一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连接在静平台与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，各运动支链均由转动副及连接转动副的连杆组成，各转动副的轴线汇交于同一点。与现有技术相比，本发明专利技术中第一运动支链和第二运动支链合成一个运动参与控制动平台，第三运动支链单独参与控制动平台，使得本发明专利技术具有部分解耦的三个转动自由度，动平台自由度依赖两条运动链控制，相较于三条运动链参与控制动平台的结构，具有更好的解耦度，也更便于控制，能实现更好的运动精度。

A Decoupling Three-DOF Parallel Mechanism for Virtual Axis Machine Tool and Robot

The present invention relates to a decoupled three-degree-of-freedom parallel mechanism for virtual-axis machine tools and robots, including a static platform, a dynamic platform and a first motion branched chain connected between the static platform and the dynamic platform, a second motion branched chain and a third motion branched chain. Each motion branched chain consists of a rotating pair and a connecting rod connecting the rotating pair. The axes of each rotating pair intersect at the same point. Compared with the prior art, the first and second motion branches of the present invention synthesize a motion-participating control platform, and the third motion branches participate in the control of the motion platform separately, so that the present invention has three partially decoupled degrees of freedom of rotation. The degree of freedom of the moving platform depends on two motion chains, and has a better solution than that of three motion chains participating in the control of the structure of the motion platform. Coupling is also more convenient to control, and can achieve better motion accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构
本专利技术涉及机床和工业机器人应用
，尤其是涉及一种用于并联结构虚轴数控机床和并联机器人的用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构。
技术介绍
并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台(动平台)沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。运动解耦并联机器人是指输出运动的任一自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元的动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人领域应用前景广阔。中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、静平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一组对称结构的六杆球形机构，动平台和静平台与每条支链用转动副连接。文献[XianwenKong,ClementM.GosselinTypesynthesisofinput-outputdecoupledparallelmanipulators,TransactionsoftheCSME,Vol.28,SpecialEdition,2004]中报道了具有两移动一转动自由度的并联机构，由动平台、静平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb2002,(1):9-12,14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于部分解耦并联机构。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，以减小现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台以及连接在静平台与动平台之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，所述的第一运动支链包括经第一连杆、第二连杆顺序相连的第一转动副、第二转动副、第三转动副，所述的第二运动支链包括经第三连杆、第四连杆、第五连杆顺序相连的第四转动副、第五转动副、第六转动副，所述的第三运动支链包括经第六连杆、第七连杆顺序相连的第七转动副、第八转动副、第九转动副，为保证所有铰链能正常运动，上述所有转动副的轴线汇交于同一点，从而实现所有部件的运动轨迹均为同心球面。连接所述第六转动副的所述第五连杆的输出端固定在连接所述第二转动副及所述第三转动副的所述第二连杆上。所述第一运动支链的第三转动副与所述动平台相连，所述第三运动支链的第九转动副与所述动平台相连。