一种部分解耦的六自由度并联机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。此种结构可克服现有六自由度平台的六个自由度之间存在的严重耦合问题，可以实现部分解耦，即动平台的转动自由度和平动自由度互不影响。
【专利说明】
-种部分解輔的六自由度并联机构
技术领域
[0001] 本发明设及一种多自由度运动执行和定位装置，用于尤其用于需要实现六个自由 度的刚体运动和定位功能的机器人执行机构或需要主动调整姿态的物体的支撑机构。
【背景技术】
[0002] 根据机械原理，机构要实现某种数量的自由度的运动，就必须具有相应数量的独 立的原运动。为实现运动执行构件的全部六个自由度的运动，现已有多种形式的机构，其中 最经典的六自由度运动机构是Stewart平台，其机构示意图如图1所示，包括动平台50、底座 机架10W及安装在底座机架10上与动平台50相联接的六根可伸缩杆30,六根可伸缩杆30两 两一组，均匀分布;可伸缩杆30的下端通过二自由度虎克较20与底座机架10相连，各杆可W 绕虎克较20在两个方向上转动;上端通过具有Ξ个自由度的球较40与动平台50相连，即允 许任何方向的转动；另外，可伸缩杆本身因"可伸缩"从而具有一个自由度，可W调节杆的长 度;运样就可W通过六根独立的可伸缩杆使动平台实现六个自由度的刚体运动。
[0003] 但是Stewart平台的六个自由度之间存在着严重的禪合关系，导致机构分析和运 动控制非常困难和复杂，有待改进。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的，在于提供一种部分解禪的六自由度并联机构，其可克服现有六自 由度平台的六个自由度之间存在的严重禪合问题，可W实现部分解禪，即动平台的转动自 由度和平动自由度互不影响。
[0005] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0006] -种部分解禪的六自由度并联机构，包括1个底座机架、6个虎克较、6根可伸缩杆、 3个球较和1个动平台，其中，动平台的中屯、处设有一个可允许动平台具有Ξ个转动自由度 的复合球较，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球较，另一端通过3个虎克较联接在底座机 架呈等边Ξ角形分布的Ξ个顶点处;在动平台Ξ个呈等边Ξ角形的顶点处分别设置球较， 另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球较，另一端分别通过剩余3个虎克较联接底座机 架。
[0007] 上述复合球较采用3条钢丝，3条钢丝的一端分别联接3根可伸缩杆的一端，3条钢 丝的另一端联接在动平台的下表面，且3条钢丝的延长线交于动平台上表面的中屯、点处。 [000引上述并联机构的初始状态时，联接复合球较的3根可伸缩杆等长，并相对动平台中 屯、法线呈旋转对称分布，且分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。
[0009] 上述设于底座机架呈等边Ξ角形分布的Ξ个顶点处的3个虎克较与剩余3个虎克 较两两对应复合，形成3个复合较链。
[0010] 上述剩余3个虎克较分别设于底座机架另外的Ξ个呈等边Ξ角形分布的点处。
[0011] 采用上述方案后，本发明的有益效果是：该特殊构型的六自由度并联机构原理清 晰、结构对称。相对于经典的Stewart平台，本发明提出的六自由度并联机构具有平动自由 度与转动自由度之间部分解禪的特性。运是因为可伸缩杆1，2,3不输出位移时，动平台的Ξ 个转动自由度仅由可伸缩杆4,5,6决定;而当可伸缩杆4,5,6不输出位移时，动平台的Ξ个 平动自由度仅由可伸缩杆1，2，3决定，运一解禪特性有利于机构分析及其运动控制。
【附图说明】
[0012] 图1是经典Stewad平台机构示意图；
[0013] 图2是本发明的第一种结构形式示意图；
[0014] 图3是本发明的第二种结构形式示意图；
[0015] 图4是采用钢丝实现球较的示意图；
[0016] 图5是第一类奇异位型俯视图一；
[0017] 图6是第一类奇异位型俯视图二；
[0018] 图7是第一类奇异位型俯视图Ξ;
[0019] 图8是第二类奇异位型示意图；
[0020] 图9是第二类奇异位型俯视图；
[0021] 图10是本发明的实施例示意图。
【具体实施方式】
[0022] W下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0023] 如图10所示，本发明提供一种部分解禪的六自由度并联机构，包括1个底座机架A、 6个虎克较B、6根可伸缩杆C、3个球较D、1个动平台E和3条钢丝F，其中，由下往上，在底座机 架A呈等边Ξ角形分布的Ξ个顶点处各设置一个虎克较B，分别将3根可伸缩杆C的下端联接 在虎克较B上，运討良可伸缩杆C的上端分别联接一条适当长度和直径的钢丝F，钢丝F的另一 端均联接在动平台E的中屯、0处。在底座机架A另外的Ξ个呈等边Ξ角形分布的点处，同样分 别设置一个虎克较B，将另外的Ξ根可伸缩杆C的下端分别联接在虎克较B上，它们的上端通 过球较D联接在动平台E的Ξ个呈等边Ξ角形的点上。
[0024] W上给出了本发明的通用结构，在其基础上，可W进行多种变形。
[0025] 基于分组实现动平台的Ξ个平动自由度和Ξ个转动自由度的思想，参见图2,动平 台W呈正Ξ角形分布的Ξ点A1-A2-A3表示，在其中屯、0处设置一个球较0,则球较0可允许动 平台具有=个转动自由度，当球较0具有=个平动自由度时，则动平台获得另外=个平动自 由度，从而动平台共具有六个自由度。
