CN105856191A - 索并联驱动的高速多体机构 - Google Patents

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CN105856191A CN201610262564.1A CN201610262564A CN105856191A CN 105856191 A CN105856191 A CN 105856191A CN 201610262564 A CN201610262564 A CN 201610262564A CN 105856191 A CN105856191 A CN 105856191A
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0054—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a spherical joint at the base
    • B25J9/0057—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a spherical joint at the base with kinematics chains of the type spherical-prismatic-spherical

Abstract

一种索并联驱动的高速多体机构，一种通过刚性或伸缩摆杆连接静平台和末端执行器的索并联驱动高速多体机器人；由静平台、末端执行器、绳索、滚筒、驱动单元、铰链和刚性或伸缩杆件组成；刚性杆件的一端通过铰链与静平台连接，另一端与末端执行器直接固连，或通过铰链连接；驱动单元由伺服电机、减速器和联轴器串联而成，用于驱动和控制滚筒的回转运动；驱动单元和滚筒安装在静平台上，绳索的一端缠绕在滚筒上，另一端固连于末端执行器；通过驱动单元控制滚筒的转动，进而实现绳索伸缩运动；多条绳索的协调伸缩，共同驱动末端执行器的空间或平面运动。

Description

索并联驱动的高速多体机构
技术领域
本发明属于高速并联机构领域，特别涉及一种索并联驱动的高速多体机构。
背景技术
相对于传统的串联机构，并联机构具有高刚度、高速度、高精度和高承载能力的优点。以Diamond、Delta和X4为代表的高速并联机构已经开始获得大规模的商业应用。
然而，为了进一步提高往复运动速度，提升生产效率，高速并联机构需要进一步降低运动部分的质量和惯量。目前的通用手段是采用碳纤维等轻质非金属材料来制作并联机构的运动支链，然而上述材料加工制造困难且成本较高。同时，轻量化带来了终端精度降低的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种索并联驱动的高速多体机构，本发明通过引入绳索驱动有效的减小机构运动部件的质量和惯量，有利于提升机构的运动速度和工作效率；此外，刚性杆件可以用于实现终端测量；通过添加旋转编码器和拉线式编码器，可以快速的解算出终端的位姿，有利于采用控制手段提高终端精度；本发明为高速分拣工况提供了一种有效的解决方案。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
索并联驱动平面二自由度高速多体机构，由静平台2、滚筒和驱动单元1、绳索4-1、刚性伸缩杆5-1、转动铰链3-1和动平台6构成；刚性伸缩杆5-1的一端通过转动铰链3-1与静平台2连接，另一端通过转动铰链3-1连接在动平台6上；滚筒和驱动单元1安装在静平台2上；绳索4-1缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过控制滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩；所述滚筒和驱动单元1以及绳索4-1均为三组，其中两组滚筒和驱动单元1以及两组绳索4-1构成平行索系，以保证动平台6与静平台2始终保持在高速多体机构所在平面内的平行；基于三组绳索的并联驱动，保证动平台6做平面二自由度的平动运动。
所述刚性伸缩杆5-1由套杆5-1-1、弹簧5-1-2、铜套5-1-3和伸长杆5-1-4组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套5-1-3上；弹簧5-1-2放置于套杆5-1-1内，底端顶住伸长杆5-1-4，顶端顶住套杆5-1-1内顶部，通过弹簧5-1-2弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆5-1-4的直线伸缩运动；伸长杆5-1-4通过压缩弹簧5-1-2来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧。
