CN104819838B - 一种混合驱动可重构五杆机构实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器与机构技术领域，具体涉及一种混合驱动可重构五杆机构实验台。本发明主要解决现有技术中的五杆模型刚性差、运动空间小、不能快速重构、原动件起始角读取困难的问题。本发明一种混合驱动可重构五杆机构实验台，包括工作平台、可重构五杆机构和机架长度调节装置，工作平台与机架长度变化装置通过螺栓固定连接，形成五杆机构的卧式工作空间。机架长度变化装置通过步进电机驱动滚珠丝杠旋转带动丝母滑块进行直线滑动，实现机架长度变化。可重构五杆机构采用模块化设计，可以实现原动件同轴心、原动件不同轴心、原动件中性面共面的三种重构模式。
Description
技术领域
本发明涉及机器与机构技术领域，具体涉及一种混合驱动可重构五杆机构实验台。
背景技术
混合驱动可控机构是一个多自由度机构，其同时采用实时不可控电机和实时可控电机作为动力源，两种类型的输入运动通过一个多自由度机构合成后产生所需的输出运动。混合驱动可控机构的运动合成机构可以有多种形式，目前多为二自由度五杆机构。这种机构结构紧凑、柔性好，构型尺寸和运动输入变化大，为机构动力学性能优化提供较大的空间，作为闭环并联机械手和机器人的主体运动机构，广泛用于从事微小零部件精密取放、组装、排列与包装作业领域。
专利201310452325.9公开了一种平面五杆柔顺关节并联机器人实验装置，专利201120237947.6公开了一种具有同时输出大力矩和高速度特性的两自由度可控五杆机构，专利200820190530.7公开了一种能实现任意运动轨迹的受控平面五杆机构试验台。以上各种形式的五杆机构，工作平面都为立式，具有运动空间小、运动性能稳定性差、机构刚性差的不足；五杆机构机架长度固定，五杆机构没有可重构的特性。混合五杆机构实际作为机器人应用之前，需要对其运动学与动力学性能进行试验测试，但经专利与文献检索目前尚未有混合驱动可重构五杆机构的实验台报道。
发明内容
本发明主要针对现有技术中的五杆模型刚性差、运动空间小、不能快速重构、原动件起始角读取困难的问题，提供一种工作空间大，动力装置多样化，组装拆卸灵活的混合驱动可重构五杆机构实验台。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案为：
一种混合驱动可重构五杆机构实验台，包括工作平台、可重构五杆机构和机架长度调节装置，所述工作平台包括八条A型带槽型材、四条B型带槽型材、地脚螺栓、坐标台面和II号伺服电机，八条A型带槽型材构成两个等边矩形框，两个等边矩形框呈上下两层分布，且上下两个等边矩形框通过螺栓与B型带槽型材相连接，坐标台面设置在上层的等边矩形框上，地脚螺栓设置在B型带槽型材的下端面，II号伺服电机的电机支座设置在坐标台面的下表面上，II号伺服电机的电机轴延伸到坐标台面的上方；
所述机架长度调节装置包括L型支架、C型带槽型材、I号步进电机、左联轴器、右联轴器、I号伺服电机、左丝母滑块、两组原动件起始角测量装置、II号步进电机、右丝母滑块、第一滚珠丝杠、两根导向轴、第二滚珠丝杠、两组支座、III号步进电机和底板，底板通过C型带槽型材和L型支架设置在坐标台面的上方，两组支座对称设置在底板的两端，两根导向轴呈前后对称状态设置在两组支座之间，第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠也呈前后对称状态设置在两组支座之间，且第一滚珠丝杠位于后侧的导向轴的外侧，第二滚珠丝杠位于前侧的导向轴的外侧，第一滚珠丝杠的左端延伸到左端的支座的左侧并与左联轴器的一端连接，左联轴器的另一端与I号步进电机的电机轴连接，I号步进电机的电机支座固定在底板上，第二滚珠丝杠的右端延伸到右端的支座的右侧并与右联轴器的一端连接，右联轴器的另一端与III号步进电机的电机轴连接，III号步进电机的电机支座固定在底板上，左丝母滑块和右丝母滑块通过本身具有的四孔分别与第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠和两根导向轴进行同轴心连接，I号伺服电机的电机支座装在左丝母滑块上，II号步进电机的电机支座装在右丝母滑块上，两组原动件起始角测量装置的测量电机轴分别装在I号伺服电机的电机轴和II号步进电机的电机轴上；
