一种部分解耦的六自由度并联机构制造技术

本发明专利技术公开一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。此种结构可克服现有六自由度平台的六个自由度之间存在的严重耦合问题，可以实现部分解耦，即动平台的转动自由度和平动自由度互不影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多自由度运动执行和定位装置，用于尤其用于需要实现六个自由度的刚体运动和定位功能的机器人执行机构或需要主动调整姿态的物体的支撑机构。
技术介绍
根据机械原理，机构要实现某种数量的自由度的运动，就必须具有相应数量的独立的原运动。为实现运动执行构件的全部六个自由度的运动，现已有多种形式的机构，其中最经典的六自由度运动机构是Stewart平台，其机构示意图如图1所示，包括动平台50、底座机架10以及安装在底座机架10上与动平台50相联接的六根可伸缩杆30，六根可伸缩杆30两两一组，均匀分布；可伸缩杆30的下端通过二自由度虎克铰20与底座机架10相连，各杆可以绕虎克铰20在两个方向上转动；上端通过具有三个自由度的球铰40与动平台50相连，即允许任何方向的转动；另外，可伸缩杆本身因“可伸缩”从而具有一个自由度，可以调节杆的长度；这样就可以通过六根独立的可伸缩杆使动平台实现六个自由度的刚体运动。但是Stewart平台的六个自由度之间存在着严重的耦合关系，导致机构分析和运动控制非常困难和复杂，有待改进。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种部分解耦的六自由度并联机构，其可克服现有六自由度平台的六个自由度之间存在的严重耦合问题，可以实现部分解耦，即动平台的转动自由度和平动自由度互不影响。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另
一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。上述复合球铰采用3条钢丝，3条钢丝的一端分别联接3根可伸缩杆的一端，3条钢丝的另一端联接在动平台的下表面，且3条钢丝的延长线交于动平台上表面的中心点处。上述并联机构的初始状态时，联接复合球铰的3根可伸缩杆等长，并相对动平台中心法线呈旋转对称分布，且分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。上述设于底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处的3个虎克铰与剩余3个虎克铰两两对应复合，形成3个复合铰链。上述剩余3个虎克铰分别设于底座机架另外的三个呈等边三角形分布的点处。采用上述方案后，本专利技术的有益效果是：该特殊构型的六自由度并联机构原理清晰、结构对称。相对于经典的Stewart平台，本专利技术提出的六自由度并联机构具有平动自由度与转动自由度之间部分解耦的特性。这是因为可伸缩杆1,2,3不输出位移时，动平台的三个转动自由度仅由可伸缩杆4,5,6决定；而当可伸缩杆4,5,6不输出位移时，动平台的三个平动自由度仅由可伸缩杆1，2，3决定，这一解耦特性有利于机构分析及其运动控制。附图说明图1是经典Stewart平台机构示意图；图2是本专利技术的第一种结构形式示意图；图3是本专利技术的第二种结构形式示意图；图4是采用钢丝实现球铰的示意图；图5是第一类奇异位型俯视图一；图6是第一类奇异位型俯视图二；图7是第一类奇异位型俯视图三；图8是第二类奇异位型示意图；图9是第二类奇异位型俯视图；图10是本专利技术的实施例示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图10所示，本专利技术提供一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架A、6个虎克铰B、6根可伸缩杆C、3个球铰D、1个动平台E和3条钢丝F，其中，由下往上，在底座机架A呈等边三角形分布的三个顶点处各设置一个虎克铰B，分别将3根可伸缩杆C的下端联接在虎克铰B上，这3根可伸缩杆C的上端分别联接一条适当长度和直径的钢丝F，钢丝F的另一端均联接在动平台E的中心O处。在底座机架A另外的三个呈等边三角形分布的点处，同样分别设置一个虎克铰B，将另外的三根可伸缩杆C的下端分别联接在虎克铰B上，它们的上端通过球铰D联接在动平台E的三个呈等边三角形的点上。以上给出了本专利技术的通用结构，在其基础上，可以进行多种变形。基于分组实现动平台的三个平动自由度和三个转动自由度的思想，参见图2，动平台以呈正三角形分布的三点A1-A2-A3表示，在其中心O处设置一个球铰O，则球铰O可允许动平台具有三个转动自由度，当球铰O具有三个平动自由度时，则动平台获得另外三个平动自由度，从而动平台共具有六个自由度。具体地，参见图2，首先设置三根可伸缩杆1(O-B4)、2(O-B5)和3(O-B6)，它们具有公共端点O，即是一个具有三个球铰的复合球铰，而它们的另一端通过虎克铰B4，B5和B6联接在正三角形底座机架A上，从而形成一个三棱锥结构。这样，当三根可伸缩杆发生伸缩运动时，动平台中心O将通过复合球铰O获得三个平动。然后，再在动平台的三个顶点处通过球铰A1，A2和A3联接三根可伸缩杆4(A1-B1)，5(A2-B2)和6(A3-B3)，相对动平台中心法线呈旋转对称分布，它们的另一端则通过虎克铰B1，B2和B3联接到底座机架上。这样，当三根可伸缩杆4，5和6发生伸缩运动时，动平台E将获得绕其中心O的三个转动。从而，综合起来，通过六根可伸缩杆(1，2，…，6)可确定动平台的全部六个自由度。而且，当以动平台中心O表征动平台的运动时，动平台的三个转动自由度总可由三根可伸缩杆4，5和6确定，而其三个平动自由度总可由三根可伸缩杆1，2和3确定，这就体现了部分解耦的特性，从而这种结构布局实现了一种新颖的具有部分自由度解耦的六自由度并联机构。该并联机构的初始结构可设置为：取可伸缩杆1，2和3等长，并相对动平台中心法线呈旋转对称分布；取可伸缩杆4，5和6等长，也相对于动平台中心法线呈旋转对称分布，并分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。这样初始结构总体上是相对于动平台中心法线是旋转对称的。除图2所示基本结构形式外，这种具有部分自由度解耦的六自由度并联机构可设置成如下形式：如图3所示，在图2所示结构形式基础上，将虎克铰B1和B4复合，B2和B5复合，B3和B6复合，即可伸缩杆4,5,6的下端点与可伸缩杆1,2,3的下端点分别通过复合铰链联接于底座机架上。这样的结构更为紧凑。动平台中心O处的复合球铰在要求小位移的场合可以采用三段适当长度和直径的钢丝来实现。参见图4，将钢丝两端分别固连于可伸缩杆1,2,3的上端和O点，利用钢丝可在小范围内进行扭转，实现三个转动自由度。在实际实施时，可将三根钢丝的另一端联接在动平台的下表面，并使它们的延长线交于动平台上表面的中心O处。以下将对本专利技术并联机构的运动自由度进行理论计算，并对其机构特性作进一步说明。1、自由度分析运用Grubler公式计算该机构可实现的自由度数： F = 6 ( n - g - 1 ) + Σ i = 1 g f i - - - ( 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于：包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。

【技术特征摘要】
1.一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于：包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。2.如权利要求1所述的一种部分解耦的六自由度并联机构，其特征在于：所述复合球铰采用3条钢丝，3条钢丝的一端分别联接3根可伸缩杆的一端，3条钢丝的另一端联接在动...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨德华，程颖，费飞，王海涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32