专利名称：用于虚拟轴数控机床与并联机器人的六自由度并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机的执行机构，具体地说是为并联结构的虚拟轴数控机床、虚拟轴并联坐标测量机与并联机器人提供一类(4种)新型的六自由度并联机构。
背景技术：
并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。目前在美国、日本、中国等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构大多为传统的Stewart机构或其改进型机构。这种控制刀具在空间的位置和姿态变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构上备有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位置。Stewart机构及其改进型机构具有以下缺点①运动学正解求解困难；②运动平台的位置与方向为强耦合；③运动空间较小；④制造高精度球副困难。
基于上述情况，Tsai提出虚拟轴数控机床用两个并联机构下平台为三维平移并联机构，上平台为三维转动并联机构(US Patent，Tsai，Patent Nember5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与六腿Stewart机构相比，工作空间较大；完全由转动副组成并联机构，与球面副相比容易制造。但Tsai机构仍有以下缺点①运动学正解为8次封闭解，需建立一元8次方程并求解，这使得系统的控制和轨迹规划较复杂。②三维平移机构本身运动输入—输出为强耦合，使系统控制甚为复杂。
③机构存在虚约束，使其制造与装配较复杂。
④工作空间仍相对较小。
并联结构的虚拟轴坐标测量机，也是近年来科学测量仪上的一个重大进展，与传统的属于串联结构的测量机相比，并联结构坐标测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特性，可使测量精度及测量效率等性能得到很大改善。目前，已有的相对成熟的并联坐标测量机结构有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等.对于6-SPS和6-RSS机构来说，由于其可动平台相对于基平台具有6个空间自由度，因而其末端执行器的空间位姿比较灵活，但由于该机构的结构相对比较复杂，空间约束较少，致使其末端执行器的求解较困难。
由于上述几种结构中均含有较多的球面副，因此其制造及装配均较复杂。
综上所述，虚轴数控机床和坐标测量机、机器人的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。
发明内容
本发明目的是要克服现有技术的缺点，提供一类(4种)新的六自由度并联机构，该类机构输入—输出具有解耦性、工作空间较大、便于制造安装，可以简化并联结构虚拟轴机床、坐标测量机和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性；也可大大地减少在建立并联虚轴测量机测量模型、测量校正与补偿模型等方面的难度，为新型并联虚拟轴机床、机器人、坐标测量机等的开发与实用化提供了可能。
附图1是本发明六自由度并联机构结构简图，它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的一条混合链腿与四条结构相同的简单开链腿组成。混合链腿包含一个五杆(1、2、3、4、5)依次通过五个转动副(R20、R13、R12、R14、R15)连接组成的平面闭路结构及一个由构件6、7、8通过轴线相互平行的二个转动副(R11、R10)组成的开链结构；开链结构的构件6与平面闭路结构中作平面运动的构件3、4构成复合铰链副R12(即三个构件6、3、4的转动中心在R12处重合)，开链结构的构件8与上动平台0用转动副R9机械连接；而平面闭路结构的构件1与静平台1固接(即构件2、5分别与静平台1用转动副R20、R15机械联接)；简单开链腿由二构件9、10通过球副S2连接组成，而构件9与动平台0用球副S1机械连接，构件10与静平台1用转动副R18机械联接。因此，动平台0有五个联接点(R9、S5、S7、S1、S3)，静平台有六个联接点(R15、R16、R17、R18、R19、R20)。
附图2～附图4为附图1所示的六自由度并联机构的混合链腿的三种衍生结构示意图1、附图2为附图1所示并联机构的混合链腿的衍生结构替代简图。它由一个五杆(1、2、3、4、5)依次通过转动副(R6、R7、R3、R4、R5)连接构成的平面闭路结构及构件6组成，平面闭路结构的构件2、5分别与静平台1用转动副R6、R5机械联接，构件3与构件6以转动副R2机械连接，而构件6与上动平台0用球副S1机械连接。
2、附图3为附图1所示并联机构的混合链腿的另一衍生结构替代简图。它由一个六杆(1、2、3、4、5、6)依次通过六个转动副(R1、R2、R3、R5、R6、R7)连接构成的平面闭路结构及一个由构件7、8通过转动副(R8)连接构成的开链结构组成；开链结构的构件7与平面闭路结构的构件4以轴线平行于转动副R8的转动副R4连接，构件8与上动平台0用转动副R9机械连接；而平面闭路结构的构件2、6分别与静平台1用转动副R1、R7机械联接。
3、附图4为附图1所示并联机构的混合链腿的又一衍生结构替代简图。它为一空间闭路结构，由两条分别包含二个构件(2、3)或(4、5)的球副—球副—转动副型支链(S1-S2-R3)或(S1-S5-R4)组成，两条支链的二外接球副S1共球心活动连接后，又与动平台0构成复合球副S1连接，而其外接转动副R4、R3分别与静平台1机械连接。
