專利名稱：一種新型三自由度欠驅動機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型三自由度欠驅動機構，尤其是一種基于球面副的內凹形三自由度欠驅動并聯(lián)機構。
背景技術：
三自由度并聯(lián)機構是一種很重要的少自由度并聯(lián)機構，其動平臺可以實現(xiàn)三自由度運動。和串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構具有結構緊湊、承載能力好、運動精度高、機構剛度好等特點。欠驅動機構是指控制出入小于系統(tǒng)自由度的機構，欠驅動機器人是一種含有欠驅動機構的機器人，由于其具有體積小、重量輕、成本低、能耗低、靈活性高等特點，因此引起學者們的廣泛關注，成為機器人領域研究的新熱點。比如機器人要能在工作空間中實現(xiàn)任意的位姿至少需要六個自由度，在手腕或腰部往往需要三個自由度，現(xiàn)在工業(yè)上應用的機器人多為串聯(lián)機器人，雖然串聯(lián)機器人工作空間比較大但是存在一些先天的缺陷，例如剛度比較小，承載能力小，精度低，運動慣量大，在一些要求精密的場合受到了很大限制。再者因為各關節(jié)的重量問題，嚴重影響了末端執(zhí)行器的承載能力，而驅動單元重量占了各關節(jié)重量的一大半。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供一種新型三自由度欠驅動機構。該機構結構簡單，可靠，體積小、機構緊湊、剛度好、重量輕，成本低，易于加工，易于裝配。該裝置適用于并聯(lián)機器人、微動機器人等。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是
本新型三自由度欠驅動機構，含有一個基座、一個動平臺、三條結構相同軸對稱均勻布置的運動支鏈，兩個驅動動力源和一個位置檢測裝置。其特征在于法蘭盤用于和其他裝置連接，動平臺呈內凹形，基座通過三條支鏈連接動平臺，其中有兩條支鏈具有動力源，另一條支鏈有一個旋轉編碼器來檢測連桿的旋轉角度，動平臺可以做三自由度的運動。其中條驅動支鏈電機和減速器連接在一起通過螺栓固定在電機支撐座上，主動連桿一端經過套筒通過平鍵和減速器輸出軸連接在一起另一端和從動連桿通過轉動副相連，從動連桿另一端通過球面副和動平臺連接桿相連，動平臺連接桿通過螺釘和動平臺固定在一起，構成第一條支鏈；另一條驅動支鏈完全相同，第三條支鏈編碼器支撐座通過螺釘固定在法蘭盤上，編碼器軸通過聯(lián)軸器和下連桿連接在一起其余部分和第一條支鏈完全相同，三個動平臺連桿成120°均勻分布，電機支撐座與電機支撐座與編碼器支撐座間隔120°。根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案
一種新型三自由度欠驅動機構，包括一個基座、一個動平臺，三條結構相同軸對稱均勻布置的運動支鏈、兩個動力源和一個位置檢測裝置。其特征在于三條運動支鏈分別與動平臺活動連接，這樣不僅便于加工裝配而且運動靈活；動平臺朝基座方向下沉，呈內凹形，這可以使結構更加緊湊并增強機構的剛度；所述兩個電機的直接驅動兩條運動支鏈，構成三條運動支鏈為欠驅動機構使動平臺作三自由度運動，降低成本并減少了機構的重量；所述位置檢測裝置與欠驅動的運動支鏈連接，實現(xiàn)位置檢測。所述基座的結構是兩個電機支撐座和一個旋轉編碼器支撐座分別通過螺釘固定在一個法蘭盤上表面，所述兩個電機支撐座和旋轉編碼器支撐座均間隔120°。