[发明专利]一种部分解耦的六自由度并联机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种多自由度运动执行和定位装置，用于尤其用于需要实现六个自由度的刚体运动和定位功能的机器人执行机构或需要主动调整姿态的物体的支撑机构。

背景技术

根据机械原理，机构要实现某种数量的自由度的运动，就必须具有相应数量的独立的原运动。为实现运动执行构件的全部六个自由度的运动，现已有多种形式的机构，其中最经典的六自由度运动机构是Stewart平台，其机构示意图如图1所示，包括动平台50、底座机架10以及安装在底座机架10上与动平台50相联接的六根可伸缩杆30，六根可伸缩杆30两两一组，均匀分布；可伸缩杆30的下端通过二自由度虎克铰20与底座机架10相连，各杆可以绕虎克铰20在两个方向上转动；上端通过具有三个自由度的球铰40与动平台50相连，即允许任何方向的转动；另外，可伸缩杆本身因“可伸缩”从而具有一个自由度，可以调节杆的长度；这样就可以通过六根独立的可伸缩杆使动平台实现六个自由度的刚体运动。

但是Stewart平台的六个自由度之间存在着严重的耦合关系，导致机构分析和运动控制非常困难和复杂，有待改进。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种部分解耦的六自由度并联机构，其可克服现有六自由度平台的六个自由度之间存在的严重耦合问题，可以实现部分解耦，即动平台的转动自由度和平动自由度互不影响。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架、6个虎克铰、6根可伸缩杆、3个球铰和1个动平台，其中，动平台的中心处设有一个可允许动平台具有三个转动自由度的复合球铰，3根可伸缩杆的一端分别联接复合球铰，另一端通过3个虎克铰联接在底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处；在动平台三个呈等边三角形的顶点处分别设置球铰，另外3根可伸缩杆的一端分别联接一个球铰，另一端分别通过剩余3个虎克铰联接底座机架。

上述复合球铰采用3条钢丝，3条钢丝的一端分别联接3根可伸缩杆的一端，3条钢丝的另一端联接在动平台的下表面，且3条钢丝的延长线交于动平台上表面的中心点处。

上述并联机构为初始状态时，联接复合球铰的3根可伸缩杆等长，并相对动平台中心法线呈旋转对称分布，且分别在动平台的不同垂面内，但不垂直于动平台。

上述设于底座机架呈等边三角形分布的三个顶点处的3个虎克铰与剩余3个虎克铰两两对应复合，形成3个复合铰链。

上述剩余3个虎克铰分别设于底座机架另外的三个呈等边三角形分布的点处。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：该特殊构型的六自由度并联机构原理清晰、结构对称。相对于经典的Stewart平台，本发明提出的六自由度并联机构具有平动自由度与转动自由度之间部分解耦的特性。这是因为可伸缩杆1,2,3不输出位移时，动平台的三个转动自由度仅由可伸缩杆4,5,6决定；而当可伸缩杆4,5,6不输出位移时，动平台的三个平动自由度仅由可伸缩杆1，2，3决定，这一解耦特性有利于机构分析及其运动控制。

附图说明

图1是经典Stewart平台机构示意图；

图2是本发明的第一种结构形式示意图；

图3是本发明的第二种结构形式示意图；

图4是采用钢丝实现球铰的示意图；

图5是第一类奇异位型俯视图一；

图6是第一类奇异位型俯视图二；

图7是第一类奇异位型俯视图三；

图8是第二类奇异位型示意图；

图9是第二类奇异位型俯视图；

图10是本发明的实施例示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图10所示，本发明提供一种部分解耦的六自由度并联机构，包括1个底座机架A、6个虎克铰B、6根可伸缩杆C、3个球铰D、1个动平台E和3条钢丝F，其中，由下往上，在底座机架A呈等边三角形分布的三个顶点处各设置一个虎克铰B，分别将3根可伸缩杆C的下端联接在虎克铰B上，这3根可伸缩杆C的上端分别联接一条适当长度和直径的钢丝F，钢丝F的另一端均联接在动平台E的中心O处。在底座机架A另外的三个呈等边三角形分布的点处，同样分别设置一个虎克铰B，将另外的三根可伸缩杆C的下端分别联接在虎克铰B上，它们的上端通过球铰D联接在动平台E的三个呈等边三角形的点上。

以上给出了本发明的通用结构，在其基础上，可以进行多种变形。