用于产生舍恩夫利斯运动的四自由度平行操纵装置的制作方法

专利名称：用于产生舍恩夫利斯运动的四自由度平行操纵装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使刚体产生四自由度位移的操纵装置。
背景技术：
四自由度位移首先由德国数学家-矿物学家Arthur MoritzSchnflies(1853-1928)研究，他发现这种位移具有群组代数结构。因此，该运动组合被几何学家称为刚体位移群组的舍恩夫利斯亚群。舍恩夫利斯运动的一个熟悉的例子是侍者手中的托盘所进行的运动托盘可在各方向上自由移动，但须避免倾斜。位移由三种独立平移，以及相对于底座以一固定方向轴线为中心的一旋转运动组成。
舍恩夫利斯运动适合用于电子产业进行的该型组装工作。对于这种工作，具有平坦几何形状的电子芯片从一储料进给台中拾取出，各芯片在该储料进给台排列成平面阵列。然后储料进给台也以平面阵列方式置于电子板上，上述两平面彼此平行但处于不同高度，因此所述阵列具有不同方向性。这一任务要求在空间的三个方向上自由平移，并加上一个相对于储料进给台平面以固定方向轴线为中心的自由旋转。可实现此项任务的机构对于以两个正交于旋转轴线的轴线为中心的旋转必需有极大的刚性。此种特征促成此型装置被命名为SCARA选择性柔性组装机械臂。
舍恩夫利斯运动产生器或SCARA系统并不是新颖的。1980年9月25日颁发给Zharkov等人的俄国专利SU921848公开了一种可用于产生舍恩夫利斯运动，但须通过一系列联杆及马达布局的冗余操纵装置。
1986年9月9日颁发给Hamada等人的美国专利4,610,598公开了一种实现舍恩夫利斯运动的工业机器人。工业机器人具有串联操纵器动态链，四根舍恩夫利斯运动轴线由连同活动联杆一起移动的马达致动。将马达这样安装于移动联杆导致为联杆施加了高惯量负载，引起承载负载能力低，结构挠性高。结构挠性高可避免高速操作，原因在于高速操作包括挠性结构的结构共振。与串联布局相反，目前产业的趋势涉及平行阵列，原因在于平行阵列允许设置马达于固定底座，因而允许更轻质、更硬挺且因而更快速的结构。
可产生个别舍恩夫利斯运动的串联链的平行阵列可参考1990年12月11日颁发给Clavel的美国专利4,976,582，以及2001年3月21日颁发给Company等人的EP专利EP1084802，以及标示以出现于该等技术参考文献中的类似装置编号。颁发给Company等人的专利结果类似Clavel的专利，由于各杆的舍恩夫利斯运动的转轴不平行，各杆的舍恩夫利斯运动的旋转不兼容，故于舍恩夫利斯运动所要求的旋转中缺乏耦联至一共同运动平台的各杆所需协调运动。为了产生舍恩夫利斯运动轴正交于全部四马达轴(四马达轴全部皆平行于一指定平面)，Company等人利用平面联杆承载移动中的平台，从而承载正在进行的舍恩夫利斯运动。本发明的各具体实施例可见于IEEE国际无人化与自动化会议议事录，2001、2002及2003年的报告。
2000年8月1日颁发的美国专利6,095,011，以及2001年10月16日颁发的美国专利6,301,988，两案皆颁发给Brogardh，揭示一种装置，其意图借助于具有一转轴正交于杆的舍恩夫利斯运动的共面轴而改进Clavel的专利。但这两种运动皆未提供舍恩夫利斯型的四度自由度。
2002年1月8日颁发给Brogardh的美国专利6,336,374公开了对其在先专利的改进版本，提供在三个方向上平移，以及以一轴线为轴旋转。此处旋转以分开马达提供，该马达架设于操纵器的第一联杆，马达与旋转装置间有又长且错综复杂的传动。在四自由度的具体实施例中，两个马达安装于一体的底座上，两个马达安装于活动联杆上。因此，本具体实施例表示了一种相对复杂、笨重、结果缓慢的装置。
若干美国专利案亦即1984年3月20日颁发给Pham的美国专利第4,437,635号；1998年5月5日颁发给Poglitsch的美国专利第5,746,093号；1995年3月14日颁发给Taylor等人的美国专利第5,397,323号；1995年5月30日颁发给Chang的美国专利第5,419,674号；1988年11月8日颁发给Ryder等人的美国专利第4,782,726号；以及1999年8月3日颁发给Jensen的美国专利第5,931,832号公开了多种装置，所有装置都是基于两串联平行四边形联动装置，在同一平面上移动，从而提供平面二自由度运动。若干前述发明人也提供额外底座运动来辅助额外马达。但此等发明都没有提供舍恩夫利斯型四自由度运动。
1996年7月16日颁发给Robertson的美国专利第5,536,135号公开了一种串联装置，其具有两个正交的平行四边形阵列，但只有两个驱动装置，因而允许使用工具恒定定向进行二自由度平移。
