專利名稱：二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械學(xué)領(lǐng)域的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具體為一種可在二自由度下無條件解耦的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，國際專利分類號擬為Int.Cl7B25J9/08。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于重載模擬設(shè)備、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、傳感器及微操作等領(lǐng)域。然而，并聯(lián)機(jī)構(gòu)各驅(qū)動單元之間是耦合的，即并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體輸出平臺沿任意一方向的運(yùn)動都是所有驅(qū)動單元的運(yùn)動合成，并且各驅(qū)動單元的運(yùn)動與并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制復(fù)雜，標(biāo)定困難，且制約了精度的提高。因此，如何實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的解耦，以簡化其控制和標(biāo)定，提高運(yùn)動精度，一直是一個困難而富于挑戰(zhàn)性的課題。
為了清楚描述并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦問題，首先說明如下概念的定義解耦如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)在某方向的平動或轉(zhuǎn)動僅依賴于一個方向驅(qū)動單元動作，則稱之為解耦；無條件解耦如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)在任意位置和姿態(tài)下都是解耦的，則稱之為無條件解耦；有條件解耦如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)在任意位置、特定姿態(tài)下是解耦的，則稱之為有條件解耦；瞬時解耦如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)僅在特定位置、特定姿態(tài)下是解耦的，則稱之為瞬時解耦。
目前，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦研究方面已有一些成果，例如，CN1261018A提出的“六自由度虛擬軸機(jī)床”，實現(xiàn)了空間一個位置(即初始位置)處的解耦，并因此降低了整機(jī)的耦合度，但除初始位置外，其它位置仍是耦合的，因此該設(shè)計是瞬時解耦；又例如，中國專利文獻(xiàn)ZL00100198.1、CN00100197.3、CN00100196.5、CN99121020.4分別提出的“三、四、五、六自由度結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人”和CN1377757A提出的“可重組模塊化3-6自由度結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人”，僅適用于微動領(lǐng)域，原因是這些機(jī)構(gòu)的解耦是近似的，且隨著工作空間的加大，各驅(qū)動單元之間的耦合度也會增加。為了保持輸入輸出之間的近似解耦關(guān)系，該設(shè)計實際工作空間僅為數(shù)微米，因此仍具有瞬時解耦的特點。對于只具有轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言，解耦則更加困難。例如，中國專利文獻(xiàn)CN03258423.7文獻(xiàn)報道的“基于球面機(jī)構(gòu)的太陽跟蹤裝置”中采用了三自由度球面機(jī)構(gòu)，但它的三個轉(zhuǎn)動完全耦合，即不能解耦；美國專利US005966991A提出的二自由度球面機(jī)構(gòu)也只能在初始位置瞬時解耦，其他位置不能解耦。有關(guān)可以解耦的二自由度球面機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)發(fā)明入目前尚未檢索到。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它可做到二自由度下無條件解耦，并具有結(jié)構(gòu)簡單，控制和標(biāo)定容易，精度高等特點。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計一種二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括機(jī)座和動平臺以及分別固連在機(jī)座和動平臺之間的第一運(yùn)動支鏈和第二運(yùn)動支鏈；所述的第一運(yùn)動支鏈包括由連桿L1、連桿L2、連桿L3、連桿L4及由其聯(lián)結(jié)的四個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R1、回轉(zhuǎn)副R2、回轉(zhuǎn)副R3、回轉(zhuǎn)副R4而構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)，三個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R5、回轉(zhuǎn)副R6、回轉(zhuǎn)副R7和一個軸線空間垂直的回轉(zhuǎn)副R8以及對應(yīng)聯(lián)結(jié)它們的連桿L5、連桿L6、連桿L7和一端與所述的回轉(zhuǎn)副R8連接的連桿L8；所述的第二運(yùn)動支鏈包括軸線垂直的兩個回轉(zhuǎn)副R9、R10以及聯(lián)結(jié)它們的連桿L9；所述的回轉(zhuǎn)副R5固連在所述平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿L4上，且回轉(zhuǎn)副R5的軸線與平行四邊形機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)副R1、回轉(zhuǎn)副R2、回轉(zhuǎn)副R3、回轉(zhuǎn)副R4軸線垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R9軸線平行；所述第一運(yùn)動支鏈的一端通過與回轉(zhuǎn)副R8連接的連桿L8的另一端與動平臺連接，回轉(zhuǎn)副R8的軸線與所述三個軸線平行的回轉(zhuǎn)副R5、回轉(zhuǎn)副R6、回轉(zhuǎn)副R7垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R10軸線平行；而另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R1安裝在機(jī)座的一端上；所述的第二運(yùn)動支鏈的一端通過回轉(zhuǎn)副R10與動平臺連接，另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R9安裝在機(jī)座的另一端上；所述的回轉(zhuǎn)副R1和回轉(zhuǎn)副R9的軸線相互垂直。