CN105945915B - 一种基于平动约束结构的索并联装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平动约束结构的索并联装置，包括静平台、中间平台和动平台，静平台上设置有滚筒和驱动单元，绳索缠绕在滚筒和驱动单元上并与动平台相连接；中间平台分别通过刚性杆件与静平台、动平台相连接，所述的刚性杆件包括刚性杆及两端的铰接装置，等长且平行的刚性杆之间构成平行四边形机构；弹簧连接于平行四边形机构的对角线，弹簧处于拉伸状态，为绳索提供张紧力；本发明以平动机构对索并联机构的终端自由度进行约束，在继承索并联机构结构简单，高负载能力，易拆装等优势的同时，有效避免终端姿态误差，提高终端轨迹精度。

Description

一种基于平动约束结构的索并联装置

技术领域

本发明属于并联装置技术领域，涉及一种基于平动约束结构的索并联装置。

背景技术

索并联机构的研究与应用起源于上世纪80年代末期，是并联机构中的一种特殊柔性机构，其驱动支链为柔性索。索并联机构相较于刚性杆支撑并联机构，具有结构简单，工作空间大，高负载能力，易拆装，可重组，模块化程度高和运动速度快等优点。

然而，由于绳索只能承受拉力无法承受压力，索并联机构的构型受到诸多限制：1)为了保证绳索对终端运动的完全约束，绳索的数量必须多于终端自由度数目，从而引入冗余驱动和索力分配问题，控制系统中必须包含索力检测和调整模块，避免绳索虚牵。2)绳索必须成对拉结构，以保持绳索始终张紧。下拉绳索导致机构在运行过程中容易与工作台等产生干涉。

此外，索并联机构的终端自由度数目也无法灵活配置。当动平台为非质点(考虑终端姿态)的情况下，索驱动并联机构仅能够实现平面三自由度 (2T1R)，空间五自由度(3T2R)和空间六自由度(3T3R)等三种情况(注： T代表平动，R代表转动)。上述机构用于平动工况下，多余的转动自由度不仅会增加驱动索数目，推高制造成本和系统复杂度，同时还容易引入终端的姿态误差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于平动约束结构的索并联装置，有效避免终端姿态误差，提高终端轨迹精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于平动约束结构的索并联装置，包括静平台、中间平台和动平台，静平台上设置有滚筒和驱动单元，绳索缠绕在滚筒和驱动单元上并与动平台相连接；

中间平台分别通过刚性杆件与静平台、动平台相连接，所述的刚性杆件包括刚性杆及两端的铰接装置，等长且平行的刚性杆之间构成平行四边形机构；弹簧连接于平行四边形机构的对角线，弹簧处于拉伸状态，为绳索提供张紧力。

所述的铰接装置分别设置在静平台、中间平台和动平台上，刚性杆的两端分别与铰接装置相连接；连接在静平台与中间平台之间的刚性杆等长且平行，中间平台与静平台始终平行；连接在动平台与中间平台之间的刚性杆等长且平行，动平台始终与中间平台、静平台平行。

所述的铰接装置包括虎克铰、球铰、回转铰链，采用其中的一种或几种。

所述的中间平台分别通过两根等长且平行的刚性杆与静平台和动平台相连接，在静平台与中间平台之间、在中间平台与动平台之间分别构成平行四边形机构，并在其对角线上分别连接弹簧，弹簧两端均尽可能靠近铰链。

所述的静平台与动平台之间通过滚筒和驱动单元连接有两组绳索；

两组绳索的一端分别缠绕在一组滚筒和驱动单元上，另一端均与动平台相连接，或者一组绳索的另一端与动平台相连接，另一组绳索的另一端与中间平台相连接。

所述的刚性杆两端分别通过回转铰链与平台连接，回转铰链的转轴相互平行；

弹簧始终处于拉伸状态，为绳索提供张紧力，通过两组绳索的并联驱动，保证动平台做平面平动运动。

所述的中间平台分别通过三根等长且平行的刚性杆与静平台和动平台相连接，在静平台与中间平台之间、在中间平台与动平台之间分别构成多个平行四边形机构；在平行四边形机构中选取若干，在其对角线之间连接弹簧；静平台与动平台之间通过滚筒和驱动单元连接有三组绳索。

所述的刚性杆中的两根两端分别通过虎克铰与平台连接，虎克铰的转轴相互平行，第三根刚性杆分别通过球铰与平台连接，刚性杆相互平行且等长；弹簧连接于球铰上连接的刚性件为边的平行四边形机构的对角线，一端靠近球铰，另一端靠近虎克铰；