Rolland的两个四自由度并联机构记载于ASME Journal DynamicSystems and Control Division的第67卷，831-844页，1999年。此两装置提供舍恩夫利斯运动。对于其中一种机构，被称作Kanuk的，作者提示使用四部线性马达沿轨驱动联杆下端。第二机构，被称作Manta的，使用三部线性马达，也沿轨驱动联杆下端，第四旋转马达架设于其中一联杆。因此，这两种装置需要极大的安装空间和杆移动空间，同时提供相当小的工作空间。
最后，50个可产生舍恩夫利斯运动的并联机构由Yang等人披露于《基于单一开放链单元的4-自由度(3-平移及1-旋转)并联机器人机构的结构合成》，ASME 2001设计工程技术会议以及计算机及信息工程会议议事录，DETC2001/DAC-21151，美国宾夕法尼亚州匹兹堡。若干所披露的机构有杆，且有单一平行四边形，而其它机构则具有不含平行四边形的组装状态。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可产生舍恩夫利斯运动或SCARA运动的新型操纵装置。
本发明的另一目的是提供一种新型的操纵装置，其中，其马达驱动联杆固定于底座，以使得活动零部件变轻，从而允许末端操纵器(进行舍恩夫利斯运动的运动平台)的速度及加速度变高。
本发明的又另一目的是提供一种新型操纵装置，其中，借助于停靠在底座上的马达可产生四种独立运动，运动通过至少二杆由马达传动给装置的末端操纵器。
本发明的又一目的是提供一种新型操纵装置，其可以以简单的、完全平行的结构来产生SCARA系统运动，其允许高操作速度以实现最大化制造产出量。
本发明的又一目的是提供一种新型操纵装置，其可以以相对简单的并联结构产生SCARA系统运动，该结构只包括两杆，从而降低了联杆干扰的可能。
本发明的另一目的是提供一种装置，其可用于电子产业以及任何其它需要高速拾取与放置操作的应用，例如包装及装瓶，该装置产生在三个方向上的平移以及以固定方向轴线为中心的旋转。
本发明的又一目的是提供一种具有四个自由度的新型操纵装置，其可通过将工件安装于转台(业界常见的转台)来提供第五度自由度，从而用于设计虚拟轴线机器工具。
因此根据本发明提供一种产生舍恩夫利斯运动(Schnfliesmotions)用的操纵装置，其包含一个至少两杆的平行阵列；各杆包括一致动器单元，其具有第一端及第二端，且产生淘洗-倾斜运动；各杆也包括一被动单元，其具有第一端及第二端，该被动单元的第一端耦联至该致动器单元的第一端，以使得被动单元对淘洗-倾斜运动做出响应；一底座，其与各致动器单元的第二端相连接，所有第二端都具有相对于彼此的恒定相对位置；以及一通用末端操纵器，其与所有被动单元的第二端相连接，以便由所述杆为通用末端操纵器提供舍恩夫利斯运动，该舍恩夫利斯运动由三个独立平移运动以及一个以一固定方向轴线为中心的旋转运动组成。
此外根据本发明提供一种操纵装置，该装置对该末端操纵器提供四自由度的运动，该四度自由度运动包括三个独立平移运动以及一个以第一固定方向轴线为中心的旋转运动，该操纵装置包含一个具有附接至该末端操纵器的至少两杆的平行阵列；各杆包括一致动器单元，该致动器单元串联耦联至一被动单元；各个致动器单元及各个被动单元包括一转台，该转台适合以一平行于第一轴线的第二轴线为中心旋转；各个致动器单元及各个被动单元也包括一摆动件，该摆动件具有一第一端，其附接至转台且适合进行倾斜运动，以使得摆动件的一个第二端沿位于平行第二轴线的虚拟圆周平移；以及各个致动器单元，其设置有致动装置来提供其转台的旋转及其摆动件的倾斜运动，从而产生一种致动器运动，各个致动器单元的致动器运动造成与其耦联的被动单元的被动运动，该被动单元的被动运动由其转台的旋转以及其摆动件的倾斜运动组成，因此致动器运动与被动运动的组合产生对应杆的杆运动；因而杆运动组合为该末端操纵器提供四自由度运动。


已经概略地说明了本发明的范围，下面将参照附图做说明，附图仅显示若干较佳具体实施例，附图中图1为根据本发明的第一实施例的透视图，其特征为二杆将一末端操纵器耦联至一底座，各个杆包含一主动平行四边形联动装置以及一被动平行四边形联动装置，所有被动联动装置的中央平面都是平行的，各杆也由一对安装于底座上的马达驱动；图2为图1的具体实施例中，通过并联驱动联杆而提供淘洗-倾斜运动给各个主动平行四边形联动装置的传动布局的前视图；图3为图2的布局的侧视图；图4为图1的具体实施例中，一杆的差动机构的剖面图，显示该对马达间的齿轮系，以及两个输出旋转，换言之，壳体以纵轴为中心旋转，以及两平行轴线驱动该主动平行四边形联动装置的旋转；图5为图1具体实施例的顶视图，显示被动平行四边形联动装置的平行中央平面；图6为根据本发明的第二实施例的透视图，其特征在于被动平行四边形联动装置的正交中央平面；图7为图6的具体实施例的顶视图；图8为根据本发明的另一种传动的透视图，使用齿轮系替代并联驱动联杆来提供淘洗-倾斜运动给各个主动平行四边形联动装置；图9