一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括1個(gè)底座機(jī)架、6個(gè)虎克鉸、6根可伸縮桿、3個(gè)球鉸和1個(gè)動(dòng)平臺(tái)，其中，動(dòng)平臺(tái)的中心處設(shè)有一個(gè)可允許動(dòng)平臺(tái)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的復(fù)合球鉸，3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接復(fù)合球鉸，另一端通過3個(gè)虎克鉸聯(lián)接在底座機(jī)架呈等邊三角形分布的三個(gè)頂點(diǎn)處；在動(dòng)平臺(tái)三個(gè)呈等邊三角形的頂點(diǎn)處分別設(shè)置球鉸，另外3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接一個(gè)球鉸，另一端分別通過剩余3個(gè)虎克鉸聯(lián)接底座機(jī)架。此種結(jié)構(gòu)可克服現(xiàn)有六自由度平臺(tái)的六個(gè)自由度之間存在的嚴(yán)重耦合問題，可以實(shí)現(xiàn)部分解耦，即動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和平動(dòng)自由度互不影響。
【專利說明】
-種部分解輔的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多自由度運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和定位裝置，用于尤其用于需要實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由 度的剛體運(yùn)動(dòng)和定位功能的機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)或需要主動(dòng)調(diào)整姿態(tài)的物體的支撐機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)某種數(shù)量的自由度的運(yùn)動(dòng)，就必須具有相應(yīng)數(shù)量的獨(dú) 立的原運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件的全部六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)已有多種形式的機(jī)構(gòu)，其中 最經(jīng)典的六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是Stewart平臺(tái)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括動(dòng)平臺(tái)50、底座 機(jī)架10W及安裝在底座機(jī)架10上與動(dòng)平臺(tái)50相聯(lián)接的六根可伸縮桿30,六根可伸縮桿30兩 兩一組，均勻分布;可伸縮桿30的下端通過二自由度虎克較20與底座機(jī)架10相連，各桿可W 繞虎克較20在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng);上端通過具有Ξ個(gè)自由度的球較40與動(dòng)平臺(tái)50相連，即允 許任何方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；另外，可伸縮桿本身因"可伸縮"從而具有一個(gè)自由度，可W調(diào)節(jié)桿的長(zhǎng) 度;運(yùn)樣就可W通過六根獨(dú)立的可伸縮桿使動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)。
[0003] 但是Stewart平臺(tái)的六個(gè)自由度之間存在著嚴(yán)重的禪合關(guān)系，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)分析和運(yùn) 動(dòng)控制非常困難和復(fù)雜，有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，在于提供一種部分解禪的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其可克服現(xiàn)有六自 由度平臺(tái)的六個(gè)自由度之間存在的嚴(yán)重禪合問題，可W實(shí)現(xiàn)部分解禪，即動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)自 由度和平動(dòng)自由度互不影響。
[0005] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0006] -種部分解禪的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括1個(gè)底座機(jī)架、6個(gè)虎克較、6根可伸縮桿、 3個(gè)球較和1個(gè)動(dòng)平臺(tái)，其中，動(dòng)平臺(tái)的中屯、處設(shè)有一個(gè)可允許動(dòng)平臺(tái)具有Ξ個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 的復(fù)合球較，3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接復(fù)合球較，另一端通過3個(gè)虎克較聯(lián)接在底座機(jī) 架呈等邊Ξ角形分布的Ξ個(gè)頂點(diǎn)處;在動(dòng)平臺(tái)Ξ個(gè)呈等邊Ξ角形的頂點(diǎn)處分別設(shè)置球較， 另外3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接一個(gè)球較，另一端分別通過剩余3個(gè)虎克較聯(lián)接底座機(jī) 架。