带有伴生运动的索并联驱动空间二自由度高速多体机构，其特征在于：由静平台2、滚筒和驱动单元1、虎克铰3-2、绳索4-1和刚性定长杆5-2构成；滚筒和驱动单元1固定在静平台2上，刚性定长杆5-2上端通过虎克铰3-2与静平台2底端相连，绳索4-1的上端缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩，下端连接在刚性定长杆5-2的末端；刚性定长杆5-2与绳索4-1的连接端末端能够绕虎克铰3-2转动中心，沿空间球面运动，并带有角度的伴生运动；所述滚筒和驱动单元1以及绳索4-1均为三组。
索并联驱动空间二自由度高速平动多体机构，其特征在于：由静平台2、平行索系4-2、虎克铰3-2、刚性定长杆5-2和动平台6构成；平行索系4-2由一组驱动单元、两个参数完全相同的滚筒和绳索组成，两条绳索初始长度相同，且初始安装保证两条绳索平行；平行索系4-2保证两绳索末端连接点所在直线与两滚筒中心连线始终平行；刚性定长杆5-2上端通过虎克铰3-2与静平台2相连，刚性定长杆5-2底端通过虎克铰3-2与动平台6相连；所述平行索系4-2为三组以上，其滚筒和驱动单元均安装于动平台6上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线；通过平行索系4-2使动平台6和静平台2始终保持平行；通过绳索的协同伸缩，动平台6能够绕静平台虎克铰转动中心，沿球面做二维平动。
带有伴生运动的索并联驱动三自由度高速多体机构，其特征在于：由静平台2、滚筒和驱动单元1、虎克铰3-2、绳索4-1和刚性伸缩杆5-1构成；刚性伸缩杆5-1内部安装有弹簧；滚筒和驱动单元1固定在静平台2上，刚性伸缩杆5-1的一端通过虎克铰3-2与静平台2连接，另一端与绳索4-1末端相连；滚筒和驱动单元1安装在静平台2上，绳索4-1一端缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过控制滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩运动；通过绳索4-1的协同伸缩，刚性伸缩杆5-1下端既能够绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时能够沿刚性伸缩杆5-1方向伸缩，最终实现带有伴随姿态角的空间三维运动；所述绳索4-1为三组以上。
所述刚性伸缩杆5-1由套杆5-1-1、弹簧5-1-2、铜套5-1-3和伸长杆5-1-4组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套5-1-3上；弹簧5-1-2放置于套杆5-1-1内，底端顶住伸长杆5-1-4，顶端顶住套杆5-1-1内顶部，通过弹簧5-1-2弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆5-1-4的直线伸缩运动；伸长杆5-1-4通过压缩弹簧5-1-2来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧。
索并联驱动三自由度高速平动多体机构，其特征在于：由静平台2、平行索系4-2、虎克铰3-2、刚性伸缩杆5-1和动平台6构成；平行索系4-2由一组驱动单元及两组参数完全相同的滚筒和绳索组成，两条绳索初始长度相同，且初始安装保证两条绳索平行；平行索系4-2保证绳索末端连接点所在直线与滚筒中心连线始终平行；刚性伸缩杆5-1的一端通过虎克铰3-2与静平台2连接，另一端通过虎克铰3-2与动平台6相连；所述平行索系4-2为三组以上，其滚筒和驱动单元安装于动平台6上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线；通过平行索系4-2保持动平台6与静平台2始终平行；通过绳索的协同伸缩，动平台6既能够绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时能够沿刚性伸缩杆5-1方向伸缩，即实现三维平动。
所述刚性伸缩杆5-1由套杆5-1-1、弹簧5-1-2、铜套5-1-3和伸长杆5-1-4组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套5-1-3上；弹簧5-1-2放置于套杆5-1-1内，底端顶住伸长杆5-1-4，顶端顶住套杆5-1-1内顶部，通过弹簧5-1-2弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆5-1-4的直线伸缩运动；伸长杆5-1-4通过压缩弹簧5-1-2来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧。
