《六自由度3-3正交型並在線上器人》是上海交通大學於2013年7月1日申請的專利，該專利的申請號為2013102717122，公布號為CN103381601A，授權公布日為2013年11月6日，發明人是高峰、金振林、曹睿、張勇、齊臣坤、趙現朝。
《六自由度3-3正交型並在線上器人》公開了一種六自由度3-3正交型並在線上器人，包括運動平台、固定機架以及設定於運動平台和固定機架之間且連線運動平台和固定機架的機械支鏈組，所述機械支鏈組包括六條採用3-3式正交布置的機械支鏈。3-3式正交布置即六條機械支鏈分成兩組，每組三條。第一組三條機械支鏈的三個驅動器方向鈾線處於同一平面內，且兩兩之間成120度角，但並不交於一點；另外一組三條機械支鏈的驅動器方向軸線相互平行但不共面，且與第一組三條機械支鏈的方向軸線兩兩正交。該發明具有系統剛性高，定位精度高，動態回響特性好，剛度、承載等機械特性的各向同性好，占地空間小，能耗低，使用壽命長，製造成本低，維護費用少，無污染等優點。
2018年12月20日，《六自由度3-3正交型並在線上器人》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《六自由度3-3正交型並在線上器人》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：六自由度3-3正交型並在線上器人
- 公布號：CN103381601A
- 授權日：2013年11月6日
- 申請號：2013102717122
- 申請日：2013年7月1日
- 申請人：上海交通大學
- 地址：上海市閔行區東川路800號
- 發明人：高峰、金振林、曹睿、張勇、齊臣坤、趙現朝
- Int.Cl.：B25J9/00(2006.01)I; B25J9/12(2006.01)I
- 代理機構：上海漢聲智慧財產權代理有限公司
- 代理人：郭國中
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
多自由度並在線上器人套用十分廣泛，可用於並聯加工工具機、微操作機器人、運動模擬器（如飛機訓練模擬系統、地震模擬試驗系統）等領域。截至2013年7月，廣泛採用斯蒂瓦特（Stewart）機構，（參見文獻《一種六自由度並聯平台》）（D.Stewart.Aplatform with SixDegrees of freedom.Proc.of the Institution of Mechanical Engineers.London，UK，1965，180（15）：371-386）），由六個輸入獲得六個輸出自由度。這類平台具有承載能力大，剛度高，結構穩定，精度高，加速度大等特點。
分析斯蒂瓦特結構並在線上器人具有以下不足：
1、由於驅動的布置方式限制，使得6個驅動力高度耦合，給解耦計算帶來了困難，不利於機構的控制；
2、由於支鏈均位於運動平台的下方，使得機構的各向同性度較差；
3、由於機構限制，一般採用只能大型伺服油缸驅動，並配備大型儲能裝置，因此設備龐大，製造維護費用高，液壓油易泄露、造成環境污染；
4、由於液壓缸本身剛度相對較低，動態回響延遲較大，影響了系統整體的剛度及回響特性；
5、在並在線上器人的運動平台運動過程中，質量較大的驅動系統也要隨之進行擺動，這部分附加的質量及轉動慣量不僅耗費能源，還降低了整體系統的動態回響特性；
6、由於驅動支鏈布置方式的限制，占地空間相對較大。
發明內容
專利目的
《六自由度3-3正交型並在線上器人》針對2013年7月之前技術中存在的上述不足，提供了一種六自由度3-3正交型並在線上器人。
技術方案
《六自由度3-3正交型並在線上器人》是通過以下技術方案實現的。
一種六自由度3-3正交型並在線上器人，包括運動平台、固定機架以及設定於運動平台和固定機架之間且連線運動平台和固定機架的機械支鏈組，所述機械支鏈組包括六條採用3-3式正交布置的機械支鏈。
所述每一條機械支鏈均包括直線驅動器和剛性定長連桿，其中，所述直線驅動器固定於固定機架上，所述剛性定長連桿的一端設有球鉸，剛性定長連桿的另一端設有虎克鉸或球鉸，所述直線驅動器的一端與剛性定長連桿的一端通過球鉸或虎克鉸連線，所述剛性定長連桿的另一端通過球鉸或虎克鉸與運動平台連線。
所述剛性定長連桿與運動平台相連線的一端，其球鉸或虎克鉸為六個，六個球鉸或虎克鉸呈中心對稱的方式分布於運動平台上。
