基于平行四边形的致动装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种致动装置，所述致动装置包括基部连杆、第一连杆、第二连杆、平移连杆、轴和驱动器。基部连杆包括基板、第一关节和第二关节。基板在第一关节和第二关节之间延伸。第一连杆安装到第一关节以允许第一连杆相对于基板在第一关节处转动。第二连杆安装到第二关节以允许第二连杆相对于基板在第二关节处转动。驱动器包括弧形表面，并且安装到平移连杆，以便当操作致动装置时，弧形表面的位置相对于平移板固定。轴安装到弧形表面以使平移连杆随着轴转动而平移。
【专利说明】基于平行四边形的致动装置
【背景技术】
[0001]用于机器人学的通用应用是在不改变物体取向的情况下定位物体。在某些情况下，使用具有多个串行移动关节的“直角坐标型”机器人。然而，移动关节具有显著的设计挑战。与可以使用紧凑的、精确的和低成本的耐摩擦转动轴承的旋转关节不同，直线导引件更大、更重、更昂贵并且更难以维护。例如，直线导引件表面必须在整个运动长度上维持其表面特性和几何结构。这些表面也易受到磨损、污垢和湿气的影响并且难以遮盖和保护。
[0002]实际上，具有旋转关节的串行链机器人更加普遍地用于这些任务。然而，这些旋转关节机器人需要额外的关节以阻止物体的取向改变。例如，为了使物体在不改变其取向的情况下在两个维度上平移，仅需要两个移动关节。为了同一个任务，需要三个旋转关节，增加了装置的成本和复杂性。
[0003]而为了在例如显微操纵器上的较小距离上精确定位物体，经常使用具有板簧屈曲部的四连杆机构。当局限于相对于板簧屈曲元件的长度较小的运动范围时，这些装置产生近似直线的运动。然而，在较高的运动范围处，运动明显地偏离直线，并且板簧力成比例地增大，使其不太有效。
[0004]对于较大的运动范围而言，用于这些装置的致动也是复杂的。典型地，某种形式的直线致动器用于推动连接到装置的输出部分的驱动表面。在较大的运动范围处，这些直线致动器不再与运动方向对准，降低了效率。直线致动器尖端还必须随着运动范围增大而越来越大量地沿着驱动表面滑动，导致致动器产生增大的磨损、附加摩擦和侧向载荷，所述增大的磨损、附加摩擦和侧向载荷中没有一个是在精确应用中所期望的。
[0005]美国专利N0.5，587，937说明了一种四连杆机构，所述四连杆机构具有缆索驱动致动以驱动相邻的连杆。该构造具有以下优点，即，将马达的体积和质量保持在装置的远侧端部上，而不会使马达的体积和质量位于连杆机构的中间，该优点对于模块化的致动器是优选的。另外，该构造将力施加到连杆机构的一个端部，而相互作用力施加在相对的端部处，增大了力矩加载并且需要更硬的轴承和连杆机构。
【发明内容】
[0006]在示例实施例中，提供一种致动装置。致动装置包括但不限于，基部连杆、第一连杆、第二连杆、平移连杆、轴和驱动器。基部连杆包括但不限于，基板、第一关节和第二关节，其中，基板在第一关节和第二关节之间延伸。第一连杆安装到第一关节以允许第一连杆相对于基板在第一关节处转动。第二连杆安装到第二关节以允许第二连杆相对于基板在第二关节处转动。平移连杆包括但不限于，平移板、第三关节和第四关节，其中，平移板在第三关节和第四关节之间延伸。第一连杆安装到第三关节以允许第一连杆相对于平移板在第三关节处转动，并且第二连杆安装到第四关节以允许第二连杆相对于平移板在第四关节处转动。轴构造成安装到致动器，以便致动器使轴转动。当操作致动装置时，轴的位置相对于基板固定。驱动器包括但不限于，弧形表面。驱动器安装到平移连杆，以便当操作致动装置时，弧形表面的位置相对于平移板固定。轴安装到弧形表面以使平移连杆随着轴转动而平移。[0007]对于本领域的技术人员而言，在审阅以下附图、详细的说明和所附权利要求书时，本发明的其它主要特征和优点将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]以下将参照【专利附图】
