一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构及运动方法

摘要

本发明公开了一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构及运动方法，属于机器人技术领域。本发明通过压电直线电机驱动支链下端在定平台上滑块的直线运动，使得动平台能够完成空间中的三自由度运动，且垂直于导轨方向的结构尺寸小，能够满足进入狭长空间工作的要求；在导轨上，能够实现在X轴方向的大行程运动，增大了并联机构的工作空间。本发明采用非对称的布置，将机构沿导轨方向布置，大大减少了垂直导轨方向及Y方向所占据的空间，使得本发明减少了对工作条件的依赖，有着更多的工作场景，如上述狭长缝隙。同时，使用压电电机驱动工作频率高，响应速度快，定位分辨率高，能够广泛应用于微操作领域。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构及运动方法。

背景技术

随着微纳操作和定位装置的发展，机器人取得了极大的进步，尤其体现在结构紧凑且定位精度高的并联机器人上。目前大多数三自由度并联平台采用液压驱动或普通压电直线电机驱动，体积大且末端执行器累计误差较大，不能满足精密制造的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构及运动方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构，包括定平台和动平台，动平台与定平台之间连接第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，定平台上并列设有第一滑台和第二滑台，第二滑台面向第一滑台的侧壁上设有压电陶瓷条；动平台上设有导轨，导轨与第一滑台、第二滑台均平行设置；

第一滑台上可滑动的设有第一滑块、第二滑块和第四滑块，第二滑块位于第一滑块和第四滑块之间；第一滑块上设有第一电机盒，第一电机盒内设有第一压电直线电机，第二滑块上设有第二电机盒，第二电机盒内设有第二压电直线电机，第四滑块上设有第三电机盒，第三电机盒内设有第三压电直线电机，第一压电直线电机、第二压电直线电机和第三压电直线电机的驱动足均与压电陶瓷条相接触；

第一支链下端通过转动副与第一电机盒连接，第一支链上端与动平台的一端转动连接；第四支链下端通过转动副与第三电机盒连接，第四支链上端与动平台的另一端转动连接；

第二滑台上设有第三滑块，第三支链的下端设有第三滑块上，设在第三滑块上的第三支链上设有圆柱槽，第三支链的上端可转动的连接在动平台上；

第二滑块上设有轨道，轨道方向垂直于第一滑台，第二支链的下端可滑动的设在轨道上，第二支链的上端可滑动的设在动平台的导轨内，第二支链的构件上设有圆柱，所述圆柱可转动的设于第三支链的圆柱槽内；

所述第四支链自与第四滑块至动平台之间为第四支链第一构件、第四支链第二构件和第四支链第三构件，所述第四支链第一构件和第四支链第二构件通过转动副相连，第四支链第二构件和第四支链第三构件通过转动副相连；

所述第一支链和第四支链结构相同；

第二支链自动平台至第二电机盒之间依次为第二支链第一构件、第二支链第二构件和第二支链第三构件，第二支链第一构件与第二支链第二构件通过圆柱副连接，第二支链第二构件与第二支链第三构件之间通过间隙配合连接，两构件能够产生绕配合轴线方向的相对转动；

第三支链自动平台至第三滑块之间为第三支链第一构件、第三支链第二构件和第三支链第三构件，第三支链第一构件的圆柱与第三支链第二构件通过圆柱副连接，第三支链第二构件与第三支链第三构件通过转动副连接。

