专利名称：用于虚轴机床和机器人的三转动自由度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自由度并联机构。
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CNlO 1036986A报道了由动平台、静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， 动平台和静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 paralIelmanipulators, Transactions of the CSME, 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、静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自由度并联机 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 三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连接在静平台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；其特点是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、第一转动副和 第二转动副；第一转动副通过第一连接杆与第二转动副相连，第一万向铰链还与静平台相 连，第二转动副还与动平台相连；所述的第二运动支链包括顺序相连的第三转动副、第二移动副和第二万向铰链； 第三转动副还与静平台相连，第二万向铰链还通过第二连接杆与第一连接杆相连；所述的第三运动支链包括顺序相连的第四转动副、第五转动副和第六转动副;第四转动副还与静平台相连，第六转动副还与动平台相连；所述的第一万向铰链的第一转动轴的轴线、第二万向铰链的第二转动轴的轴线、 第二转动副的轴线、第四转动副的轴线、第五转动副的轴线和第六转动副的轴线相交于一 点，该点位于第二转动副的轴上。在第一运动支链中，第一转动副的轴线与第一万向铰链的第二转动轴平行；第一 移动副的轴线与第一转动副的轴线垂直，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线垂直，第 一连接杆的轴线与第二转动副的轴线重合。在第二运动支链中，第三转动副的轴线与第二万向铰链的第一转动轴平行，第二 移动副的轴线与第三转动副的轴线垂直；第二连接杆的一端连接在第二万向铰链的第二转 动轴的轴线上，另一端与第一连接杆斜交相连，第二万向铰链的第二转动轴与第一转动副 的轴线平行。在第三运动支链中，第四转动副的轴线第一万向铰链的第一转动轴垂直并与第五 转动副的轴线垂直；第五转动副的轴线与第六转动副的轴线正交垂直，第六转动副的轴线 与第二转动副的轴线垂直。本发明用于虚轴机床和机器人的三转动自由度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自由度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，本发明一种用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构，包括静平 台1、动平台3以及连接在静平台与动平台之间的第一运动支链加、第二运动支链2b和第 三运动支链2c。第一运动支链加包括顺序相连的第一万向铰链22、第一移动副23、第一转动副M 和第二转动副212 ；第一转动副M通过第一连接杆21与第二转动副212相连，第一万向铰 链21还与静平台1相连，第二转动副212还与动平台3相连。在第一运动支链中，第一转 动副M的轴线与第一万向铰链22的第二转动轴222平行；第一移动副23的轴线与第一转 动副M的轴线垂直，第二转动副212的轴线与第一转动副M的轴线垂直，第一连接杆21 的轴线与第二转动副212的轴线重合。第二运动支链2b包括顺序相连的第三转动副25、第二移动副沈和第二万向铰链27 ；第三转动副25还与静平台1相连，第二万向铰链27还通过第二连接杆观与第一连接杆 21相连。在第二运动支链中，第三转动副25的轴线与第二万向铰链27的第一转动轴271 平行，第二移动副26的轴线与第三转动副25的轴线垂直；第二连接杆观的一端连接在第 二万向铰链27的第二转动轴272的轴线上，另一端与第一连接杆21斜交相连，第二万向铰 链27的第二转动轴272与第一转动副M的轴线平行。第三运动支链2c包括顺序相连的第四转动副29、第五转动副210和第六转动副 211 ；第四转动副四还与静平台1相连，第六转动副211还与动平台3相连。第四转动副四 的轴线第一万向铰链22的第一转动轴221垂直并与第五转动副210的轴线垂直；第五转动 副210的轴线与第六转动副211的轴线正交垂直，第六转动副211的轴线与第二转动副212 的轴线垂直。上述第一万向铰链22的第一转动轴221的轴线、第二万向铰链27的第二转动轴 272的轴线、第二转动副212的轴线、第四转动副四的轴线、第五转动副210的轴线和第六 转动副211的轴线相交于一点，该点位于第二转动副212的轴上。本发明用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构的工作原理可结合附图 说明如下当第一运动支链加内的移动副23伸缩时，带动动平台3绕第二万向铰链27的第 二转动轴272转动；而第二运动支链2b和第三运动支链2c分别具有同轴的转动自由度， 因此，在移动副23驱动下，动平台3具有绕第二万向铰链27的第二转动轴272的转动自由度。当第二运动支链2b内的移动副沈伸缩时，带动动平台3绕第一万向铰链22的第 一转动轴221转动；而第一运动支链加和第三运动支链2c分别具有同轴的转动自由度，因 此，在移动副26驱动下，动平台3具有绕转动副221的转动自由度。当第三运动支链2c内的转动副四转动时，带动动平台3绕第二转动副212转动； 而第二运动支链2b和第三运动支链2c具有绕第二转动副212转动自由度，因此，在转动副 29驱动下，动平台3具有绕第二转动副212的转动自由度。由于第一万向铰链22的第一转动轴221、第二万向铰链27的第二转动轴272、第 二转动副212的轴线汇交于一点，并且第一万向铰链22的第一转动轴221和第二万向铰链 27的第二转动轴272相互垂直，因此机构具有三个解耦的转动自由度。
权利要求
1.一种用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连 接在静平台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；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、第一转动副和第二 转动副；第一转动副通过第一连接杆与第二转动副相连，第一万向铰链还与静平台相连，第 二转动副还与动平台相连；所述的第二运动支链包括顺序相连的第三转动副、第二移动副和第二万向铰链；第三 转动副还与静平台相连，第二万向铰链还通过第二连接杆与第一连接杆相连；所述的第三运动支链包括顺序相连的第四转动副、第五转动副和第六转动副；第四转 动副还与静平台相连，第六转动副还与动平台相连；所述的第一万向铰链的第一转动轴的轴线、第二万向铰链的第二转动轴的轴线、第二 转动副的轴线、第四转动副的轴线、第五转动副的轴线和第六转动副的轴线相交于一点，该 点位于第二转动副的轴上。
2.如权利要求1所述的用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构，其特征在 于在第一运动支链中，第一转动副的轴线与第一万向铰链的第二转动轴平行；第一移动 副的轴线与第一转动副的轴线垂直，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线垂直，第一连 接杆的轴线与第二转动副的轴线重合。
3.如权利要求1所述的用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构，其特征在 于在第二运动支链中，第三转动副的轴线与第二万向铰链的第一转动轴平行，第二移动副 的轴线与第三转动副的轴线垂直；第二连接杆的一端连接在第二万向铰链的第二转动轴的 轴线上，另一端与第一连接杆斜交相连，第二万向铰链的第二转动轴与第一转动副的轴线 平行。
4.如权利要求1所述的用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构，其特征在 于在第三运动支链中，第四转动副的轴线第一万向铰链的第一转动轴垂直并与第五转动 副的轴线垂直；第五转动副的轴线与第六转动副的轴线正交垂直，第六转动副的轴线与第 二转动副的轴线垂直。
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自由度并联机构，它包括静平台、动平台以及连接在静平台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。第一运动支链包括顺序相连的第一万向铰链、第一移动副、第一转动副和第二转动副；第一转动副通过第一连接杆与第二转动副相连。第二运动支链包括顺序相连的第三转动副、第二移动副和第二万向铰链；第二万向铰链还通过第二连接杆与第一连接杆相连。第三运动支链包括顺序相连的第四转动副、第五转动副和第六转动副。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B23Q1/26GK102145457SQ20111003601
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月11日 优先权日2011年2月11日
发明者刘燕, 宋芳, 张帆 申请人:上海工程技术大学