所述可重构五杆机构包括Ⅰ号原动件、Ⅱ号原动件、Ⅰ号连杆、Ⅱ号连杆、Ⅰ号配垫套筒和I号连接芯轴，Ⅰ号原动件的一端与II号伺服电机的电机轴或者I号伺服电机的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件的下端面与坐标台面平行，Ⅰ号原动件的另一端与Ⅰ号连杆的一端相连接，Ⅰ号连杆的另一端与Ⅱ号连杆的一端相连接，Ⅱ号连杆的另一端通过I号连接芯轴与Ⅱ号原动件的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒套装在I号连接芯轴外，Ⅱ号原动件的另一端与II号步进电机的电机轴同步连接。
本发明所述的原动件起始角测量装置包括测量外壳，在测量外壳的外表面上设置刻度，在测量外壳的中心处设置测量电机轴，在测量电机轴的顶端设置指针，指针与刻度匹配使用，在测量外壳内测量电机轴的中下部设置动圆盘，在动圆盘上沿动圆盘圆周方向上均匀设置若干小孔，在测量外壳内位于动圆盘的上方设置静圆盘，在静圆盘上设置光电传感器，测量电机轴的底端与II号步进电机或I号伺服电机的电机轴相连接。使用时指针在测量外壳的外表面的刻度上所指的位置即为原动件的起始角位置，由于动圆盘与指针及测量电机轴为同轴心固定装配，并且动圆盘上沿圆周方向设置均布小孔，动圆盘在测量电机轴的带动下进行旋转，当经过光电传感器时会产生明暗交错的光信号，光电传感器将光信号转为数字信号，供电脑采集进行处理，这样就可以自动测量原动件的起始角以及旋转角。
进一步地,本发明所述的II号伺服电机的电机轴与II号步进电机的电机轴可在同一条直线上，也可不在同一条直线上。
本发明所述的可重构五杆机构还包括Ⅱ号配垫套筒和Ⅱ号连接芯轴，Ⅰ号原动件的一端与I号伺服电机的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件的下端面与坐标台面平行，Ⅰ号原动件的另一端通过Ⅱ号连接芯轴与Ⅰ号连杆的一端相连接，Ⅱ号配垫套筒套装在Ⅱ号连接芯轴外，Ⅰ号连杆的另一端与Ⅱ号连杆的一端相连接，Ⅱ号连杆的另一端通过I号连接芯轴与Ⅱ号原动件的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒套装在I号连接芯轴外，Ⅱ号原动件的另一端与II号步进电机的电机轴同步连接，且Ⅰ号原动件与Ⅱ号原动件的对称中性面共面。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
1、本发明的坐标台面即工作平台与机架长度调节装置固定连接，形成五杆机构的卧式工作空间，区别于传统的立式工作空间。卧式工作空间具有工作平面范围广、运动性能稳定、原动件的起始角容易控制、并且可以在杆件的铰接处安放加速度，应力等传感器，为五杆机构的运动学，动力学分析提供有力的实验基础。
2、本发明的II号步进电机或I号伺服电机与原动件起始角测量装置共轴驱动，可以直接从原动件起始角测量装置读出原动件的起始角，为研究原动件起始角对混合驱动五杆机构运动学与动力学特性的影响规律奠定了实验基础。
3、本发明可以实现五杆机构的三种构型，包括原动件同轴心重构模式、原动件不同轴心重构模式、原动件对称中性面共面重构模式，实现了五杆机构的模块化、可重构设计。机架长度调节装置可以改变五杆机构的机架长度。原动件的驱动装置采用伺服电机和步进电机混合驱动方式，通过可编程控制器制定不同的控制策略，输出预期可控轨迹。本发明为混合驱动五杆机构运动学与动力学特性规律研究奠定实验基础，有利于混合驱动五杆机构在从事微小零部件精密取放作业、组装、排列与包装领域的推广应用。
