的加工精度，只需要消除铰的间隙，通过认真标定，从而实现较高的测量精度，与正交机构三坐标测量机相比，简单，轻巧，容易在生产现场得到推广。
实施例二三自由度空间运动机构用于装配机器人如图2所示，机器人结构由机架1、球铰2、球铰7、球铰8和球铰9，虎克铰4，伸缩连杆3、伸缩连杆5和伸缩连杆6，单自由度转动关节11，转动杆12，单自由度转动关节13，摆动杆14和手爪15组成。其中机架1可以是生产现场的稳定结构，也可以是其它结构。其结构特征是伸缩连杆3呈横向、伸缩连杆5呈竖向、伸缩连杆6呈纵向布置，伸缩连杆5的上端用虎克铰4铰接在机架上，伸缩连杆3、伸缩连杆6的一端通过球铰2和球铰9固定在机架1上，另一端也通过球铰8和球铰9与伸缩连杆5的杆芯连接，形成封闭结构，伸缩连杆5的自由端通过单自由度转动关节11连接与伸缩连杆5同轴线的转动杆12，转动杆12的下端通过转动关节13连接摆动杆14，摆动杆14的另一端固定手爪15。摆动轴线与转动杆12的轴线垂直相交，伸缩杆3、伸缩杆5和伸缩杆6的长度、转动杆12相对伸缩杆5的回转角度及伸缩连杆3相对转动杆12的摆动角度均可以控制和测量。
通过三个杆的长度测量作为三维空间精确位置反馈，可使球铰9的中心点位于指定的空间位置，完成机械手大尺度的精确定位，杆3和杆6的直线度误差对定位精度的影响很小，因此该机构有并联机构的大部分优点，但位置在线计算非常简单。通过进一步控制关节11和关节13的转动角度，实现手爪15的姿态控制。由于转动杆12和摆动杆14只需要很小的长度，因此手爪15的位置和姿态控制的误差也较小。
权利要求
1.一种三自由度空间运动机构，包括机架和三个设有铰链的可伸缩连杆分支，其特征在于该运动机构通过三个固定伸缩连杆杆壳端部的铰链与机架连接形成闭环结构，其中第一、第二分支各含有一个单自由度移动副、两个球铰，第三个分支含有一个单自由度移动副、一个虎克铰，该伸缩连杆杆壳端部与虎克铰相连，另一端为伸缩连杆的自由端；所述第一、二分支各有一个球铰固定在机架上，另一个球铰与第三分支的伸缩连杆的杆芯连接，机架的三个铰点应构成一个平面，第三分支上的虎克铰和第一、二分支伸缩连杆的杆芯上的两个球铰在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的三自由度空间运动机构，其特征在于第一、二分支的伸缩连杆杆芯的一端也可公用一个复合球铰与第三分支连接。
3.根据权利要求1所述的三自由度空间运动机构，其特征在于第三分支伸缩连杆的自由端可以安装机械手。
4.根据权利要求1所述的三自由度空间运动机构，其特征在于第三分支伸缩连杆的自由端可以安装测量头。
5.根据权利要求1所述的三自由度空间运动机构，其特征在于第一、二分支的伸缩连杆与第三分支的连接点也可在伸缩杆杆壳上。
全文摘要
本发明提供了一种三自由度空间运动机构,属于几何测量领域,该机构包括机架和三个设有铰链的可伸缩连杆分支,特征在于:该机构通过三个分支与机架连接,机架上的三个铰点应构成一个平面,三个分支均含有一个单自由度移动副,其中第一、第二分支还各含有两个球铰,第三分支含一个虎克铰;第一、第二分支各有一个球铰固定于机架,另外一个球铰与第三分支的伸缩杆杆芯连接,第三分支伸缩连杆壳的一端用虎克铰连接在机架上,该分支连杆上的虎克铰及其杆芯上的两个球铰在一条直线上。上述机构刚度好、精度高,其位置正、逆解有显式单解,可用于三坐标测量机和装配机器人。
文档编号B25J13/00GK1339690SQ0112886
公开日2002年3月13日 申请日期2001年9月18日 优先权日2001年9月18日
发明者周文祥 申请人:西南交通大学