【附图说明】本发明的示例性实施例，其中，相同的附图标记指示相同的元件。其中:
[0009]图1示出处于中心位置的根据第一示例性实施例的致动装置的示意性前视图；
[0010]图2示出包括设计参数的图1的致动装置的示意性前视图；
[0011]图3示出处于第一平移位置的图1的致动装置的示意性前视图；
[0012]图4示出处于第二平移位置的图1的致动装置的示意性前视图；
[0013]图5示出图1的致动装置的底部前方的透视图；
[0014]图6示出图1的致动装置的示意性底部剖视图；
[0015]图7示出处于中心位置的根据第二示例性实施例的致动装置的底部前方的透视图；
[0016]图8示出图7的致动装置的示意性底部剖视图；
[0017]图9示出处于中心位置的根据第三示例性实施例的致动装置的示意性前视图；
[0018]图10示出处于平移位置的根据第四示例性实施例的致动装置的示意性前视图；
[0019]图11示出处于平移位置的根据第五示例性实施例的致动装置的示意性前视图；
[0020]图12示出处于第一平移位置的根据第六示例性实施例的致动装置的侧面前方的透视图；
[0021]图13示出处于中心位置的图12的致动装置的示意性前视图；
[0022]图14示出处于第二平移位置的图12的致动装置的示意性前视图；
[0023]图15示出处于第一平移位置的图12的致动装置的示意性前视图；
[0024]图16示出处于平移位置的根据第七示例性实施例的致动装置的示意性前视图；
[0025]图17a示出处于平移位置的图16的致动装置的示意性后视图；
[0026]图17b示出图16的致动装置的断开的示意图；
[0027]图18示出处于中心位置的根据第八示例性实施例的致动装置的侧面前方的透视图；
[0028]图19示出图18的致动装置的分解图；
[0029]图20示出图18的致动装置的平移部件的右侧顶部前方的透视图；
[0030]图21示出图18的致动装置的平移部件的左侧顶部前方的透视图；
[0031]图22示出图18的致动装置的平移部件的右侧底部后方的透视图；
[0032]图23示出图18的致动装置的基部部件的右侧顶部前方的透视图；
[0033]图24示出图18的致动装置的基部部件的右侧顶部后方的透视图；
[0034]图25示出图18的致动装置的平移部件的右侧底部后方的透视图，所述平移部件具有根据第一示例性实施例的编码器标记；
[0035]图26示出图18的致动装置的平移部件的右侧底部后方的透视图，所述平移部件具有根据第二示例性实施例的编码器标记；
[0036]图27示出根据示例性实施例布置成在平面内控制工具的位置和取向的多个图1的致动装置的示意性前视图；
[0037]图28a示出处于中心位置的图1的根据示例性实施例的致动装置的示意性前视图，所述致动装置具有安装到外表面的连架杆；和
[0038]图28b示出处于第一平移位置的图28a的致动装置的示意性前视图。
【具体实施方式】
[0039]参照图1，示出根据第一示例性实施例的致动装置100的框图。在该示例性的实施例中，致动装置100包括四连杆机构102、驱动系统104和致动器106。四连杆机构102可以包括基部连杆108、第一连杆110、平移连杆112和第二连杆114。如在本公开中所使用的，术语“连杆”包括用于连接两个或更多个其它结构的任何形状的结构。致动装置100可以被安装成沿着任何方向致动另一个物体。因而，诸如左侧、右侧、顶部、底部、后方、前方、上、下等的本文所使用的方向参数仅是用于基于附图中的取向来说明的。
