一种三自由度运动机构的制作方法

本发明涉及一种三自由度运动机构。

背景技术：

传统的两方向平动及绕轴旋转的三自由度运动，旋转运动需固定旋转轴，且在轴端增加一个电机。利用旋转方向电机控制旋转角度，堵转扭矩去抵抗倾覆力矩。

现有的两方向平动及绕轴旋转的三自由度运动中旋转需要有固定轴，在不便于布置固定轴或固定轴与其他零件存在干涉的情况下，利用现有技术很难实施。增加的电机自身固联在两轴平动方向上，存在电机线缆布置很困难，且有线缆拖拽断裂的高风险。

此外，利用电机产生绕轴旋转，由于电机本身有厚度尺寸，势必导致三自由度运动机构整体厚度增大，不利于在紧凑空间内布置。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种三自由度运动机构，该运动机构可以在相对紧凑的空间内布置两方向平动及无轴旋转的三自由度，尽可能地减少电机数量。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种三自由度运动机构，包括沿着x方向设置的第一导轨和沿着y方向设置的第二导轨，其中x方向垂直于y方向且均在水平面内；所述第一导轨可沿着第二导轨移动，所述第一导轨上装有托板，该托板上装有旋转盘，所述托板由第一驱动装置驱动沿着x方向移动，该托板由第二驱动装置驱动沿着y方向移动；其结构特点是：所述旋转盘与托板之间设有防止旋转盘旋转时从托板上脱出的防脱机构；

所述旋转盘的直径方向的两端装有第一滑轮和第二滑轮，所述第一导轨的两端部均装有与x方向呈角度布置的滑轮轨道；在旋转盘沿着第一导轨移动至第一导轨的第一端部时，所述第一滑轮进入第一导轨的第一端部处的滑轮轨道，在旋转盘沿着第一导轨移动至第一导轨的第二端部时，所述第二滑轮进入第一导轨的第二端部处的滑轮轨道。

作为一种等同的方案，基于同一个发明构思，本发明还提供了另一种三自由度运动机构，包括沿着x方向设置的第一导轨和沿着y方向设置的第二导轨，其中x方向垂直于y方向且均在水平面内；所述第二导轨可沿着第一导轨移动；所述第二导轨上装有托板，该托板上装有旋转盘，所述托板由第一驱动装置驱动沿着x方向移动，该托板由第二驱动装置驱动沿着y方向移动；其结构特点是：所述旋转盘与托板之间设有防止旋转盘旋转时从托板上脱出的防脱机构；

所述旋转盘的直径方向的两端装有第一滑轮和第二滑轮，所述第二导轨的两端部均装有与y方向呈角度布置的滑轮轨道；在旋转盘沿着第二导轨移动至第二导轨的第一端部时，所述第一滑轮进入第二导轨的第一端部处的滑轮轨道，在旋转盘沿着第二导轨移动至第二导轨的第二端部时，所述第二滑轮进入第二导轨的第二端部处的滑轮轨道。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述防脱机构包括位于旋转盘的侧面周向设置的多个圆弧凹槽，以及装在托板的多个圆弧面滚轮；所述旋转盘的圆弧凹槽与圆弧面滚轮之间的相互配合，使得旋转盘旋转时不从圆弧面滚轮上脱出。

为了在不需要旋转盘转动时防止旋转盘转动，所述旋转盘与托板之间还设有用于保持旋转盘非旋转状态的锁定机构。更优选地，所述锁定机构包括装在托板上且相对托板伸出的解锁块，该解锁块上装有两个锁定爪，两个锁定爪可张开或合拢来实现旋转盘的解锁或锁定。

作为一种比较常见的解锁方式，所述第一导轨或第二导轨的端部装有支撑垫块，所述解锁块紧压所述支撑垫块处时两个锁定爪张开。

优选地，所述第一驱动装置为第一步进电机，所述第二驱动装置为第一步进电机。

为了可靠地驱动托板移动，所述第一驱动装置通过位于第一导轨内的第一丝杠与托板相连；所述第二驱动装置通过位于第二导轨内的第二丝杠与托板相连。

为了实现旋转盘相对第一导轨无固定轴转动，位于第一导轨的第一端部的滑轮轨道和位于第一导轨的第二端部的滑轮轨道呈八字形布置。

为了实现旋转盘相对第二导轨无固定轴转动，位于第二导轨的第一端部的滑轮轨道和位于第二导轨的第二端部的滑轮轨道呈八字形布置。

藉由上述结构，本发明通过圆弧截面滚轮与圆弧形凹槽配合实现无固定轴的旋转运动。同时通过第一滑轮、第二滑轮与滑轮轨道的相互作用，利用简单的沿着x方向、y方向的平动从而实现旋转盘的旋转运动。

