具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法，該裝置至少包括：固定底座、動(dòng)平臺(tái)、動(dòng)力頭、音圈電機(jī)；三個(gè)音圈電機(jī)通過(guò)螺釘固定在固定底座上，三個(gè)音圈電機(jī)的軸運(yùn)動(dòng)方向與固定底座的底面平行；三個(gè)音圈電機(jī)以固定底座的中心為中心互成120度；固定底座通過(guò)三組彈性連接件與動(dòng)平臺(tái)連接，使固定底座的平面與動(dòng)平臺(tái)的平面平行；分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)音圈電機(jī)，通過(guò)三個(gè)音圈電機(jī)連接的動(dòng)力頭帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)在固定底座上端移動(dòng)。該裝置實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平臺(tái)具有在空間內(nèi)前后、左右和上下運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度，具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)緊湊，減輕了整個(gè)裝置的重量和所占用的體積。
【專利說(shuō)明】具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及非電變量的調(diào)整或控制系統(tǒng)中有關(guān)平臺(tái)的位置和姿態(tài)調(diào)整的控制裝置，具體是關(guān)于具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法?？捎糜诰軠y(cè)試平臺(tái)的微位移調(diào)整、主動(dòng)減震控制等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，并聯(lián)機(jī)器人收到了大家的重視，并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高剛度、高精度、運(yùn)動(dòng)迅速、運(yùn)動(dòng)桿件質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些有點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人非常適合用于空間三自由度微動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。因此，并聯(lián)機(jī)器人的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械學(xué)研究的新型熱點(diǎn)。
[0003]1985年Clavel提出了可實(shí)現(xiàn)3平動(dòng)的Delta并聯(lián)機(jī)器人。參考文獻(xiàn)《Delta afast robot with parallel geometry))in Proceedings of Internat1nal Symposium onIndustrial Robot, Apr.26-28，1988, Lausanne.Switzerland:ISIR,1988:91_100。1998年芬蘭Tampere大學(xué)KALL1等提出了一種3自由度壓電液壓驅(qū)動(dòng)微操作機(jī)器人。參考文獻(xiàn)((A 3 DOF piezohydraulic parallel micromanipulator)) in Internat1nal Conferenceon Robotics and Automat1n, MaylO-15,1999, Leuven.Belgium:1EEE,1998:18231828。2006年金振林提出了一種可實(shí)現(xiàn)3平動(dòng)的三維平動(dòng)球平臺(tái)機(jī)器人。參考文獻(xiàn)《三維平動(dòng)球平臺(tái)機(jī)器人的位置與工作空間分析》，中國(guó)機(jī)械工程，第17卷第6期2006年3月下半月。2011年澳門(mén)大學(xué)的Li和Xu設(shè)計(jì)了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的全解耦三自由度微動(dòng)執(zhí)行器，其微位移精度可達(dá)亞微米級(jí)。參考文獻(xiàn)《A totally decoupled piezo-driven XYZ flexureparallel microposit1ning stage for micro/nanomanipulat1n)), IEEE Transact1nson automat1n science and engineering, 2011，8 (2):265-279。
[0004]如上所述，近年來(lái)，三自由度的并聯(lián)機(jī)器人得到了發(fā)展，但是傳統(tǒng)的三自由并聯(lián)機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)眾多，難以在極小的空間范圍和質(zhì)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種便于微型化的空間三平動(dòng)微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種易于在小空間范圍和質(zhì)量范圍內(nèi)具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:具有空間三自由度的平動(dòng)裝置，其特征是:至少包括:固定底座、動(dòng)平臺(tái)、動(dòng)力頭、音圈電機(jī)；三個(gè)音圈電機(jī)通過(guò)螺釘固定在固定底座上，三個(gè)音圈電機(jī)的軸運(yùn)動(dòng)方向與固定底座的底面平行；三個(gè)音圈電機(jī)以固定底座的中心為中心互成120度；固定底座通過(guò)三組彈性連接件與動(dòng)平臺(tái)連接，使固定底座的平面與動(dòng)平臺(tái)的平面平行；分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)音圈電機(jī)，通過(guò)三個(gè)音圈電機(jī)連接的動(dòng)力頭帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)在固定底座上端移動(dòng)。