[0040]基部连杆108可以包括基板116，所述基板116在第一关节118和第二关节120之间延伸。基板116可以直接在第一关节118和第二关节120之间延伸，或可以通过中间连杆连结到第一关节118和第二关节120。基部连杆108可以沿着任何方向安装到另一个物体。包括基板116在内的基部连杆108可以包括具有各种形状和尺寸的一个或多个非平坦的表面和孔，例如，用于容纳各种安装装置和/或用于适应致动器106到基部连杆108的安装或致动器106在基部连杆108附近的安装。
[0041]如在本公开中所使用的，术语“关节”包括用于连结两个或更多个其它结构的任何类型的结构以用于使一个结构相对于一个或多个其它结构转动。作为示例，第一关节118和第二关节120可以包括铰链关节、滚珠轴承、衬套、“挠曲枢转”关节、“折叶”塑性挠曲件、球窝关节，等等。
[0042]平移连杆112可以包括平移板122，所述平移板122在第三关节124和第四关节126之间延伸。平移板122可以直接在第三关节124和第四关节126之间延伸，或可以通过中间连杆连结到第三关节124和第四关节126。平移连杆112可以沿着任何方向安装到另一个物体。包括平移板122在内的平移连杆112可以包括具有各种形状和尺寸的一个或多个非平坦的表面和孔，例如，用于适应各种安装装置。作为示例，第三关节124和第四关节126可以包括铰链关节、滚珠轴承、衬套、“挠曲枢转”关节、“折叶”塑性挠曲件、球窝关节，等等。
[0043]第一连杆110安装到第一关节118以允许第一连杆110相对于基板116在第一关节118处转动。第二连杆114安装到第二关节120以允许第二连杆114相对于基板116在第二关节120处转动。第一连杆110安装到第三关节124以允许第一连杆110相对于平移板122在第三关节124处转动。第二连杆114安装到第四关节126以允许第二连杆114相对于平移板122在第四关节126处转动。结果，第一连杆110和第二连杆114约束平移连杆112的运动，以便使平移连杆112沿着弧形平移并且不相对于基板116转动。
[0044]如在本公开中所使用的，术语“安装”包括连结、联合、连接、关联、插入、悬挂、保持、粘贴、附装、紧固、捆绑、裱糊、缚住、栓接、拧上、铆接、钎焊、焊接、胶合、模制、加热成形、联接，等等。短语“安装在…上”和“安装到”包括所引用的支撑构件的任何内部或外部部分。另外，术语“安装”的使用可以指示所述的部件/装置之间的直接或间接连接。[0045]在图1的示例性实施例中，驱动系统104可以包括驱动器128、轴130和缆索132。轴130安装到致动器106，以便致动器106使轴130转动。轴130安装到驱动器128，所述驱动器128安装到平移连杆112以使平移连杆112随着轴130转动而平移。结果，驱动系统104在致动器106的控制下“驱动”平移连杆112平移。当操作致动装置100时，轴130的位置相对于基板116固定。
[0046]在图1的示例性实施例中，轴130通过缆索132安装到驱动器128。缆索132可以选择具有较低的蠕变速率、较高的强度、较高的抗疲劳性和较高的抗折曲性。缆索132可以由各种材料形成，所述各种材料基于致动装置100的尺寸提供对于驱动器128平移所需要的强度和柔性、待由致动装置100所平移的载荷、待平移/转动载荷的精度，等等，如本领域的技术人员将应理解的。例如，依据致动装置100的尺寸、工作环境、储存环境和寿命要求，不锈钢、钨、超高分子量聚乙烯(UHMwPE)(例如，Spectral^ Dyneema?)、液晶聚合物
(例如，Vectram? )、或芳香族聚酰酩(例如，Kevlar?、Twaront?、Tecinora?)、或高模量聚乙烯材料和液晶聚合物的复合混合物会是适当的材料。
[0047]缆索132可以包括轴缆索部分133和弧形缆索部分134。轴缆索部分133卷绕在轴130的至少一部分上。弧形缆索部分134沿着驱动器128的弧形表面136的至少一部分延伸。缆索132可以选择为驱动系统104提供低摩擦和低间隙的传动装置。