当上述三种衍生混合链腿分别替代附图1中的混合链腿时，可构成另外三个不同的六自由度并联机构，均可实现机构动平台三个平移及三个转动输出。
控制附图1所述六自由度并联机构下静平台1上的六个驱动马达的运动，就可控制上动平台0在空间的位置和姿志，实现空间一般运动，即三维平移及三维转动输出。如在动平台上安装动力头和刀具，即可以作为并联结构的虚拟轴数控机床；如在动平台上安装测头即可以作为并联坐标测量机。
本发明为一类(4种)六自由度并联机构，具有以下特点①机构动平台可实现六自由度(三个平移及三个转动)运动输出。
②机构较简单，具有重量轻、刚性好，可高速运动等优点。
③运动输入—输出具有部分解耦性，可简化虚拟轴机床与机器人系统的控制问题；也可大大地减少在建立并联虚轴测量机测量模型、测量校正与补偿模型等方面的难度。
④所有驱动马达均在静平台上，可减少机构的运动负载，改善动力学性能。
总之，本发明为虚拟轴数控机床、并联坐标测量机与机器人(含步行、爬行机器人、微动机器人、工业机器人)等提供了具有上述特点的新机型，有利于新型虚轴机床、新型并联坐标测量机和新型并联机器人的开发和实用化。
具体实施例方式
下面通过附图和实例对本发明的技术给予进一步地说明。
附图1所示的并联机构可为本发明的一个实施例，它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的一条混合链腿与四条结构相同的简单开链腿组成。混合链腿由一平面闭路结构及一开链结构组成，平面闭路结构由一个五杆(1、2、3、4、5)依次通过五个转动副(R20、R13、R12、R14、R15)连接组成，其构件2、5分别与静平台1用转动副(R20、R15)机械联接；开链结构的构件6、7、8分别通过轴线相互平行的二个转动副(R11、R10)组成，而构件6与平面闭路结构中作平面运动的构件3、4在转动副R12处构成复合铰链，构件8与上动平台0用转动副R9机械连接；而简单开链腿由二构件9、10通过球副S2连接组成，而构件9与动平台0用球副S1机械连接，构件10与静平台1用转动副R18机械联接。因此，该并联机构静平台有六个联接点(R15、R16、R17、R18、R19、R20)，动平台有四个联接点(R9、S5、S7、S1、S3)。但静平台上的六个转动副可用六个移动副代替。
当三条联接腿的连杆结构尺寸参数及其在动、静平台上的分布位置一定时，控制静平台1上六个驱动关节(R15、R16、R17、R18、R19、R20)的运动，就可控制动平台0在空间的一般位置和姿态，实现三维平移及三维转动输出。该种并联机构的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装。该并联机构的动平台可作为机器人的执行机构；如在动平台上安装刀具或探头，即可以作为并联结构的虚拟轴数控机床及虚拟轴并联坐标测量机的执行机构。
权利要求
①、用于虚拟轴数控机床、虚拟轴坐标测量机及并联机器人的六自由度并联机构，由上动平台、下静平台及连接上下平台的五条腿组成，其特征在于这五条腿为一条含回路的混合链腿及四条相同的简单开链腿混合链腿包含一个由五个构件依次通过五个转动副组成的平面闭路结构及一个由三个构件通过轴线平行的二个转动副组成的开链结构，平面闭路结构的两构件与静平台通过转动副机械连接，而开链结构的一外接构件与平面闭路结构中作平面运动的二构件构成复合铰链，其另一外接构件与动平台用一转动副机械连接；而简单开链腿由二构件通过一球副连接组成，其一构件与静平台用转动副机械连接，另一构件与动平台也用一球副机械连接。
②、按照权利要求①所述的并联结构，其特征在于混合链腿的平面闭路结构仍由五个构件依次通过五个转动副组成，其中两构件与静平台通过转动副机械连接；而开链结构可由一构件代替，但该构件的一端与平面闭路结构中作平面运动的一构件用一转动副机械连接，另一端与动平台用球副机械连接。
③、按照权利要求①所述的并联结构，其特征在于混合链腿的平面闭路结构由六个构件依次通过六个转动副组成，其中两构件与静平台通过转动副机械连接；而开链结构由二构件通过一转动副连接组成，且开链结构的一构件和平面闭路结构中与机架相对的一构件用轴线平行于上述转动副的一转动副连接，而另一构件与动平台也用转动副机械连接。
④、按照权利要求①所述的并联结构，其特征在于混合链腿为一空间闭路结构，它由两条分别包含二个构件的球副-球副-转动副型支链组成，两条支链的二外接球副共球心活动连接后，又与动平台构成复合球副连接，而其外接转动副分别与静平台通过转动副机械连接。
⑤按照权利要求①、②、③、④所述的并联结构，其特征在于静平台上的六个转动副可用六个移动副代替。
全文摘要
用于虚拟轴数控机床、测量机及并联机器人的六自由度并联机构，由动平台、静平台及其一条混合链腿与四条相同的简单开链腿组成。混合链腿由一平面闭路结构及一开链结构组成，平面闭路结构由五杆依次通过五个转动副组成，其二构件与静平台用转动副机械连接；开链结构由三个构件分别通过轴线相互平行的二个转动副组成，其一端构件与平面闭路结构中作平面运动的二构件构成复合铰链，另一端构件与动平台用一个转动副机械连接；而简单开链腿由二构件通过一球副连接组成，其一构件与静平台用转动副机械连接，另一构件与动平台也用一球副机械连接。控制静平台上六个驱动关节的运动，就可控制动平台实现三维平移及三维转动输出。该机构可作为并联结构的虚拟轴数控机床、测量机及并联机器人的执行机构。
文档编号G01B5/008GK1544201SQ200310106458
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者沈惠平, 杨廷力 申请人:江苏工业学院