动平台自由度依赖两条运动链控制，第一运动支链与第二运动支链通过第五连杆和第二连杆的相互固接，构成一个空间五杆机构，根据输入运动motion1和motion2容易解算出第二连杆位姿及第三转动副的位姿，当第二连杆位姿确定后，可以把第二连杆和静平台看作机架，动平台和第三运动支链与该机架相连构成一个空间四杆机构，具有一个自由度，再根据输入运动motion3便容易解算出动平台的位姿。传统的三条运动链参与控制动平台的结构，需要同时根据三个输入运动确定动平台的位姿，较为困难。因此该结构具有更好的解耦度，控制更加简单。各转动副均由相互连接的两个枢纽组成，各枢纽分别连接一个连杆，设置在端部的转动副只有一个枢纽连接连杆，另一个枢纽不连接连杆，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转，从而实现转动副的转动，进而带动各连杆转动，提升灵活度。各连杆为圆弧状结构，这些圆弧的长度可根据实际应用进行调整。所述静平台分别通过铰链第一转动副、第四转动副、第七转动副与第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链相连。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术中第一运动支链和第二运动支链合成一个运动参与控制动平台，第三运动支链单独参与控制动平台，使得本专利技术具有部分解耦的三个转动自由度，动平台自由度依赖两条运动链控制，相较于传统的三条运动链参与控制动平台的结构，具有更好的解耦度，控制更加简单，从而降低开发成本，也能实现更好的运动精度。2、仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。附图说明图1为本专利技术的平面结构示意图；图2为本专利技术的立体结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其结构如图1-2所示，包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、动平台M、静平台。第一运动支链包括顺序相连的第一转动副ξ1,1、第二转动副ξ2,1、第三转动副ξ3,1，及其顺序连接的第一连杆1a-1、第二连杆1a-2，其中motion1驱动第一转动副ξ1,1。第二运动支链包括顺序相连的第四转动副ξ1,2、第五转动副ξ2,2、第六转动副ξ3,2，及其顺序连接的第三连杆1b-1、第四连杆1b-2、第五连杆1b-3，其中motion2驱动第四转动副ξ1,2。第三运动支链包括顺序相连的第七转动副ξ1,3、第八转动副ξ2,3、第九转动副ξ3,3，及其顺序连接的第六连杆1c-1、第七连杆1c-2，其中motion3驱动第七转动副ξ1,3。上述的第一转动副ξ1,1至第九转动副ξ3,3的轴线都汇交于同一点O。各转动副均由相互连接的两个枢纽组成，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转。各枢纽分别连接一个连杆，设置在端部的转动副只有一个枢纽连接连杆，另一个枢纽不连接连杆，相互连接的两个枢纽在接触面方向上旋转，从而实现转动副的转动，进而带动各连杆转动，提升灵活度。使用的各连杆为圆弧状结构，弧度和长度根据实际使用情况可以灵活调整。静平台分别通过第一转动副ξ1,1、第四转动副ξ1,2、第七转动副ξ1,3与第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链相连。本专利技术用于虚轴机床和机器人的三转动自由度并联机构的工作原理可结合附图说明如下：动平台M由第一运动支链的第二连杆1a-2和第三运动支链的第七连杆1c-2支撑，其自由度是两个传动链的自由度的交集，具体来说，第六转动副ξ3,2的第五连杆1b-3的输出端固定在连接第二转动副ξ2,1及第三转动副ξ3,1的第二连杆1a-2上，使第一运动支链和第二运动支链共同输出一个运动。第一运动支链的第三转动副ξ3,1以及第三运动支链的第九转动副ξ3,3与动平台M相连。整个并联机构总共三个自由度，当第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链各输入一个转动时，动平台的位置和姿态就唯一确定。更进一步来说，motion1、motion2、motion3分别驱动第一转动副ξ1,1、第四转动副ξ1,2、第七转动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台(M)以及连接在静平台与动平台(M)之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，其特征在于：所述的第一运动支链包括经第一连杆(1a‑1)、第二连杆(1a‑2)顺序相连的第一转动副(ξ1,1)、第二转动副(ξ2,1)、第三转动副(ξ3,1)，所述的第二运动支链包括经第三连杆(1b‑1)、第四连杆(1b‑2)、第五连杆(1b‑3)顺序相连的第四转动副(ξ1,2)、第五转动副(ξ2,2)、第六转动副(ξ3,2)，所述的第三运动支链包括经第六连杆(1c‑1)、第七连杆(1c‑2)顺序相连的第七转动副(ξ1,3)、第八转动副(ξ2,3)、第九转动副(ξ3,3)，上述所有转动副的轴线汇交于同一点。

【技术特征摘要】
1.一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，包括静平台、动平台(M)以及连接在静平台与动平台(M)之间的第一运动支链，第二运动支链和第三运动支链，其特征在于：所述的第一运动支链包括经第一连杆(1a-1)、第二连杆(1a-2)顺序相连的第一转动副(ξ1,1)、第二转动副(ξ2,1)、第三转动副(ξ3,1)，所述的第二运动支链包括经第三连杆(1b-1)、第四连杆(1b-2)、第五连杆(1b-3)顺序相连的第四转动副(ξ1,2)、第五转动副(ξ2,2)、第六转动副(ξ3,2)，所述的第三运动支链包括经第六连杆(1c-1)、第七连杆(1c-2)顺序相连的第七转动副(ξ1,3)、第八转动副(ξ2,3)、第九转动副(ξ3,3)，上述所有转动副的轴线汇交于同一点。2.根据权利要求1所述的一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构，其特征在于，连接所述第六转动副(ξ3,2)的所述第五连杆(1b-3)的输出端固定在连接所述第二转动副(ξ2,1)及所述第三转动副(ξ3,1)的所述第二连杆(1a-2)上。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，吴凯宇，崔国华，张丹，孙晶，郑民华，潘睿俊，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31