专利名称：用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机床和工业机器人，尤其涉及一种用于并联结构虚轴数控机床和并联 机器人的用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构。
背景技术：
并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作领域。然 而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台(动平台)沿任一方向的 运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入 与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提 高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富 有挑战性的课题。运动解耦并联机器人是指输出运动的任一自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱 动单元的动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、 控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人领域应用前景广阔。中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、固定平台及连接它们的四条闭环 运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一组对称结构的六杆球形机 构，动平台和固定平台与每条支链用转动副连接。文献[XianwenKong，Clement Μ. Gosselin Type synthesis of input-output decoupled paralIe!manipulators, Transactions of the C SME, Vol. 28，Special Edition, 2004]中报道了具有两移动一转动自由度的并联机 构，由动平台、固定平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类 一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb 2002，(1) :9_12，14]提 出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器 控制，仍属于部分解耦并联机构。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，以 克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案一种用于虚轴机床和机器人的 三转动并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动 支链和第三运动支链组成；所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰 链；所述的第一万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第二万向铰链的另一端 通过连接杆与动平台相连；所述的第二运动支链包括顺序相连的第三万向铰链、第二移动副和第四万向铰 链；所述的第三万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第四万向铰链的另一端 通过连接杆与动平台相连；
所述的第三运动支链包括顺序相连的转动副和第五万向铰链；所述的转动副的另 一端通过连接杆与机架相连，所述的第五万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连。所述的第一万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与ζ轴平行；所述的第 二万向铰链的第一转动轴与ζ轴平行，第二转动轴线与X轴平行；所述的第一移动副处于 xoy平面内；所述的第三万向铰链的第一转动轴与χ轴平行，第二转动轴与y轴平行；所述 的第四万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与ζ轴平行；所述的第二移动副处于 XOZ平面内；所述的转动副与χ轴平行；所述的第五万向铰链的第一转动轴与ζ轴平行，第 二转动轴线与y轴平行。所述的第一万向铰链的第一转动轴与第五万向铰链的第二转动轴在同一条轴线 上并与y轴平行；所述的第二万向铰链的第二转动轴与第三万向铰链的第一转动轴在同一 条轴线上并与χ轴平行；所述的第四万向铰链的第二转动轴与第五万向铰链的第一转动轴 在同一条轴线上并与ζ轴平行。本发明用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构由于采用了以上技术方案，使其 与现有技术相比，具有以下的优点和特点1、具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖运动支链的运动副的线性控 制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。2、仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。3、运动解耦，基本单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简 单，从而降低了开发成本。
图1是本发明用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构的立体结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。附图所示为本发明的一个较佳实施例， 本发明的技术方案不限于本实施例。参见图1，本发明用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，由机架1、动平台2以 及连接在机架与动平台之间的第一运动支链3，第二运动支链4和第三运动支链5组成。第一运动支链3包括顺序相连的第一万向铰链31、第一移动副32和第二万向铰链 33 ；第一万向铰链31的另一端通过连接杆34与机架1相连，第二万向铰链33的另一端通 过连接杆35与动平台2相连。连接杆35与第二万向铰链33的第二转动轴332同一条轴 线上并与χ轴平行。第二运动支链4包括顺序相连的第三万向铰链41、第二移动副42和第四万向铰链 43，第三万向铰链41的另一端通过连接杆44与机架1相连，第四万向铰链43的另一端通 过连接杆45与动平台2相连。连接杆45与第四万向铰链43的第二转动轴432同一条轴 线上并与ζ轴平行。第三运动支链5包括顺序相连的转动副51和第五万向铰链52，转动副51的另一 端通过连接杆53与机架1相连，第五万向铰链52的另一端通过连接杆(图中未示出)与 动平台2相连。上述连接杆与第五万向铰链52的第二转动轴522同一条轴线上并与y轴平行。第一万向铰链31的第一转动轴311与y轴平行，第二转动轴312与ζ轴平行；第 二万向铰链33的第一转动轴331与ζ轴平行，第二转动轴332与χ轴平行；第一移动副32 处于xoy平面内。第三万向铰链41的第一转动轴411与χ轴平行，第二转动轴412与y轴 平行；第四万向铰链43的第一转动轴431与y轴平行，第二转动轴432与ζ轴平行；第二移 动副42处于X0z平面内。转动副51与χ轴平行；第五万向铰链52的第一转动轴521与ζ 轴平行，第二转动轴522线与y轴平行。第一万向铰链31的第一转动轴311与第五万向铰链52的第二转动轴522在同一 条轴线上并与y轴平行；第二万向铰链33的第二转动轴332与第三万向铰链41的第一转 动轴411在同一条轴线上并与χ轴平行；第四万向铰链43的第二转动轴432与第五万向铰 链52的第一转动轴521在同一条轴线上并与ζ轴平行。本发明用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构的工作原理如下当第一移动副 32沿轴线伸长或缩短时，由于第二运动支链4和第三运动支链5分别具有绕ζ轴转动的转 动自由度，因此第一移动副32伸长或缩短时驱动动平台2绕ζ轴转动。同理，当第二移动 副42沿轴线伸长或缩短时，由于第一运动支链3和第三运动支链5分别具有绕y轴转动的 转动自由度，因此第二运动支链4驱动动平台2绕y轴转动。当转动副51沿轴线旋转时， 由于第一运动支链3和第二运动支链4分别具有绕χ轴转动的转动自由度，因此第三运动 支链5驱动动平台2绕χ轴转动。
权利要求
一种用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成；其特征在于所述的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰链；所述的第一万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第二万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连；所述的第二运动支链包括顺序相连的第三万向铰链、第二移动副和第四万向铰链；所述的第三万向铰链的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第四万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连；所述的第三运动支链包括顺序相连的转动副和第五万向铰链；所述的转动副的另一端通过连接杆与机架相连，所述的第五万向铰链的另一端通过连接杆与动平台相连。
2.如权利要求1所述的用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，其特征在于所述 的第一万向铰链的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与ζ轴平行；所述的第二万向铰链的 第一转动轴与ζ轴平行，第二转动轴线与χ轴平行；所述的第一移动副处于xoy平面内；所 述的第三万向铰链的第一转动轴与χ轴平行，第二转动轴与y轴平行；所述的第四万向铰链 的第一转动轴与y轴平行，第二转动轴与ζ轴平行；所述的第二移动副处于χοζ平面内；所 述的转动副与X轴平行；所述的第五万向铰链的第一转动轴与Z轴平行，第二转动轴线与y 轴平行。
3.如权利要求1所述的用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，其特征在于所述 的第一万向铰链的第一转动轴与第五万向铰链的第二转动轴在同一条轴线上并与y轴平 行；所述的第二万向铰链的第二转动轴与第三万向铰链的第一转动轴在同一条轴线上并与 χ轴平行；所述的第四万向铰链的第二转动轴与第五万向铰链的第一转动轴在同一条轴线 上并与ζ轴平行。
全文摘要
本发明提供了一种用于虚轴机床和机器人的三转动并联机构，它由机架、动平台以及连接在机架与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链组成。其中的第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副和第二万向铰链，第二运动支链包括顺序相连的第三万向铰链、第二移动副和第四万向铰链，第三运动支链包括顺序相连的转动副和第五万向铰链。本发明具有解耦的三个转动自由度，转动自由度仅依赖运动支链的运动副的线性控制，实现原理非常简单，具有非常好的线性关系。
文档编号B25J9/08GK101954593SQ20101027473
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者刘燕, 宋芳, 张帆, 徐新成, 朱建军, 胡义刚 申请人:上海工程技术大学