为图8的驱动系统的相对侧视图，此处增加了一个介于驱动齿轮与各个被驱动齿轮间的中间齿轮，用于保持驱动齿轮的旋转方向；图10为根据本发明的第三实施例的透视图，其特征为各个主动平行四边形联动装置的垂直接合中心阵列，以及所有被动平行四边形联动装置的平行中央平面；图11为图10具体实施例的顶视图；图12为根据本发明的第四实施例的透视图，其特征在于两个被动平行四边形联动装置中的一个由单一接头替代；图13为图12的具体实施例的顶视图；图14为根据本发明的第五实施例的透视图，其特征在于各个主动平行四边形联动装置的垂直接合中心阵列，以及所有被动平行四边形联动装置的平行中央平面；图15为图14具体实施例的顶视图；图16a、16b及16c为主动平行四边形联动装置的可能布局的侧视图，其接合轴线位于a)水平面；b)垂直平面；c)相对于水平倾斜的平面；图17a、17b及17c为主动平行四边形联动装置的可能布局的侧视图，其接合轴线位于a)水平面；b)垂直平面；c)相对于水平倾斜的平面；图18为图4的差动机构的替代例的剖面图，其由螺旋齿轮组成而产生两杆单独的淘洗-倾斜运动，可用于前述任一具体实施例；图19为根据本发明的第六具体实施例的透视图，此处四根相同杆用于操纵移动末端操纵器，各杆由单一马达驱动；图20为图19具体实施例的顶视图；图21为用于驱动图19具体实施例的各杆的螺形齿轮系的侧视图；图22为沿图1齿轮系纵线A-A所取的前视剖面图；图23为根据本发明的第七实施例的侧视图，其特征在于，被动平行四边形联动装置的铰接接头移转至各杆与末端操纵器的附接点，以便允许末端操纵器扫拂的旋转杆远大于先前各具体实施例；图24为图23所示具体实施例的顶视图；以及图25为应用于前五个具体实施例中的任一个的控制系统的方块图。
具体实施例方式
图1显示本发明的优选实施例，其中操纵装置A大致包含两个完全相同的四度自由度串联杆B，它们排列成一平行阵列。各个杆B有一底座1，全部杆B共享一通用末端操纵器，亦即运动平台35。全部底座1皆相对于彼此固定。也设计有一种操纵装置A，其具有多于两根杆B，容后详述。总而言之，各个杆B包含一致动器单元C，其串联连接至一被动单元D，各个被动单元D为致动器单元C的未经致动型式。全部杆B皆产生同向舍恩夫利斯位移。一组舍恩夫利斯位移方向为包含于其中的独特转轴方向。全部舍恩夫利斯位移交叉形成舍恩夫利斯亚群，其方向与个别舍恩夫利斯位移方向相同。
特别各个杆B的致动器单元C及被动单元D产生一组二自由度位移一种淘洗运动，或以平行固定于杆B底座1的线L的轴线为中心旋转；以及一种倾斜运动，或沿位于平行L的平面的圆平移(参考图2到图3)，两种运动组合而产生淘洗-倾斜运动。虽然两单元C、D的转轴皆平行于线L，从而彼此平行，且平行于运动平台35的转轴，但各轴独立平移，因而保持其方向固定。此外，两个圆平面具有杆可变角度的二面角。
如图4所示，各个致动器单元C包括一底座1，其连接到一支承架2。一旋转壳体8，其类似转台旋转，因而产生淘洗运动，旋转壳体以旋转方式安装于支承架2上，且由容纳于止推轴承壳体24内部的止推轴承支承。如图2所示，各个致动器单元C进一步包括一驱动联杆27，该联杆透过耦联联杆31而有效地联结至主动平行四边形联动装置30，因而主动平行四边形联动装置30可作为倾斜件或摆动件。类似的是，如图1所示，各个被动单元D包含一底座32，其安装于主动平行四边形联动装置30远端；一被动旋转壳体34，其支承于底座32上，也作为其相对转台；以及一被动平行四边形联动装置33，其联结至该旋转壳体34且作为摆动件。因此各个相同的致动器单元C耦联至其对应被动单元D，两单元C、D可通过平行四边形联动装置30、33倾斜运动，以及通过旋转壳体8、34做淘洗运动。两被动单元D的底座32利用致动器单元C的主动平行四边形联动装置30而保持水平；其平行四边形联动装置33又保持共同运动平台35的水平，两被动平行四边形联动装置33利用铰接接头而耦联至该共同运动平台35。
这样，被动单元D与致动器单元C、操纵装置A的运动交互作用，结果为运动平台35提供四自由度运动三度平移以及一度以固定方向轴为中心旋转。操纵装置A对一操纵系统提供水平末端操纵器(运动平台35)，其具有SCARA杆运动能力，从而提供此种运动给架设于运动平台35、可固定夹紧工件或工具37的抓爪36。
如图5可知，操纵装置A的顶视图显示被动平行四边形联动装置33以直径方向校准方式附接至共同运动平台35，因此，本具体实施例的特征为两杆B的被动平行四边形联动装置33具有平行垂直的正中平面。
参照图4说明传动布局，附有致动器单元C的差动机构略图。
旋转壳体8容纳差动机构，旋转壳体8相对于底座1旋转，在底座上安装马达28及29。两致动器单元C的该对马达28及29通常安装于不同高度。但优选地保持于相同高度，以获得优选的负载平衡。一优选实施例中，马达28、29设置成如图4所示，允许装置A的全部四个马达固定于底座。