[0007]所述的彈性連接件包括拉簧螺釘、拉簧、拉簧掛棒和螺釘；動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)底面為正三角形、倒置的三棱臺(tái)，其底面三角形的高為36mm,棱臺(tái)的高度為5mm,錐面傾角為45度,材料選用鋁；拉簧的頂部通過(guò)拉簧掛棒與動(dòng)平臺(tái)在其斜角處連接，拉簧的底部通過(guò)拉簧螺釘與固定底座連接。
[0008]所述的三個(gè)音圈電機(jī)通過(guò)螺釘固定在后立板上,后立板垂直與固定底座固定，三個(gè)音圈電機(jī)以固定底座的中心為中心互成120度，三個(gè)音圈電機(jī)軸的延長(zhǎng)線匯焦在動(dòng)平臺(tái)和固定底座的中心位置；三個(gè)音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與固定底座的底面平行。
[0009]所述的固定底座是對(duì)稱六邊形，其三個(gè)短邊上分別固定三個(gè)互成120度的直線電機(jī)，中心部分有與動(dòng)力頭形成平面移動(dòng)副的導(dǎo)軌。
[0010]具有空間三自由度的平動(dòng)方法，其特征是:
[0011]以固定底座的中心為原點(diǎn)O,以一個(gè)音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸方向，以該音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的垂直方向?yàn)閅方向，使得XOY平面與固定底座的底面平行，建立空間坐標(biāo)系(X、Y、Z)；
[0012]當(dāng)三個(gè)音圈電機(jī)帶動(dòng)三個(gè)動(dòng)力頭沿著固定底座上的導(dǎo)軌同時(shí)朝向原點(diǎn)O或遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)沿Z軸方向上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)；
[0013]當(dāng)位于X軸上的音圈電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力頭沿著固定底座上的導(dǎo)軌朝向遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另外兩個(gè)音圈電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力頭沿著固定底座上的導(dǎo)軌同時(shí)遠(yuǎn)離朝向原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)沿X軸前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在X軸方向的運(yùn)動(dòng)；
[0014]當(dāng)兩個(gè)音圈電機(jī)分別帶動(dòng)動(dòng)力頭沿著固定底座上的導(dǎo)軌朝向遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做適當(dāng)?shù)闹本€運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)音圈電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力頭沿著固定底座上的導(dǎo)軌遠(yuǎn)離原點(diǎn)朝向原點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的合成可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)沿Y軸前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較的優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、該裝置實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平臺(tái)具有在空間內(nèi)前后、左右和上下運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度。
[0017]2、該裝置的支鏈作動(dòng)器使用平面副并聯(lián)作用于動(dòng)平臺(tái)，支鏈運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的零件少、剛度高，裝置的承載能力強(qiáng)。
[0018]3、該裝置零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)緊湊，減輕了整個(gè)裝置的重量，并且減少了該裝置所占用的體積。
[0019]4、該裝置使用壓簧增加動(dòng)力頭與動(dòng)平臺(tái)之間的內(nèi)力，有效減少了直線電機(jī)的推力和功率。
[0020]由于本發(fā)明具有上述的優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。在工業(yè)上，可以應(yīng)用于精密測(cè)試平臺(tái)的微位移調(diào)整以及主動(dòng)減震控制等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例整體裝配剖面示意圖；