本发明的效果是：提出一种平面两自由度并联驱动多体机构、两种空间两自由度索并联驱动多体机构和两种空间三自由度索并联驱动多体机构。具体运动形式由结构决定。
本发明的特点之一在于：用绳索代替普通刚性杆为机构的运行提供动力，大大减轻了机构运动部件的质量，从而使机构能够获得更大的运行速度，提高效率。同时，索机构采用定长或者伸缩杆张紧。在实现高速运动的同时，避免下拉索。机构更加紧凑，更容易获得较高的终端精度。
特点之二在于：对于定常杆结构，通过在静平台铰链添加编码器即可实时解算终端的位姿。对于伸缩杆结构，通过在静平台铰链添加编码器，并在伸缩杆内部安装拉线式编码器，同样可以实时快速解算终端位置。
特点之三在于：利用平行索系，保证动平台与静平台的平行关系，实现了终端的二维和三维平动。
附图说明：
图1为本发明实施例1的索驱动平面二自由度高速多体机构示意图；
图2为本发明实施例2的带有伴生运动的索驱动二自由度高速多体机构示意图；
图3为本发明实施例3的索并联驱动二自由度高速平动多体机构示意图；
图4为本发明实施例4的带有伴随运动的索并联驱动三自由度高速多体机构的形式1；
图5为本发明实施例4的带有伴随运动的索并联驱动三自由度高速多体机构的形式2；
图6为本发明实施例5的索并联驱动三自由度高速平动多体机构的形式1；
图7为本发明实施例5的索并联驱动三自由度高速平动多体机构的形式2；
图8本发明实施例1、例4和例5中的刚性伸缩杆的结构图。
具体实施方式
下面结合附图，详细介绍本设计中核心部分平面并联机构的工作原理。
如图1所示，索驱动平面二自由度高速多体机构由静平台2、滚筒和驱动单元1、绳索4-1、刚性伸缩杆5-1、转动铰链3-1和动平台6构成，刚性伸缩杆5-1的一端通过转动铰链3-1与静平台2连接，另一端通过转动铰链3-1连接在动平台6上。滚筒和驱动单元1安装在静平台2上。绳索4-1缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过控制滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩。其中右边两组绳索构成平行索系，以保证动平台6与静平台2始终保持在机构所在平面内的平行。基于三组绳索的并联驱动，保证动平台6做平面二自由度的平动运动。
如图2所示，带有伴生运动的索驱动二自由度高速多体机构由静平台2，滚筒和驱动单元1，虎克铰3-2，绳索4-1和刚性定长杆5-2构成。滚筒和驱动单元1固定在静平台2上，刚性定长杆5-2上端通过虎克铰3-2与静平台2底端相连，绳索4-1的上端缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩，下端连接在刚性定长杆5-2的末端。刚性定长杆5-2与绳索4-1的连接端(末端执行器)可绕虎克铰3-2转动中心，沿球面运动，并带有角度的伴生运动。
如图3所示，索并联驱动二自由度高速平动多体机构由静平台2，平行索系4-2，虎克铰3-2，刚性定长杆5-2和动平台6构成。平行索系4-2由一组驱动单元、两个参数完全相同的滚筒和绳索组成，两条绳索初始长度相同，且初始安装保证两条绳索平行。平行索系4-2可以保证两绳索末端连接点所在直线与两滚筒中心连线始终平行。刚性定长杆5-2上端通过虎克铰3-2与静平台2相连，刚性定长杆5-2底端通过虎克铰3-2与动平台6相连。三组平行索系4-2的滚筒和驱动单元均安装于动平台6上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线。通过平行索系4-2，使动平台6和静平台2始终保持平行。通过绳索的协同伸缩，动平台6可绕静平台虎克铰转动中心，沿球面做二维平动。
如图4、图5所示，带有伴随运动的索并联驱动三自由度高速多体机构由静平台2，滚筒和驱动单元1，虎克铰3-2，绳索4-1，刚性伸缩杆5-1构成。刚性伸缩杆5-1内部安装有弹簧。滚筒和驱动单元1固定在静平台2上，刚性伸缩杆5-1的一端通过虎克铰3-2与静平台2连接，另一端与绳索4-1末端相连。滚筒和驱动单元1安装在静平台2上，绳索4-1一端缠绕在滚筒和驱动单元1上，通过控制滚筒和驱动单元1的转动实现绳索4-1的伸缩运动。通过三或四条绳索4-1的协同伸缩，刚性伸缩杆5-1下端既可绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时可沿刚性伸缩杆5-1方向伸缩，最终实现带有伴随姿态角的空间三维运动。增大驱动索的数量，即采用三组以上的绳索、滚筒和驱动单元，可以扩大机构的工作空间，优化绳索受力，但同时会增大机构制造成本。
