CN103676964A - 冗余并联机构 - Google Patents

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高涛
代小林
李晓成
马龙
彭孝国
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Abstract

本发明的冗余并联机构，包括顶部平台，以及至少两组支腿，各组支腿包括独立驱动的电动支腿和气动冗余支腿，支撑顶部平台的电动支腿均匀分布与顶部平台连接；各组支腿包括一条用于辅助电动支腿承重的与顶部平台相连接的气动冗余支腿。有益效果在于采用电动支腿驱动机构平台，使平台具有稳定性和控制性好等优势，同时增加的气动冗余支腿驱动提高了机构的承载能力，适用于重载情况。冗余驱动力由续压气囊提供，只在小范围内波动，可看作恒力，机构控制过程中可不考虑冗余支链的控制，无需对冗余驱动力进行优化，大大简化机构控制系统。续压气囊内压力会随着平台运动情况变化发生改变，平台动能与气体势能之间有相互转化，提高了利用效率。

Description

冗余并联机构
技术领域
本发明属机械设计领域，涉及多自由度平台并联技术，特别涉及一种气动冗余支腿辅助承重的气动冗余支腿与电动支腿并联的平台机构。
背景技术
并联机构具有结构刚度大、承载能力强及动态性能好等优点，被广泛应用于运动模拟、并联机床、操作器、微动机构等领域。尤其是在运动模拟领域，并联机构因其自由度控制等优势有着串联机构不可取代的地位。随着并联机构应用的不断拓展，各国学者对并联机构的研究也在不断深入，主要研究的着手点包括系统运动学及动力学分析，精度提高策略、系统控制策略、奇异性以及冗余性研究等方面。
目前，并联机构常用的驱动方式有电动驱动、气压驱动及液压驱动等几种。其中，电动驱动方式具有成本低及易维护等优势，但其承载力较弱；而气压驱动方式虽然易维护且安全可靠，但稳定性却不理想；相比而言，液压驱动方式驱动能力强，但却易污染、泄漏维护困难，所需的泵站、管路等设备成本较高，能力转换效率低。
在重载情况下，并联机构对承载能力的要求很高，一般采用液压驱动，为克服液压驱动方式自身存在的缺点，可采用在电驱动基础上增加冗余驱动的方式，使系统满足高承载、易维护、低成本的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的采用电动驱动方式的并联机构承载能力较弱，不能有效适应重载情况，而单独使用气压驱动方式又具有稳定性查的问题，提出一种适用于重载情况的冗余并联机构。
本发明的技术方案为：一种冗余并联机构，包括顶部平台，其特征在于，包括至少两组支腿，各组支腿包括独立驱动的电动支腿和气动冗余支腿，支撑顶部平台的电动支腿均匀分布与顶部平台连接；各组支腿包括一条用于辅助电动支腿承重的与顶部平台相连接的气动冗余支腿。
进一步的，气动冗余支腿包括用于提供冗余承载动力的续压气囊。
进一步的，电动支腿及气动冗余支腿与顶部平台均通过虎克铰相连接。
进一步的，系统包括底座，电动支腿及气动冗余支腿均通过虎克铰与底座相连接。
进一步的，每组支腿包括两条电动支腿，两条电动支腿的驱动相互独立。
进一步的，气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间。
进一步的，机构包括三组支腿，每组支腿包括两条驱动相互独立的电动支腿和一条气动冗余支腿，气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间，组成六自由度冗余并联机构。
本发明的有益效果：本发明的冗余并联机构主要采用电动支腿驱动机构平台，使平台具有电动驱动并联机构的成本低、易维护、稳定性和控制性好等优势，避免了液压驱动的缺点，同时增加的气动冗余支腿驱动提高了机构的承载能力，适用于重载情况。冗余驱动力由续压气囊提供，只在小范围内波动，可看作恒力，机构控制过程中可不考虑冗余支链的控制，无需对冗余驱动力进行优化，大大简化机构控制系统。续压气囊内压力会随着平台运动情况变化发生改变，平台动能与气体势能之间有相互转化，提高了利用效率。
附图说明
图1是本发明的冗余并联机构的结构示意图；
图2是本发明的冗余并联机构的系统原理图；
图3是本发明的冗余并联机构的电动支腿结构示意图；