弹簧始终处于拉伸状态，为绳索提供张紧力，通过控制滚筒和驱动单元的转动实现绳索的并联驱动，保证动平台做三平动运动。

所述的中间平台与静平台之间形成的平行四边形机构为上层平动约束机构，中间平台与动平台之间形成的平行四边形机构为下层平动约束机构，初始状态下上层平动约束机构与下层平动约束机构以中间平台相对称。

所述的上层平动约束机构中刚性杆与中间平台的夹角为25～75度；下层平动约束机构中刚性杆与中间平台的夹角为25～75度；静平台、动平台之间的距离与刚性杆的长度比值的范围约为0.85～1.9。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于平动约束结构的索并联装置，由中间平台及所连接的刚性杆形成的平行四边形机构作为平动机构，以平动机构对索并联机构的终端自由度进行约束，在继承索并联机构结构简单，高负载能力，易拆装等优势的同时，有效避免终端姿态误差，提高终端轨迹精度。平动约束机构内部配置弹簧，起到绳索张紧作用，避免了下拉索机构，避免可能存在的干涉问题，使机构的布置和应用更加方便灵活。

本发明提供的基于平动约束结构的索并联装置，实现绳索数量等于终端自由度数量，通过减少驱动绳索的数目和冗余控制要求，有效降低机构的制造成本和控制复杂性。在初始安装后即可通过弹簧始终保持绳索的张紧，不必对绳索张紧力进行主动监测和控制。本发明为高速高精度的分拣、收集和包装工况提供了一种有效的解决方案。

附图说明

图1为本发明的空间三自由度并联机构示意图；

图2为本发明的平面两自由度并联机构示意图之一；

图3为本发明的平面两自由度并联机构示意图之二。

其中，1为静平台，2为滚筒和约束单元，3为绳索，4为动平台，5为虎克铰，6为球铰，7为刚性杆，8为弹簧，9为中间平台，10为回转铰链。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、图2，一种基于平动约束结构的索并联装置，包括静平台1、中间平台9和动平台4，静平台1上设置有滚筒和驱动单元2，绳索3缠绕在滚筒和驱动单元2上并与动平台4和/或中间平台9相连接；

中间平台9分别通过刚性杆件与静平台1、动平台4相连接，所述的刚性杆件包括刚性杆7及两端的铰接装置，等长且平行的刚性杆7之间构成平行四边形机构；弹簧8连接于平行四边形机构的对角线，弹簧8处于拉伸状态，为绳索3提供张紧力。

进一步的，所述的铰接装置分别设置在静平台1、中间平台9和动平台4 上，刚性杆7的两端分别与铰接装置相连接；连接在静平台1与中间平台9 之间的刚性杆7等长且平行，中间平台9与静平台1始终平行；连接在动平台4与中间平台9之间的刚性杆7等长且平行，动平台4始终与中间平台9、静平台1平行。

所述的铰接装置包括虎克铰5、球铰6、回转铰链10，采用其中的一种或几种。

所述的中间平台9与静平台1之间形成的平行四边形机构为上层平动约束机构，中间平台9与动平台4之间形成的平行四边形机构为下层平动约束机构，初始状态下上层平动约束机构与下层平动约束机构以中间平台9相对称。

具体的，所述的上层平动约束机构中刚性杆7与中间平台9的夹角为 25～75度；下层平动约束机构中刚性杆7与中间平台9的夹角为25～75度；静平台1、动平台4之间的距离与刚性杆7的长度比值的范围约为0.85～1.9。下面给出具体实施例。

实施例1

如图1所示，基于平动约束结构的空间三平动索并联机构，由静平台1、滚筒和驱动单元2、绳索3、动平台4、虎克铰5、球铰6、刚性杆7、弹簧8、中间平台9构成；

两根刚性杆件7的一端通过虎克铰5与静平台1连接，另一端通过虎克铰5与中间平台9连接，保证四个虎克铰5转轴平行且刚性杆7平行，则构成平行四边形机构。在该平行四边性平面外，第三根刚性杆7一端通过球铰 6与静平台1连接，另一端通过球铰6与中间平台9连接，且保证初始状态下三根杆件7相互平行且等长。此时可以保证和中间平台9与静平台1始终平行，球铰的采用有利于降低装配难度和系统内力。同样利用虎克铰5、球铰6和刚性杆7连接动平台4和中间平台9，最终形成空间平动约束机构，保证动平台4始终与静平台1平行。

滚筒和驱动单元2安装在静平台1上；绳索3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3的伸缩；4根弹簧8连接于球铰杆件为边的平行四边形结构对角线，一端靠近球铰6，另一端靠近虎克铰5，初始安装和运动过程中始终保证4根弹簧8处于拉伸状态，为绳索3 提供张紧力。基于三组绳索的并联驱动，保证动平台4做三平动运动。

