[发明专利]三轴近似正交的六自由度并联机构

说明书

本发明涉及一种结构新颖的调节空间位置的机械结构，确切地说，涉及一种三轴近似正交的六自由度并联机构。该机构可以应用于金属加工机床，以及力与力矩的传感器等领域。

并联机构可以应用于两个刚性物体相对位置的调节。一般情况下两个刚体的相对位置可以采用沿x，y，z轴方向的三个移动和绕x，y，z轴的三个转动来表示，共六个自由度。并联机构起源于斯图尔特平台机构(Stewart Platform)，参见图1，图2，该机构通常是由3-6根可伸缩调节的杆件1’，以及在这些杆件的两端分别用球铰(即：球面付)2’或万向连轴节(即：虎各铰或球销付或转动付铰链)连接两个刚体3’、4’所构成。通常，该两个刚体中的一个是静止不动的，被称为静平台或静台体3’一般作为机架使用，另一个是运动的，可以完成各种操作，通常称为动平台或动台体4’。最初的斯图尔特平台机构中，其动、静两个刚体都是平面的，或者说所有联接杆件1’与刚体3’或杆件1’与刚体4’的铰链2’都处在一个平面上。后来开始出现使用空间的台体式机构，即铰链2’不都在同一平面上，这是一般的并联机构。并联机构在工业上有很多应用，如做机械手，位置调节机构，力与力矩的传感器，游乐场的动感平台等等。最近人们用它来做虚拟轴机床或简称虚轴机床。这样的机床具有很多特殊的优点，如结构简单，刚度大、控制精度高、传动速度快等，具有很高的性能价格比，被称为21世纪的机床。

对于象虚轴机床、力与力矩的传感器、位置调节机构等应用场合，采用什么样的位置调节机械结构，才能得到综合性能尽可能优良的机构，是一个十分重要的问题。现在，人们普遍认为从自变量为6个驱动变量到函数为动台体位置姿态6个变量之间转换的雅可比行列式的条件数越小越好，理论上最小条件数为1。然而人们对于什么样的机构才能满足其条件数为1，也就是说并联机构中刚体上的铰链在空间应该如何分布才是最合理，并不清楚。甚至到目前为止，还没有得到确切的结论。

本发明的主要目的是提供一种三轴近似正交的六自由度并联机构；也就是提供一种满足上述雅可比行列式的条件数为最小的台体式机构。

本发明的主要目的是这样实现的：一种三轴近似正交的六自由度并联机构，包括有：静台体，动台体和六根驱动杆，该六根驱动杆的长度伸缩可变，且其中每个驱动杆都通过其两端各自的球铰或万向节分别与静台体、动台体相铰接；该六根驱动杆的方向分别位于x，y，z三个正交方向或近似正交的方向，且每个方向各有两根驱动杆；其特征在于：上述六根驱动杆与动台体铰接的六个球铰可以分别位于六面体的六个面的中心位置。

下面结合附图详细说明本发明的结构、特征及功效。

图1是一种斯图尔特平台机构的结构示意图。

图2是另一种斯图尔特平台机构的结构示意图。

图3是本发明的动台体与驱动杆组合起来的一种实施例示意图。

图4是图3中增加静台体后的示意图。

图5是本发明的动台体与驱动杆组合起来的另一种实施例示意图。

图6是图5中增加静台体后的示意图。

图7是本发明的又一种实施例示意图。该机构经过一定角度的旋转，使得其对角线指向竖直方向，此时驱动杆件不再与x，y，z轴平行。

图8是本发明的再一种实施例示意图。

参见图3、图4所示的本发明的一种实施例示意图。本发明是一种三轴近似正交的六自由度并联机构，其包括有：静台体3，动台体4和六根驱动杆1，该六根驱动杆1的长度都是伸缩可变的，且其中每个驱动杆1都通过其两端各自的球铰2分别与静台体3、动台体4相铰接，其特点是：上述六根驱动杆1分别位于x，y，z三个正交方向，且每个方向各有两根驱动杆1。

图3所示上述位于六根驱动杆1空间中心位置的动台体4是个六面体，且该六根驱动杆1中的每一个球铰2都分别位于上述动台体4的各个表面上。动台体4通过六个球铰2与六根长度可变的驱动杆1相联接，该六根驱动杆1再通过其另一端的另外六个球铰2与静台体3相联接。图4所示的长条状的刚体即表示静台体3或机架，在x，y，z三个方向的每个方向上都有两根驱动杆。当动台体在中心位置即图3或图4所示位置时，上述x，y，z三个方向的驱动杆互相正交，其条件数为1，即达到了雅可比行列式的最小值。在这个最小值附近，即x，y，z三个方向的驱动杆互相呈近似正交时，虽然其条件数略大于1但其值仍然较小。因此采用这种机构具有一些特殊的优点。