[0048]在图1的示例性实施例中，驱动器128还可以包括前驱动表面138、第一侧表面140、第二侧表面142和后驱动表面(未示出)。前驱动表面138、第一侧表面140、第二侧表面142和后驱动表面沿着第一边缘安装到平移板122。弧形表面136形成弧形的表面并且在前驱动表面138、第一侧表面140、第二侧表面142和后驱动表面的第二边缘之间延伸。驱动器128可以是空心的或实心的。
[0049]在图1的示例性实施例中，第一侧表面140包括第一附装侧表面144和第二附装侧表面146，所述第二附装 侧表面146从第一附装侧表面144成一角度延伸。第一附装侧表面144从平移板122沿着大致垂直的方向延伸，但这不是必需的。第二侧表面142包括第三附装侧表面148和第四附装侧表面150，所述第四附装侧表面150从第三附装侧表面148成一角度延伸。第三附装侧表面148从平移板122沿着大致垂直的方向延伸，但这不是必需的。第二附装侧表面146和第四附装侧表面150形成楔形形状，由所述楔形形状形成弧形表面136。当操作致动装置100时，弧形表面136的位置相对于平移板122固定。前驱动表面138、第一侧表面140、第二侧表面142和后驱动表面可以具有各种形状和尺寸，并且由各种材料形成，以便为平移平移连杆112提供足够的强度和待由致动装置100传递的载荷。
[0050]在其它示例性实施例中，轴130可以使用摩擦安装到驱动器128。例如，轴130可以包括第一摩擦表面，并且弧形表面136可以包括第二摩擦表面。轴130使用第一摩擦表面和第二摩擦表面之间的摩擦力安装到弧形表面136。作为另一个示例，带可以安装到轴130并且安装到驱动器128，以便使轴130安装成使用带来转动弧形表面136。
[0051]致动器106可以包括电动马达，例如，有刷或无刷dc马达或ac马达、伺服马达、步进马达、压电马达、气动致动器、气体马达、异步马达、齿轮马达，所述齿轮马达具有成一体的或外部的行星齿轮、谐波、电缆、蜗杆或其它齿轮传动装置，等等。致动器106可以与传感器一起使用或不与传感器一起使用。例如在(2004年3月27日至28日)用于虚拟环境和遥控操作系统的触觉界面国际研讨会上劳伦斯、D.A.等人的“Low Cost Actuator andSensor for High-Fidelity Haptic Interfaces” 中第 74 页至第 81 页的说明的标定程序也可以当应用于步进马达时用于提供平稳的力输出，所述平稳的力输出适用于精细操纵、触觉和力控制应用。
[0052]参照图2，示出致动装置100的设计参数。在第一关节118和第三关节124之间与基板116垂直地测量第一连杆110和第二连杆114的长度200。长度200近似等于RjRfG,其中，R1是轴130的半径，R2是圆弧202的圆弧半径204，在所述圆弧202上弧形表面136形成圆弧202的圆周的一部分,并且G是在弧形表面136和轴130的表面之间在弧形表面中心206处与长度200平行地测量到的缆索偏移距离212。缆索偏移距离212可以大约是缆索132的直径加上制造公差。因而，在第一关节118的中心和第三关节124的中心之间测量到的第一连杆110和第二连杆114的长度200近似等于在轴130的中心和圆弧202的中心之间测量到的距离。
[0053]致动器106和弧形表面136安装成使得连接轴130的中心和圆弧202的中心的线平行于连接第一关节118的中心和第三关节124的中心的长度200以形成致动装置100的居中位置。弧形表面边缘208限定弧形表面半角210，所述弧形表面半角210是用于驱动器128的最大转动点。第一连杆110和第二连杆114具有近似相等的长度，并且基板116和平移板122具有近似相等的长度。
