CN106363605B - 带连杆变形误差检测的三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，包括定平台、动平台、传感器固定架、二维影像传感器组、三个支链、激光发射器、多功能卡和计算机。每一个支链均包括：立柱、移动副、转动副、连杆、球面副。立柱垂直安装在定平台上，移动副与立柱连接，转动副与移动副连接，连杆连接转动副和球面副，球面副安装在动平台上。通过在连杆上设置激光发射器，使其发射的激光照射二维影像传感器，根据照射点的坐标通过机器人运动学得到连杆的变形误差，进而可以确定机器人的位姿误差。本发明对3‑PRS并联机构误差补偿、精度提高、误差溯源、机构优化设计，促进其在工业生产中的广泛应用，具有重要的学术意义与实用价值。

Description

带连杆变形误差检测的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，属于机器人应用领域。

背景技术

并联机构，也称作并联机器人，是一种由多个并行链构成的机构。与传统的串联机构相比，具有高刚度、高精度、高承载能力、结构简单紧凑以及易于实现高速运动等一系列优点，吸引了国内外学术界与工程界的广泛关注并投入了大量的研究，其应用也几乎涉及了现代尖端技术的各个领域。

在并联机构很多应用场合，并不需要6个自由度，自由度少于6个的少自由度机构就可很好地满足要求。与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件减少、构件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等优点。其中，三自由度并联机构是非常典型的少自由度并联机构，如具有两个移动自由度和一个转动自由度的3-PRS(P为移动副，R为转动副，S为球面副)并联机构可以作为数控机床的主轴部分，具有三转动自由度的3-PSS/S、3-SPS/S并联机构可以用作踝关节康复训练。精度是并联机构最重要的指标之一，直接影响末端执行器的工作性能。影响精度的因素很多，包括零部件制造误差、变形误差、磨损、环境温度变化等。由于并联机构分支之间相互耦合，在工作空间不同位姿处的误差差异很大，从理论上精确分析误差往往比较困难，这就给并联机构的误差补偿、精度提高、误差溯源、机构优化设计等带来了困难。

发明内容

本发明针对三自由度并联机构在工作时，精确地从理论上分析误差比较困难、需要实时检测机构运行误差的技术问题，提供了一种带连杆变形误差检测的三自由度3-PRS并联机构。通过在连杆上设置激光发射器，使其发射的激光照射安装在立柱上端传感器固定架上的二维影像传感器，根据照射点的坐标通过机器人运动学得到连杆的变形误差，进而研究机器人的位姿误差。本发明对3-PRS并联机构误差补偿、精度提高、误差溯源、机构优化设计，促进其在工业生产和日常生活中的广泛应用，具有重要的学术意义与实用价值。

本发明采用的技术方案是：

一种带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，包括定平台1、动平台2、第一支链5、第二支链6、第三支链7，第一支链5、第二支链6和第三支链7中的每一个支链均包括以下部件：立柱51，61，71、移动副52，62，72、转动副53，63，73、连杆54，64，74、球面副55，65，75，

上述每一个支链中所包括的部件的连接结构为：立柱51，61，71垂直安装在定平台1上，移动副52，62，72与立柱51，61，71连接，转动副53，63，73与移动副52，62，72连接，连杆54，64，74的一端与转动副53，63，73连接，连杆54，64，74的另一端与球面副55，65，75连接，球面副55，65，75安装在动平台2上；

三个立柱51，61，71以定平台1的中心为原点，互相夹角为120°；

所述并联机构还包括传感器固定架3、二维影像传感器组4、激光发射器组8、多功能卡9和计算机10，

传感器固定架3安装在三个立柱51，61，71上端，传感器固定架3与定平台1平行，二维影像传感器组4安装在传感器固定架3上，

在每一个支链的连杆54，64，74上安装激光发射器组8中的激光发射器，激光发射器组8中的激光发射器在连杆54，64，74所在的垂直平面内，并使激光发射器组8中的激光发射器发射的激光能够被二维影像传感器组4接收，且激光发射器组8中的激光发射器发出的激光为直线激光，

二维影像传感器组4通过通讯线与多功能卡9连接，多功能卡9的一端与二维影像传感器组4连接，该多功能卡9的另一端与计算机10连接，计算机10通过多功能卡9控制激光发射器组8。

进一步，二维影像传感器组4为三组完全相同的二维影像传感器模块41，42，43，二维影像传感器模块41，42，43均为对称形状，二维影像传感器模块41，42，43中心线的夹角为120°，三个二维影像传感器模块41，42，43的中心线在水平面上的投影与三个连杆54，64，74在水平面上的投影重合。

进一步，激光发射器组8发射激光照射二维影像传感器模块41，42，43，该二维影像传感器模块41，42，43将照射点的位置信号输出给多功能卡9，多功能卡9再将位置信号输入计算机10。

