[發明專利]一種部分解耦的六自由度并聯機構

有效

• 申請號: 201610439769.2
• 申請日: 2016-06-17
• 公開（公告）號: CN105936045B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 楊德華;程穎;費飛;王海濤
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 葛瀟敏

技術領域

本發明涉及一種多自由度運動執行和定位裝置，用于尤其用于需要實現六個自由度的剛體運動和定位功能的機器人執行機構或需要主動調整姿態的物體的支撐機構。

背景技術

根據機械原理，機構要實現某種數量的自由度的運動，就必須具有相應數量的獨立的原運動。為實現運動執行構件的全部六個自由度的運動，現已有多種形式的機構，其中最經典的六自由度運動機構是Stewart平臺，其機構示意圖如圖1所示，包括動平臺50、底座機架10以及安裝在底座機架10上與動平臺50相聯接的六根可伸縮桿30，六根可伸縮桿30兩兩一組，均勻分布；可伸縮桿30的下端通過二自由度虎克鉸20與底座機架10相連，各桿可以繞虎克鉸20在兩個方向上轉動；上端通過具有三個自由度的球鉸40與動平臺50相連，即允許任何方向的轉動；另外，可伸縮桿本身因“可伸縮”從而具有一個自由度，可以調節桿的長度；這樣就可以通過六根獨立的可伸縮桿使動平臺實現六個自由度的剛體運動。

但是Stewart平臺的六個自由度之間存在著嚴重的耦合關系，導致機構分析和運動控制非常困難和復雜，有待改進。

發明內容

本發明的目的，在于提供一種部分解耦的六自由度并聯機構，其可克服現有六自由度平臺的六個自由度之間存在的嚴重耦合問題，可以實現部分解耦，即動平臺的轉動自由度和平動自由度互不影響。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

一種部分解耦的六自由度并聯機構，包括1個底座機架、6個虎克鉸、6根可伸縮桿、3個球鉸和1個動平臺，其中，動平臺的中心處設有一個可允許動平臺具有三個轉動自由度的復合球鉸，3根可伸縮桿的一端分別聯接復合球鉸，另一端通過3個虎克鉸聯接在底座機架呈等邊三角形分布的三個頂點處；在動平臺三個呈等邊三角形的頂點處分別設置球鉸，另外3根可伸縮桿的一端分別聯接一個球鉸，另一端分別通過剩余3個虎克鉸聯接底座機架。

上述復合球鉸采用3條鋼絲，3條鋼絲的一端分別聯接3根可伸縮桿的一端，3條鋼絲的另一端聯接在動平臺的下表面，且3條鋼絲的延長線交于動平臺上表面的中心點處。

上述并聯機構為初始狀態時，聯接復合球鉸的3根可伸縮桿等長，并相對動平臺中心法線呈旋轉對稱分布，且分別在動平臺的不同垂面內，但不垂直于動平臺。

上述設于底座機架呈等邊三角形分布的三個頂點處的3個虎克鉸與剩余3個虎克鉸兩兩對應復合，形成3個復合鉸鏈。

上述剩余3個虎克鉸分別設于底座機架另外的三個呈等邊三角形分布的點處。

采用上述方案后，本發明的有益效果是：該特殊構型的六自由度并聯機構原理清晰、結構對稱。相對于經典的Stewart平臺，本發明提出的六自由度并聯機構具有平動自由度與轉動自由度之間部分解耦的特性。這是因為可伸縮桿1,2,3不輸出位移時，動平臺的三個轉動自由度僅由可伸縮桿4,5,6決定；而當可伸縮桿4,5,6不輸出位移時，動平臺的三個平動自由度僅由可伸縮桿1，2，3決定，這一解耦特性有利于機構分析及其運動控制。

附圖說明

圖1是經典Stewart平臺機構示意圖；

圖2是本發明的第一種結構形式示意圖；

圖3是本發明的第二種結構形式示意圖；

圖4是采用鋼絲實現球鉸的示意圖；

圖5是第一類奇異位型俯視圖一；

圖6是第一類奇異位型俯視圖二；

圖7是第一類奇異位型俯視圖三；

圖8是第二類奇異位型示意圖；

圖9是第二類奇異位型俯視圖；

圖10是本發明的實施例示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖10所示，本發明提供一種部分解耦的六自由度并聯機構，包括1個底座機架A、6個虎克鉸B、6根可伸縮桿C、3個球鉸D、1個動平臺E和3條鋼絲F，其中，由下往上，在底座機架A呈等邊三角形分布的三個頂點處各設置一個虎克鉸B，分別將3根可伸縮桿C的下端聯接在虎克鉸B上，這3根可伸縮桿C的上端分別聯接一條適當長度和直徑的鋼絲F，鋼絲F的另一端均聯接在動平臺E的中心O處。在底座機架A另外的三個呈等邊三角形分布的點處，同樣分別設置一個虎克鉸B，將另外的三根可伸縮桿C的下端分別聯接在虎克鉸B上，它們的上端通過球鉸D聯接在動平臺E的三個呈等邊三角形的點上。

以上給出了本發明的通用結構，在其基礎上，可以進行多種變形。