用于控制三维位置和方向的并行机构

摘要

公开了一种用于控制三维位置和方向的并行机构,在根据本发明的并行机构中,三个连杆连接到机构主轴上,并在垂直和水平方向被驱动,导致连接到三个连杆上的主轴实现六个自由度的运动。该构件包括由沿着环形垂直导轨移动的第一连杆和沿着相应的直线垂直导轨移动的第二和第三连杆构成的三个连杆,以及环形水平导轨,环形垂直导轨和两个直线垂直导轨在该环形水平导轨上水平移动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制三维位置和方向的并行机构。

背景技术

众所周知，通常，用于控制三维位置和方向的并行机构的研究主要是针对用于加工工件的加工设备以及用于组装和传送物件的机器人操纵器。

作为示例，加工设备用于处理材料，使得材料具有所需的形状或形式。该加工设备由设备主体和刀具构成，其中设备主体借助动力运转，而切割刀具加工材料。此时，主要需要在加工设备中对用于加工材料的刀具的三维位置和方向予以控制。

首先，将描述在并行机构(parallel mechanism structure)出现之前研制的串行机构(serial mechanism structure)。图1是示出传统串行机构的示例性图。如图所示，对于传统的串行机构，从基体11到主轴12的每一连杆具有成垂直角度的悬臂结构。该串行机构具有的一些优点是：加工空间较大，且软件以及用于控制该机构的控制装置以简单的方式构作而成。然而，与传统的串行机构相比，基体和主轴通过多个连杆连接的并行机构具有以下优点。由于这些原因，已经高效地进行针对最近提出的并行机构的研究。

并行机构的优点如下：首先，由于运动部件的惯性质量减小，其速度和加速度可以增大；其次，由于主轴和基体通过多个连杆相连，且只有拉力和压力而非弯曲力作用于每一连杆，因此，设备的刚度可以增大；第三，由于并行机构每一连杆的误差被平均反映到主轴上，因此，与每个连杆的误差被累积的串行机构相比，其精度可以进一步提高；以及第四，与作为三轴直角坐标设备的大多数采用串行机构的加工设备相比，并行机构基本上被构造成进行六自由度(d.o.f.)运动，这可以一次将五个表面和五个轴加工成最终形状。

图2是示出作为传统并行机构的六脚(hexapod)结构，如图所示，在六脚结构中，主轴22和基体21通过六个连杆相连，而各连杆的伸缩(expansion)能够实现六自由度运动。六脚结构被称为斯图尔特平台(Stewart platform)。采用斯图尔特平台的并行机构加工设备已经由美国Giddings & Lewis公司制造。该加工设备实现六个自由度运动，但是具有如下缺点，即加工空间非常小，并尤其是主轴倾斜到约15°且不能在整个360°范围内连续扫掠工件的各侧面。

同样，已经由美国的Ingersoll公司和NIST合作研制了八面六脚结构。该结构与斯图尔特平台结构相反。在这种情况下，加工空间窄，且主轴具有30°的倾角，另外，工作台以15°角度倾斜。然而，应指出的是，八面六脚结构的整个倾斜为45°角。六脚结构的局限是由于连接到主轴上的六个连杆彼此干涉且连接主轴和连杆的球窝关节(joint)的旋转角度被固定造成的。

在由本申请人提交的韩国专利第237553号中公开了一种新近研制的并行机构，其中主轴的倾斜角扩展到90°。图3a和3b为示出主轴倾斜到90°角的传统并行机构的示例图，其中图3a示出0°倾斜角的主轴，而图3b示出90°倾斜角的主轴。

如图所示，连接到主轴72上的三个连杆73、74和75沿着相应的直线垂直导轨83、84和85垂直移动，而三个垂直导轨83、84和85沿着环形水平导轨76以360°度角水平移动。三个连杆73、74和75由S-R-P关节与主轴72相连，而垂直导轨83、84和85由P′关节与环形水平导轨76相连。P关节和P′关节被驱动，从而通过六个驱动关节，可以实现主轴72的六自由度运动。

在这种情况下，S表示三维转动的球形关节，R表示一维转动的回转关节，P表示一维直线移动的棱形关节(prismatic joint)，而P表示环形移动的棱形关节。

在如图3a和3b所示的并行机构中，任一个垂直导轨83、84和85(例如附图标记85)基于水平导轨76向下布置，而其他垂直导轨83和84基于水平导轨76向上布置。三个垂直导轨83、84和85处于不同方向上的布置使加工空间的局限得以克服，从而确保了较大的加工区域。

在如图3a和3b所示的并行机构中，同样，主轴的六自由度运动可以通过用于在垂直导轨76上水平移动直线垂直导轨83、84和85的三个致动器以及用于在直线垂直导轨83、84和85上垂直移动连接到主轴上的三个连杆73、74和75的三个致动器予以执行。