所述直線驅動器包括如下部件：
-電機；
-聯軸器；
-滾珠絲槓；
-滑塊；
-導軌；
所述電機通過聯軸器與滾珠絲槓剛性連線，所述滾珠絲槓與滑塊相連線，所述滑塊設定在導軌上並沿著導軌限定的運動方向做直線運動，所述滑塊的一端通過球鉸或虎克鉸與剛性定長連桿的一端連線，從而實現直線驅動器與剛性定長連桿的連線，其中，電機通過聯軸器帶動滾珠絲槓轉動，進而驅動滑塊在導軌上沿著導軌限定的方向做直線運動。
所述3-3式正交布置具體為，六條機械支鏈分成兩組，每一組均設有三條機械支鏈，其中，第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線處於同一個平面內，兩兩機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線之間成120度角且不交於同一點；第二組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線相互平行但不共面，且與第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線兩兩正交。
所述第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線和第二組中三條機械支鏈的直線驅動器運動方向軸線均為構成每一條機械支鏈的導軌限定的運動方向軸線。
所述固定機架為固定在地面上的剛性支架；所述運動平台為剛性平台，運動平台的輸出為六自由度3-3正交型並在線上器人提供六維運動空間。
所述剛性定長連桿兩端的鉸鏈可以任意設計為球鉸或者是虎克鉸，但不能兩端都是虎克鉸，其中，球鉸可以由虎克鉸串聯轉動副組成，或三個轉動副串聯組成，也可以是直接加工封裝而成的球鉸。
所述直線驅動器還可以採用齒輪齒條、直線電機、液壓油缸或其他公知的直線驅動裝置。當採用這些驅動裝置時，直線驅動器的運動方向軸線由所採用的機構所限定的（或能提供的）直線運動的方向來確定。
《六自由度3-3正交型並在線上器人》提供的六自由度3-3正交型並在線上器人，其運動平台和固定機架之間通過六條機械支鏈並聯，其中每一條機械支鏈均包括一根剛性定長連桿及直線驅動器，每一根剛性定長連桿的一端與運動平台使用虎克鉸或球鉸連線，另一端使用球鉸或虎克鉸與直線驅動器連線；六條機械支鏈採用“3-3”式正交布置。
改善效果
《六自由度3-3正交型並在線上器人》與2013年7月之前技術相比，具有系統剛性高，動態回響特性好，精度高，剛度、承載等機械特性的各向同性好，占地空間小，能耗低，使用壽命長，製造成本低，維護費用少以及無污染等特點。
附圖說明
圖1為《六自由度3-3正交型並在線上器人》六自由度3-3正交型並在線上器人結構示例圖；
圖中：1為運動平台，2為固定機架，31為第一虎克鉸，32為第二虎克鉸，33為第三虎克鉸，34為第四虎克鉸，35為第五虎克鉸，36為第六虎克鉸，41為第一剛性定長連桿，42為第二剛性定長連桿，43為第三剛性定長連桿，44為第四剛性定長連桿，45為第五剛性定長連桿，46為第六剛性定長連桿，51為第一球鉸，52為第二球鉸，53為第三球鉸，54為第四球鉸，55為第五球鉸，56為第六球鉸，61為第一滑塊，62為第二滑塊，63為第三滑塊，64為第四滑塊，65為第五滑塊，66為第六滑塊，71為第一導軌，72為第二導軌，73為第三導軌，74為第四導軌，75為第五導軌，76為第六導軌，81為第一電機，82為第二電機，83為第三電機，85為第五電機，86為第六電機。
技術領域
《六自由度3-3正交型並在線上器人》涉及機械學技術領域的六自由度並在線上器人，具體是一種六自由度3-3正交型並在線上器人。
權利要求
1.一種六自由度3-3正交型並在線上器人，其特徵在於，包括運動平台、固定機架以及設定於運動平台和固定機架之間且連線運動平台和固定機架的機械支鏈組，所述機械支鏈組包括六條採用3-3式正交布置的機械支鏈；每一條機械支鏈均包括直線驅動器和剛性定長連桿，其中，所述直線驅動器固定於固定機架上，所述剛性定長連桿的兩端分別設有球鉸或虎克鉸，且所述剛性定長連桿的兩端中至少有一端設有球鉸；所述直線驅動器的一端與剛性定長連桿的一端通過球鉸或虎克鉸連線，所述剛性定長連桿的另一端通過球鉸或虎克鉸與運動平台連線；所述3-3式正交布置具體為，六條機械支鏈分成兩組，每一組均設有三條機械支鏈，其中，第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線處於同一個平面內，兩兩機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線之間成120度角且不交於同一點；第二組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線相互平行但不共面，且與第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線兩兩正交。