[0007] 上述復(fù)合球較采用3條鋼絲，3條鋼絲的一端分別聯(lián)接3根可伸縮桿的一端，3條鋼 絲的另一端聯(lián)接在動(dòng)平臺(tái)的下表面，且3條鋼絲的延長(zhǎng)線交于動(dòng)平臺(tái)上表面的中屯、點(diǎn)處。 [000引上述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)時(shí)，聯(lián)接復(fù)合球較的3根可伸縮桿等長(zhǎng)，并相對(duì)動(dòng)平臺(tái)中 屯、法線呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，且分別在動(dòng)平臺(tái)的不同垂面內(nèi)，但不垂直于動(dòng)平臺(tái)。
[0009] 上述設(shè)于底座機(jī)架呈等邊Ξ角形分布的Ξ個(gè)頂點(diǎn)處的3個(gè)虎克較與剩余3個(gè)虎克 較兩兩對(duì)應(yīng)復(fù)合，形成3個(gè)復(fù)合較鏈。
[0010] 上述剩余3個(gè)虎克較分別設(shè)于底座機(jī)架另外的Ξ個(gè)呈等邊Ξ角形分布的點(diǎn)處。
[0011] 采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果是：該特殊構(gòu)型的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理清 晰、結(jié)構(gòu)對(duì)稱。相對(duì)于經(jīng)典的Stewart平臺(tái)，本發(fā)明提出的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有平動(dòng)自由 度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度之間部分解禪的特性。運(yùn)是因?yàn)榭缮炜s桿1，2,3不輸出位移時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的Ξ 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度僅由可伸縮桿4,5,6決定;而當(dāng)可伸縮桿4,5,6不輸出位移時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的Ξ個(gè) 平動(dòng)自由度僅由可伸縮桿1，2，3決定，運(yùn)一解禪特性有利于機(jī)構(gòu)分析及其運(yùn)動(dòng)控制。
【附圖說明】
[0012] 圖1是經(jīng)典Stewad平臺(tái)機(jī)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2是本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)形式示意圖；
[0014] 圖3是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)形式示意圖；
[0015] 圖4是采用鋼絲實(shí)現(xiàn)球較的示意圖；
[0016] 圖5是第一類奇異位型俯視圖一；
[0017] 圖6是第一類奇異位型俯視圖二；
[0018] 圖7是第一類奇異位型俯視圖Ξ;
[0019] 圖8是第二類奇異位型示意圖；
[0020] 圖9是第二類奇異位型俯視圖；
[0021] 圖10是本發(fā)明的實(shí)施例示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023] 如圖10所示，本發(fā)明提供一種部分解禪的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括1個(gè)底座機(jī)架A、 6個(gè)虎克較B、6根可伸縮桿C、3個(gè)球較D、1個(gè)動(dòng)平臺(tái)E和3條鋼絲F，其中，由下往上，在底座機(jī) 架A呈等邊Ξ角形分布的Ξ個(gè)頂點(diǎn)處各設(shè)置一個(gè)虎克較B，分別將3根可伸縮桿C的下端聯(lián)接 在虎克較B上，運(yùn)討良可伸縮桿C的上端分別聯(lián)接一條適當(dāng)長(zhǎng)度和直徑的鋼絲F，鋼絲F的另一 端均聯(lián)接在動(dòng)平臺(tái)E的中屯、0處。在底座機(jī)架A另外的Ξ個(gè)呈等邊Ξ角形分布的點(diǎn)處，同樣分 別設(shè)置一個(gè)虎克較B，將另外的Ξ根可伸縮桿C的下端分別聯(lián)接在虎克較B上，它們的上端通 過球較D聯(lián)接在動(dòng)平臺(tái)E的Ξ個(gè)呈等邊Ξ角形的點(diǎn)上。
[0024] W上給出了本發(fā)明的通用結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上，可W進(jìn)行多種變形。
[0025] 基于分組實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的Ξ個(gè)平動(dòng)自由度和Ξ個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的思想，參見圖2,動(dòng)平 臺(tái)W呈正Ξ角形分布的Ξ點(diǎn)A1-A2-A3表示，在其中屯、0處設(shè)置一個(gè)球較0,則球較0可允許動(dòng) 平臺(tái)具有=個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，當(dāng)球較0具有=個(gè)平動(dòng)自由度時(shí)，則動(dòng)平臺(tái)獲得另外=個(gè)平動(dòng)自 由度，從而動(dòng)平臺(tái)共具有六個(gè)自由度。