附图说明：
图1为本发明混合驱动可重构五杆机构实验台的等轴测三维结构示意图；
图2为本发明混合驱动可重构五杆机构实验台的正面结构示意图；
图3为本发明左丝母滑块等轴测三维结构示意图；
图4为本发明右丝母滑块等轴测三维结构示意图；
图5为本发明混合驱动可重构五杆机构原动件初始角测量装置的剖面结构示意图；
图6为本发明原动件不同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台等轴测三维结构示意图；
图7为本发明原动件不同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台正面结构示意图；
图8为本发明原动件同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台等轴测三维结构示意图；
图9为本发明原动件同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台正面结构示意图；
图10为本发明原动件对称中性面共面重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台等轴测三维结构示意图；
图11为本发明原动件对称中性面共面重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台正面结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，一种混合驱动可重构五杆机构实验台，包括工作平台、可重构五杆机构和机架长度调节装置，所述工作平台包括八条A型带槽型材1、四条B型带槽型材3、地脚螺栓2、坐标台面4和II号伺服电机26，八条A型带槽型材1构成两个等边矩形框，两个等边矩形框呈上下两层分布，且上下两个等边矩形框通过螺栓与B型带槽型材3相连接，坐标台面4设置在上层的等边矩形框上，构成工作平台，地脚螺栓2设置在B型带槽型材3的下端面作为工作台面的支撑脚，II号伺服电机26的电机支座设置在坐标台面4的下表面上，II号伺服电机26的电机轴延伸到坐标台面4的上方；
所述机架长度调节装置包括L型支架5、C型带槽型材6、I号步进电机7、左联轴器8、右联轴器29、I号伺服电机9、左丝母滑块10、两组原动件起始角测量装置11、II号步进电机12、右丝母滑块13、第一滚珠丝杠14、两根导向轴15、第二滚珠丝杠16、两组支座17、III号步进电机18和底板19，底板19通过C型带槽型材6和L型支架5设置在坐标台面4的上方，两组支座17对称设置在底板19的两端，两根导向轴15呈前后对称状态设置在两组支座17之间，第一滚珠丝杠14和第二滚珠丝杠16也呈前后对称状态设置在两组支座17之间，且第一滚珠丝杠14位于后侧的导向轴15的外侧，第二滚珠丝杠16位于前侧的导向轴15的外侧，第一滚珠丝杠14的左端延伸到左端的支座17的左侧并与左联轴器8的一端连接，左联轴器8的另一端与I号步进电机7的电机轴连接，I号步进电机7的电机支座固定在底板19上，第二滚珠丝杠16的右端延伸到右端的支座17的右侧并与右联轴器29的一端连接，右联轴器29的另一端与III号步进电机18的电机轴连接，III号步进电机18的电机支座固定在底板19上，左丝母滑块10和右丝母滑块13通过本身具有的四孔分别与第一滚珠丝杠14、第二滚珠丝杠16和两根导向轴15进行同轴心连接，I号伺服电机9的电机支座装在左丝母滑块10上，II号步进电机12的电机支座装在右丝母滑块13上，两组原动件起始角测量装置11的测量电机轴分别装在I号伺服电机9的电机轴和II号步进电机12的电机轴上，与I号伺服电机9的电机轴和II号步进电机12构成同轴旋转，I号步进电机7旋转，通过左联轴器28带动第一滚珠丝杆14旋转，进而驱动左丝母滑块10直线滑动；III号步进电机18旋转，通过右联轴器29带动第二滚珠丝杆16旋转，进而驱动右丝母滑块13直线滑动，从而实现了机架长度的调节。