马达28的驱动扭矩依次由马达轴4传递至刚性连接于其上的第一齿轮3，然后传动至啮合齿轮3的第二齿轮10，传动至刚性连接至齿轮10的中空轴11，以及随后传动至刚性连接至中空轴11相对端的斜下恒星齿轮20。同理，马达29的传动扭矩依次由马达轴21传递至刚性连接于其上的第一齿轮22，然后传递至啮合齿轮22的第二齿轮12，传递至刚性连接至齿轮12的中轴5，以及随后传递至刚性连接至中轴5相对端的斜上恒星齿轮15。
来自斜恒星齿轮15、20的扭矩传递给斜行星齿轮17及17’，该齿轮系正交啮合两恒星齿轮15、20来形成差动系统，行星齿轮17、17’分别固定于第一输出轴及第二输出轴18及19。然后扭矩由各输出轴18、19经由减速器6、9中的一个传递给驱动联杆27的一。二减速器6、9在相对两侧，允许平行四边形联动装置30的平衡驱动。因此，要求两减速器6、9中的一个包括速度换向器。同时，由于差动系统的缘故，行星齿轮15、20的转速差异产生行星齿轮17、17’的轴线以中轴5为中心的旋转，从而造成旋转壳体8相对于底座1的旋转。
为了增加这种传动的结构稳定性，马达轴4、21末端借助于支承轴承13支承于支承架2。下恒星齿轮20的中空轴11通过一支承架2的一镗孔，中空轴11-行星齿轮20组件借助于止推轴承16固定定位，从而获得额外结构稳定性。中轴5通过中空轴11，且借助于下和上中间轴承23、25而支承于中空轴承。中轴5也借助于下中心轴承26支承于底座1，并借助于上中心轴承14而支承于旋转壳体8。
前述配置可将运动由各差动机构下部传动至两恒星齿轮15、20，从而避免当操纵装置A运动时受到两致动器单元C的壳体8的干扰。
由两恒星齿轮15、20及两行星齿轮17、17’形成的差动机构由下列部件支承(a)旋转壳体8的机壳；(b)支承架2；以及(c)行星托架7。行星托架7固定至旋转壳体8，且将行星齿轮17、17’的相对位移限制为以其对称轴为中心旋转。
设ωA及ωB分别表示马达28及29的输入速度，行星齿轮17、17’以其轴为中心的输出速度以ω1表示。此外，行星齿轮17、17’以转轴5为轴的旋转标示为ω2，ω2为壳体8的角速度，且构成致动器单元C的淘洗运动。
速度ω1及ω2业界已知与马达速度有关，表示式为ω1=12(KBωB-KAωA)NSNP]]>ω2=12(KAωA+KBωB)]]>此处KA为马达28与中空轴11间的齿轮系的减速比；KB为马达29与中轴5间的齿轮系的减速比；NS为恒星齿轮15、20的齿数而Np为行星齿轮17、17’的齿数。通常KA与KB不相等。但优选KA＝KB以均衡分配负载于两马达28、29间。
此外，行星齿轮17、17’的旋转通过减速器6、9而被传递给驱动联杆27。然后驱动联杆27透过耦联联杆31而移动图1的主动平行四边形联动装置30。减速器6、9提供差动机构输出与主动平行四边形联动装置30的运动间的高减速比KR。减速器6、9也提供驱动平行四边形联动装置30的差动机构输出的同步化。此外，使用蜗轮作为减速器6、9，对操纵装置A提供自我锁定的能力，这是操纵重载的期望特性。
操作中，驱动联杆27以角速度ω1/KR，驱动位在壳体8外侧的主动平行四边形联动装置30，构成致动器单元C的倾斜运动。如前述，致动器单元C的淘洗运动以ω2表示，组成行星齿轮17、17’以转轴5为中心旋转，导致壳体8以及附接至壳体8的主动平行四边形联动装置30旋转。主动平行四边形联动装置30将此种组合淘洗-倾斜运动通过铰接接头移转给与其联结的被动单元D的底座32。平行四边形联动装置30的结构可确保对应被动单元D的底座32保持平行于底座1。底座32的移动造成被动旋转壳体34的淘洗运动、以及被动平行四边形联动装置33的倾斜运动，联动装置33通过铰接接头而附接至共同运动平台35。因此，杆B的协同运动使共同运动平台35借助各个杆的被动平行四边形联动装置33而保持平行于底座1。
现在参照图18，说明图4所示传动的另一种传动布局图，类似的组件以类似的参考符号标示。两马达28、29以类似于前一具体实施例的方式固定于底座1，但斜齿轮15、17、17’、20形成图4所示差动系统，该斜齿轮系由螺面齿轮17、17’、20组合万向接头46、47的周转圆系所替代，从而可将力及运动的传动由纵轴转成横轴。
本具体实施例中，来自马达28的驱动扭矩依次由马达轴4传递给刚性连接于马达轴4的第一齿轮3，然后传递给与齿轮3啮合的第二齿轮10，传递给刚性连接于齿轮10的中空轴11，传递给刚性连接于中空轴11的恒星齿轮20，以及然后传递给与恒星齿轮20啮合的行星齿轮17、17’。行星齿轮17、17’又通过万向接头46、47而传递驱动扭矩给输出轴18、19。类似的是，来自马达29的驱动扭矩依次由马达轴21传递给刚性连接于马达轴21的第一齿轮22，然后传递给啮合齿轮22的第二齿轮12，传递给刚性连接至齿轮12的中轴5，然后传递给刚性连接至中轴5的行星托架8，行星托架8扮演图4所示壳体8的角色。
