專利名稱：三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)新穎的調(diào)節(jié)空間位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確切地說，涉及一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于金屬加工機(jī)床，以及力與力矩的傳感器等領(lǐng)域。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于兩個剛性物體相對位置的調(diào)節(jié)。一般情況下兩個剛體的相對位置可以采用沿x，y，z軸方向的三個移動和繞x，y，z軸的三個轉(zhuǎn)動來表示，共六個自由度。并聯(lián)機(jī)構(gòu)起源于斯圖爾特平臺機(jī)構(gòu)(StewartPlatform)，參見

圖1，圖2，該機(jī)構(gòu)通常是由3-6根可伸縮調(diào)節(jié)的桿件1’，以及在這些桿件的兩端分別用球鉸(即球面付)2’或萬向連軸節(jié)(即虎各鉸或球銷付或轉(zhuǎn)動付鉸鏈)連接兩個剛體3’、4’所構(gòu)成。通常，該兩個剛體中的一個是靜止不動的，被稱為靜平臺或靜臺體3’一般作為機(jī)架使用，另一個是運(yùn)動的，可以完成各種操作，通常稱為動平臺或動臺體4’。最初的斯圖爾特平臺機(jī)構(gòu)中，其動、靜兩個剛體都是平面的，或者說所有聯(lián)接桿件1’與剛體3’或桿件1’與剛體4’的鉸鏈2’都處在一個平面上。后來開始出現(xiàn)使用空間的臺體式機(jī)構(gòu)，即鉸鏈2’不都在同一平面上，這是一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)上有很多應(yīng)用，如做機(jī)械手，位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，力與力矩的傳感器，游樂場的動感平臺等等。最近人們用它來做虛擬軸機(jī)床或簡稱虛軸機(jī)床。這樣的機(jī)床具有很多特殊的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單，剛度大、控制精度高、傳動速度快等，具有很高的性能價(jià)格比，被稱為21世紀(jì)的機(jī)床。
對于象虛軸機(jī)床、力與力矩的傳感器、位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等應(yīng)用場合，采用什么樣的位置調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)，才能得到綜合性能盡可能優(yōu)良的機(jī)構(gòu)，是一個十分重要的問題?，F(xiàn)在，人們普遍認(rèn)為從自變量為6個驅(qū)動變量到函數(shù)為動臺體位置姿態(tài)6個變量之間轉(zhuǎn)換的雅可比行列式的條件數(shù)越小越好，理論上最小條件數(shù)為1。然而人們對于什么樣的機(jī)構(gòu)才能滿足其條件數(shù)為1，也就是說并聯(lián)機(jī)構(gòu)中剛體上的鉸鏈在空間應(yīng)該如何分布才是最合理，并不清楚。甚至到目前為止，還沒有得到確切的結(jié)論。
本發(fā)明的主要目的是提供一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；也就是提供一種滿足上述雅可比行列式的條件數(shù)為最小的臺體式機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的主要目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該機(jī)構(gòu)包括有靜臺體，動臺體和六根驅(qū)動桿，該六根驅(qū)動的長度伸縮可變，且其中每個驅(qū)動桿都通過其兩端各自的球鉸或萬向節(jié)分別與靜臺體、動臺體相鉸接，其特征在于上述六根驅(qū)動桿的方向分別位于x，y，z三個正交方向或近似正交的方向，且每個方向各有兩根驅(qū)動桿。
上述六根驅(qū)動桿與動臺體鉸接的六個球鉸可以分別位于六面體的六個面的中心位置。
上述六根驅(qū)動桿可以兩兩成組地分別鉸接在上述動臺體的三個呈x，y，z正交方向的表面上。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特征及功效。
圖1是一種斯圖爾特平臺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是另一種斯圖爾特平臺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的動臺體與驅(qū)動桿組合起來的一種實(shí)施例示意圖。