如图3所示，左丝母滑块10的右侧面上中央处从前到后依次分布有第一滚珠丝杠传动螺纹通孔10.1，两个导向轴通孔10.2，第二滚珠丝杠通孔10.3；左丝母滑块10的顶面上正中央处设置有I号伺服电机轴通孔10.4，和四个呈矩形均布的I号伺服电机底座安装孔10.5。
如图4所示，右丝母滑块13的右侧面上中央处从后到前依次分布有第二滚珠丝杠传动螺纹孔13.1，两个导向轴通孔13.2，第一滚珠丝杠通孔13.3；右丝母滑块13的顶面上正中央处设置有II号步进电机轴通孔13.4，和四个呈矩形均布的II号步进电机底座安装孔13.5。
所述可重构五杆机构包括Ⅰ号原动件20、Ⅱ号原动件23、Ⅰ号连杆21、Ⅱ号连杆22、Ⅰ号配垫套筒24和I号连接芯轴25，Ⅰ号原动件20的一端与II号伺服电机26的电机轴或者I号伺服电机9的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件20的下端面与坐标台面4平行，Ⅰ号原动件20的另一端与Ⅰ号连杆21的一端相连接，Ⅰ号连杆21的另一端与Ⅱ号连杆22的一端相连接，Ⅱ号连杆22的另一端通过I号连接芯轴25与Ⅱ号原动件23的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒24套装在I号连接芯轴25外，Ⅱ号原动件23的另一端与II号步进电机12的电机轴同步连接，通过可编程控制器制定不同的控制策略，使得II号步进电机12与II号伺服电机26带动五杆机构输出预期可控的轨迹。
如图5所示，本发明所述的原动件起始角测量装置包括测量外壳11.1，在测量外壳11.1的外表面上设置刻度11.2，在测量外壳11.1的中心处设置测量电机轴11.3，在测量电机轴11.3的顶端设置指针11.4，指针11.4与刻度11.2匹配使用，在测量外壳11.1内测量电机轴的中下部设置动圆盘11.5，在动圆盘11.5上沿动圆盘圆周方向上均匀设置若干小孔11.6，在测量外壳11.1内位于动圆盘11.5的上方设置静圆盘11.7，在静圆盘11.7上设置光电传感器11.8，测量电机轴11.3的底端与II号步进电机12或I号伺服电机9的电机轴相连接。使用时指针11.4在测量外壳的外表面的刻度上所指的位置即为原动件的起始角位置，由于动圆盘与指针及测量电机轴为同轴心固定装配，并且动圆盘上沿圆周方向设置均布小孔，动圆盘在测量电机轴的带动下进行旋转，当经过光电传感器时会产生明暗交错的光信号，光电传感器将光信号转为数字信号，供电脑采集进行处理，这样就可以自动测量原动件的起始角以及旋转角。
实施例2
原动件不同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台：
如图6、图7所示，Ⅰ号原动件20的一端与II号伺服电机26的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件20的下端面与坐标台面4平行，Ⅰ号原动件20的另一端与Ⅰ号连杆21的一端相连接，Ⅰ号连杆21的另一端与Ⅱ号连杆22的一端相连接，Ⅱ号连杆22的另一端通过I号连接芯轴25与Ⅱ号原动件23的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒24套装在I号连接芯轴25外，Ⅱ号原动件23的另一端与II号步进电机12的电机轴同步连接。通过III号步进电机驱动第二滚珠丝杠旋转从而带动右丝母滑块进行直线滑动动。II号步进电机的电机轴心与II号伺服电机的轴心不处在同一条直线上，并且这条直线垂直于坐标平台，这样就实现了原动件不同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台。通过可编程控制器制定不同的控制策略，使得II号步进电机与II号伺服电机带动五杆机构输出预期可控的轨迹。
