專利名稱：用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
眾所周知，通常，用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)的研究主要是針對(duì)用于加工工件的加工設(shè)備以及用于組裝和傳送物件的機(jī)器人操縱器。
作為示例，加工設(shè)備用于處理材料，使得材料具有所需的形狀或形式。該加工設(shè)備由設(shè)備主體和刀具構(gòu)成，其中設(shè)備主體借助動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)，而切割刀具加工材料。此時(shí)，主要需要在加工設(shè)備中對(duì)用于加工材料的刀具的三維位置和方向予以控制。
首先，將描述在并行機(jī)構(gòu)(parallel mechanism structure)出現(xiàn)之前研制的串行機(jī)構(gòu)(serial mechanism structure)。圖1是示出傳統(tǒng)串行機(jī)構(gòu)的示例性圖。如圖所示，對(duì)于傳統(tǒng)的串行機(jī)構(gòu)，從基體11到主軸12的每一連桿具有成垂直角度的懸臂結(jié)構(gòu)。該串行機(jī)構(gòu)具有的一些優(yōu)點(diǎn)是加工空間較大，且軟件以及用于控制該機(jī)構(gòu)的控制裝置以簡(jiǎn)單的方式構(gòu)作而成。然而，與傳統(tǒng)的串行機(jī)構(gòu)相比，基體和主軸通過(guò)多個(gè)連桿連接的并行機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。由于這些原因，已經(jīng)高效地進(jìn)行針對(duì)最近提出的并行機(jī)構(gòu)的研究。
并行機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下首先，由于運(yùn)動(dòng)部件的慣性質(zhì)量減小，其速度和加速度可以增大；其次，由于主軸和基體通過(guò)多個(gè)連桿相連，且只有拉力和壓力而非彎曲力作用于每一連桿，因此，設(shè)備的剛度可以增大；第三，由于并行機(jī)構(gòu)每一連桿的誤差被平均反映到主軸上，因此，與每個(gè)連桿的誤差被累積的串行機(jī)構(gòu)相比，其精度可以進(jìn)一步提高；以及第四，與作為三軸直角坐標(biāo)設(shè)備的大多數(shù)采用串行機(jī)構(gòu)的加工設(shè)備相比，并行機(jī)構(gòu)基本上被構(gòu)造成進(jìn)行六自由度(d.o.f.)運(yùn)動(dòng)，這可以一次將五個(gè)表面和五個(gè)軸加工成最終形狀。
圖2是示出作為傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)的六腳(hexapod)結(jié)構(gòu)，如圖所示，在六腳結(jié)構(gòu)中，主軸22和基體21通過(guò)六個(gè)連桿相連，而各連桿的伸縮(expansion)能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。六腳結(jié)構(gòu)被稱為斯圖爾特平臺(tái)(Stewart platform)。采用斯圖爾特平臺(tái)的并行機(jī)構(gòu)加工設(shè)備已經(jīng)由美國(guó)Giddings & Lewis公司制造。該加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，但是具有如下缺點(diǎn)，即加工空間非常小，并尤其是主軸傾斜到約15°且不能在整個(gè)360°范圍內(nèi)連續(xù)掃掠工件的各側(cè)面。
同樣，已經(jīng)由美國(guó)的Ingersoll公司和NIST合作研制了八面六腳結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與斯圖爾特平臺(tái)結(jié)構(gòu)相反。在這種情況下，加工空間窄，且主軸具有30°的傾角，另外，工作臺(tái)以15°角度傾斜。然而，應(yīng)指出的是，八面六腳結(jié)構(gòu)的整個(gè)傾斜為45°角。六腳結(jié)構(gòu)的局限是由于連接到主軸上的六個(gè)連桿彼此干涉且連接主軸和連桿的球窩關(guān)節(jié)(joint)的旋轉(zhuǎn)角度被固定造成的。
在由本申請(qǐng)人提交的韓國(guó)專利第237553號(hào)中公開了一種新近研制的并行機(jī)構(gòu)，其中主軸的傾斜角擴(kuò)展到90°。圖3a和3b為示出主軸傾斜到90°角的傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)的示例圖，其中圖3a示出0°傾斜角的主軸，而圖3b示出90°傾斜角的主軸。
如圖所示，連接到主軸72上的三個(gè)連桿73、74和75沿著相應(yīng)的直線垂直導(dǎo)軌83、84和85垂直移動(dòng)，而三個(gè)垂直導(dǎo)軌83、84和85沿著環(huán)形水平導(dǎo)軌76以360°度角水平移動(dòng)。三個(gè)連桿73、74和75由S-R-P關(guān)節(jié)與主軸72相連，而垂直導(dǎo)軌83、84和85由P′關(guān)節(jié)與環(huán)形水平導(dǎo)軌76相連。P關(guān)節(jié)和P′關(guān)節(jié)被驅(qū)動(dòng)，從而通過(guò)六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)主軸72的六自由度運(yùn)動(dòng)。
在這種情況下，S表示三維轉(zhuǎn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)，R表示一維轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，P表示一維直線移動(dòng)的棱形關(guān)節(jié)(prismatic joint)，而P表示環(huán)形移動(dòng)的棱形關(guān)節(jié)。
在如圖3a和3b所示的并行機(jī)構(gòu)中，任一個(gè)垂直導(dǎo)軌83、84和85(例如附圖標(biāo)記85)基于水平導(dǎo)軌76向下布置，而其他垂直導(dǎo)軌83和84基于水平導(dǎo)軌76向上布置。三個(gè)垂直導(dǎo)軌83、84和85處于不同方向上的布置使加工空間的局限得以克服，從而確保了較大的加工區(qū)域。
在如圖3a和3b所示的并行機(jī)構(gòu)中，同樣，主軸的六自由度運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)用于在垂直導(dǎo)軌76上水平移動(dòng)直線垂直導(dǎo)軌83、84和85的三個(gè)致動(dòng)器以及用于在直線垂直導(dǎo)軌83、84和85上垂直移動(dòng)連接到主軸上的三個(gè)連桿73、74和75的三個(gè)致動(dòng)器予以執(zhí)行。