所述動平臺與三條運動支鏈活動鏈接的結構是第一、第二和第三三根動平臺連桿一端分別通過螺釘固定在動平臺下表面，三根動平臺連桿成120°周向均勻分布，三根動平臺連桿另一端分別通過第一、第二和第三球面副與所述三條支鏈的連桿連接，使動平臺呈內懸置凹形。所述三條運動支鏈的結構是一根第一主動連桿和一根第一從動連桿通過一個第一轉動副串聯(lián)，構成三個支鏈中第一支鏈，該第一支鏈的一端經過一個第一套筒通過平鍵與一個第一減速器輸出軸連接，該第一支鏈的另一端通過所述第一球面副與第一動平臺連桿連接；一根第二主動連桿和一根第二從動連桿通過一個第二轉動副串聯(lián)，構成三條支鏈中第二支鏈，該第二支鏈的一端經過一個第二套筒通過平鍵與一個第二減速器輸出軸連接，該第二支鏈的另一端通過一個第二球面副與第二動平臺連桿連接；第三支鏈是一根主連桿和一個次連桿通過一個第三轉動副串聯(lián)，該第三支鏈的一端通過一個聯(lián)軸器與一個旋轉編碼器軸連接，該第三支鏈的另一端通過一個第三球面副與第三動平臺連桿連接。所述兩個動力源結構為第一和第二兩個電機分別和第一第二兩個減速器連接在一起并分別通過螺栓連接固定在第一和第二兩個電機支撐座上，該兩個減速器輸出軸分別經過第一和第二兩個套筒通過平鍵與第一和第二兩個支鏈中的第一個和第二兩個主動連桿連接。所述位置檢測裝置結構為所述旋轉編碼器通過螺栓連接固定在一個旋轉編碼器支撐座上，所述旋轉編碼器軸通過所述聯(lián)軸器和所述主連桿連接。本發(fā)明的有益效果是制造裝配更加容易，精度高，剛度好，體積更小結構更加緊湊，成本低，重量更小。


圖1是新型三自由度欠驅動機構的俯視圖。圖2是圖1的A向視圖(順時針轉120° )。圖3是圖1的B向視圖(順時針轉120° )。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下實施例一
參見圖1一圖3，本新型三自由度欠驅動機構包括一個基座、一個動平臺(11)，三條結構相同軸對稱均勻布置的運動支鏈、兩個動力源和一個位置檢測裝置，其特征在于三條運動支鏈分別與動平臺(11)活動連接，這樣不僅便于加工裝配而且運動靈活；動平臺(11)朝基座方向下沉，呈內凹形，這可以使結構更加緊湊并增強機構的剛度；所述兩個電機(3、21)的直接驅動兩條運動支鏈，構成三條運動支鏈為欠驅動機構使動平臺(11)作三自由度運動，降低成本并減少了機構的重量；所述位置檢測裝置與欠驅動的運動支鏈連接，實現(xiàn)位
4置檢測。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于所述基座的結構是兩個電機支撐座(2、20)和一個旋轉編碼器支撐座(12)分別通過螺釘固定在一個法蘭盤(1)上表面，所述兩個電機支撐座(2、20)和旋轉編碼器支撐座(12)均間隔120°。所述動平臺(11)與三條運動支鏈活動連接的結構是第一、第二和第三三根動平臺連桿(10、觀、19) 一端分別通過螺釘固定在動平臺(11)下表面，三根動平臺連桿(10、觀、19)成120°周向均勻分布，三根動平臺連桿(10、觀、19)另一端分別通過第一、第二和第三球面副(9、27、18)與所述三條支鏈的連桿(8、26、17)連接，使動平臺呈內懸置凹形。所述三條運動支鏈的結構是一根第一主動連桿(6)和一根第一從動連桿(8)通過一個第一轉動副(7)串聯(lián)，構成三個支鏈中第一支鏈，該第一支鏈的一端經過一個第一套筒(5)通過平鍵與一個第一減速器(4)輸出軸連接，該第一支鏈的另一端通過所述第一球面副(9)與第一動平臺連桿(10)連接；一根第二主動連桿04)和一根第二從動連桿(26)通過一個第二轉動副(25)串聯(lián)，構成三條支鏈中第二支鏈，該第二支鏈的一端經過一個第二套筒(23)通過平鍵與一個第二減速器(22)輸出軸連接，該第二支鏈的另一端通過一個第二球面副(27)與第二動平臺連桿(28)連接；第三支鏈是一根主連桿(15)和一根次連桿(17)通過一個第三轉動副(16)串聯(lián)，該第三支鏈的一端通過一個聯(lián)軸器(14)與一個旋轉編碼器(13)軸連接，該第三支鏈的另一端通過第三球面副(18)與第三動平臺連桿(19)連接。