[0026] 具体地，参见图2,首先设置Ξ根可伸缩杆1(0-B4)、2(0-B5)和3(0-B6)，它们具有 公共端点0,即是一个具有Ξ个球较的复合球较，而它们的另一端通过虎克较B4，B5和B6联 接在正Ξ角形底座机架A上，从而形成一个Ξ棱锥结构。运样，当Ξ根可伸缩杆发生伸缩运 动时，动平台中屯、0将通过复合球较0获得Ξ个平动。然后，再在动平台的Ξ个顶点处通过球 较A1，A2和A3联接Ξ根可伸缩杆4^1-81)，5^2-82)和6(43-83)，相对动平台中屯、法线呈旋 转对称分布，它们的另一端则通过虎克较B1，B2和B3联接到底座机架上。运样，当Ξ根可伸 缩杆4，5和6发生伸缩运动时，动平台到尋获得绕其中屯、0的Ξ个转动。从而，综合起来，通过 六根可伸缩杆(1，2, 一,6)可确定动平台的全部六个自由度。而且，当W动平台中屯、0表征动 平台的运动时，动平台的Ξ个转动自由度总可由Ξ根可伸缩杆4,5和師角定，而其Ξ个平动 自由度总可由Ξ根可伸缩杆1，2和3确定，运就体现了部分解禪的特性，从而运种结构布局 实现了一种新颖的具有部分自由度解禪的六自由度并联机构。
[0027] 该并联机构的初始结构可设置为:取可伸缩杆1，2和3等长，并相对动平台中屯、法 线呈旋转对称分布;取可伸缩杆4,5和6等长，也相对于动平台中屯、法线呈旋转对称分布，并 分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。运样初始结构总体上是相对于动平台中 屯、法线是旋转对称的。
[0028] 除图2所示基本结构形式外，运种具有部分自由度解禪的六自由度并联机构可设 置成如下形式：
[0029] 如图3所示，在图2所示结构形式基础上，将虎克较Β1和Β4复合，Β2和Β5复合，Β3和 Β6复合，即可伸缩杆4,5,6的下端点与可伸缩杆1，2,3的下端点分别通过复合较链联接于底 座机架上。运样的结构更为紧凑。
[0030] 动平台中屯、0处的复合球较在要求小位移的场合可W采用Ξ段适当长度和直径的 钢丝来实现。参见图4,将钢丝两端分别固连于可伸缩杆1，2,3的上端和0点，利用钢丝可在 小范围内进行扭转，实现Ξ个转动自由度。在实际实施时，可将Ξ根钢丝的另一端联接在动 平台的下表面，并使它们的延长线交于动平台上表面的中屯、0处。
[0031] W下将对本发明并联机构的运动自由度进行理论计算，并对其机构特性作进一步 说明。
[0032] 1、自由度分析
[0033] 运用Grubler公式计算该机构可实现的自由度数：
[0034]
(1)
[0035] 式中，F为自由度数，η为机构中构件数，g为运动副数，fi为第i个运动副的自由度 数。在运种特殊构型的六自由度并联机构中，每根可伸缩杆与动平台联接处的球较有Ξ个 自由度，其中，与动平台中屯、0处的联接为复合球较，相当于Ξ个球较;每根可伸缩杆与底座 机架联接处的虎克较有两个自由度，在可伸缩杆本身可伸缩，即具有一个自由度。所W有η = 14,g = 18,f〇 = 9,fAi二3,fBi二2,曲i = 1,故其自由度数F为
[0036] f = 6*( 14-18-1 )+9+3*3+6* 化 6*1 =6
[0037] 因此，该特殊构型的六自由度并联机构具有6个自由度，即，动平台可W实现全部 六个刚体自由度。
[003引2、奇异性分析
[0039] 本发明六自由度并联机构在如下几种情况下会出现奇异现象，也即动平台会出现 位移不确定的情况。
[0040] 1)在如图2和图3所示结构中，当可伸缩杆4,5和6关于动平台中屯、法线旋转对称布 置，并分别与动平台的法线共面时，参见对应图2结构的图5,对应图3结构的图6(动平台尺 寸大于底座机架)和图7(动平台尺寸小于底座机架），本发明并联机构处于奇异位型状态， 并称为第一类奇异位型。
[0041] 2)参见图8及其俯视图9,当可伸缩杆4,5和6关于动平台中屯、法线旋转对称布置， 并都与动平台共面时，本发明并联机构也处于第二类奇异位型状态。
[0042] W上奇异位置均可通过具体设计时和在使用中适当回避。
[0043] W上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能W此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于:包括1个底座机架、6个虎克铰、6根 可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转 动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接 在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处;在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设 置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接 底座机架。2. 如权利要求1所述的一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于:所述复合球铰 采用3条钢丝，3条钢丝的一端分别联接3根可伸缩杆的一端，3条钢丝的另一端联接在动平 台的下表面，且3条钢丝的延长线交于动平台上表面的中心点处。3. 如权利要求1所述的一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于:所述并联机构 的初始状态时，联接复合球铰的3根可伸缩杆等长，并相对动平台中心法线呈旋转对称分 布，且分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。4. 如权利要求1所述的一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于:所述设于底座 机架呈等边三角形分布的三个顶点处的3个虎克铰与剩余3个虎克铰两两对应复合，形成3 个复合铰链。5. 如权利要求1所述的一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于:所述剩余3个 虎克铰分别设于底座机架另外的三个呈等边三角形分布的点处。
【文档编号】B25J9/00GK105936045SQ201610439769
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】杨德华, 程颖, 费飞, 王海涛
【申请人】南京航空航天大学