通采用如圖3a和3b所示的傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)，主軸的傾角為90°角，如圖3b所示，從而，可以進(jìn)行除了底面之外的五個(gè)表面加工。
然而，即使在主軸90°傾角的情況下，也不可能對(duì)材料底面進(jìn)行加工。因此，需要擴(kuò)展主軸的傾角。
另外，由于主軸傾角的限制，傳統(tǒng)的并行機(jī)構(gòu)作為用于模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模擬器受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)，其能夠擴(kuò)展圖3a和3b所示的并行機(jī)構(gòu)中的主軸傾角，從而，在其被應(yīng)用于加工設(shè)備時(shí)，可以進(jìn)行材料的底面加工，且在其應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬器中時(shí)，主軸傾角可以以±360°旋轉(zhuǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這個(gè)和其他目的，提供了一種用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)，其中，三個(gè)連桿連接到該機(jī)構(gòu)的主軸上，并在兩個(gè)方向上，即在垂直和水平方向上驅(qū)動(dòng)，從而獲得六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其包括由沿一環(huán)形垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第一連桿和沿相應(yīng)的直線垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第二和第三連桿構(gòu)成的三個(gè)連桿；以及一環(huán)形水平導(dǎo)軌，環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌在其上水平移動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)中，第一連桿由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)(S-R-P′)連接，第二和第三連桿由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維直線移動(dòng)關(guān)節(jié)(S-R-P)連接，而環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌由所述一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)P′連接到環(huán)形水平導(dǎo)軌上。


下面將借助于示例并參照附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中圖1是示出傳統(tǒng)串行機(jī)構(gòu)的示例圖；圖2是示出作為傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)的六腳結(jié)構(gòu)的示例圖；圖3a和3b是示出主軸傾斜到90°角的傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)的示例圖，其中圖3a示出0°傾角的主軸，而圖3b示出90°傾角的主軸；圖4a到4d是示出根據(jù)本發(fā)明的主軸傾斜到360°中某一角度的并行機(jī)構(gòu)的示例圖，其中，圖4a示出0°傾角的主軸，圖4b示出90°傾角的主軸，圖4c示出180°傾角的主軸，而圖4d示出270°傾角的主軸；以及圖5是示出采用根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)制造的運(yùn)動(dòng)模擬器的虛擬圖(imaginary view)。
具體實(shí)施例方式
以下，參照?qǐng)D4a到4d詳細(xì)描述用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)。
圖4a到4d是示出根據(jù)本發(fā)明的主軸傾斜到360°中某一角度的并行機(jī)構(gòu)的示例圖，其中，圖4a示出0°傾角的主軸，圖4b示出90°傾角的主軸，圖4c示出180°傾角的主軸，而圖4d示出270°傾角的主軸。
在根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)中，基本上，三個(gè)連桿連接到機(jī)構(gòu)的主軸上并在垂直和水平方向sh2被驅(qū)動(dòng)，使得連接到三個(gè)連桿上的主軸實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，三個(gè)連桿201、202和203中任一連桿201被驅(qū)動(dòng)，從而沿著環(huán)形垂直導(dǎo)軌101移動(dòng)，而其他連桿202和203被驅(qū)動(dòng)，從而沿著直線垂直導(dǎo)軌102和103移動(dòng)。此外，環(huán)形垂直導(dǎo)軌101和直線垂直導(dǎo)軌102和103被驅(qū)動(dòng)，從而沿著環(huán)形水平導(dǎo)軌104移動(dòng)。
為此，沿環(huán)形垂直導(dǎo)軌101移動(dòng)的第一連桿201由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)(S-R-P′)連接，而沿直線垂直導(dǎo)軌102和103移動(dòng)的第二和第三連桿202和203由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維直線移動(dòng)關(guān)節(jié)(S-R-P)連接。