实施例2

如图2所示，基于平动约束结构的平面两平动索并联机构，由静平台1、滚筒和驱动单元2、绳索3、动平台4、回转铰链10、刚性杆7、弹簧8、中间平台9构成；

两根刚性杆件7的一端通过回转铰链10与静平台1连接，另一端通过回转铰链10与中间平台9连接，保证四个回转铰链10转轴相互平行且刚性杆 7等长平行，则构成平行四边形机构。此时可以保证和中间平台9与静平台1 始终平行。同样利用回转铰链10和刚性杆7连接动平台4和中间平台9，形成平面平动约束结构，保证动平台4始终与静平台1平行。

滚筒和驱动单元2安装在静平台1上；绳索3的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3的伸缩，绳索3的另一端均连接于动平台4；两根弹簧8连接于上下两个平行四边形结构的对角线，两端均尽可能靠近回转铰链10，初始安装和运行过程中始终保证两根弹簧8处于拉伸状态，为绳索3提供张紧力。基于两组绳索的并联驱动，保证动平台4做平面平动运动。

实施例3

如图3所示，基于平动约束结构的平面两平动索并联机构，由静平台1、滚筒和驱动单元2、绳索3、动平台4、回转铰链10、刚性杆7、弹簧8、中间平台9构成；

两根刚性杆件7的一端通过回转铰链10与静平台1连接，另一端通过回转铰链10与中间平台9连接，保证四个回转铰链10转轴相互平行且刚性杆 7等长平行，则构成平行四边形机构。此时可以保证和中间平台9与静平台1 始终平行。同样利用回转铰链10和刚性杆7连接动平台4和中间平台9，形成平面平动约束结构，保证动平台4始终与静平台1平行。

滚筒和驱动单元2安装在静平台1上；绳索3的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3的伸缩，一组绳索的另一端连接于动平台4，另一组的另一端连接于中间平台9；两根弹簧8 连接于上下两个平行四边形结构的对角线，两端均尽可能靠近回转铰链10，初始安装和运行过程中始终保证两根弹簧8处于拉伸状态，为绳索3提供张紧力。基于两组绳索的并联驱动，保证动平台4做平面平动运动。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于平动约束结构的索并联装置，其特征在于，包括静平台(1)、中间平台(9)和动平台(4)，静平台(1)上设置有滚筒和驱动单元(2)，绳索(3)缠绕在滚筒和驱动单元(2)上并与动平台(4)和/或中间平台(9)相连接；

中间平台(9)分别通过刚性杆件与静平台(1)、动平台(4)相连接，所述的刚性杆件包括刚性杆(7)及两端的铰接装置，等长且平行的刚性杆(7)之间构成平行四边形机构；

所述的中间平台(9)分别通过三根等长且平行的刚性杆(7)与静平台(1)和动平台(4)相连接，在静平台(1)与中间平台(9)之间、在中间平台(9)与动平台(4)之间分别构成多个平行四边形机构；静平台(1)与动平台(4)之间通过滚筒和驱动单元(2)连接有三组绳索(3)；

其中两根所述的刚性杆(7)中的两端分别通过虎克铰(5)与静平台(1)和动平台(4)连接，虎克铰(5)的转轴相互平行，第三根刚性杆(7)分别通过球铰(6)与静平台(1)和动平台(4)连接，刚性杆(7)相互平行且等长；弹簧(8)连接于球铰(6)上连接的刚性件为边的平行四边形机构的对角线，一端靠近球铰(6)，另一端靠近虎克铰(5)；

弹簧(8)始终处于拉伸状态，为绳索(3)提供张紧力，通过控制滚筒和驱动单元(2)的转动实现绳索(3)的并联驱动，保证动平台(4)做三平动运动。

2.如权利要求1所述的基于平动约束结构的索并联装置，其特征在于，所述的中间平台(9)与静平台(1)之间形成的平行四边形机构为上层平动约束机构，中间平台(9)与动平台(4)之间形成的平行四边形机构为下层平动约束机构，初始状态下上层平动约束机构与下层平动约束机构以中间平台(9)相对称。

3.如权利要求2所述的基于平动约束结构的索并联装置，其特征在于，所述的上层平动约束机构中刚性杆(7)与中间平台(9)的夹角为25～75°；下层平动约束机构中刚性杆(7)与中间平台(9)的夹角为25～75°；静平台(1)、动平台(4)之间的距离与刚性杆(7)的长度比值为0.85～1.9。