进一步的，所述第四支链第一构件通过转动副与动平台连接，采用卡环防止转动副产生轴向窜动。

进一步的，第四支链第一构件与第四支链第二构件之间采用卡环防止转动副轴向窜动。

进一步的，第四滑块与第一滑台通过滚珠配合实现直线运动轨迹。

进一步的，第三支链第一构件与动平台通过销轴卡环连接，两者之间形成转动副。

进一步的，第四支链第一构件与第四支链第二构件之间采用卡环防止转动副轴向窜动；

第四支链第二构件与第四支链第三构件之间采用卡环防止转动副轴向窜动。

进一步的，第四支链第三构件与第三电机盒采用销轴转动连接。

进一步的，第四滑块与第一滑台通过滚珠配合实现直线运动轨迹。

进一步的，第二支链第二构件与第三支链第三构件通过间隙配合方式来实现相对转动。

本发明所述的面向狭长空间操作的三自由度并联机构的三自由度运动方法：

当3个直线压电电机以相同的速度运动时，动平台沿X轴方向运动；

当第一直线压电电机和第三直线压电电机以方向相反、大小相等的速度运动，同时第二直线压电电机保持不动时，动平台沿Z轴方向运动；

当第一直线压电电机和第三直线压电电机保持不动，同时第二直线压电电机运动时，动平台沿Y轴方向运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的面向狭长空间操作的三自由度并联机构，通过压电直线电机驱动支链下端在定平台上滑块的直线运动，使得动平台能够完成空间中的三自由度运动，且垂直于导轨方向的结构尺寸小，能够满足进入狭长空间工作的要求；在导轨上，能够实现在X轴方向的大行程运动，增大了并联机构的工作空间，一般的并联机构的支链分布对称，这样的并联机构往往占较大的空间，使得其难以适应部分工作条件，比如进入内部较宽敞外部较为狭窄的狭长缝隙。本发明采用非对称的布置，将机构沿导轨方向布置，大大减少了垂直导轨方向及Y方向所占据的空间，使得本发明减少了对工作条件的依赖，有着更多的工作场景，如上述狭长缝隙。同时，使用压电电机驱动工作频率高，响应速度快，定位分辨率高，能够广泛应用于微操作领域。

附图说明

图1为本发明的三自由度并联机构的主视图；

图2为本发明的三自由度并联机构的俯视图；

图3为本发明的定平台结构示意图；

图4为本发明的三自由度并联机构第四支链结构示意图；

图5为本发明的第二支链结构示意图；

图6为本发明的三自由度并联机构第三支链结构示意图；

图7为本发明的三自由度并联机构做平移的运动的示意图；

图8为本发明的三自由度并联机构的一种应用场景示意图。

其中：1-第一支链；2-第二支链；3-第三支链；4-第四支链；5-动平台；6-定平台；2-1-第二支链第一构件；2-2-第二支链第二构件；2-3-第二支链第三构件；2-4-第二电机盒；2-5-第二压电直线电机；2-6-第二滑块；3-1-第三支链第一构件；3-2-第三支链第二构件；3-3-第三支链第三构件；3-4-第三滑块；4-1-第四支链第一构件；4-2-第四支链第二构件；4-3-第四支链第三构件；4-4-第三电机盒；4-5-第三压电直线电机；4-6-第四滑块；6-1-第一滑台；6-2-第二滑台；6-3-压电陶瓷条。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明在三自由度并联机构研究基础上，引入了压电直线电机，使得新的三自由度并联机构具有整体结构小，工作频率高，响应速度快的优点，提高了三自由度并联机构的定位分辨率，使其能够广泛应用于微操作领域。并且本发明整体沿直线导轨方向布置，大大缩小了垂直导轨方向的尺寸。整体结构空间狭长，适用于进入狭长缝工作，即使狭长缝隙入口小于机构垂直导轨方向尺寸，只要其入口最小宽度大于动平台最大宽度，且入口深度较小时，依旧可以只将支链杆件部分伸入缝隙工作。并且在导轨长度足够的情况下，动平台可实现沿导轨方向的长距离平动。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，图1和图2分别为本发明的主视图和俯视图，一种面向狭长空间操作的三自由度并联机构，包括定平台6和动平台5，动平台5与定平台6之间连接有4根支链，分别为第一支链1、第二支链2、第三支链3和第四支链4，定平台6上并列设有第一滑台6-1和第二滑台6-2，第二滑台6-2面向第一滑台6-1的侧壁上设有压电陶瓷条6-3；动平台5上设有导轨，导轨与第二滑台方向均平行设置；第一滑台6-1上可滑动的设有第一滑块、第二滑块2-6和第四滑块4-6，第二滑块2-6位于第一滑块和第四滑块4-6之间；第一滑块上设有第一电机盒，第一电机盒内设有第一压电直线电机，第二滑块上设有第二电机盒2-4，第二电机盒2-4内设有第二压电直线电机2-5，第四滑块4-6上设有第三电机盒4-4，第三电机盒4-4内设有第三压电直线电机4-5，第一压电直线电机、第二压电直线电机2-5和第三压电直线电机4-5的驱动足均与压电陶瓷条6-3相接触；第一支链1下端通过转动副与第一电机盒连接，第一支链1上端与动平台5的一端转动连接；第四支链4下端通过转动副与第三电机盒4-4连接，第四支链4上端与动平台5的另一端转动连接；第二滑台6-2上设有第三滑块3-4，第三支链3的下端设有第三滑块3-4上，设在第三滑块3-4上的第三支链3上设有圆柱槽，第三支链3的上端可转动的连接在动平台5上；第二滑块2-6上设有轨道，轨道方向垂直于第一滑台6-1，第二支链2的下端可滑动的设在轨道上，第二支链2的上端可滑动的设在动平台5的导轨内，第二支链2的构件上设有圆柱，所述圆柱可转动的设于第三支链3的圆柱槽内。