设ωA及ωB分别表示马达28、29的输入角速度，行星齿轮17、17’的共同输出速度表示为ω17=N3×N20N10×N17ωA-(1+N20N17)N22N12ωB]]>而与行星托架8的旋转相同的淘洗运动的角速度ω2则为ω2=-N22N12ωB]]>产生倾斜运动的角速度ω1为输出轴18、19的共同角速度的水平分量ω17-ω2，换言之，ω1=ω17-ω2=N3×N20N10×N17ωA-N20×N22N12×N17ωB]]>特别的是，若N22/N12＝N3/N10，则ω1=N3×N20N10×N17(ωA-ωB)]]>多种操纵装置A的具体实施例都是可能的，包括但并不限于下述具体实施例，其中类似组件以类似的参考符号标示。
参照图6-7，显示根据本发明的第二实施例。本具体实施例类似前述第一实施例，使用各个主动平行四边形联动装置30的底座32的水平定位。但被动平行四边形联动装置33附接至共同运动平台35，以使得所述被动平行四边形联动装置33的中平面是正交的，如图7显示的被动单元D的方向性所最清楚示出。
参照图10-图11，其中示出根据本发明的第三实施例，此处各个主动平行四边形联动装置30与被动单元D壳体8及底座32的附接点纵向校准。结果各个底座32与个别主动平行四边形联动装置30间的铰接接头纵向校准。此种几何形状可提供下述优点免除驱动联杆27，同时仍然可维持各个致动器单元C的壳体8的对称性。尽管如此，主动平行四边形联动装置30一边的换向输出齿轮系仍为本实施例所需。类似第一实施例，本实施例的特征在于，所述被动平行四边形联动装置33的中央平面平行，由图11所最清楚地显示。
参照图12-图13，显示根据本发明的第四实施例，该例也使用各主动平行四边形联动装置30与个别壳体8及底座32附接点的纵向校准。但在一被动单元D中，被动旋转壳体34由万向接头45和纵向联杆43替代；而被动平行四边形联动装置33由联结至万向接头45的被动单一联杆44替代，产生的动力学相当于前一实施例的被动单元D的动力学。本实施例中，被动平行四边形联动装置33与被动单一联杆44的中央平面也平行，如第13图所最清楚地显示。
参照图14-图15，其中显示根据本发明的第五实施例，也使用各主动平行四边形联动装置30与个别壳体8及底座32附接点的垂直校准。如图15所最清楚地显示的是，本实施例的特征为被动平行四边形联动装置33的中央平面平行，但比具有平行中央平面的上述各实施例的距离更为远离。本实施例由于中央平面间的间隔较大，故可提供较高活动性及较大工作空间，减少两杆联结装置交互干扰的可能。
参照图19-20，根据本发明的第六实施例有四根杆B而非二根杆。本实施例也可配合前五个具体实施例所示多种联杆布局变化。其它变化包括三杆阵列，具有一马达及两马达驱动单元的组合。
参照图23-24，根据本发明的第七实施例的特征在于被动单元D的第二铰接接头移转至铰接架53中各杆B与共同运动平台35的附接点，从而提高装置的旋转能力。被动单元D的淘洗运动由共同运动平台35下方且附接于铰接架53的铰接接头54所提供。致动器单元C及被动单元D经由垂直中间耦联件52联结。由于被动单元D的淘洗轴间距比先前各实施例的相应距离更小，因此由马达提供的类似淘洗运动将可产生共同运动平台35的较大角位移。因此，本实施例的共同运动平台35可摆动大得多的旋转角，单元C、D的淘洗运动需要的空间比前述六个具体实施例的任一个需要的空间更小。因此，移转第二铰接接头可应用至任何其它实施例以提高其旋转能力。
使用图2的中间驱动联杆27是一种驱动主动平行四边形联动装置30的方式。也可使用其它类型传动，例如齿轮系、带滑车、齿条及小齿轮等。其它传动系统范例呈现于此处。
参照图8-9，根据本发明的另一种传动提供淘洗-倾斜运动给各个主动平行四边形联动装置30。第一实施例(参考图2-3)传动使用的驱动联杆27以及耦联联杆31由齿轮系所替代。须了解类似第一实施例所示的传动，致动器单元C的差动机构的水平输出旋转的一必需被逆转。因此输出扭矩的一侧由差动机构经由第8图所示的换向齿轮系而移转给主动平行四边形联动装置30，以及经由如第9图所示的直接齿轮系而被移转至其它装置。图8的换向齿轮系由一输出齿轮38以及与其啮合的从动齿轮39组成。图9的直接齿轮系由一输出齿轮40以及与其啮合的中间齿轮41组成，齿轮41各自由啮合一个从动齿轮42。两齿轮系的输出齿轮38、40传递来自差动机构的输出扭矩，从动齿轮39、42直接驱动主动平行四边形联动装置30。