[0054]参照图3，示出处于第一平移位置的致动装置100。致动器106转动轴130，所述轴130继而沿着弧形平移驱动器128的弧形表面136。因而，随着轴130转动，最接近致动器106的弧形表面136的切线保持与运动方向对准，允许高效地使用致动器转矩和精度。驱动器128的弧形表面136的转动在基板116保持固定的同时使平移板122在第三关节124和第四关节126处平移。参照图4，示出处于沿着与图3的方向相反的方向的第二平移位置的致动装置100。
[0055]虽然单个致动装置100不会产生直线平移运动，但是多个致动装置可以被组合以提供二维或三维的平移运动。例如，多个致动装置可以串联地安装并且被取向成使得每个致动装置的标称平移方向彼此正交。然后，可以通过多个致动器的协调同步运动而实现沿着直线的实际运动。
[0056]参照图5和图6，示出致动装置100的底部前方的透视图和示意性底视图以示出安装缆索132的示例。在图5和图6的示例性实施例中，缆索132包括第一缆索606和第二缆索608。第一缆索606用于第一驱动方向(如图3中所示的平移)，并且第二缆索608用于第二驱动方向(如图4中所示的平移)。第一缆索606具有终止于轴130上的第一端部610，确保第一缆索606不滑移。第二缆索608具有终止于轴130上的第一端部612，确保第二缆索608不滑移。第一缆索606的另一个端部和第二缆索608的另一个端部在轴130的相对侧上从轴130沿着弧形表面136延伸之后终止于驱动器128或平移连杆112上。示例的终止机构包括固定螺钉、粘接剂、或将缆索132穿过为该目的而设置的轴130中的孔。
[0057]作为示例，图5和图6的示例性实施例适用于致动装置100具有振动或冲击载荷的情况。为了将致动器轴承或衬套的载荷减到最小，缆索132可以被缠绕成使其与弧形表面136相邻地离开轴130而不是使缆索132处于轴130的相对侧上，当缆索132处于轴130的相对侧上时将由于缆索预紧力而在轴130上产生明显向上的力并且增大摩擦。为了防止缆索132在弧形表面136和轴130的表面之间堆积和卡住，可以包括弧形表面136的末端中的凹口以帮助随着缆索132在轴130上缠绕和解绕而导引缆索132。在第一缆索606和第二缆索608安装到轴130的位置之间限定有缆索空白区600。缆索偏移量602是在缆索凹口与缆索132离开轴130的位置之间的距离，以便使缆索132更加可能随着弧形表面136
来回运动而在单个层中缠绕和解绕，并且可以近似等
【权利要求】
1.一种致动装置，其包括: 基部连杆，所述基部连杆包括基板、第一关节和第二关节，其中，所述基板在所述第一关节和所述第二关节之间延伸； 第一连杆，所述第一连杆安装到所述第一关节以允许所述第一连杆相对于所述基板在所述第一关节处转动； 第二连杆，所述第二连杆安装到所述第二关节以允许所述第二连杆相对于所述基板在所述第二关节处转动； 平移连杆，所述平移连杆包括平移板、第三关节和第四关节，其中，所述平移板在所述第三关节和所述第四关节之间延伸，其中，所述第一连杆还安装到所述第三关节以允许所述第一连杆相对于所述平移板在所述第三关节处转动，并且其中，所述第二连杆还安装到所述第四关节以允许所述第二连杆相对于所述平移板在所述第四关节处转动； 轴，所述轴构造成安装到致动器，以便所述致动器使所述轴转动，其中，当操作所述致动装置时，所述轴的位置相对于所述基板固定；和 驱动器，所述驱动器包括弧形表面，其中，所述驱动器安装到所述平移连杆，以便当操作所述致动装置时，所述弧形表面的位置相对于所述平移板固定，并且其中，所述轴还安装到所述弧形表面以使所述平移连杆随着所述轴转动而平移。
2.根据权利要 求1所述的致动装置，其中，所述第一连杆是弯曲的。