更进一步，激光发射器组8中包含的激光发射器的个数N为3的整数倍，N不小于3。

再进一步，每个二维影像传感器模块41，42，43的宽度确定方法为：

SN1：根据挠度公式求出连杆在激光发射器组8中的N个激光发射器安装位置处的最大理论变形量， N个所述最大理论变形量是在连杆54，64，74末端的球面副55，65，75的受力在转动副53，63，73的轴线方向上的分力最大时求得；

SN2：二维影像传感器模块41，42，43的宽度不小于N个所述最大理论变形量的最大值的2倍。

本发明具有的有益效果是：

(1) 本发明提供的三自由度并联机构实时对连杆的变形进行测量，能够实现机构工作过程中误差的自动化测量，方便误差的动态补偿；

(2) 本发明提供的三自由度并联机构通过实时检测连杆的变形误差，进而可根据连杆的变形误差计算末端执行器安装的位姿误差；

(3)本发明提供的三自由度并联机构中的检测装置可以用来实现3-PRS并联机构的标定，即：以理论计算得到激光发射器安装的理论位姿与检测到的实际位姿误差之间的偏差最小为目标，可实现机构实际尺寸的标定；

(4)本发明提供的三自由度并联机构中的检测装置与方法可适用于其他并联机构，有很强的通用性与实用性。

附图说明

图1为本发明提供的并联机构的轴侧视图；

图2为二维影像传感器模块的在固定架上安装的仰视图。

图中：

1、定平台 2、动平台 3、传感器固定架

4、二维影像传感器组 5、第一支链 6、第二支链

7、第三支链 8、激光发射器组 9、多功能卡

10、计算机

41、二维影像传感器模块一 42、二维影像传感器模块二

43、二维影像传感器模块三

51、第一立柱 61、第二立柱 71、第三立柱

52、第一移动副 62、第二移动副 72、第三移动副

53、第一转动副 63、第二转动副 73、第三转动副

54、第一连杆 64、第二连杆 74、第三连杆

55、第一球面副 65、第二球面副 75、第三球面副 。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1所示，为本发明提供的带连杆变形误差检测的三自由度并联机构的轴侧视图，包括定平台1、动平台2、第一支链5、第二支链6、第三支链7，第一支链5、第二支链6和第三支链7中的每一支链均包括以下部件：立柱51，61，71、移动副52，62，72、转动副53，63，73、连杆54，64，74、球面副55，65，75，

上述每一个支链中所包括的部件的连接结构为：

第一支链5：立柱51垂直安装在定平台1上，移动副52与立柱51连接，转动副53与移动副52连接，连杆54的一端与转动副53连接，连杆54的另一端与球面副55连接，球面副55安装在动平台2上；

第二支链6：立柱61垂直安装在定平台1上，移动副62与立柱61连接，转动副63与移动副62连接，连杆64的一端与转动副63连接，连杆64的另一端与球面副65连接，球面副65安装在动平台2上；

第三支链7：立柱71垂直安装在定平台1上，移动副72与立柱71连接，转动副73与移动副72连接，连杆74的一端与转动副73连接，连杆74的另一端与球面副75连接，球面副75安装在动平台2上，

三个立柱51，61，71以定平台1的中心为原点，互相夹角为120°；

所述并联机构还包括传感器固定架3、二维影像传感器组4、激光发射器组8、多功能卡9和计算机10，

传感器固定架3安装在三个立柱51，61，71上端，传感器固定架3与定平台1平行，二维影像传感器组4安装在传感器固定架3上，

在每一个支链的连杆54，64，74上安装激光发射器组8中的激光发射器，激光发射器组8中的激光发射器在连杆54，64，74所在的垂直平面内，并使激光发射器组8中的激光发射器发射的激光能够被二维影像传感器组4接收，且激光发射器组8中的激光发射器发出的激光为直线激光，

二维影像传感器组4通过通讯线与多功能卡9连接，多功能卡9的一端与二维影像传感器组4连接，该多功能卡9的另一端与计算机10连接，计算机10通过多功能卡9控制激光发射器组8。

如图2所示，二维影像传感器组4为三组完全相同的二维影像传感器模块41，42，43，二维影像传感器模块41，42，43均为对称形状，二维影像传感器模块41，42，43中心线的夹角为120°，三个二维影像传感器模块41，42，43的中心线在水平面上的投影与三个连杆54，64，74在水平面上的投影重合。

激光发射器组8发射激光照射二维影像传感器模块41，42，43，该二维影像传感器模块41，42，43将照射点的位置信号输出给多功能卡9，多功能卡9再将位置信号输入计算机10。

激光发射器组8中包含的激光发射器的个数N为3的整数倍，N不小于3。3个连杆54，64，74上每个连杆上安装的激光发射器的个数相同，都为N/3个。激光发射器在连杆54上的安装方式、在连杆64上的安装方式、在连杆74上的安装方式，三个安装方式完全相同。图1中给出的是N为3时的情况，即每个连杆上各安装1个激光发射器。