参照第22图，显示各杆B由单一马达所驱动的情况的另一种传动。来自马达(图中未显示)的驱动扭矩循序由中轴5传递至刚性连接于中轴的恒星齿轮20，然后传递至一对啮合恒星齿轮20的行星齿轮17、17’，以及传递至一对输出轴18、19，输出轴各自由行星齿轮17、17’中的一个通过一对万向接头46、47驱动来传递垂直方向的扭矩至水平方向。参照图21，然后扭矩由各个输出轴18、19传递至对应输出齿轮49、49’。各输出齿轮49、49’为螺形齿轮系的一部分。如图21所示，输出齿轮49啮合一对中间齿轮50，齿轮50各自又啮合从动齿轮51，各从动齿轮51刚性连接至主动联结装置48，而扮演先前实施例的主动平行四边形联动装置30的角色。虽然图中未显示，但齿轮49’以类似图8所示方式(在该处输出齿轮38直接啮合齿轮39)直接啮合一对从动齿轮51。因此，可将同向角速度传输给两侧传动联结装置48。
如此处所述的本发明提供在布局上额外的功能弹性变化，依据工作而定，可有大量多种其它可能的具体实施例。参照图16a-图16b-图16c，致动器单元C的主动平行四边形联动装置30可设置于壳体8上，有接合轴系位在a)水平面；b)垂直平面；c)与水平夹角αp的倾斜平面。参照图17a-图17b-图17c，被动单元D的被动平行四边形联动装置33也可以类似方式设置于壳体34，接合轴系位于a)水平面；b)垂直平面；c)与水平夹角αd的平面。在操纵装置A中，全部四个平行四边形联动装置30、33都可有其自身的独立布局，从而允许nk＝34＝81不同具体实施例，此数目对应于个别对象(3接合轴排列)以及可能的顺序(4平行四边形联动装置)的排列组合数目。考虑角αp及αd可具有0度至90度范围的任何值，因此舍恩夫利斯运动产生器可能的具体实施例数目变得近乎无限。此种特性提供优于现有技术装置的功能弹性变化。
本发明的另一项显著优点为大部分布线(控制线及电源供应器缆线、传感器线等)止于底座1上的马达28、29安装区，无需附接至杆B，从而使结构重量变轻。
参照图25，显示应用于有两杆B(各杆由两马达驱动)的具体实施例的控制系统。控制系统的主要组件列举于表2。控制系统包括数字硬件以及四个伺服驱动器。
数字硬件包括中央处理器1c，其联结至四个伺服驱动器，根据操纵装置A的规定控制算法，发送控制信号给伺服驱动器。下述数字硬件的全部其它组件皆与中央处理器1c通信。监视器2c及键盘4c用于由操作员对装置进行在线编程及服务。内部存储器5c用于计算机中央处理器1c的功能；周边内存6c，其可以包括CD驱动器或任何信息储存装置，用于根据预期任务而上载控制程序。最后，输入/输出单元3c在操作中对于从各杆B反馈至控制系统1c而言是必要的。
各个伺服驱动器包括一伺服控制单元7c、8c、9c、10c以及一马达28、29。伺服控制单元7c、8c、9c、10c的作用是用于解译来自中央处理器1c的控制信号，且将控制信号实现为马达28、29的动作。操纵装置A的各个致动器单元C含有两伺服驱动器，其产生该致动器单元的输出动作。这些动作如前文具体实施例所述地通过齿轮系，并移动支持着共同运动平台35的两杆B。
类似或相当的控制系统可用于其它布局，包括有三根杆或四根杆的具体实施例。
本发明可用于多种要求高速拾取与放置操作的领域，包括但并不限于平面电子组件的制造与封装、多种产品的包装及装瓶。本发明也可用于虚拟轴机床的设计，其设计方式是通过安装一工件于机加工领域所熟知的旋转台来提供第二旋转，这一旋转与本发明的舍恩夫利斯运动组合，变成第五自由度。
须了解本发明非仅限于此处所述特定具体实施例，这些实施例仅供举例说明之用。例如第三及第四实施例能够容易地被转化成以被动平行四边形联动装置33或被动平行四边形联动装置33与被动单一联杆44的正交移动平面为特征的具体实施例。其它修改及变化为本领域技术人员已知。因此，本发明的范围是由如下权利要求所限定。
表1主动单元及被动单元的主要组件


表2控制系统的主要组件

权利要求
1.一种用于产生舍恩夫利斯运动的操纵装置，其包含一个至少二杆的平行阵列；各杆包括一致动器单元，其具有第一端及第二端，且产生淘洗-倾斜运动；各杆也包括一被动单元，其具有第一端及第二端，该被动单元的第一端与该致动器单元的第一端相耦联，以使得被动单元对淘洗-倾斜运动做出响应；一底座，其与各致动器单元的第二端相连接，所有第二端都具有相对于彼此的恒定相对位置；以及一通用末端操纵器，其与所有被动单元的第二端相连接，以便使所述杆为通用末端操纵器提供舍恩夫利斯运动，该舍恩夫利斯运动由三个独立平移运动以及一个以一固定方向轴线为中心的旋转运动组成。
2.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，各杆提供一种舍恩夫利斯运动，其方向与固定方向轴线方向相同。
3.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，各致动器单元的淘洗-倾斜运动由安装于底座上的至少两个马达提供。
4.如权利要求3所述的操纵装置，其特征在于，各致动器单元的淘洗-倾斜运动由安装于底座上的至少两个马达通过一差动机构提供。