通采用如图3a和3b所示的传统并行机构，主轴的倾角为90°角，如图3b所示，从而，可以进行除了底面之外的五个表面加工。

然而，即使在主轴90°倾角的情况下，也不可能对材料底面进行加工。因此，需要扩展主轴的倾角。

另外，由于主轴倾角的限制，传统的并行机构作为用于模拟实际运动的运动模拟器受到限制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于控制三维位置和方向的并行机构，其能够扩展图3a和3b所示的并行机构中的主轴倾角，从而，在其被应用于加工设备时，可以进行材料的底面加工，且在其应用于运动模拟器中时，主轴倾角可以以±360°旋转。

为了实现本发明的这个和其他目的，提供了一种用于控制三维位置和方向的并行机构，其中，三个连杆连接到该机构的主轴上，并在两个方向上，即在垂直和水平方向上驱动，从而获得六个自由度的运动，其包括：由沿一环形垂直导轨移动的第一连杆和沿相应的直线垂直导轨移动的第二和第三连杆构成的三个连杆；以及一环形水平导轨，环形垂直导轨和两个直线垂直导轨在其上水平移动。

在根据本发明的并行机构中，第一连杆由三维旋转关节-一维旋转关节-一维环形移动关节(S-R-P′)连接，第二和第三连杆由三维旋转关节-一维旋转关节-一维直线移动关节(S-R-P)连接，而环形垂直导轨和两个直线垂直导轨由所述一维环形移动关节P′连接到环形水平导轨上。

附图说明

下面将借助于示例并参照附图进一步描述本发明，其中：

图1是示出传统串行机构的示例图；

图2是示出作为传统并行机构的六脚结构的示例图；

图3a和3b是示出主轴倾斜到90°角的传统并行机构的示例图，其中图3a示出0°倾角的主轴，而图3b示出90°倾角的主轴；

图4a到4d是示出根据本发明的主轴倾斜到360°中某一角度的并行机构的示例图，其中，图4a示出0°倾角的主轴，图4b示出90°倾角的主轴，图4c示出180°倾角的主轴，而图4d示出270°倾角的主轴；以及

图5是示出采用根据本发明的并行机构制造的运动模拟器的虚拟图(imaginary view)。

具体实施方式

以下，参照图4a到4d详细描述用于控制三维位置和方向的并行机构。

图4a到4d是示出根据本发明的主轴倾斜到360°中某一角度的并行机构的示例图，其中，图4a示出0°倾角的主轴，图4b示出90°倾角的主轴，图4c示出180°倾角的主轴，而图4d示出270°倾角的主轴。

在根据本发明的并行机构中，基本上，三个连杆连接到机构的主轴上并在垂直和水平方向sh2被驱动，使得连接到三个连杆上的主轴实现六个自由度的运动。

根据本发明，三个连杆201、202和203中任一连杆201被驱动，从而沿着环形垂直导轨101移动，而其他连杆202和203被驱动，从而沿着直线垂直导轨102和103移动。此外，环形垂直导轨101和直线垂直导轨102和103被驱动，从而沿着环形水平导轨104移动。

为此，沿环形垂直导轨101移动的第一连杆201由三维旋转关节-一维旋转关节-一维环形移动关节(S-R-P′)连接，而沿直线垂直导轨102和103移动的第二和第三连杆202和203由三维旋转关节-一维旋转关节-一维直线移动关节(S-R-P)连接。

同样，环形垂直导轨101和两个直线垂直导轨102和103由一维环形移动关节P′连接到环形水平导轨104上，从而以360°中的某一角度在环形水平导轨104上移动。

在根据本发明的并行机构中，驱动关节是第一连杆201的一维环形移动关节P′，其驱动第一连杆201，从而，第一连杆201以垂直和环形方式在环形垂直导轨101上移动，并同时驱动第二和第三连杆202和203的一维直线移动关节P，从而，第二和第三连杆202和203在直线垂直导轨102和103上以垂直和直线形式移动。同样，作为环形垂直导轨101和两个直线垂直导轨102和103的驱动关节的一维环形移动关节P′驱动环形垂直导轨101和两个直线垂直导轨102和103，从而，它们在环形水平导轨104上水平移动。因此，总共需要六个致动器，且通过六个驱动关节，主轴可以实现六个自由度运动。

如图4a到4d所示的本发明的并行机构通过改进如图3a和3b中所示的传统并行机构中的基于水平导轨76向下设置的垂直导轨85而呈环形形式予以实施。

采用根据本发明的并行机构，主轴延伸过90°的倾角，并自由旋转达±360°或更大。图4c和4d示出180°和270°的倾角。

图5是示出通过采用根据本发明的并行机构而制造的运动模拟器的示意图。在本发明的并行机构应用于运动模拟器的情况下，该运动模拟器可以自由旋转达±360°或更大。

如上所述，用于控制三维位置和方向的并行机构能够扩展传统并行机构中主轴的90°倾角，从而，在其应用于加工设备情况下，可以实现材料底面加工。此外，根据本发明的并行机构可以应用于飞行模拟器或娱乐骑手上。