参见图1和图3，定平台6上设有第一滑台6-1，第二滑台6-2和压电陶瓷条6-3。第一滑台6-1和第二滑台6-2通过螺栓连接固定在定平台6上，压电陶瓷条6-3粘附于定平台6上，三者相互平行布置。

参见图1和图4，第一支链1和第四支链4结构相同，均由3根杆件构成，杆件通过两个转动副相连。第一支链1和第四支链4分别通过动平台第一转动副、四转动副与动平台连接。所述第四支链4采用螺栓固定在第四滑块4-6上并通过移动副与第一滑台6-1相连，通过转动副与动平台相连。第四支链4从与第一滑台6-1相连滑块至动平台之间包括3个构件，依次为第四支链第一构件4-1、第四支链第二构件4-2和第四支链第三构件4-3，所述第四支链第一构件4-1和第四支链第二构件4-2通过转动副相连，第四支链第二构件4-2和第四支链第三构件4-3通过转动副相连。

所述第四支链第一构件4-1通过转动副与动平台5连接，采用卡环防止转动副产生轴向窜动。第四支链第一构件4-1与第四支链第二构件4-2通过转动副相连，采用卡环防止转动副轴向窜动。第四支链第二构件4-2与第四支链第三构件4-3通过转动副相连，采用卡环防止转动副轴向窜动。第四支链第三构件4-3与第三电机盒4-4采用销轴转动连接。第三压电直线电机4-5通过螺栓固定在第三电机盒4-4内，第三电机盒4-4通过螺栓固定在第四滑块4-6上，使第三压电直线电机4-5的驱动足与压电陶瓷条6-3相接触，第一滑台6-1通过螺栓安装在定平台6上，起导向作用，第四滑块4-6与第一滑台6-1通过滚珠配合实现直线运动轨迹。

参见图1和图5，第二支链第一构件2-1与动平台5通过间隙配合的方式的相连，第二支链第一构件2-1可以沿动平台5的导轨方向移动。第二支链第一构件2-1的圆柱与第二支链第二构件2-2的圆柱槽之间同样通过间隙配合方式相连，两者之间能产生轴向的相对滑动。第二支链第二构件2-2与第三支链第三构件3-3通过间隙配合方式产生相对转动。第二支链第二构件2-2与第二支链第三构件2-3之间通过间隙配合连接，使两构件能够产生绕配合轴线方向的相对转动。第二支链第三构件2-3与第二电机盒2-4之间通过间隙配合使第二支链第三构件2-3能在第二电机盒2-4的轨道上滑动。第二电机盒2-4内设有第二压电直线电机2-5，第二电机盒2-4设在第二滑块2-6上，第二滑块2-6滑动设置在第一滑台6-1上；第二压电直线电机2-5的驱动足与压电陶瓷条6-3相接触。