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，所述的每一支鏈的單獨驅(qū)動都會使得動平臺僅繞相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)，而與另外一個支鏈的驅(qū)動單元無關(guān)，因而可以實現(xiàn)無條件解耦，簡化了運(yùn)動學(xué)方程，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制和標(biāo)定容易，精度提高，并且結(jié)構(gòu)簡單。


圖1為本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)一種實施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)所述運(yùn)動支鏈2的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)所述的運(yùn)動支鏈4的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)所述的運(yùn)動支鏈2的另一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但它不限制本發(fā)明的權(quán)利要求。
本發(fā)明的二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)(參見圖1-3)，包括機(jī)座1和動平臺3以及分別固連在機(jī)座1和動平臺3之間的第一運(yùn)動支鏈2和第二運(yùn)動支鏈4；所述的第一運(yùn)動支鏈2包括由連桿L1(圖中標(biāo)記為22a，下同)、連桿L222b、連桿L322c、連桿L422d及由其聯(lián)結(jié)的四個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R121a、回轉(zhuǎn)副R221b、回轉(zhuǎn)副R321c、回轉(zhuǎn)副R421d而構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)，三個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R523a、回轉(zhuǎn)副R623b、回轉(zhuǎn)副R723c和一個軸線空間垂直的回轉(zhuǎn)副R825以及對應(yīng)聯(lián)結(jié)它們的連桿L524a、連桿L624b、連桿L724c和一端與所述的回轉(zhuǎn)副R825連接的連桿L826；所述的第二運(yùn)動支鏈4包括軸線垂直的兩個回轉(zhuǎn)副R941、R1043以及聯(lián)結(jié)它們的連桿L942；所述的回轉(zhuǎn)副R523a固連在所述平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿L422d上，且回轉(zhuǎn)副R523a的軸線與平行四邊形機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)副R121a、回轉(zhuǎn)副R221b、回轉(zhuǎn)副R321c、回轉(zhuǎn)副R421d軸線垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R941軸線平行；所述第一運(yùn)動支鏈2的一端通過與回轉(zhuǎn)副R825連接的連桿L826的另一端與動平臺3連接，回轉(zhuǎn)副R825的軸線與所述三個軸線平行的回轉(zhuǎn)副R523a、回轉(zhuǎn)副R623b、回轉(zhuǎn)副R723c垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R1043軸線平行；而另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R121a安裝在機(jī)座1的一端上；所述的第二運(yùn)動支鏈4的一端通過回轉(zhuǎn)副R1043與動平臺3連接，另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R941安裝在機(jī)座1的另一端上；所述的回轉(zhuǎn)副R121a和回轉(zhuǎn)副R941的軸線相互垂直。
在本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，所述的動平臺3、機(jī)座1的結(jié)構(gòu)形狀不受限定。在不影響所述機(jī)構(gòu)自由運(yùn)動的情況下，它們的結(jié)構(gòu)形狀可以是任意的。
根據(jù)本發(fā)明的獨創(chuàng)設(shè)計，本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)無論在任何姿態(tài)下，當(dāng)只驅(qū)動回轉(zhuǎn)副R941時，動平臺3只繞固定軸Z1也即回轉(zhuǎn)副R941的軸線旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)角速度相同(參見圖1-3)；同樣，當(dāng)只驅(qū)動平行四邊形機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)副R121a時，動平臺3也只繞動軸Z2，也即回轉(zhuǎn)副R1043的軸線旋轉(zhuǎn)。由于所述的每一運(yùn)動支鏈的單獨驅(qū)動使得動平臺3僅繞相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)，而與另外一個運(yùn)動支鏈的驅(qū)動無關(guān)，因而動平臺3沿軸線Z1和Z2的轉(zhuǎn)動是解耦的，并且是無條件解耦的。