实施例3原动件同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台：
如图8、图9所示，Ⅰ号原动件20的一端与II号伺服电机26的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件20的下端面与坐标台面4平行，Ⅰ号原动件20的另一端与Ⅰ号连杆21的一端相连接，Ⅰ号连杆21的另一端与Ⅱ号连杆22的一端相连接，Ⅱ号连杆22的另一端通过I号连接芯轴25与Ⅱ号原动件23的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒24套装在I号连接芯轴25外，Ⅱ号原动件23的另一端与II号步进电机12的电机轴同步连接。通过III号步进电机驱动第二滚珠丝杠旋转从而带动右丝母滑块进行直线滑动动。II号步进电机的电机轴心与II号伺服电机的轴心处在同一条直线上，并且这条直线垂直于坐标平台，这样就实现了原动件同轴心重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台。通过可编程控制器制定不同的控制策略，使得II号步进电机与II号伺服电机带动五杆机构输出预期可控的轨迹。
实施例4
原动件对称中性面共面重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台：
如图10、图11所示，本实施例可重构五杆机构还包括Ⅱ号配垫套筒27和Ⅱ号连接芯轴28，Ⅰ号原动件20的一端与I号伺服电机9的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件20的下端面与坐标台面4平行，Ⅰ号原动件20的另一端通过Ⅱ号连接芯轴28与Ⅰ号连杆21的一端相连接，Ⅱ号配垫套筒27套装在Ⅱ号连接芯轴28外，Ⅰ号连杆21的另一端与Ⅱ号连杆22的一端相连接，Ⅱ号连杆22的另一端通过I号连接芯轴25与Ⅱ号原动件23的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒24套装在I号连接芯轴25外，Ⅱ号原动件23的另一端与II号步进电机12的电机轴同步连接，且Ⅰ号原动件20与Ⅱ号原动件23的对称中性面共面。这样就实现了原动件对称中性面共面重构模式的混合驱动可重构五杆机构实验台。通过可编程控制器制定不同的控制策略，使得II号步进电机与I号伺服电机带动五杆机构输出预期可控的轨迹。
Claims (4)
1.一种混合驱动可重构五杆机构实验台，其特征在于包括工作平台、可重构五杆机构和机架长度调节装置，所述工作平台包括八条A型带槽型材(1)、四条B型带槽型材(3)、地脚螺栓(2)、坐标台面(4)和II号伺服电机(26)，八条A型带槽型材(1)构成两个等边矩形框，两个等边矩形框呈上下两层分布，且上下两个等边矩形框通过螺栓与B型带槽型材(3)相连接，坐标台面(4)设置在上层的等边矩形框上，地脚螺栓(2)设置在B型带槽型材(3)的下端面，II号伺服电机(26)的电机支座设置在坐标台面(4)的下表面上，II号伺服电机(26)的电机轴延伸到坐标台面(4)的上方；
所述机架长度调节装置包括L型支架(5)、C型带槽型材(6)、I号步进电机(7)、左联轴器(8)、右联轴器(29)、I号伺服电机(9)、左丝母滑块(10)、两组原动件起始角测量装置(11)、II号步进电机(12)、右丝母滑块(13)、第一滚珠丝杠(14)、两根导向轴(15)、第二滚珠丝杠(16)、两组支座(17)、III号步进电机(18)和底板(19)，底板(19)通过C型带槽型材(6)和L型支架(5)设置在坐标台面(4)的上方，两组支座(17)对称设置在底板(19)的两端，两根导向轴(15)呈前后对称状态设置在两组支座(17)之间，第一滚珠丝杠(14)和第二滚珠丝杠(