无耦合三自由度空间移动并联机构及使用该机构的雕刻机的制作方法

本实用新型涉及无耦合三自由度空间移动并联机构及使用该机构的雕刻机。

背景技术：

并联机构可定义为：定平台和动平台之间用两个或两个以上的独立运动支链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构又称并联机器人，是近年来机构学和机器人领域研究的热点之一，具有刚度大、承载能力强、误差累计小、动态性能好、结构紧凑等优点。并联机器人又分为六自由度并联机器人和少自由度并联机器人。少自由度并联机器人具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点，使得少自由度并联机构在工业机器人、虚轴数控并联机床、坐标测量机、运动模拟器及医用机器人等行业有着广阔的应用场景。

申请公布日为2010年12月8日、申请公布号为CN 101905458 A的一篇发明专利公开了一种三平台空间并联机器人机构，该机器人机构包括动平台和定平台，定平台通过三条支链与动平台连接，三条支链分别具有与定平台相连的转动铰或驱动副，当各转动铰或驱动副在控制下运动不同的角度时，三条支链做相应的运动，从而实现动平台在工作空间内做平动运动。

但是该机器人机构的一次平动运动需要每条支链均主动输入一定的运动来实现，运动耦合性较强，动平台的一个运动输出需要多个动力输入控制，运动学求解复杂，规划和控制设计困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供无耦合三自由度空间移动并联机构，以解决现有技术中并联机构耦合性强而导致运动学求解复杂的问题，目的还在于提供使用该机构的雕刻机。

为实现上述目的，本实用新型无耦合三自由度空间移动并联机构的技术方案是：无耦合三自由度空间移动并联机构，包括定平台和动平台，并联机构还包括连接定平台和动平台的三条结构形式相同的分支运动链，各分支运动链从定平台到动平台顺序布置有第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，第一连杆通过第一转动副与定平台连接，第二连杆通过第二转动副与第一连杆连接，第三连杆通过第三转动副与第二连杆连接，第四连杆通过移动副与第三连杆连接，第四连杆另一端与动平台通过第四转动副连接，第一转动副和第二转动副的轴线平行，第三转动副和第四转动副的轴线平行且垂直于第一转动副和第二转动副的轴线，移动副的移动方向垂直于第三转动副和第四转动副的轴线，所述第一转动副为主动副，三条分支运动链的三个第四转动副的轴线互相垂直且呈空间正交分布。

所述动平台为规则的六面体，各分支运动链对应的第四连杆分别通过第四转动副设于所述六面体中互相垂直的三个面上。

所述定平台为框架结构，各分支运动链的第一转动副的轴线相互垂直，且各分支运动链的第一连杆通过第一转动副设于框架结构的三个侧面上。

本实用新型雕刻机的技术方案是：雕刻机，包括雕刻刀和无耦合三自由度空间移动并联机构，所述无耦合三自由度空间移动并联机构包括定平台和动平台，所述雕刻刀固设于所述动平台上，并联机构还包括连接定平台和动平台的三条结构形式相同的分支运动链，各分支运动链从定平台到动平台顺序布置有第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，第一连杆通过第一转动副与定平台连接，第二连杆通过第二转动副与第一连杆连接，第三连杆通过第三转动副与第二连杆连接，第四连杆通过移动副与第三连杆连接，第四连杆另一端与动平台通过第四转动副连接，第一转动副和第二转动副的轴线平行，第三转动副和第四转动副的轴线平行且垂直于第一转动副和第二转动副的轴线，移动副的移动方向垂直于第三转动副和第四转动副的轴线，所述第一转动副为主动副，三条分支运动链的三个第四转动副的轴线互相垂直且呈空间正交分布；雕刻机还包括用于驱动各分支运动链第一转动副转动的动力机构。

雕刻机还包括固设于动平台上的用于驱动雕刻刀旋转的雕刻刀电机。

所述定平台为框架结构，各分支运动链的第一转动副的轴线相互垂直，且各分支运动链的第一连杆通过第一转动副设于框架结构的三个侧面上。

所述动力机构为驱动第一转动副转动的第一转动副电机。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的无耦合三自由度空间移动并联机构，动平台可输出空间三自由度的移动运动，动平台的一个线性输出运动仅由一条分支运动链中的其中一条的第一转动副转动即可，大大减小了各分支运动链之间的影响，解决了一般并联机构解耦性差导致的运动学求解复杂、轨迹和控制设计困难等问题。本实用新型的并联机构结构简单，运动副仅由转动副和移动副组成，大大减小加工难度，降低实际生产价格。