圖4是圖3中增加靜臺體后的示意圖。
圖5是本發(fā)明的動臺體與驅(qū)動桿組合起來的另一種實(shí)施例示意圖。
圖6是圖5中增加靜臺體后的示意圖。
圖7是本發(fā)明的又一種實(shí)施例示意圖。該機(jī)構(gòu)經(jīng)過一定角度的旋轉(zhuǎn)，使得其對角線指向豎直方向，此時驅(qū)動桿件不再與x，y，z軸平行。
圖8是本發(fā)明的再一種實(shí)施例示意圖。
參見圖3、圖4所示的本發(fā)明的一種實(shí)施例示意圖。本發(fā)明是一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其包括有靜臺體3，動臺體4和六根驅(qū)動桿1，該六根驅(qū)動桿1的長度都是伸縮可變的，且其中每個驅(qū)動桿1都通過其兩端各自的球鉸2分別與靜臺體3、動臺體4相鉸接，其特點(diǎn)是上述六根驅(qū)動桿1分別位于x，y，z三個正交方向，且每個方向各有兩根驅(qū)動桿1。
圖3所示上述位于六根驅(qū)動桿1空間中心位置的動臺體4是個六面體，且該六根驅(qū)動桿1中的每一個球鉸2都分別位于上述動臺體4的各個表面上。動臺體4通過六個球鉸2與六根長度可變的驅(qū)動桿1相聯(lián)接，該六根驅(qū)動桿1再通過其另一端的另外六個球鉸2與靜臺體3相聯(lián)接。圖4所示的長條狀的剛體即表示靜臺體3或機(jī)架，在x，y，z三個方向的每個方向上都有兩根驅(qū)動桿。當(dāng)動臺體在中心位置即圖3或圖4所示位置時，上述x，y，z三個方向的驅(qū)動桿互相正交，其條件數(shù)為1，即達(dá)到了雅可比行列式的最小值。在這個最小值附近，即x，y，z三個方向的驅(qū)動桿互相呈近似正交時，雖然其條件數(shù)略大于1但其值仍然較小。因此采用這種機(jī)構(gòu)具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)。
首先本發(fā)明的機(jī)構(gòu)在其中心位置上，對于x，y，z軸方向的三個移動和繞x，y，z軸的三個轉(zhuǎn)動互相解耦。眾所周知，一般情況下，兩個剛體的相對位置可以采用沿x，y，z三個方向的移動和繞x，y，z三軸的轉(zhuǎn)動來表示，共六個自由度。在一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)其中某個方向的驅(qū)動改變時，會同時引起動臺體的另外兩個方向的移動和動臺體的轉(zhuǎn)動，這種現(xiàn)象稱為運(yùn)動之間的耦合，例如當(dāng)希望動臺體純粹沿x方向運(yùn)動時，不僅需要沿x軸方向的驅(qū)動器工作，而且需要y，z兩個方向的驅(qū)動器同時協(xié)調(diào)配合運(yùn)動；或者說僅有一、兩個驅(qū)動器工作不能得到純粹沿x方向運(yùn)動。本發(fā)明的臺體式機(jī)構(gòu)在其中心位置上，由于x，y，z三軸互相垂直正交，因此對x，y，z三軸是解耦的。也就是說，動臺體沿x軸運(yùn)動時，另外兩個方向y，z的四根驅(qū)動器可以不調(diào)節(jié)或很少調(diào)節(jié)即可。
本發(fā)明的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際使用時，是很方便的。當(dāng)以同速、同方向調(diào)節(jié)x軸向的兩個驅(qū)動時，動臺體沿x軸方向平動。當(dāng)該兩個驅(qū)動同速反方向運(yùn)動時，動臺體則繞z軸轉(zhuǎn)動。因?yàn)檫@兩個驅(qū)動桿的運(yùn)動而引起其他軸向的運(yùn)動量很小或?yàn)榱?，所以為了得到純粹的沿x軸的移動或繞z軸的轉(zhuǎn)動，其他兩個方向的四個驅(qū)動桿或驅(qū)動副的驅(qū)動量可以很小或?yàn)榱?即高階無窮小)。并且，當(dāng)沿y軸或z軸移動，或繞x軸或y軸轉(zhuǎn)動時，情況完全類似。所以，本發(fā)明的動臺體在上述中心位置附近，三個方向近似解耦。因此在一些要求不嚴(yán)格的場合，各個方向的位置和轉(zhuǎn)角可以分別調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)很方便。另外，由于三個方向的調(diào)節(jié)呈正交或近似正交，各個方向的對于調(diào)節(jié)的靈敏度也比較均衡。