本发明的锁定块的伸缩运动使锁定爪张开及收拢，从而使旋转盘保持固定（非旋转状态）和解除锁定（进行旋转）。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：对于不便于安装固定旋转轴的三自由度运动，只需要两个电机就能实现两方向的平动和绕轴向的旋转，从而节省动力及线缆布设，并且通过锁定机构实现旋转运动的锁止及解除。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图（旋转盘锁定状态）；

图2是图1中托板及旋转盘、锁定机构组装的大样图；

图3是图2的右视图；

图4是图2的后视图；

图5是本发明重点突出锁定机构的结构示意图（旋转盘解锁状态）；

图6是本发明重点突出防脱结构的结构示意图；

图7是本发明的旋转盘移动至第一导轨的第一端部时的状态图；

图8是本发明的旋转盘移动至第一导轨的第二端部时的状态图；

图9是本发明另一个实施例的结构原理图（旋转盘锁定状态）。

在图中

1-第一导轨；2-第一步进电机；3-第二导轨；4-第一丝杠；5-导轨安装板；6-第二丝杠；7-托板；8-旋转盘；9-第二步进电机；10-圆弧面滚轮；11-锁定爪；12-解锁块；13-支撑垫板；14-滑轮轨道；15-第二滑轮；16-第一滑轮。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例1

一种三自由度运动机构，如图1-8所示，包括沿着x方向设置的第一导轨1和沿着y方向设置的第二导轨3，其中x方向垂直于y方向且均在水平面内。所述第一导轨1可沿着第二导轨3移动，所述第一导轨1上装有托板7，该托板7上装有旋转盘8，当需要托板7沿着x方向移动时，由第一驱动装置驱动托板7沿着第一导轨1移动即可，当需要托板7沿着y方向移动时，由第二驱动装置驱动托板7沿第二导轨3移动即可。

为了精确控制托板的移动位移，所述第一驱动装置为第一步进电机2，所述第二驱动装置为第一步进电机9。所述第一驱动装置通过位于第一导轨1内的第一丝杠4与托板7相连。所述第二驱动装置通过位于第二导轨3内的第二丝杠6与托板7相连。工作时，如图1所示，第一步进电机2通过第二丝杠6带动托板7沿着第一导轨1沿着x方向往复移动。第二步进电机9通过第一丝杠4带动托板7沿着第二导轨3沿着y方向往复移动。

如图2-4所示，所述旋转盘8与托板7之间设有防止旋转盘8旋转时从托板7上脱出的防脱机构。所述防脱机构包括位于旋转盘8的侧面周向设置的多个圆弧凹槽，以及装在托板7的多个圆弧面滚轮10。所述旋转盘8的圆弧凹槽与圆弧面滚轮10之间的相互配合，使得旋转盘8旋转时不从圆弧面滚轮10上脱出。

在本实施例中，如图2-4所示，旋转盘8的侧面沿周向加工有多个圆弧凹槽，最好是六个，所述托板7上装有多个圆弧面滚轮10，圆弧面滚轮10的横截面为凸的圆弧形，每个圆弧面滚轮10伸入一个圆弧凹槽内。六个圆弧面滚轮10沿圆周方向以一定角度布置在托板7上。通过圆弧面滚轮10与旋转盘8的圆弧凹槽之间的相互配合，使得旋转盘8能够做旋转运动而又不至于从圆弧面滚轮10上脱出。