附图说明

图1为本实用新型雕刻机实施例中无耦合三自由度空间移动并联机构的原理图；

图2为本实用新型雕刻机实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步说明。

本实用新型雕刻机的实施例，如图1和图2所示，图1为无耦合三自由度空间移动并联机构的原理图，其中10为定平台，20为动平台，连接定平台10和动平台20的为三条结构形式相同的分支运动链，分别为第一分支运动链L1、第二分支运动链L2和第三分支运动链L3。本实施例以第一分支运动链L1为例进行阐述，各分支运动链的结构形式相同，且在图中的附图标记也类似。

第一分支运动链L1中由定平台10到动平台20依次为第一转动副R11、第二转动副R12、第三转动副R13、移动副P1和第四转动副R14，其中，第一转动副R11和第二转动副R12由第一连杆1-1连接，第二转动副R12和第三转动副R13由第二连杆1-2连接，第三转动副R13和移动副P1由第三连杆1-3连接，移动副P1和第四转动副R14由第四连杆1-4连接。第一转动副R11和第二转动副R12的轴线平行，第三转动副R13和第四转动副R14的轴线平行，而且第三转动副R13和第四转动副R14的轴线垂直于第一转动副R11和第二转动副R12的轴线。移动副P1的移动方向垂直于第三转动副R13和第四转动副R14的轴线。第一连杆1-1通过第一转动副R11连接于定平台10上，第四连杆1-4通过第四转动副R14连接于动平台20上。三条分支运动链的第四转动副的轴线互相垂直且呈空间正交分布。本实施例中，动平台20为规则的六面体结构，三条分支运动链的第四连杆通过第四转动副对应连接在六面体结构的三个互相垂直的面上。其中三条分支运动链的第一转动副均为主动副，在工作时，起到动力输入的作用，其余的转动副和移动副为从动副。

本实用新型的并联机构工作时，当需要动平台20沿图示1的上下方向移动时，第二分支运动链的第一转动副驱动动平台20上下移动，同时第一分支运动链和第三分支运动链的各从动副作适应性的运动即可；当需要动平台沿图示1的左右方向移动时，第三分支运动链的第一转动副驱动动平台20左右移动，同时第一分支运动链和第三分支运动链的各从动副作适应性的运动即可；当需要动平台沿图示1的前后方向移动时，第一分支运动链的第一转动副驱动动平台20前后移动，同时第二分支运动链和第三分支运动链的各从动副作适应性的运动即可。由于该机构的雅克比矩阵为3×3的对角阵，因此该机构运动学具有无耦合特性，本机构的运动输入输出间可实现一对一的控制关系，即动平台20的一个运动输出只需一个转动副转动即可，解决了现有的并联机构运动学解耦性差的问题。该机构在并联机器人、并联机床、三左边测量机等领域有着广泛的应用前景。

由图2中可以看出，定平台为框架结构，三个分支运动链的第一连杆通过第一转动副设于框架结构的三个侧面上，且三个分支运动链的第一转动副的轴线相互垂直。

在其他实施例中，各分支运动链的第四连杆通过第四转动副连接在在动平台上的位置可以根据实际情况进行选择。

在其他实施例中，动平台的形状可以根据实际情况进行重新设计。

如图2所示，雕刻机包括雕刻刀40和驱动雕刻刀40旋转的雕刻刀电机30。雕刻刀40固定在动平台20的下端面上，雕刻刀电机30固定在动平台的上端面上。雕刻机还包括无耦合三自由度空间移动并联机构，其结构与上述无耦合三自由度空间移动并联机构的结构一致，其内容在此不再赘述。本实施例中，雕刻机包括驱动第一分支运动链的第一转动副的电机12、驱动第二分支运动链的第一转动副的电机13和驱动第三分支运动链的第一转动副的电机14。电机12、电机13和电机14均固定在定平台10上，安装时，保证电机12、电机13和电机14的转动轴线互相垂直且呈空间正交分布。

雕刻机工作时，雕刻刀通过并联机构实现空间三个方向移动的同时自身能够旋转，完成雕刻工作。

本实施例中，电机12、电机13和电机14即为第一转动副电机，形成了动力机构，在其他实施例中，动力机构可以为液压驱动机构等。

本实用新型无耦合三自由度空间移动并联机构的具体实施例，与上述雕刻机实施例中无耦合三自由度空间移动并联机构的结构一致，其内容在此不再赘述。