参见图1和图6，第三支链第一构件3-1与动平台5通过销轴卡环连接，使两者之间形成转动副。第三支链第一构件3-1的圆柱与第三支链第二构件3-2的圆柱槽通过间隙配合的方式相连，使得两构件之间形成圆柱副，第三支链第二构件3-2与第三支链第三构件3-3通过销轴卡环连接，两者之间形成转动副。第三支链第三构件3-3和第三滑块3-4之间通过螺栓固定，第二滑台6-2通过螺栓安装在定平台6上，起导向作用，第三滑块3-4与第二滑台6-2通过滚珠配合实现直线运动轨迹。

本发明的工作原理如下：

参见图1、图3、图4和图5，在本发明的实施过程中，利用压电陶瓷的逆压电效应，压电直线电机在特定的电压下，激发定子产生微幅振动，使驱动足产生特定的致动轨迹，压电陶瓷条6-3粘附固定于定平台6上，与第一滑台6-1平行布置。在第一滑台6-1的导向作用下，通过压电直线电机驱动足与压电陶瓷条6-3的摩擦耦合作用，驱动其上的滑块作直线运动，第一滑台6-1上的滑块带动第一支链1、第二支链2和第四支链4的下端作直线运动，同时带动第一支链1和第四支链4下端转动副绕轴线旋转，进而带动第一支链1和第四支链4在动平台上绕两者相连的转动副轴线转动，在第一支链1和第四支链4对应的压电直线电机的驱动下，使得动平台产生1个在XOY平面的旋转运动和2个分别沿X轴方向和沿Z轴的平移运动，而在第二支链2的上端与动平台5相连的移动副、第三支链3的上端与动平台5相连的转动副限制了动平台5的在XOY平面旋转，使得动平台5只产生2个平移运动。同时随着动平台5沿第一滑台6-1的平移运动，使第三支链第三构件3-3沿第二滑台6-2运动。而在第二压电直线电机2-5的驱动下，第二电机盒2-4沿第一滑台6-1方向运动，由于第三支链第三构件3-3和第二电机盒2-4的相对运动，带动第二支链第二构件2-2与第三支链第三构件3-3绕两者相连转动副轴线转动，带动第二支链第一构件2-1与动平台5相连的移动副沿轨道移动，使得动平台5产生垂直于所述导轨方向的运动，及沿Y轴方向的自由度。在3个压电直线电机驱动下使得动平台5能够在空间中作的三自由度平移运动。其中，以第一滑台6-1的行程方向为X轴，第二电机盒2-4的轨道方向的Y轴，垂直两者所在平面的直线方向为Z轴。

本发明的工作流程为：

当3个电机以相同的速度运动时，动平台会产生沿X轴方向的运动；当第一直线压电电机和第三直线压电电机以方向相反，速度大小相同运动，第二直线压电电机不动时，动平台产生沿Z轴的运动。当第一直线压电电机和第三直线压电电机不动，第二直线压电电机运动时，动平台产生沿Y轴方向的运动。

参见图1和图8，图8为本发明一种应用场景，一种入口小、而内部相对较宽的一种狭长缝隙。本发明垂直导轨方向的结构尺寸大大缩小，所以可以让机构进入这种相对细小的入口，然后进行工作。因为压电直线电机和定平台的存在，限制机构定平台部分最小宽度。当最小入口宽度小于定平台宽度时，只要其大于机构的动平台最大宽度，且入口深度较小时，依旧能够让机构工作，即只将机构的支链杆件和动平台部分伸入缝隙工作。比如，动平台可以进入如上面所述的狭长缝隙中进行焊接，雕刻以及对内部型面进行去材加工等操作。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。