无奇异完全各向同性空间移动并联机构

摘要

无奇异完全各向同性空间移动并联机构，由定平台、动平台以及联接两平台的三条结构相同的支路组成，每条支路由一个第一圆柱副、一个与第一圆柱副轴线平行的转动副以及一个与转动副轴线垂直的第二圆柱副串联而成；其中第二圆柱副也可由一个由四个轴线相平行的转动副组成的平面平行四边形机构替代，三条支路均以与定平台相连的圆柱副作为主动副，并以定平台上的三个圆柱副的移动自由度作为主动输入。本发明的机构雅可比矩阵均为3×3阶单位阵，且其行列式的值恒等于1，因此机构在整个工作空间内表现为无奇异完全各向同性，机构的输入和输出速度间成一一对应的线性映射关系，轨迹规划和控制非常简单，可用于机器人，坐标测量机和虚轴并联机床等。

说明书

技术领域

本发明属于三自由度机器人和空间移动测量机等领域，具体涉及一种完全各向同性空间移动并联机构，可应用于并联机器人、虚轴并联机床、坐标测量机和运动模拟器等的执行机构。

背景技术

并联机构一般由动平台、定平台和2-6条支路组成。相对于串联机构，并联机构具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小等优点。而少自由度并联机构相对于6自由度并联机构来说，又具有结构简单，造价低，运动学求解相对简单等特点。因而少自由度并联机构在工业机器人、虚轴数控并联机床、坐标测量机、运动模拟器及医用机器人等行业有着广阔的应用前景。

目前，已有不少新型三自由度移动并联机构，最著名的是Delta机构，该机构由12个球副、3个转动副和14个杆件组成，结构较为复杂，运动学求解繁琐。而后，Tsai在Delta机构的基础上设计了一种新型三维移动并联机构(美国专利，No.5656905，公开日为1997.08.12)，虽然结构相对与前者简单，但是其运动学求解为八次，耦合性较强，轨迹规划和控制也很复杂。

我国不少学者也构造了不少新型三维移动并联机构，并申请了国家发明专利。专利号01104454.3(发明名称：三自由度移动并联机器人机构，申请日：2001.02.27，公开日：2001.09.05，公开号：CN1311083)，该发明由三个支路构成，每条支路又是由一个转动副、一个移动副、一个圆柱副串联而成，可有不同的组成结构，整体结构简单。但也只是简化了轨迹规划和控制，并未彻底解决该问题。

专利号01108283.6(发明名称：用于虚拟机床和机器人等的一类三维平移并联机构，申请日：2001.02.28，公开日：2001.07.25，公开号：CN1304820)。该发明由两到三个支路构成，前两个支路可平行配置或一个支路单独配置，第三条支路与前两个支路垂直或非平行任意配置，简化了机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。但仍存在部分解耦性，并且运动学正解为四次。

但是对于以上的现有机构来说，都具有运动学耦合性强、存在奇异位形等问题，使得轨迹规划和控制较为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种无奇异完全各向同性空间移动并联机构，解决现有机构中存在的运动学耦合性强和奇异位形等问题，使得轨迹规划和控制非常简单。

本发明所采用的技术方案是，无奇异完全各向同性空间移动并联机构，包括动平台、作为机架的定平台以及联接定平台和动平台的相同的三条支路，每条支路包括与定平台相连接的第一圆柱副，第一圆柱副连接有与其轴线相平行的转动副，转动副还连接有与其轴线相垂直第二圆柱副，第二圆柱副的另一端与动平台相连接，三条支路上相同的三个第一圆柱副的轴线垂直汇交于定平台，动平台是一个正三角形，三条支路上与其相连的第二圆柱副的轴线相互垂直并汇交于一点，三条支路均以第一圆柱副作为主动副，并以第一圆柱副的线性移动自由度作为主动输入。

本发明所采用的另一技术方案是，无奇异完全各向同性空间移动并联机构，包括动平台、作为机架的定平台以及联接定平台和动平台的相同的三条支路，每条支路包括与定平台相连接的第一圆柱副，第一圆柱副连接有与其轴线相平行的转动副，与转动副相连接的还有一个平面平行四边形机构，平面平行四边形机构的另一端与动平台相连接，三条支路上相同的三个第一圆柱副的轴线垂直汇交于定平台，动平台是一个正三角形，平面平行四边形机构由四个轴线相互平行的第二转动副组成，且第二转动副的轴线与转动副的轴线平行，三条支路均以第一圆柱副作为主动副，并以第一圆柱副的线性移动自由度作为主动输入。

本发明的机构不仅具有完全相同的拓扑对称结构，而且仅含有圆柱副和转动副，不存在被动移动副。所以该机构具有结构简单、造价低、工作空间大，易于维护等特点。更重要的是，在机构的整个运动过程中雅可比矩阵均为3×3阶单位阵，不但雅可比矩阵的条件数等于1，而且雅可比矩阵行列式的值恒等于1，因此机构在整个工作空间内表现为无奇异完全各向同性。机构的主动输入速度和动平台输出速度之间为一一对应的线性映射关系，即动平台上任意一点沿某一坐标轴方向的移动只需要一个驱动器控制。机构的工作空间非常规则，为立方体形式。所以机构的轨迹规划和控制非常简单，并且该机构利于节能和环保。因此，该机构在机器人、并联机床和坐标测量机等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种实施例结构示意图；

图2是本发明运动副替换后的另一种实施例结构示意图；

图3是本发明用于坐标测量机的实施例结构示意图。

图中，1.定平台、2.动平台、3.第一圆柱副、4.转动副、5.第二圆柱副、6.平面平行四边形机构、7.第二转动副、D为测量头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

所谓无奇异完全各向同性机构是指在整个工作空间内不存在奇异位形，且其雅可比矩阵的条件数恒等于1的机构。本发明采用无奇异完全各向同性机构，使得轨迹规划和控制容易，解决了一般并联机构中存在的运动学耦合性强和控制难等缺陷。

实施例1

本发明的无奇异完全各向同性空间移动并联机构，如图1所示，包括动平台2、作为机架的定平台1以及联接定平台1和动平台2的相同的三条支路。每条支路包括与定平台1相连接的第一圆柱副3，第一圆柱副3连接有与其轴线相平行的转动副4，转动副4还连接有与其轴线相垂直的第二圆柱副5，第二圆柱副5的另一端与动平台2相连接，三条支路上相同的三个第一圆柱副3的轴线垂直汇交于定平台1，动平台2是一个正三角形，三条支路上与其相连的第二圆柱副5的轴线相互垂直并汇交于一点，三条支路均以第一圆柱副3作为主动副，并以第一圆柱副3的线性移动自由度作为主动输入。

实施例2

如图2所示，每条支路中的第二圆柱副5采用由四个第二转动副7组成的一个平面平行四边形机构6代替，即每条支路由一个第一圆柱副3、一个转动副4和一个平面平行四边形机构6组成，且转动副4的轴线与组成平面平行四边形机构6的第二转动副7的轴线平行。

本发明用于坐标测量机时，在动平台2上安装测量头D，如图3所示，当机构各构件尺度参数确定后，控制定平台1上三个主动第一圆柱副3的线性输入运动，即可确定出动平台上测量头D的空间坐标位置，即为虚轴坐标测量机的执行机构，并且测量头D沿任意一个坐标轴向的运动只需一个驱动器控制。

实施结果表明，本发明不但解决了一般并联机构中存在的运动学耦合性强、存在奇异位形的问题，使得轨迹规划和控制较为容易，而且具有结构简单、造价低、工作空间大，易于维护，节能和环保等特点。