所述兩個動力源結構為第一和第二兩個電機(3、21)分別和第一和第二兩個減速器(4、22)連接在一起并分別通過螺栓連接固定在第一和第二電機支撐座(2、20)上，該兩個減速器(4、22)輸出軸分別經過第一和第二兩個套筒(5、25)通過平鍵與第一和第二兩個支鏈中的第一和第二兩個主動連桿(6、24)連接。所述位置檢測裝置結構為所述旋轉編碼器(13)通過螺栓連接固定在一個旋轉編碼器支撐座(12)上，所述旋轉編碼器(13)軸通過所述聯(lián)軸器(14)和所述主連桿(15)連接。實施例三
如圖1一3所示，本新型三自由度欠驅動機構第一電機(3)和第二電機(21)分別和第一減速器(4)和第二減速器(22)連接在一起并分別通過螺栓連接固定在第一電機支撐座(2)和第二電機支撐座(20)上，旋轉編碼器(13)通過螺栓連接固定在旋轉編碼器支撐座(12)上，第一電機支撐座(2)、第二電機支撐座(20)和旋轉編碼器支撐座(12)分別通過螺釘固定在法蘭盤(1)上表面，第一電機支撐座(2)、第二電機支撐座(20)和旋轉編碼器支撐座(12)均間隔120°。第一、第二、第三三根動平臺連桿(10、觀、19) 一端分別通過螺釘固定在動平臺(11)下表面，三根動平臺連桿(10、觀、19)成120°周向均勻分布，動平臺呈內凹形。第一主動連桿(6)和第一從動連桿(8)通過第一轉動副(7)串聯(lián)，構成三個支鏈中第一支鏈，該第一支鏈的一端經過第一套筒(5)通過平鍵與第一減速器(4)輸出軸連接，該第一支鏈的另一端通過第一球面副(9)與第一動平臺連桿(10)連接；第二主動連桿04)和第二從動連桿(26)通過第二轉動副(25)串聯(lián)，構成三個支鏈中第二支鏈，該第二支鏈的一端經過第二套筒(23)通過平鍵與第二減速器(22)輸出軸連接，該第二支鏈的另一端通過第二球面副(27)與第二動平臺連桿(28)連接；第三條支鏈主連桿(15)和次連桿(17)通過第三轉動副(16)串聯(lián)，該支鏈的一端通過聯(lián)軸器(14)與旋轉編碼器(13)軸連接，該第三支鏈的另一端通過第三球面副(18)與第三動平臺連桿(19)連接。
本實施例的工作原理為兩個電機(3、21)經過兩個減速器(4、22)驅動機構的第一和第二支鏈運動，帶動動平臺運動，動平臺從而帶動第三個支鏈運動，旋轉編碼器(13)檢測第三支鏈的連桿(15)的轉角，同時該傳感器將該值傳給計算機，計算機根據(jù)這個值計算機構的逆運動學，求解出期望的兩個電機的輸入值，然后交給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進而控制電機的輸入，以達到動平臺的期望位置，從而實現(xiàn)對機構的控制。
權利要求
1.一種新型三自由度欠驅動機構，包括一個基座、一個動平臺(11)，三條結構相同軸對稱均勻布置的運動支鏈、兩個動力源和一個位置檢測裝置，其特征在于三條運動支鏈分別與動平臺(11)活動連接，這樣不僅便于加工裝配而且運動靈活；動平臺(11)朝基座方向下沉，呈內凹形，這可以使結構更加緊湊并增強機構的剛度；所述兩個電機(3、21)的直接驅動兩條運動支鏈，構成三條運動支鏈為欠驅動機構使動平臺(11)作三自由度運動，降低成本并減少了機構的重量；所述位置檢測裝置與欠驅動的運動支鏈連接，實現(xiàn)位置檢測。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型三自由度欠驅動機構，其特征在于所述基座的結構是兩個電機支撐座(2、20)和一個旋轉編碼器支撐座(12)分別通過螺釘固定在一個法蘭盤(1)上表面，所述兩個電機支撐座(2、20)和旋轉編碼器支撐座(12)均間隔120°。