如图6、图7所示，索并联驱动三自由度高速平动多体机构由静平台2，平行索系4-2，虎克铰3-2，刚性伸缩杆5-1和动平台6构成。平行索系4-2由一组驱动单元及两组参数完全相同的滚筒和绳索组成。平行索系4-2可以保证绳索末端连接点所在直线与滚筒中心连线始终平行。刚性伸缩杆5-1的一端通过虎克铰3-2与静平台2连接，另一端通过虎克铰3-2与动平台6(末端执行器)相连。三或四组平行索系4-2的滚筒和驱动单元安装于动平台6上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线。通过平行索系4-2，保持动平台6与静平台2始终平行。通过绳索的协同伸缩，动平台6既可绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时可沿刚性伸缩杆5-1方向伸缩，即实现三维平动。增大驱动索(或平行索系)的数量，可以扩大机构的工作空间，优化绳索受力，但同时会增大机构制造成本。
如图8所示，刚性伸缩杆5-1由套杆5-1-1、弹簧5-1-2、铜套5-1-3和伸长杆5-1-4组成。铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套5-1-3上；弹簧5-1-2放置于套杆5-1-1内，底端顶住伸长杆5-1-4，顶端顶住套杆5-1-1内顶部，通过弹簧5-1-2弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆5-1-4的直线伸缩运动。伸长杆5-1-4通过压缩弹簧5-1-2来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧。为了实时高精度的测量杆件伸缩长度，可将拉线式编码器的运动端和固定端分别固联于伸长杆5-1-4和套杆5-1-1，并保持拉线编码器钢丝线与伸缩杆轴线平行。

Claims (8)

1.索并联驱动平面二自由度高速多体机构，其特征在于：由静平台(2)、滚筒和驱动单元(1)、绳索(4-1)、刚性伸缩杆(5-1)、转动铰链(3-1)和动平台(6)构成；刚性伸缩杆(5-1)的一端通过转动铰链(3-1)与静平台2连接，另一端通过转动铰链(3-1)连接在动平台6上；滚筒和驱动单元(1)安装在静平台(2)上；绳索(4-1)缠绕在滚筒和驱动单元(1)上，通过控制滚筒和驱动单元(1)的转动实现绳索(4-1)的伸缩；所述滚筒和驱动单元(1)以及绳索(4-1)均为三组，其中两组滚筒和驱动单元(1)以及两组绳索(4-1)构成平行索系，以保证动平台(6)与静平台(2)始终保持在高速多体机构所在平面内的平行；基于三组绳索的并联驱动，保证动平台(6)做平面二自由度的平动运动。
2.根据权利要求1所述的索并联驱动平面二自由度高速多体机构，其特征在于：所述刚性伸缩杆(5-1)由套杆(5-1-1)、弹簧(5-1-2)、铜套(5-1-3)和伸长杆(5-1-4)组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套(5-1-3)上；弹簧(5-1-2)放置于套杆(5-1-1)内，底端顶住伸长杆(5-1-4)，顶端顶住套杆(5-1-1)内顶部，通过弹簧(5-1-2)弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆(5-1-4)的直线伸缩运动；伸长杆(5-1-4)通过压缩弹簧(5-1-2)来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧；为了实时高精度的测量杆件伸缩长度，将拉线式编码器的运动端和固定端分别固联于伸长杆(5-1-4)和套杆(5-1-1)，并保持拉线编码器钢丝线与伸缩杆轴线平行。
3.带有伴生运动的索并联驱动空间二自由度高速多体机构，其特征在于：由静平台(2)、滚筒和驱动单元(1)、虎克铰(3-2)、绳索(4-1)和刚性定长杆(5-2)构成；滚筒和驱动单元(1)固定在静平台(2)上，刚性定长杆(5-2)上端通过虎克铰(3-2)与静平台(2)底端相连，绳索(4-1)的上端缠绕在滚筒和驱动单元(1)上，通过滚筒和驱动单元(1)的转动实现绳索(4-1)的伸缩，下端连接在刚性定长杆(5-2)的末端；刚性定长杆(5-2)与绳索(4-1)的连接端末端能够绕虎克铰(3-2)转动中心，沿空间球面运动，并带有角度的伴生运动；所述滚筒和驱动单元(1)以及绳索(4-1)均为三组。