[0026] 具體地，參見圖2,首先設(shè)置Ξ根可伸縮桿1(0-B4)、2(0-B5)和3(0-B6)，它們具有 公共端點(diǎn)0,即是一個(gè)具有Ξ個(gè)球較的復(fù)合球較，而它們的另一端通過虎克較B4，B5和B6聯(lián) 接在正Ξ角形底座機(jī)架A上，從而形成一個(gè)Ξ棱錐結(jié)構(gòu)。運(yùn)樣，當(dāng)Ξ根可伸縮桿發(fā)生伸縮運(yùn) 動(dòng)時(shí)，動(dòng)平臺(tái)中屯、0將通過復(fù)合球較0獲得Ξ個(gè)平動(dòng)。然后，再在動(dòng)平臺(tái)的Ξ個(gè)頂點(diǎn)處通過球 較A1，A2和A3聯(lián)接Ξ根可伸縮桿4^1-81)，5^2-82)和6(43-83)，相對(duì)動(dòng)平臺(tái)中屯、法線呈旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，它們的另一端則通過虎克較B1，B2和B3聯(lián)接到底座機(jī)架上。運(yùn)樣，當(dāng)Ξ根可伸 縮桿4，5和6發(fā)生伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)平臺(tái)到尋獲得繞其中屯、0的Ξ個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。從而，綜合起來，通過 六根可伸縮桿(1，2, 一,6)可確定動(dòng)平臺(tái)的全部六個(gè)自由度。而且，當(dāng)W動(dòng)平臺(tái)中屯、0表征動(dòng) 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的Ξ個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度總可由Ξ根可伸縮桿4,5和師角定，而其Ξ個(gè)平動(dòng) 自由度總可由Ξ根可伸縮桿1，2和3確定，運(yùn)就體現(xiàn)了部分解禪的特性，從而運(yùn)種結(jié)構(gòu)布局 實(shí)現(xiàn)了一種新穎的具有部分自由度解禪的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
[0027] 該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)可設(shè)置為:取可伸縮桿1，2和3等長(zhǎng)，并相對(duì)動(dòng)平臺(tái)中屯、法 線呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布;取可伸縮桿4,5和6等長(zhǎng)，也相對(duì)于動(dòng)平臺(tái)中屯、法線呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，并 分別在動(dòng)平臺(tái)的不同垂面內(nèi)，但不垂直于動(dòng)平臺(tái)。運(yùn)樣初始結(jié)構(gòu)總體上是相對(duì)于動(dòng)平臺(tái)中 屯、法線是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。
[0028] 除圖2所示基本結(jié)構(gòu)形式外，運(yùn)種具有部分自由度解禪的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)可設(shè) 置成如下形式：
[0029] 如圖3所示，在圖2所示結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，將虎克較Β1和Β4復(fù)合，Β2和Β5復(fù)合，Β3和 Β6復(fù)合，即可伸縮桿4,5,6的下端點(diǎn)與可伸縮桿1，2,3的下端點(diǎn)分別通過復(fù)合較鏈聯(lián)接于底 座機(jī)架上。運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)更為緊湊。
[0030] 動(dòng)平臺(tái)中屯、0處的復(fù)合球較在要求小位移的場(chǎng)合可W采用Ξ段適當(dāng)長(zhǎng)度和直徑的 鋼絲來實(shí)現(xiàn)。參見圖4,將鋼絲兩端分別固連于可伸縮桿1，2,3的上端和0點(diǎn)，利用鋼絲可在 小范圍內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)Ξ個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，可將Ξ根鋼絲的另一端聯(lián)接在動(dòng) 平臺(tái)的下表面，并使它們的延長(zhǎng)線交于動(dòng)平臺(tái)上表面的中屯、0處。
[0031] W下將對(duì)本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行理論計(jì)算，并對(duì)其機(jī)構(gòu)特性作進(jìn)一步 說明。
[0032] 1、自由度分析
[0033] 運(yùn)用Grubler公式計(jì)算該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的自由度數(shù)：
[0034]
(1)
[0035] 式中，F(xiàn)為自由度數(shù)，η為機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)，g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度 數(shù)。在運(yùn)種特殊構(gòu)型的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，每根可伸縮桿與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接處的球較有Ξ個(gè) 自由度，其中，與動(dòng)平臺(tái)中屯、0處的聯(lián)接為復(fù)合球較，相當(dāng)于Ξ個(gè)球較;每根可伸縮桿與底座 機(jī)架聯(lián)接處的虎克較有兩個(gè)自由度，在可伸縮桿本身可伸縮，即具有一個(gè)自由度。所W有η = 14,g = 18,f〇 = 9,fAi二3,fBi二2,曲i = 1,故其自由度數(shù)F為