其次，把機(jī)構(gòu)中的六個驅(qū)動桿改為長度固定的桿，并在每個驅(qū)動桿上面加上一個傳感器，可以把本發(fā)明變換為一個力與力矩的傳感器。這種傳感器可以自然地把三個方向的力和力矩分開。例如當(dāng)只有x軸方向受力時，則僅沿x軸的兩個傳感器有輸出，其值為兩個傳感器的和。當(dāng)只有繞z軸有力矩時，則僅沿x軸的一對傳感器有輸出，其值為該對傳感器之差乘以該對驅(qū)動桿之間的距離。由于動臺體的位移量很小，所以具有相當(dāng)高的精度。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)如果用在虛擬軸數(shù)控機(jī)床上也有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槠錀l件數(shù)近似為1，屬于最理想的狀態(tài)。因此在同樣情況下，加工精度高，機(jī)床工作空間大，可以達(dá)到的工作速度高等等，是一種具有很好應(yīng)用前景的機(jī)床結(jié)構(gòu)形式。
由于本發(fā)明的機(jī)構(gòu)運(yùn)動解耦的位置是在動臺體的中心，處于幾個球鉸的包圍之中，故作為虛軸機(jī)床或其他用途時，應(yīng)用不甚方便。因此本發(fā)明可以作些改進(jìn)，即將上述六根驅(qū)動桿兩兩成組的鉸接在上述動臺體的三個呈x，y，z正交的表面上，參見圖5，圖6所示。其中圖5是動臺體4和驅(qū)動桿1以及球鉸2的結(jié)構(gòu)布局示意圖，加上靜臺體3后，則如圖6所示。此時，動臺體4位于該六根驅(qū)動桿1的一側(cè)，采用該種結(jié)構(gòu)，當(dāng)動臺體在其中心位置時，雅可比行列式的條件數(shù)仍為1。但在作純轉(zhuǎn)動時其調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。
如果把本發(fā)明的機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一個角度，使動臺體的一條對角線轉(zhuǎn)成豎直方向，且把靜臺體稍做改變，參見圖7。可以看出它與現(xiàn)在的虛軸機(jī)床已經(jīng)很相似了。只不過其驅(qū)動桿的方向是互相正交或近似正交的，并且球鉸的分布是特殊的。正是由于具有這些特點(diǎn)，使得機(jī)床具有加工精度高，機(jī)床工作空間大，可以達(dá)到的工作速度高等優(yōu)點(diǎn)。如果把z軸選擇為豎直方向，則三個正交方向不再是x，y，z軸，而僅是在中心位置時的三個驅(qū)動桿方向了。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)還可以有其它變形。如圖8所示，每對球鉸2之間的六個腿1的長度是固定的，并把調(diào)節(jié)長度的六個滑動副5及其驅(qū)動桿安裝在機(jī)架3上，同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)動臺體4位置的目的。此時，自由度仍然是六個，仍然保持了在中心位置條件數(shù)為1的優(yōu)點(diǎn)，但在計(jì)算其正反解時，計(jì)算方法、計(jì)算公式是不相同的。
權(quán)利要求
1.一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括有靜臺體，動臺體和六根驅(qū)動桿，該六根驅(qū)動的長度伸縮可變，且其中每個驅(qū)動桿都通過其兩端各自的球鉸或萬向節(jié)分別與靜臺體、動臺體相鉸接，其特征在于上述六根驅(qū)動桿的方向分別位于x，y，z三個正交方向或近似正交的方向，且每個方向各有兩根驅(qū)動桿。
2.如權(quán)利要求1所述的三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于上述六根驅(qū)動桿與動臺體鉸接的六個球鉸可以分別位于六面體的六個面的中心位置。
3.如權(quán)利要求1所述的三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于上述六根驅(qū)動桿可以兩兩成組地分別鉸接在上述動臺體的三個呈x，y，z正交方向的表面上。
全文摘要
一種三軸近似正交的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu);包括有:靜臺體,動臺體和六根驅(qū)動桿,該六根驅(qū)動桿的長度伸縮可變,且其中每個驅(qū)動桿都通過其兩端各自的球鉸分別與靜臺體、動臺體相鉸接的,其特征在于:上述六根驅(qū)動桿分別位于X、Y、Z三個正交或近似正交的方向,且每個方向各有兩根驅(qū)動桿。動臺體可以位于該六根驅(qū)動桿的空間中心位置或位于該六根驅(qū)動桿的上部或下部。當(dāng)動臺體處在其中心位置時,其x、y、z三軸是解耦的,所以調(diào)節(jié)簡單,控制容易,用途廣泛。
文檔編號G01L5/00GK1263807SQ0010290
公開日2000年8月23日 申請日期2000年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者廖啟征, 粱崇高 申請人:北京郵電大學(xué)