如图5所示，所述旋转盘8与托板7之间还设有用于保持旋转盘8非旋转状态的锁定机构。所述锁定机构包括装在托板7上且相对托板7伸出的解锁块12，该解锁块12上装有两个锁定爪11，两个锁定爪12可张开或合拢来实现旋转盘8的解锁或锁定。所述第一导轨1或第二导轨3的端部装有支撑垫块13，所述解锁块12紧压所述支撑垫块13处时两个锁定爪12张开。工作时，解锁块12在内部弹簧的作用下，其下端面相对托板7伸出。锁定爪11向内紧紧抱住旋转盘8，从而限制了旋转盘8的旋转。在第二步进电机9带动下，导轨安装板5沿第二导轨3方向往下运动，当解锁块12接触到支撑垫板13时，锁定爪11开始向外张开。继续往下运动后，支撑垫板13将顶住解锁块12，而托板7继续往下运动，锁定爪11继续往外张开。当锁定爪11与旋转盘8完全脱离后，旋转盘8就可以转动了。

如图5和6所示，所述旋转盘8的直径方向的两端装有第一滑轮16和第二滑轮15，所述第一导轨1的两端部均装有与x方向呈角度布置的滑轮轨道14。在旋转盘8沿着第一导轨1移动至第一导轨1的第一端部时，所述第一滑轮16进入第一导轨1的第一端部处的滑轮轨道，在旋转盘8沿着第一导轨1移动至第一导轨1的第二端部时，所述第二滑轮16进入第一导轨1的第二端部处的滑轮轨道。在本实施例中，位于第一导轨1的第一端部的滑轮轨道14和位于第一导轨1的第二端部的滑轮轨道呈八字形布置。

在本实施例中，如图6所示，旋转盘8的直径位置处各设有一个滑轮（第一滑轮16和第二滑轮15）。在第一步进电机2驱动下托板7与旋转盘8一起沿第一导轨1方向往左侧运动。当第一滑轮16运动到与滑轮轨道14内侧相切时，将不能再继续向左侧运动，此处即为左侧旋转位。图6中滑轮轨道14进行了剖切，便于内部结构显示。

工作时，第二步进电机9驱动导轨安装板5向上运动，第一步进电机2上电但不旋转。第一滑轮16将会沿着滑轮轨道14内部槽道向右斜上运动，从而带动旋转盘8逆时针旋转。第二步进电机9驱动导轨安装板5向下运动时，第一滑轮16将会沿着滑轮轨道14向相反方向运动，回到初始水平状态。

同理在第一步进电机2驱动下托板7与旋转盘8一起沿第一导轨1方向往右侧运动。当第二滑轮15运动到与滑轮轨道14内侧相切时，将不能再继续向右侧运动，此处即为右侧旋转位。图8中滑轮轨道14进行了剖切，便于内部结构显示。第二步进电机9驱动导轨安装板5向上运动，第一步进电机2上电但不旋转。第二滑轮15将会沿着滑轮轨道14内部槽道向左斜上运动，从而带动旋转盘8顺时针旋转。第二步进电机9驱动导轨安装板5向下运动时，第二滑轮15将会沿着滑轮轨道14向相反方向运动，回到初始水平状态。

实施例2

一种三自由度运动机构，如图9所示，包括沿着x方向设置的第一导轨1和沿着y方向设置的第二导轨3，其中x方向垂直于y方向且均在水平面内。所述第二导轨3可沿着第一导轨1移动。

所述第二导轨3上装有托板7，该托板7上装有旋转盘8，当需要托板7沿着x方向移动时，由第一驱动装置驱动托板7沿着第一导轨1移动即可，当需要托板7沿着y方向移动时，由第二驱动装置驱动托板7沿第二导轨3移动即可。所述旋转盘8与托板7之间设有防止旋转盘8旋转时从托板7上脱出的防脱机构。所述旋转盘8的直径方向的两端装有第一滑轮16和第二滑轮15，所述第二导轨3的两端部均装有与y方向呈角度布置的滑轮轨道14。在旋转盘8沿着第二导轨3移动至第二导轨3的第一端部时，所述第一滑轮16进入第二导轨3的第一端部处的滑轮轨道，在旋转盘8沿着第二导轨3移动至第二导轨3的第二端部时，所述第二滑轮16进入第二导轨3的第二端部处的滑轮轨道。

位于第二导轨3的第一端部的滑轮轨道14和位于第二导轨3的第二端部的滑轮轨道呈八字形布置。

余下结构和工作原理均与实施例1类似，不再赘述。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。