3.根據(jù)權利要求2所述的新型三自由度欠驅動機構，其特征在于所述動平臺(11)與三條運動支鏈活動連接的結構是第一、第二和第三三根動平臺連桿(10、觀、19) 一端分別通過螺釘固定在動平臺(11)下表面，三根動平臺連桿(10、觀、19)成120°周向均勻分布，三根動平臺連桿(10、觀、19)另一端分別通過第一、第二和第三球面副(9、27、18)與所述三條支鏈的連桿(8、26、17)連接，使動平臺呈內懸置凹形。
4.根據(jù)權利要求1所述的新型三自由度欠驅動機構，其特征在于所述三條運動支鏈的結構是一根第一主動連桿(6)和一根第一從動連桿(8)通過一個第一轉動副(7)串聯(lián)，構成三個支鏈中第一支鏈，該第一支鏈的一端經過一個第一套筒(5)通過平鍵與一個第一減速器(4)輸出軸連接，該第一支鏈的另一端通過所述第一球面副(9)與第一動平臺連桿(10)連接；一根第二主動連桿04)和一根第二從動連桿(26)通過一個第二轉動副(25)串聯(lián)，構成三條支鏈中第二支鏈，該第二支鏈的一端經過一個第二套筒(23)通過平鍵與一個第二減速器(22)輸出軸連接，該第二支鏈的另一端通過一個第二球面副(27)與第二動平臺連桿(28)連接；第三支鏈是一根主連桿(15)和一根次連桿(17)通過一個第三轉動副(16)串聯(lián)，該第三支鏈的一端通過一個聯(lián)軸器(14)與一個旋轉編碼器(13)軸連接，該第三支鏈的另一端通過第三球面副(18 )與第三動平臺連桿(19 )連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的新型三自由度欠驅動機構，其特征在于所述兩個動力源結構為第一和第二兩個電機(3、21)分別和第一和第二兩個減速器(4、22)連接在一起并分別通過螺栓連接固定在第一和第二電機支撐座(2、20)上，該兩個減速器(4、22)輸出軸分別經過第一和第二兩個套筒(5、25)通過平鍵與第一和第二兩個支鏈中的第一和第二兩個主動連桿(6、24)連接。
6.根據(jù)權利要求4所述的新型三自由度欠驅動機構，其特征在于所述位置檢測裝置結構為所述旋轉編碼器(13)通過螺栓連接固定在一個旋轉編碼器支撐座(12)上，所述旋轉編碼器(13)軸通過所述聯(lián)軸器(14)和所述主連桿(15)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型三自由度欠驅動機構。它包括一個基座、一個動平臺、三條結構完全相同呈軸對稱分布的支鏈、兩個動力源和一個位置檢測裝置。三條支鏈分別和動平臺活動連接，動平臺朝基座方向下沉，呈內凹形，兩個驅動動力源直接驅動兩條運動支鏈，構成三條運動支鏈為欠驅動機構，使動平臺作三自由度運動；位置檢測裝置與欠驅動的運動支鏈連接，實現(xiàn)位置檢測。該發(fā)明易于加工裝配，運動靈活，結構緊湊且剛度好，采用欠驅動的方式，降低了成本減少了手腕部分的重量，可以用于并聯(lián)機器人、微動機器人等場合。
文檔編號B25J9/08GK102554914SQ20121000281
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者何斌, 劉麗蘭, 呂海峰, 曹進濤, 李靜, 楊浩, 沈南燕, 田應仲, 胡小梅, 蔡紅霞 申請人:上海大學