5.如权利要求4所述的操纵装置，其特征在于，该差动机构包括第一恒星齿轮及第二恒星齿轮，来自该至少两个马达中的一个的扭矩从差动机构的一侧通过一个第一轴传递给第一恒星齿轮；而来自该至少两个马达中的另一个的扭矩从第二侧通过一个与该第一轴同轴的第二轴而传递给第二恒星齿轮。
6.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，各致动器单元包括一平行四边形联动装置，其耦联至且延伸于一旋转壳体与该被动单元之间，该平行四边形联动装置可以以倾斜运动方式移动，而该旋转壳体以旋转方式附接至底座而产生淘洗运动。
7.如权利要求6所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对垂直校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
8.如权利要求6所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对水平校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
9.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，这些被动单元中的至少一个包括一平行四边形联动装置，该装置耦联至且延伸于一旋转壳体与该通用末端操纵器之间，该平行四边形联动装置可以以倾斜运动的方式移动，该旋转壳体以旋转放式附接至该致动器单元的第一端，以产生淘洗运动。
10.如权利要求9所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对垂直校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
11.如权利要求9所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对水平校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
12.如权利要求9所述的操纵装置，其特征在于，这些被动单元中的至少一个包括一杆，其耦联至且延伸于一第二旋转壳体与该通用末端操纵器之间，该杆可以以倾斜运动方式移动，该第二旋转壳体以旋转方式附接至该致动器单元的第一端，以产生第二淘洗运动。
13.如权利要求6所述的操纵装置，其特征在于，这些被动单元中的至少一个包括一第二平行四边形联动装置，其耦联至且延伸于一第二旋转壳体与该通用末端操纵器之间，该平行四边形联动装置可以以一种第二倾斜运动的方式移动，该第二旋转壳体以旋转方式附接至该致动器单元的平行四边形联动装置，以产生第二淘洗运动。
14.如权利要求13所述的操纵装置，其特征在于，这些被动单元中的至少一个包括一杆，其耦联至且延伸于一第三旋转壳体与该通用末端操纵器之间，该杆可以以一种第三倾斜运动的方式移动，该第三旋转壳体以旋转方式附接至该致动器单元的平行四边形联动装置，以产生第三淘洗运动。
15.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，各杆包含至少二马达安装于底座上，该通用末端操纵器的舍恩夫利斯运动由该马达仅经由至少二杆而提供。
16.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，所述被动单元的中平面是正交的。
17.如权利要求1所述的操纵装置，其特征在于，所述被动单元的中平面是平行的。
18.一种操纵装置，该装置对末端操纵器提供四个自由度的运动，该四个自由度的运动需由三个独立平移运动以及一个以第一固定方向轴线为中心的旋转运动，该操纵装置包含一种至少二杆附接至该末端操纵器的平行阵列；各杆包括一致动器单元，该致动器单元串联耦联至一被动单元；各个致动器单元及各个被动单元包括一转台，该转台适合以一平行于第一轴线的第二轴线为中心旋转；各个致动器单元及各个被动单元也包括一摆动件，该摆动件具有一第一端，其附接至转台，且适合进行倾斜运动，以使得摆动件的一第二端沿位于平行第二轴的虚拟圆周平移；及各个致动器单元设置有致动装置来提供其转台的旋转及其摆动件的倾斜运动，因而产生一种致动器运动，各个致动器单元的致动器运动造成与其相耦接的被动单元的被动运动，该被动单元的被动运动由其转台的旋转以及其摆动件的倾斜运动组成，因此致动器运动与被动运动的组合产生对应杆的杆运动；因而杆运动组合为该末端操纵器提供四个自由度的运动。
19.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，各杆运动为一种四个自由度的运动，其由三个独立平移运动以及一个以一第三轴线为中心的旋转运动组成，该第三轴线具有与固定方向的第一轴线的相同方向。