本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)上述實施例的一大特點是，該機(jī)構(gòu)全部采用回轉(zhuǎn)副，它所帶來的突出優(yōu)點是可以實現(xiàn)二自由度高速無條件解耦運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的另一實施例是上述實施例所述的第一運(yùn)動支鏈2中的平行四邊形機(jī)構(gòu)可由移動副21代替(參見圖4)，且移動副21的運(yùn)動方向與所述三個軸線平行的回轉(zhuǎn)副R523a、回轉(zhuǎn)副R623b、回轉(zhuǎn)副R723c軸線方向平行，也與所述的回轉(zhuǎn)副R941軸線方向平行，移動副21安裝在機(jī)座1上，移動副21由連桿L1022與所述的回轉(zhuǎn)副R523a連接。本實施例的二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)同樣可以實現(xiàn)二自由度運(yùn)動解耦，即無論在任何姿態(tài)下(參見圖1、4)，當(dāng)只驅(qū)動回轉(zhuǎn)副R941，動平臺3只繞固定軸Z1也即回轉(zhuǎn)副R941的軸線旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)角速度相同；同樣，當(dāng)只驅(qū)動移動副21時，動平臺3也只繞動軸Z2，也即回轉(zhuǎn)副R1043的軸線旋轉(zhuǎn)。由于每一運(yùn)動支鏈的單獨驅(qū)動使得動平臺3僅繞相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)，而與另外一個運(yùn)動支鏈的驅(qū)動無關(guān)，因而動平臺3沿軸線Z1和Z2的轉(zhuǎn)動是解耦的，并且是無條件解耦的。本實施例設(shè)計的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維養(yǎng)方便。
本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明的二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動是完全解耦的，因而可以簡化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，從而為機(jī)構(gòu)的精確控制和標(biāo)定帶來了可能和方便，便于工業(yè)實施應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括機(jī)座(1)和動平臺(3)以及分別固連在機(jī)座(1)和動平臺(3)之間的第一運(yùn)動支鏈(2)和第二運(yùn)動支鏈(4)；所述的第一運(yùn)動支鏈(2)包括由連桿L1(22a)、連桿L2(22b)、連桿L3(22c)、連桿L4(22d)及由其聯(lián)結(jié)的四個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R1(21a)、回轉(zhuǎn)副R2(21b)、回轉(zhuǎn)副R3(21c)、回轉(zhuǎn)副R4(21d)而構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)，三個軸線空間平行的回轉(zhuǎn)副R5(23a)、回轉(zhuǎn)副R6(23b)、回轉(zhuǎn)副R7(23c)和一個軸線空間垂直的回轉(zhuǎn)副R8(25)以及對應(yīng)聯(lián)結(jié)它們的連桿L5(24a)、連桿L6(24b)、連桿L7(24c)和一端與所述的回轉(zhuǎn)副R8(25)連接的連桿L8(26)；所述的第二運(yùn)動支鏈(4)包括軸線垂直的兩個回轉(zhuǎn)副R9(41)、R10(43)以及聯(lián)結(jié)它們的連桿L9(42)；所述的回轉(zhuǎn)副R5(23a)固連在所述平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿L4(22d)上，且回轉(zhuǎn)副R5(23a)的軸線與平行四邊形機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)副R1(21a)、回轉(zhuǎn)副R2(21b)、回轉(zhuǎn)副R3(21c)、回轉(zhuǎn)副R4(21d)軸線垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R9(41)軸線平行；所述第一運(yùn)動支鏈(2)的一端通過與回轉(zhuǎn)副R8(25)連接的連桿L8(26)的另一端與動平臺(3)連接，回轉(zhuǎn)副R8(25)的軸線與所述三個軸線平行的回轉(zhuǎn)副R5(23a)、回轉(zhuǎn)副R6(23b)、回轉(zhuǎn)副R7(23c)垂直，而與所述回轉(zhuǎn)副R10(43)軸線平行；而另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R1(21a)安裝在機(jī)座(1)的一端上；所述的第二運(yùn)動支鏈(4)的一端通過回轉(zhuǎn)副R10(43)與動平臺(3)連接，另一端通過所述的回轉(zhuǎn)副R9(41)安裝在機(jī)座(1)的另一端上；所述的回轉(zhuǎn)副R1(21a)和回轉(zhuǎn)副R9(41)的軸線相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的第一運(yùn)動支鏈(2)中的平行四邊形機(jī)構(gòu)由移動副(21)代替，且移動副(21)的運(yùn)動方向與所述三個軸線平行的回轉(zhuǎn)副R5(23a)、回轉(zhuǎn)副R6(23b)、回轉(zhuǎn)副R7(23c)軸線方向平行，也與所述的回轉(zhuǎn)副R9(41)軸線方向平行，移動副(21)安裝在機(jī)座(1)上，移動副(21)由連桿L10(22)與所述的回轉(zhuǎn)副(23a)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括機(jī)座和動平臺及分別固連在它們間的第一運(yùn)動支鏈和第二運(yùn)動支鏈；前者包括由連桿L
文檔編號B25J9/00GK1775487SQ200510122178
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者李為民, 張建軍, 孫建廣, 石曉明, 張順心 申請人:河北工業(yè)大學(xué)