[0023]圖2是圖1的俯視示意圖；
[0024]圖3是動(dòng)平臺(tái)剖面示意圖；
[0025]圖4動(dòng)平臺(tái)俯視示意圖；
[0026]圖5固定底座局部側(cè)視示意圖；
[0027]圖6是固定底座俯視示意圖；
[0028]圖7是動(dòng)力頭主視不意圖；
[0029]圖8動(dòng)力頭剖面示意圖。
[0030]圖中，1、固定底座；2、拉簧螺釘；3、拉簧；4、拉簧掛棒；5、動(dòng)平臺(tái)；6、動(dòng)力頭；7、音圈電機(jī)；8、螺釘。

【具體實(shí)施方式】
[0031]參照?qǐng)D1和圖2，具有空間三自由度的平動(dòng)裝置及方法，至少包括:固定底座1、動(dòng)平臺(tái)5、動(dòng)力頭6、音圈電機(jī)7 ;三個(gè)音圈電機(jī)7通過(guò)螺釘8固定在固定底座I上，三個(gè)音圈電機(jī)7的軸運(yùn)動(dòng)方向與固定底座I的底面平行；三個(gè)音圈電機(jī)7以固定底座I的中心為中心互成120度；固定底座I通過(guò)三組彈性連接件與動(dòng)平臺(tái)5連接，使固定底座I的平面與動(dòng)平臺(tái)5的平面平行；分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)音圈電機(jī)7，通過(guò)三個(gè)音圈電機(jī)7連接的動(dòng)力頭6帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)5在固定底座I上端移動(dòng)。
[0032]彈性連接件包括拉簧螺釘2、拉簧3、拉簧掛棒4和螺釘8 ;動(dòng)平臺(tái)5呈三角形，三角下部與動(dòng)平臺(tái)5平面呈斜角；拉簧3的頂部通過(guò)拉簧掛棒4與動(dòng)平臺(tái)5在其斜角處連接，拉簧3的底部通過(guò)拉簧螺釘2與固定底座I連接。
[0033]參照?qǐng)D2，它是本發(fā)明實(shí)施例1的俯視示意圖。三個(gè)音圈電機(jī)7通過(guò)螺釘8固定在固定底座I上，以固定底座I的中心為中心互成120度，三個(gè)音圈電機(jī)7軸的延長(zhǎng)線匯焦在動(dòng)平臺(tái)5和固定底座I的中心位置；三個(gè)音圈電機(jī)7的運(yùn)動(dòng)方向與固定底座I的底面平行。
[0034]圖3是本發(fā)明的動(dòng)平臺(tái)的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明的動(dòng)平臺(tái)俯視示意圖。動(dòng)平臺(tái)5是一個(gè)底面為正三角形、倒置的三棱臺(tái)，其底面三角形的高為36mm，棱臺(tái)的高度為5mm，錐面傾角為45度，材料選用鋁。
[0035]參照?qǐng)D5，它是本發(fā)明的固定底座的局部側(cè)視示意圖，圖6是本發(fā)明的固定底座的俯視示意圖。固定底座I是對(duì)稱六邊形，其三個(gè)短邊上分別固定三個(gè)互成120度的直線電機(jī)，中心部分有與動(dòng)力頭6形成平面移動(dòng)副的導(dǎo)軌。
[0036]參照?qǐng)D7，它是本發(fā)明的動(dòng)力頭的主視示意圖。圖8是本發(fā)明的動(dòng)力頭的剖面示意圖。動(dòng)力頭6的材料選用招。
[0037]本發(fā)明的工作過(guò)程如下:
[0038]以固定底座I的中心為原點(diǎn)O,以一個(gè)音圈電機(jī)7的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸方向，以該音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的垂直方向?yàn)閅方向，使得XOY平面與固定底座I的底面平行，建立空間坐標(biāo)系(X、Y、Z)。
[0039]當(dāng)三個(gè)音圈電機(jī)7帶動(dòng)三個(gè)動(dòng)力頭6沿著固定底座I上的導(dǎo)軌同時(shí)朝向原點(diǎn)O或遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)5沿Z軸方向上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)5在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。
[0040]當(dāng)位于X軸上的音圈電機(jī)7帶動(dòng)動(dòng)力頭6沿著固定底座I上的導(dǎo)軌朝向(遠(yuǎn)離)原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另外兩個(gè)音圈電機(jī)7帶動(dòng)動(dòng)力頭6沿著固定底座I上的導(dǎo)軌同時(shí)遠(yuǎn)離(朝向)原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)5沿X軸前進(jìn)(后退)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)5在X軸方向的運(yùn)動(dòng)。