16)也呈前后对称状态设置在两组支座(17)之间，且第一滚珠丝杠(14)位于后侧的导向轴(15)的外侧，第二滚珠丝杠(16)位于前侧的导向轴(15)的外侧，第一滚珠丝杠(14)的左端延伸到左端的支座(17)的左侧并与左联轴器(8)的一端连接，左联轴器(8)的另一端与I号步进电机(7)的电机轴连接，I号步进电机(7)的电机支座固定在底板(19)上，第二滚珠丝杠(16)的右端延伸到右端的支座(17)的右侧并与右联轴器(29)的一端连接，右联轴器(29)的另一端与III号步进电机(18)的电机轴连接，III号步进电机(18)的电机支座固定在底板(19)上，左丝母滑块(10)和右丝母滑块(13)通过本身具有的四孔分别与第一滚珠丝杠(14)、第二滚珠丝杠(16)和两根导向轴(15)进行同轴心连接，I号伺服电机(9)的电机支座装在左丝母滑块(10)上，II号步进电机(12)的电机支座装在右丝母滑块(13)上，两组原动件起始角测量装置(11)分别装在I号伺服电机(9)的电机轴和II号步进电机(12)的电机轴上；
所述可重构五杆机构包括Ⅰ号原动件(20)、Ⅱ号原动件(23)、Ⅰ号连杆(21)、Ⅱ号连杆(22)、Ⅰ号配垫套筒(24)和I号连接芯轴(25)，Ⅰ号原动件(20)的一端与II号伺服电机(26)的电机轴或者I号伺服电机(9)的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件(20)的下端面与坐标台面(4)平行，Ⅰ号原动件(20)的另一端与Ⅰ号连杆(21)的一端相连接，Ⅰ号连杆(21)的另一端与Ⅱ号连杆(22)的一端相连接，Ⅱ号连杆(22)的另一端通过I号连接芯轴(25)与Ⅱ号原动件(23)的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒(24)套装在I号连接芯轴(25)外，Ⅱ号原动件(23)的另一端与II号步进电机(12)的电机轴同步连接。
2.根据权利要求1所述的一种混合驱动可重构五杆机构实验台，其特征在于所述的原动件起始角测量装置包括测量外壳(11.1)，在测量外壳(11.1)的外表面上设置刻度(11.2)，在测量外壳(11.1)的中心处设置测量电机轴(11.3)，在测量电机轴(11.3)的顶端设置指针(11.4)，指针(11.4)与刻度(11.2)匹配使用，在测量外壳(11.1)内测量电机轴(11.3)的中下部设置动圆盘(11.5)，在动圆盘(11.5)上沿动圆盘圆周方向上均匀设置若干小孔(11.6)，在测量外壳(11.1)内位于动圆盘(11.5)的上方设置静圆盘(11.7)，在静圆盘(11.7)上设置光电传感器(11.8)，测量电机轴(11.3)的底端与II号步进电机(12)或I号伺服电机(9)的电机轴相连接。
3.根据权利要求1所述的一种混合驱动可重构五杆机构实验台，其特征在于所述的II号伺服电机(26)的电机轴与II号步进电机(12)的电机轴可在同一条直线上，也可不在同一条直线上。
4.根据权利要求1所述的一种混合驱动可重构五杆机构实验台，其特征在于所述的可重构五杆机构还包括Ⅱ号配垫套筒(27)和Ⅱ号连接芯轴(28)，Ⅰ号原动件(20)的一端与I号伺服电机(9)的电机轴同步连接，并且Ⅰ号原动件(20)的下端面与坐标台面(4)平行，Ⅰ号原动件(20)的另一端通过Ⅱ号连接芯轴(28)与Ⅰ号连杆(21)的一端相连接，Ⅱ号配垫套筒(27)套装在Ⅱ号连接芯轴(28)外，Ⅰ号连杆(21)的另一端与Ⅱ号连杆(22)的一端相连接，Ⅱ号连杆(22)的另一端通过I号连接芯轴(25)与Ⅱ号原动件(23)的一端相连接，Ⅰ号配垫套筒(24)套装在I号连接芯轴(25)外，Ⅱ号原动件(23)的另一端与II号步进电机(12)的电机轴同步连接，且Ⅰ号原动件(20)与Ⅱ号原动件(23)的对称中性面共面。
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