[0036] f = 6*( 14-18-1 )+9+3*3+6* 化 6*1 =6
[0037] 因此，該特殊構(gòu)型的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有6個(gè)自由度，即，動(dòng)平臺(tái)可W實(shí)現(xiàn)全部 六個(gè)剛體自由度。
[003引2、奇異性分析
[0039] 本發(fā)明六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在如下幾種情況下會(huì)出現(xiàn)奇異現(xiàn)象，也即動(dòng)平臺(tái)會(huì)出現(xiàn) 位移不確定的情況。
[0040] 1)在如圖2和圖3所示結(jié)構(gòu)中，當(dāng)可伸縮桿4,5和6關(guān)于動(dòng)平臺(tái)中屯、法線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布 置，并分別與動(dòng)平臺(tái)的法線共面時(shí)，參見對(duì)應(yīng)圖2結(jié)構(gòu)的圖5,對(duì)應(yīng)圖3結(jié)構(gòu)的圖6(動(dòng)平臺(tái)尺 寸大于底座機(jī)架)和圖7(動(dòng)平臺(tái)尺寸小于底座機(jī)架），本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于奇異位型狀態(tài)， 并稱為第一類奇異位型。
[0041] 2)參見圖8及其俯視圖9,當(dāng)可伸縮桿4,5和6關(guān)于動(dòng)平臺(tái)中屯、法線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布置， 并都與動(dòng)平臺(tái)共面時(shí)，本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)也處于第二類奇異位型狀態(tài)。
[0042] W上奇異位置均可通過具體設(shè)計(jì)時(shí)和在使用中適當(dāng)回避。
[0043] W上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能W此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括1個(gè)底座機(jī)架、6個(gè)虎克鉸、6根 可伸縮桿、3個(gè)球鉸和1個(gè)動(dòng)平臺(tái)，其中，動(dòng)平臺(tái)的中心處設(shè)有一個(gè)可允許動(dòng)平臺(tái)具有三個(gè)轉(zhuǎn) 動(dòng)自由度的復(fù)合球鉸，3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接復(fù)合球鉸，另一端通過3個(gè)虎克鉸聯(lián)接 在底座機(jī)架呈等邊三角形分布的三個(gè)頂點(diǎn)處;在動(dòng)平臺(tái)三個(gè)呈等邊三角形的頂點(diǎn)處分別設(shè) 置球鉸，另外3根可伸縮桿的一端分別聯(lián)接一個(gè)球鉸，另一端分別通過剩余3個(gè)虎克鉸聯(lián)接 底座機(jī)架。2. 如權(quán)利要求1所述的一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述復(fù)合球鉸 采用3條鋼絲，3條鋼絲的一端分別聯(lián)接3根可伸縮桿的一端，3條鋼絲的另一端聯(lián)接在動(dòng)平 臺(tái)的下表面，且3條鋼絲的延長(zhǎng)線交于動(dòng)平臺(tái)上表面的中心點(diǎn)處。3. 如權(quán)利要求1所述的一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述并聯(lián)機(jī)構(gòu) 的初始狀態(tài)時(shí)，聯(lián)接復(fù)合球鉸的3根可伸縮桿等長(zhǎng)，并相對(duì)動(dòng)平臺(tái)中心法線呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分 布，且分別在動(dòng)平臺(tái)的不同垂面內(nèi)，但不垂直于動(dòng)平臺(tái)。4. 如權(quán)利要求1所述的一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述設(shè)于底座 機(jī)架呈等邊三角形分布的三個(gè)頂點(diǎn)處的3個(gè)虎克鉸與剩余3個(gè)虎克鉸兩兩對(duì)應(yīng)復(fù)合，形成3 個(gè)復(fù)合鉸鏈。5. 如權(quán)利要求1所述的一種部分解耦的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述剩余3個(gè) 虎克鉸分別設(shè)于底座機(jī)架另外的三個(gè)呈等邊三角形分布的點(diǎn)處。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK105936045SQ201610439769
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】楊德華, 程穎, 費(fèi)飛, 王海濤
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)