图4是本发明的冗余并联机构的气动冗余支腿结构示意图。
附图标记说明：顶部平台1，电动支腿2，电机21，丝杠22，螺母23，推杆24，同步带25，底座3，虎克铰4，气动冗余支腿5，气缸51，气口52，气口53，活塞54，推杆55，密封圈56，气压泵6，伺服阀7，气压表8。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示，本实施例的一种冗余并联机构，包括顶部平台1，包括至少两组支腿，各组支腿包括独立驱动的电动支腿2和气动冗余支腿5，支撑顶部平台的电动支腿均匀分布与顶部平台连接；各组支腿包括一条用于辅助电动支腿承重的与顶部平台相连接的气动冗余支腿。气动冗余支腿包括用于提供冗余承载动力的续压气囊。
具体的，电动支腿及气动冗余支腿与顶部平台均通过虎克铰4相连接。机构系统还包括底座3，电动支腿及气动冗余支腿均通过虎克铰与底座相连接。
作为优选方案，本实施例的每组支腿包括两条电动支腿2，两条电动支腿的驱动相互独立。气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间。
考虑通常的使用环境，本实施例的冗余并联机构优选采用三组支腿的结构，且每组支腿具体的包括两条驱动相互独立的电动支腿和一条气动冗余支腿，气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间，组成六自由度冗余并联机构。
上述的优选的六自由度冗余并联机构通过三条气动冗余支腿辅助电动支腿进行平台驱动，弥补了重载时电动并联机构驱动力不足的问题。并具体包括一个顶部平台、三个底座、6条电动支腿和三条气动冗余支腿，电动支腿用于完成顶部平台各类运动，气动冗余支腿用于平衡顶部平台及负载产生的重力。
参见图1至图4，上述实施例的六自由度冗余并联机构中顶部平台上固定有胡克铰分别与电动支腿和气动支腿间形成转动副。
如图4所示，系统中气动支腿的驱动组件包括气压泵6、伺服阀7、气压表8、续压气囊和气缸51，气缸51具有进出气的气口52和53。气缸内的活塞54在气压的推动下带动推杆55运动以支撑顶部平台，为了保证气缸的密封效果，在气缸内采用了密封圈56。气体由进气口进入推动活塞带动推杆完成平动。如图3所示，电动缸由电机21，丝杠22，螺母23，推杆24和同步带25组成，电机经同步带带动丝杠转动，再通过丝杠上螺母带动推杆实现平动。
六自由度冗余并联机构的工作原理是：由电动支杆驱动上平台完成所需运动。续压气囊中充满压缩空气为条气动支杆提供推力以平衡负载与上平台产生的重力，使6条电动支腿所承担的驱动力减小，达到提高系统整体驱动能力的目的。续压气囊中压缩空气的压力随运动情况变化而小幅变化，类似一个气弹簧，其势能与平台动能之间可相互转化提高了能量利用效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.冗余并联机构，包括顶部平台，其特征在于，包括至少两组支腿，各组支腿包括独立驱动的电动支腿和气动冗余支腿，支撑顶部平台的电动支腿均匀分布与顶部平台连接；各组支腿包括一条用于辅助电动支腿承重的与顶部平台相连接的气动冗余支腿。
2.根据权利要求1所述的冗余并联机构，其特征在于，气动冗余支腿包括用于提供冗余承载动力的续压气囊。
3.根据权利要求1或2所述的冗余并联机构，其特征在于，电动支腿及气动冗余支腿与顶部平台均通过虎克铰相连接。
4.根据权利要求1至3之任一项权利要求所述的冗余并联机构，其特征在于，系统包括底座，电动支腿及气动冗余支腿均通过虎克铰与底座相连接。
5.根据权利要求4所述的冗余并联机构，其特征在于，每组支腿包括两条电动支腿，两条电动支腿的驱动相互独立。
6.根据权利要求4或5所述的冗余并联机构，其特征在于，气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间。
7.根据权利要求6所述的冗余并联机构，其特征在于，机构包括三组支腿，每组支腿包括两条驱动相互独立的电动支腿和一条气动冗余支腿，气动冗余支腿安装在两条电动支腿之间，组成六自由度冗余并联机构。
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