20.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，各致动器单元安装于一底座上，各致动器单元的致动装置包含至少两个马达，它们安装于该底座上。
21.如权利要求20所述的操纵装置，其特征在于，对各致动器而言，至少两个马达通过一差动机构提供转台的旋转运动以及摆动件的倾斜运动。
22.如权利要求21所述的操纵装置，其特征在于，该差动机构包括第一恒星齿轮及第二恒星齿轮，来自该至少两个马达的一的扭矩从差动机构的一侧通过第一轴线传递给第一恒星齿轮；而来自该至少两个马达的另一个的扭矩从第二侧通过一与该第一轴线同轴的第二轴线而传递给第二恒星齿轮。
23.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，对各杆而言，致动器单元的转台为一个附接至一底座的旋转壳体，该致动器单元的摆动件为一平行四边形联动装置，其具有一个耦联至该旋转壳体的第一端、以及一个耦联至该被动单元的第二端。
24.如权利要求23所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对垂直校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
25.如权利要求23所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置经由一对水平校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
26.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，对各杆而言，被动单元的转台为一个附接至一致动器单元的旋转壳体，该被动单元的摆动件为一平行四边形联动装置，其具有一个耦联至该旋转壳体的第一端、以及一个耦联至该末端操纵器的第二端。
27.如权利要求26所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对垂直校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
28.如权利要求26所述的操纵装置，其特征在于，该平行四边形联动装置通过一对水平校准的接头而与该旋转壳体相耦联。
29.如权利要求26所述的操纵装置，其特征在于，对各杆而言，被动单元的转台为一个附接至一致动器单元的旋转壳体，该被动单元的摆动件为一杆，其具有一个耦联至该旋转壳体的第一端、以及一个耦联至该末端操纵器的第二端。
30.如权利要求23所述的操纵装置，其特征在于，对各杆而言，被动单元的转台为一个附接至致动器单元的平行四边形联动装置的第二旋转壳体，该被动单元的摆动件为一第二平行四边形联动装置，其具有一个耦联至该第二旋转壳体的第一端、以及一个耦联至该末端操纵器的第二端。
31.如权利要求30所述的操纵装置，其特征在于，对各杆而言，被动单元的转台为一个附接至致动器单元的平行四边形联动装置的第三旋转壳体，该被动单元的摆动件为一杆，其具有一个耦联至该第三旋转壳体的第一端、以及一个耦联至该末端操纵器的第二端。
32.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，各个致动器单元安装于一底座上，各致动器单元的致动装置包含至少两个马达，它们安装于该底座上，所述马达仅通过至少两杆为末端操纵器提供四个自由度的运动。
33.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，所述被动单元的中平面是正交的。
34.如权利要求18所述的操纵装置，其特征在于，所述被动单元的中平面是平行的。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生舍恩夫利斯运动(Sch  nflies motions)的操纵装置，其包含一个至少二杆(B)的平行阵列；各杆(B)包括一致动器单元(C)，其具有第一端及第二端，且产生淘洗－倾斜(pan－tilt)运动；各杆(B)也包括一被动单元(D)，其具有第一端及第二端，该被动单元(D)的第一端与该致动器单元的第一端相耦联，以使得被动单元对淘洗－倾斜运动做出响应；一底座(1)，其与各致动器单元的第二端相连接，所有第二端都具有相对于彼此的恒定相对位置；以及一通用末端操纵器(36)，其与所有被动单元(D)的第二端相连接，以便使所述杆(B)为该通用末端操纵器(36)提供舍恩夫利斯运动，该舍恩夫利斯运动由三个独立平移运动以及一个以一固定方向轴线为中心的旋转运动组成。
文档编号B66C3/00GK1723101SQ200380105362
公开日2006年1月18日 申请日期2003年11月5日 优先权日2002年11月6日
发明者若热·安杰利斯, 阿列克谢·莫罗佐夫 申请人:麦吉尔大学