2.根據權利要求1所述的六自由度3-3正交型並在線上器人，其特徵在於，所述剛性定長連桿與運動平台相連線的一端，其球鉸或虎克鉸為六個，六個球鉸或虎克鉸呈中心對稱的方式分布於運動平台上。
3.根據權利要求1所述的六自由度3-3正交型並在線上器人，其特徵在於，所述直線驅動器包括如下部件：-電機；-聯軸器；-滾珠絲槓；-滑塊；-導軌；所述電機通過聯軸器與滾珠絲槓剛性連線，所述滾珠絲槓與滑塊相連線，所述滑塊設定在導軌上並沿著導軌限定的運動方向做直線運動，所述滑塊的一端通過球鉸或虎克鉸與剛性定長連桿的一端連線，從而實現直線驅動器與剛性定長連桿的連線，其中，電機通過聯軸器帶動滾珠絲槓轉動，進而驅動滑塊在導軌上沿著導軌限定的方向做直線運動。
4.根據權利要求1所述的六自由度3-3正交型並在線上器人，其特徵在於，所述第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線和第二組中三條機械支鏈的直線驅動器運動方向軸線均為構成每一條機械支鏈的導軌限定的運動方向軸線。
5.根據權利要求1所述的六自由度3-3正交型並在線上器人，其特徵在於，所述固定機架為固定在地面上的剛性支架；所述運動平台為剛性平台，運動平台的輸出為六自由度3-3正交型並在線上器人提供六維運動空間。
實施方式
該實施例在以《六自由度3-3正交型並在線上器人》技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對該領域的普通技術人員來說，在不脫離《六自由度3-3正交型並在線上器人》構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於《六自由度3-3正交型並在線上器人》的保護範圍。
如圖1所示，該實施例提供了一種六自由度3-3正交型並在線上器人，包括運動平台、固定機架以及設定於運動平台和固定機架之間且連線運動平台和固定機架的機械支鏈組，所述機械支鏈組包括六條採用3-3式正交布置的機械支鏈。
進一步地，所述每一條機械支鏈均包括直線驅動器和剛性定長連桿，其中，所述直線驅動器固定於固定機架上，所述剛性定長連桿的一端設有球鉸，剛性定長連桿的另一端設有虎克鉸或球鉸，所述直線驅動器的一端與剛性定長連桿的一端通過球鉸或虎克鉸連線，所述剛性定長連桿的另一端通過球鉸或虎克鉸與運動平台連線。
進一步地，所述剛性定長連桿與運動平台相連線的一端，其球鉸或虎克鉸為六個，六個球鉸或虎克鉸呈中心對稱的方式分布於運動平台上。
進一步地，所述直線驅動器包括如下部件：
-電機；
-聯軸器；
-滾珠絲槓；
-滑塊；
-導軌；
所述電機通過聯軸器與滾珠絲槓剛性連線，所述滾珠絲槓與滑塊相連線，所述滑塊設定在導軌上並沿著導軌限定的運動方向做直線運動，所述滑塊的一端通過球鉸或虎克鉸與剛性定長連桿的一端連線，從而實現直線驅動器與剛性定長連桿的連線，其中，電機通過聯軸器帶動滾珠絲槓轉動，進而驅動滑塊在導軌上沿著導軌限定的方向做直線運動。
進一步地，所述3-3式正交布置具體為，六條機械支鏈分成兩組，每一組均設有三條機械支鏈，其中，第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線處於同一個平面內，兩兩機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線之間成120度角且不交於同一點；第二組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線相互平行但不共面，且與第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線兩兩正交。
進一步地，所述第一組中三條機械支鏈的直線驅動器的運動方向軸線和第二組中三條機械支鏈的直線驅動器運動方向軸線均為構成每一條機械支鏈的導軌限定的運動方向軸線。