3.根据权利要求2所述的致动装置，其中，所述第二连杆是弯曲的。
4.根据权利要求1所述的致动装置，其中，所述驱动器安装成从所述平移板延伸。
5.根据权利要求4所述的致动装置，还包括致动器，其中，所述轴安装到所述致动器。
6.根据权利要求5所述的致动装置，其中，所述致动器安装到所述基板。
7.根据权利要求4所述的致动装置，还包括外壳，所述外壳包括所述基板和壁，所述壁安装到所述基板并且从所述基板沿着朝向所述平移板的方向延伸，其中，所述壁包括致动器支撑表面，所述致动器支撑表面构造成支撑所述致动器和相对于所述弧形表面定位所述轴。
8.根据权利要求7所述的致动装置，还包括所述致动器，其中，所述轴安装到所述致动器。
9.根据权利要求1所述的致动装置，其中，所述平移连杆还包括延伸板，所述延伸板从所述第四关节与所述平移板大致平行地延伸，并且其中，所述驱动器还安装成从所述延伸板延伸。
10.根据权利要求9所述的致动装置，其中，所述基部连杆还包括基部延伸板，所述基部延伸板从所述第二关节与所述基板大致平行地延伸，并且其中，所述致动器安装到所述基部延伸板。
11.根据权利要求1所述的致动装置，其中，所述轴安装在由所述基板、所述第一连杆、所述第二连杆和所述平移板限定的空间内。
12.根据权利要求1所述的致动装置，还包括缆索，其中，所述轴使用所述缆索安装到所述弧形表面，所述缆索卷绕在所述轴的至少一部分上，沿着所述弧形表面的至少一部分延伸，并且安装到所述驱动器。
13.根据权利要求1所述的致动装置，还包括单个缆索，其中，所述轴使用所述单个缆索安装到所述弧形表面，所述单个缆索在第一点处安装到所述驱动器，沿着所述弧形表面的第一部分延伸，卷绕在所述轴的至少一部分上，沿着所述弧形表面的第二部分延伸并且在第二点处安装到所述驱动器。
14.根据权利要求13所述的致动装置，其中，所述单个缆索的端部通过弹簧安装到所述平移连杆。
15.根据权利要求1所述的致动装置，其中，所述轴包括从所述轴的表面延伸的多个第一齿，并且所述弧形表面包括从所述弧形表面延伸的多个第二齿，其中，所述多个第一齿与所述多个第二齿啮合以将所述轴安装到所述弧形表面。
16.根据权利要求1所述的致动装置，还包括:缆索，所述缆索包括第一端部和第二端部，其中，所述轴使用所述缆索安装到所述弧形表面，所述缆索在所述第一端部处安装到所述驱动器，沿着所述弧形表面的第一部分延伸，卷绕在所述轴的第一部分上，并且在所述第二端部处安装到所述轴；和第二缆索，所述第二缆索包括第三端部和第四端部，其中，所述轴还使用所述第二缆索安装到所述弧形表面，所述第二缆索在所述第三端部处安装到所述平移连杆，沿着所述弧形表面的第二部分延伸，卷绕在所述轴的第二部分上，并且在所述第四端部处安装到所述轴。
17.根据权利要求16所述的致动装置，其中，所述第二缆索的第三端部通过弹簧安装到所述平移连杆。
18.根据权利要求1所述的致动装置，其中，所述轴包括第一摩擦表面，并且所述弧形表面包括第二摩擦表面，其中，所述轴使用在所述第一摩擦表面和所述第二摩擦表面之间的摩擦力安装到所述弧形表面。
19.根据权利要求1所述的致动装置，还包括带，所述带安装到所述轴和安装到所述驱动器，其中，所述轴使用所述带安装到所述弧形表面。
20.根据权利要求1所述的致动装置，其中，在所述第一关节的中心与所述第三关节的中心之间测量到的所述第一连杆的长`度近似等于在所述轴的中心与所述弧形表面形成其圆周的一部分的圆的中心之间测量到的距离。
【文档编号】B25J17/00GK103826806SQ201280045478
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2011年9月19日
【发明者】A·奎德 申请人:维韦斯单一研究有限责任公司