专利名称：三自由度解耦并联机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械学领域，具体为一种三自由度解耦并联机器人机构。
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、传感器及微操作等领域。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沿任意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于挑战性的课题。
为了清楚描述并联机构解耦问题，首先介绍如下定义解耦如果并联机构在某方向的平动或转动仅依赖于一个方向驱动单元动作，则称之为解耦；无条件解耦如果并联机构在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦；有条件解耦如果并联机构在任意位置、特定姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦；瞬时解耦如果并联机构仅在特定位置、特定姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦。
目前，在并联机构解耦研究方面已有一些成果，CN 1261018A提出的“六自由度虚拟轴机床”，实现了空间一个位置(即初始位置)处的解耦，并因此降低了整机的耦合度，但除初始位置外，其它位置仍是耦合的，因此是瞬时解耦；此外，CN ZL00100198.1、CN00100197.3、CN 00100196.5、CN 99121020.4提出的“3、4、5、6自由度结构解耦并联微动机器人”和CN1377757A提出的“可重组模块化3-6自由度结构解耦并联微动机器人”，这些机构仅适用于微动领域，原因是由于其解耦是近似的，且随着工作空间的加大，各驱动单元之间的耦合度增加。为了保持输入输出之间的近似解耦关系，实际工作空间仅为数微米，因此仍具有瞬时解耦的特点。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种三自由度解耦并联机器人机构，它具有结构简单，控制容易，可做到无条件解耦，精度高，工作空间不受限制的优点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是
一种三自由度解耦并联机器人机构，包括机座(1)、动平台(3)和分别固连在机座(1)和动平台(3)之间的三个结构形式相同的支链(2)，其结构是每一支链(2)包括7个转动副(21a)、(21b)、(21c)、(21d)、(21e)、(21f)和(21g)和5个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)和(24)，其中，一组4个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)的回转轴线平行，另一组3个转动副(21a)、(21f)、(21g)的回转轴线平行，且两组转动副的回转轴线相互垂直；4个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)经四个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)连接组成一个平行四边形，平行四边形的一个边连杆(22a)上固连转动副(21a)，转动副(21a)与机座(1)固连；连杆(22a)的对边连杆(22b)上固连转动副(21f)，(21f)又经连杆(24)固连转动副(21g)，转动副(21g)固连在动平台(3)上；所述的三个结构形式相同的支链(2)与动平台(3)相连的转动副(21g)的轴线在空间彼此两两正交。
本发明的有益效果是由于三自由度解耦并联机器人机构运动解耦，可以简化机构运动学模型，从而为机构控制和标定带来方便。将本发明用于三自由度运动平台，例如数控并联机床工作台，提高了数控并联机床的性能。
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但并不限制本发明的权利要求。
图1为本发明三自由度解耦并联机器人机构总体示意图。
图2为本发明中所用支链(2)的结构示意图。
图中，1.机座，2.动平台，3.支链，21a.转动副，21b.转动副，21c.转动副，21d.转动副，21e.转动副，21f.转动副，21g.转动副，22a.连杆，22b.连杆，23a.连杆，23b.连杆，24连杆。
具体实施例方式
图1表明本发明三自由度解耦并联机器人机构，包括机座(1)、动平台(3)和分别固连在机座(1)和动平台(3)之间的三个结构形式相同的支链(2)；每一支链(2)包括7个转动副(21a)、(21b)、(21c)、(21d)、(21e)、(21f)和(21g)和5个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)和(24)，其中，一组4个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)的回转轴线平行，另一组3个转动副(21a)、(21f)、(21g)的回转轴线平行，且两组转动副的回转轴线相互垂直；4个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)经四个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)连接组成一个平行四边形，平行四边形的一个边连杆(22a)上固连转动副(21a)，转动副(21a)与机座(1)固连；连杆(22a)的对边连杆(22b)上固连转动副(21f)，(21f)又经连杆(24)固连转动副(21g)，转动副(21g)固连在动平台(3)上；所述的三个结构形式相同的支链(2)与动平台(3)相连的转动副(21g)的轴线在空间彼此两两正交。
图2表明本发明中所用支链(2)的结构，当驱动按图2所示位置支链的转动副(21b)或(21d)时，平行四边形结构的连杆(22b)沿杆向(即图1中的z轴方向)平动，从而通过转动副(21f)、连杆(24)、转动副(21g)使得动平台(3)沿z轴方向平动，另两个支链无需驱动而作相应随动。同样另外两个支链转动副(21b)或(21d)的单独驱动，实现动平台(3)沿相应坐标轴方向的平动。由于每一支链的单独驱动使得动平台沿相应坐标轴方向平动，而与另外两个支链的驱动无关，因而动平台(3)沿三个坐标轴x、y、z的运动是解耦的。
权利要求
1.一种三自由度解耦并联机器人机构，包括机座(1)、动平台(3)和分别固连在机座(1)和动平台(3)之间的三个结构形式相同的支链(2)，其特征在于每一支链(2)包括7个转动副(21a)、(21b)、(21c)、(21d)、(21e)、(21f)和(21g)和5个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)和(24)，其中，一组4个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)的回转轴线平行，另一组3个转动副(21a)、(21f)、(21g)的回转轴线平行，且两组转动副的回转轴线相互垂直；4个连杆(22a)、(22b)、(23a)、(23b)经四个转动副(21b)、(21c)、(21d)、(21e)连接组成一个平行四边形，平行四边形的一个边连杆(22a)上固连转动副(21a)，转动副(21a)与机座(1)固连；连杆(22a)的对边连杆(22b)上固连转动副(21f)，(21f)又经连杆(24)固连转动副(21g)，转动副(21g)固连在动平台(3)上；所述的三个结构形式相同的支链(2)与动平台(3)相连的转动副(21g)的轴线在空间彼此两两正交。
全文摘要
一种三自由度解耦并联机器人机构，属于机械传动领域，其结构包括机座、动平台和分别固连在机座和动平台之间的三个结构形式相同的支链；每一支链包括7个转动副和5个连杆，所述的三个结构形式相同的支链与动平台相连的转动副的轴线在空间彼此两两正交。本发明由于运动解耦，可以简化机构运动学模型，从而为机构控制和标定带来方便，具有结构简单，控制容易，精度高，工作空间不受限制的优点。
文档编号B23Q1/25GK1715008SQ200510014390
公开日2006年1月4日 申请日期2005年7月6日 优先权日2005年7月6日
发明者李为民, 张建军, 石晓明 申请人:河北工业大学