4.索并联驱动空间二自由度高速平动多体机构，其特征在于：由静平台(2)、平行索系(4-2)、虎克铰(3-2)、刚性定长杆(5-2)和动平台(6)构成；平行索系(4-2)由一组驱动单元、两个参数完全相同的滚筒和绳索组成，两条绳索初始长度相同，且初始安装保证两条绳索平行；平行索系(4-2)保证两绳索末端连接点所在直线与两滚筒中心连线始终平行；刚性定长杆(5-2)上端通过虎克铰(3-2)与静平台(2)相连，刚性定长杆(5-2)底端通过虎克铰(3-2)与动平台(6)相连；所述平行索系(4-2)为三组以上，其滚筒和驱动单元均安装于动平台(6)上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线；通过平行索系(4-2)使动平台(6)和静平台(2)始终保持平行；通过绳索的协同伸缩，动平台(6)能够绕静平台虎克铰转动中心，沿球面做二维平动。
5.带有伴生运动的索并联驱动三自由度高速多体机构，其特征在于：由静平台(2)、滚筒和驱动单元(1)、虎克铰(3-2)、绳索(4-1)和刚性伸缩杆(5-1)构成；刚性伸缩杆(5-1)内部安装有弹簧；滚筒和驱动单元(1)固定在静平台(2)上，刚性伸缩杆(5-1)的一端通过虎克铰(3-2)与静平台(2)连接，另一端与绳索(4-1)末端相连；滚筒和驱动单元(1)安装在静平台(2)上，绳索(4-1)一端缠绕在滚筒和驱动单元(1)上，通过控制滚筒和驱动单元(1)的转动实现绳索(4-1)的伸缩运动；通过绳索(4-1)的协同伸缩，刚性伸缩杆(5-1)下端既能够绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时能够沿刚性伸缩杆(5-1)方向伸缩，最终实现带有伴随姿态角的空间三维运动；所述绳索(4-1)为三组以上。
6.根据权利要求5所述的带有伴生运动的索并联驱动三自由度高速多体机构，其特征在于：所述刚性伸缩杆(5-1)由套杆(5-1-1)、弹簧(5-1-2)、铜套(5-1-3)和伸长杆(5-1-4)组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套(5-1-3)上；弹簧(5-1-2)放置于套杆(5-1-1)内，底端顶住伸长杆(5-1-4)，顶端顶住套杆(5-1-1)内顶部，通过弹簧(5-1-2)弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆(5-1-4)的直线伸缩运动；伸长杆(5-1-4)通过压缩弹簧(5-1-2)来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧；为了实时高精度的测量杆件伸缩长度，将拉线式编码器的运动端和固定端分别固联于伸长杆(5-1-4)和套杆(5-1-1)，并保持拉线编码器钢丝线与伸缩杆轴线平行。
7.索并联驱动三自由度高速平动多体机构，其特征在于：由静平台(2)、平行索系(4-2)、虎克铰(3-2)、刚性伸缩杆(5-1)和动平台(6)构成；平行索系(4-2)由一组驱动单元及两组参数完全相同的滚筒和绳索组成，两条绳索初始长度相同，且初始安装保证两条绳索平行；平行索系(4-2)保证绳索末端连接点所在直线与滚筒中心连线始终平行；刚性伸缩杆(5-1)的一端通过虎克铰(3-2)与静平台(2)连接，另一端通过虎克铰(3-2)与动平台(6)相连；所述平行索系(4-2)为三组以上，其滚筒和驱动单元安装于动平台(6)上，且各组平行索系滚筒回转中心连线不共线；通过平行索系(4-2)保持动平台(6)与静平台(2)始终平行；通过绳索的协同伸缩，动平台(6)既能够绕静平台虎克铰转动中心做球面运动，同时能够沿刚性伸缩杆(5-1)方向伸缩，即实现三维平动。
8.根据权利要求7所述的索并联驱动三自由度高速平动多体机构，其特征在于：所述刚性伸缩杆(5-1)由套杆(5-1-1)、弹簧(5-1-2)、铜套(5-1-3)和伸长杆(5-1-4)组成；铜套(5-1-3)采用螺纹连接于套杆(5-1-1)端部内，伸长杆(5-1-4)置于铜套(5-1-3)内，通过末端的凸起卡在铜套(5-1-3)上；弹簧(5-1-2)放置于套杆(5-1-1)内，底端顶住伸长杆(5-1-4)，顶端顶住套杆(5-1-1)内顶部，通过弹簧(5-1-2)弹力保证伸长杆的轴向定位；通过铜套(5-1-3)实现伸缩范围的微调，同时起到导向的作用，保证伸长杆(5-1-4)的直线伸缩运动；伸长杆(5-1-4)通过压缩弹簧(5-1-2)来保持一定的张紧力，实现绳索的张紧；为了实时高精度的测量杆件伸缩长度，将拉线式编码器的运动端和固定端分别固联于伸长杆(5-1-4)和套杆(5-1-1)，并保持拉线编码器钢丝线与伸缩杆轴线平行。
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