同樣，環(huán)形垂直導(dǎo)軌101和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌102和103由一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)P′連接到環(huán)形水平導(dǎo)軌104上，從而以360°中的某一角度在環(huán)形水平導(dǎo)軌104上移動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)是第一連桿201的一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)P′，其驅(qū)動(dòng)第一連桿201，從而，第一連桿201以垂直和環(huán)形方式在環(huán)形垂直導(dǎo)軌101上移動(dòng)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二和第三連桿202和203的一維直線移動(dòng)關(guān)節(jié)P，從而，第二和第三連桿202和203在直線垂直導(dǎo)軌102和103上以垂直和直線形式移動(dòng)。同樣，作為環(huán)形垂直導(dǎo)軌101和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌102和103的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)P′驅(qū)動(dòng)環(huán)形垂直導(dǎo)軌101和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌102和103，從而，它們?cè)诃h(huán)形水平導(dǎo)軌104上水平移動(dòng)。因此，總共需要六個(gè)致動(dòng)器，且通過(guò)六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，主軸可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。
如圖4a到4d所示的本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)通過(guò)改進(jìn)如圖3a和3b中所示的傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)中的基于水平導(dǎo)軌76向下設(shè)置的垂直導(dǎo)軌85而呈環(huán)形形式予以實(shí)施。
采用根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)，主軸延伸過(guò)90°的傾角，并自由旋轉(zhuǎn)達(dá)±360°或更大。圖4c和4d示出180°和270°的傾角。
圖5是示出通過(guò)采用根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)而制造的運(yùn)動(dòng)模擬器的示意圖。在本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬器的情況下，該運(yùn)動(dòng)模擬器可以自由旋轉(zhuǎn)達(dá)±360°或更大。
如上所述，用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)能夠擴(kuò)展傳統(tǒng)并行機(jī)構(gòu)中主軸的90°傾角，從而，在其應(yīng)用于加工設(shè)備情況下，可以實(shí)現(xiàn)材料底面加工。此外，根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于飛行模擬器或娛樂(lè)騎手上。
權(quán)利要求
1.一種用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu)，其中三個(gè)連桿連接到機(jī)構(gòu)的主軸并在兩個(gè)方向，即垂直和水平方向上被驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，所述機(jī)構(gòu)包括由沿著一環(huán)形垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第一連桿和沿著相應(yīng)的直線垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第二和第三連桿構(gòu)成的所述三個(gè)連桿；以及所述環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌在其上水平移動(dòng)的環(huán)形水平導(dǎo)軌。
2.如權(quán)利要求1所述的并行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述第一連桿由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)連接，而所述第二和第三連桿由三維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)-一維直線移動(dòng)關(guān)節(jié)連接，且所述環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌由所述一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)連接到所述環(huán)形水平導(dǎo)軌上。
3.如權(quán)利要求2所述的并行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述主軸的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)通過(guò)分別驅(qū)動(dòng)所述第一連桿的所述一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)、所述第二和第三連桿的所述一維直線移動(dòng)關(guān)節(jié)、以及所述環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌的所述一維環(huán)形移動(dòng)關(guān)節(jié)予以執(zhí)行。
全文摘要
公開了一種用于控制三維位置和方向的并行機(jī)構(gòu),在根據(jù)本發(fā)明的并行機(jī)構(gòu)中,三個(gè)連桿連接到機(jī)構(gòu)主軸上,并在垂直和水平方向被驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致連接到三個(gè)連桿上的主軸實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。該構(gòu)件包括由沿著環(huán)形垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第一連桿和沿著相應(yīng)的直線垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的第二和第三連桿構(gòu)成的三個(gè)連桿,以及環(huán)形水平導(dǎo)軌,環(huán)形垂直導(dǎo)軌和兩個(gè)直線垂直導(dǎo)軌在該環(huán)形水平導(dǎo)軌上水平移動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J11/00GK1358283SQ00809545
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2000年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者金鐘源, 樸鐘寓, 黃宰澈, 金真成, 韓泳五 申請(qǐng)人:金鐘源, 樸鐘寓, 黃宰澈