[0041]當(dāng)兩個(gè)音圈電機(jī)7分別帶動(dòng)動(dòng)力頭6沿著固定底座I上的導(dǎo)軌朝向(遠(yuǎn)離)原點(diǎn)O做適當(dāng)?shù)闹本€運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)音圈電機(jī)7帶動(dòng)動(dòng)力頭6沿著固定底座I上的導(dǎo)軌遠(yuǎn)離原點(diǎn)(朝向原點(diǎn))做直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的合成可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)5沿Y軸前進(jìn)(后退)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)5在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.具有空間三自由度的平動(dòng)裝置，其特征是:至少包括:固定底座(I)、動(dòng)平臺(tái)(5)、動(dòng)力頭出)、音圈電機(jī)(7);三個(gè)音圈電機(jī)(7)通過(guò)螺釘(8)固定在固定底座(I)上，三個(gè)音圈電機(jī)⑵的軸運(yùn)動(dòng)方向與固定底座⑴的底面平行；三個(gè)音圈電機(jī)⑵以固定底座⑴的中心為中心互成120度；固定底座(I)通過(guò)三組彈性連接件與動(dòng)平臺(tái)(5)連接，使固定底座(I)的平面與動(dòng)平臺(tái)(5)的平面平行；分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)音圈電機(jī)(7)，通過(guò)三個(gè)音圈電機(jī)(7)連接的動(dòng)力頭(6)帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(5)在固定底座(I)上端移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有空間三自由度的平動(dòng)裝置，其特征是:所述的彈性連接件包括拉簧螺釘⑵、拉簧(3)、拉簧掛棒(4)和螺釘⑶；動(dòng)平臺(tái)(5)是一個(gè)底面為正三角形、倒置的三棱臺(tái)，其底面三角形的高為36mm,棱臺(tái)的高度為5mm,錐面傾角為45度,材料選用鋁；拉簧(3)的頂部通過(guò)拉簧掛棒(4)與動(dòng)平臺(tái)(5)在其斜角處連接，拉簧(3)的底部通過(guò)拉簧螺釘(2)與固定底座(I)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有空間三自由度的平動(dòng)裝置，其特征是:所述的三個(gè)音圈電機(jī)(7)通過(guò)螺釘(8)固定在后立板上，后立板垂直與固定底座(I)固定，三個(gè)音圈電機(jī)(7)以固定底座(I)的中心為中心互成120度，三個(gè)音圈電機(jī)(7)軸的延長(zhǎng)線匯焦在動(dòng)平臺(tái)(5)和固定底座(I)的中心位置；三個(gè)音圈電機(jī)(7)的運(yùn)動(dòng)方向與固定底座(I)的底面平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有空間三自由度的平動(dòng)裝置，其特征是:所述的固定底座(I)是對(duì)稱六邊形，其三個(gè)短邊上分別固定三個(gè)互成120度的直線電機(jī)，中心部分有與動(dòng)力頭(6)形成平面移動(dòng)副的導(dǎo)軌。
5.具有空間三自由度的平動(dòng)方法，其特征是: 以固定底座⑴的中心為原點(diǎn)O,以一個(gè)音圈電機(jī)(7)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸方向，以該音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的垂直方向?yàn)閅方向，使得XOY平面與固定底座(I)的底面平行，建立空間坐標(biāo)系(X、Y、Z)； 當(dāng)三個(gè)音圈電機(jī)(7)帶動(dòng)三個(gè)動(dòng)力頭(6)沿著固定底座(I)上的導(dǎo)軌同時(shí)朝向原點(diǎn)O或遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(5)沿Z軸方向上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)(5)在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)位于X軸上的音圈電機(jī)(7)帶動(dòng)動(dòng)力頭(6)沿著固定底座(I)上的導(dǎo)軌朝向遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另外兩個(gè)音圈電機(jī)(7)帶動(dòng)動(dòng)力頭(6)沿著固定底座(I)上的導(dǎo)軌同時(shí)遠(yuǎn)離朝向原點(diǎn)O做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(5)沿X軸前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)(5)在X軸方向的運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)兩個(gè)音圈電機(jī)(7)分別帶動(dòng)動(dòng)力頭(6)沿著固定底座(I)上的導(dǎo)軌朝向遠(yuǎn)離原點(diǎn)O做適當(dāng)?shù)闹本€運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)音圈電機(jī)(7)帶動(dòng)動(dòng)力頭(6)沿著固定底座(I)上的導(dǎo)軌遠(yuǎn)離原點(diǎn)朝向原點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的合成可推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(5)沿Y軸前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)(5)在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】B25J7/00GK104385261SQ201410522301
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】趙澤, 雷賓賓, 仇原鷹, 杜敬利, 段學(xué)超, 保宏 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)