進一步地，所述固定機架為固定在地面上的剛性支架；所述運動平台為剛性平台，運動平台的輸出為六自由度3-3正交型並在線上器人提供六維運動空間。
在該實施例中，所述剛性定長連桿兩端的鉸鏈可以任意設計為球鉸或者是虎克鉸，但不能兩端都是虎克鉸，其中，球鉸可以由虎克鉸串聯轉動副組成，或三個轉動副串聯組成，也可以是直接加工封裝而成的球鉸；所述直線驅動器還可以採用齒輪齒條、直線電機、液壓油缸或其他公知的直線驅動裝置。
具體為：
固定機架2是一個安置在地上的剛性支架，作用是固定安裝六條機械支鏈的直線驅動器，並保持它們之間的相對位置姿態關係，固定機架2可以由鋼架、水泥墩等任意高強度的剛性結構構成，能維持六個驅動器的相對位姿即可，並不限於圖中的結構。
運動平台1是一個剛性的平台結構，並在線上器人的六維空間運動就是由運動平台1來輸出實現的，設定在運動平台1上的六個中心對稱分布的虎克鉸（數字標號分別為11，12，13，14，15，16）實現運動平台1與六條機械支鏈的剛性定長連桿（數字標號分別為41，42，43，44，45，46）的連線。
第i（i=1~6）條機械支鏈的構成為：電機（8i）通過聯鈾器與滾珠絲槓剛性連線並帶動其轉動，從而驅動滑塊（6i）在導軌（7i）上沿右導軌（7i）限定的方向做直線運動，這一部分統稱為直線驅動器，直線驅動器的驅動方向軸線也就是導軌（7i）的運動方向軸線。導軌（7i）固連在機架上。直線驅動器的末端，即滑塊（6i）的末端通過球鉸（5i）與一個剛性定長連桿（4i）的一端相連，剛性定長連桿（4i）的另一端通過虎克鉸（3i）和運動平台（1）連線。從電機（8i）至虎克鉸（3i）的這部分機械結構，我們把它統稱為一條機械支鏈。
六條機械支鏈採用“3-3”正交的形式進行布置，“3-3”表示六條支鏈分成兩組，每組三條支鏈。第一組三條支鏈的三個導軌（數字標號分別為71、72、73）的運動方向鈾線處於同一平面內，且兩兩之間成120度角，但並不交於同一點；另外一組三條支鏈的三個導軌（數字標號分別為74、75、76）的運動方向軸線相互平行但不共面，且與第一組的三個導軌（數字標號分別為71、72、73）的方向軸線兩兩正交。
六個電機（數字標號分別為81，82，......，86）驅動六條機械支鏈協同工作，帶動運動平台1產生六維運動。直線驅動器並不限於本文所述的絲槓滑塊的形式，還可以採用齒輪齒條、直線電機、或者液壓油缸等任何公知的直線驅動形式進行驅動。在任意一條支鏈i（i=1~6）中，剛性定長連桿（4i）的兩端可以任意設為虎克鉸或者球鉸，但是兩者之中，至少要有一個是球鉸，其中球鉸可以由一個虎克鉸串聯一個轉動副組成，或三個轉動副串聯組成，也可以是直接加工封裝而成的球鉸。
該實施例提供的六自由度3-3正交型並在線上器人，其運動平台和固定機架之間通過六條並在線上械支鏈連線。每條支鏈均由一恨定長連桿及直線驅動器組成。每個定長連桿的一端與運動平台使用虎克鉸連線，另一端使用球鉸和直線驅動器連線。六條支鏈採用“3-3”式正交布置。
由於驅動器與固定機架固連，使得參與運動的部件總質量大大降低，提高了整體系統的動態回響特性，同時也節約了能源；六條機械支鏈的“3-3”式正交布置使得驅動力基本解耦，三個豎直方向上的機械支鏈主要承擔縱向力以及水平面內的兩個轉矩。而水平布置的三條機械支鏈的三個驅動器主要承擔水平力以及豎直方向的轉矩，這種對稱的正交式布置形式使得各個驅動器在運動過程中平均受力基本相同，進一步使得並在線上器人的剛度、承載等機械性能具有較高的各向同性；由於採用機械電器驅動系統取代2013年7月之前的液壓驅動系統，解決了設備龐大，製造維護費用高，液壓油易泄露、污染環境等問題；機械電器驅動系統具有更高的剛度和更快的回響，提高了實驗體統整體的剛度和動態回響特性；由於本機構結構較為緊湊，其占地空間也相對較小。
以上對《六自由度3-3正交型並在線上器人》的具體實施例進行了描述。需要理解的是，《六自由度3-3正交型並在線上器人》並不局限於上述特定實施方式，該領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響《六自由度3-3正交型並在線上器人》的實質內容。
榮譽表彰
2018年12月20日，《六自由度3-3正交型並在線上器人》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