每个二维影像传感器模块41，42，43的宽度确定方法为：

SN1：根据挠度公式求出连杆在激光发射器组（8）中的N个激光发射器安装位置处的最大理论变形量， N个所述最大理论变形量是在连杆54，64，74末端的球面副55，65，75的受力在转动副53，63，73的轴线方向上的分力最大时求得；

SN2：二维影像传感器模块41，42，43的宽度不小于N个所述最大理论变形量的最大值的2倍。

每个二维影像传感器模块41，42，43的形状可以是矩形，可以是其他形状。

第一连杆54上安装激光发射器组8中的N/3个激光发射器，N/3个激光发射器发出激光的方向、立柱51和连杆54三者在同一个平面上，N/3个激光发射器发出的激光为直线激光，且能够被二维影像传感器模块一41接收；第二连杆64上安装激光发射器组8中的N/3个激光发射器，N/3个激光发射器发出激光的方向、立柱61和连杆64三者在同一个平面上，N/3个激光发射器发出的激光为直线激光，且能够被二维影像传感器模块二42接收；第三连杆74上安装激光发射器组8中的N/3个激光发射器，N/3个激光发射器发出激光的方向、立柱71和连杆74三者在同一个平面上，N/3个激光发射器发出的激光为直线激光，且能够被二维影像传感器模块三43接收。上述三者在同一个平面上的前提是所述并联机构没有任何误差的情况，也就是说三个连杆54，64，74都没有变形误差。

本发明中，所述并联机构在工作时，每一支链的连杆54，64，74在受到平行于转动副53，63，73轴线的方向上的力时，该连杆54，64，74与转动副53，63，73所连接成的结构，可简化为连杆54，64，74与转动副53，63，73轴线方向所形成平面上的悬臂梁，转动副53，63，73处可简化为固定支座，连杆54，64，74末端可简化为自由端。

当N=3时，3个激光发射器安装位置处的最大理论变形量相同，设为。则每个二维影像传感器模块41，42，43的宽度确定方法包括如下步骤：

S31：根据挠度公式求出 。设连杆54，64，74末端即球面副55，65，75在平行于转动副53，63，73轴线的方向上受到的最大分力为 ，连杆54，64，74的挠曲线方程为

其中， 为所述并联机构的整个工作空间内的最大分力， 为激光发射器的安装位置到转动副53，63，73中心的距离，E为连杆材料的弹性系数，I为截面惯矩， 为连杆长度；

S32：二维影像传感器模块41，42，43的宽度 。

由于本发明提供的并联机构具有对称性，则得到二维影像传感器模块41，42，43的最大宽度为

其中，为增加的冗余宽度。

当N>3时，N个激光发射器安装位置处的所述最大理论变形量具有N/3个值，即三个连杆完全相同。根据步骤S31中的挠曲线方程求出其中一个连杆上的N/3个激光发射器安装位置处对应的所述最大理论变形量，设N/3个所述最大理论变形量的最大值为，则二维影像传感器模块41，42，43的宽度为

。

当二维影像传感器模块41，42，43的形状为矩形时，b为矩形的宽度；当为其他形状时，b为最大宽度。

本发明提供的技术方案在具体实施的过程中，激光发射器组8中的N个激光发射器与连杆54，64，74的夹角及安装位置至关重要。N个激光发射器的安装必须要保证在并联机构的整个工作空间中，安装在每个连杆上的N/3个激光发射器都能照射到对应的二维影像传感器模块41，42，43上。也就是说，安装在连杆54上的激光发射器发出的激光必须能被二维影像传感器模块一41接收到，安装在连杆64上的激光发射器发出的激光必须能被二维影像传感器模块二42接收到，安装在连杆74上的激光发射器发出的激光必须能被二维影像传感器模块三43接收到。

当N=3时，连杆54的变形误差的确定方法包括如下步骤：

B1：打开激光发射器，由多功能卡和计算机获得激光在二维影像传感器组模块41中的坐标，得到连杆上激光发射器安装位置处在转动副轴线方向上的挠度。

B2：设变量为激光发射器的安装位置到转动副53中心的距离，E为连杆材料的弹性系数，I为截面惯矩， l为连杆长度。根据挠曲线方程

计算连杆54，64，74末端平行于转动副轴线的方向上受到的分力为F。

B3：则连杆54末端的挠度为

。

同理，可计算连杆64、74的挠度，即变形误差。则可根据机器人运动学确定变形后球面副的实际坐标。

需要指出的是，上述的当N=3时的实施例中，变形误差的确定方法的应用前提是：连杆仅在在转动副轴线与连杆形成的平面内弯曲变形。然而，实际上，这个前提在有些情况下并不能完全满足。此时，需要增加激光发射器的个数N，通过N个激光发射器发出的激光在二维影像传感器模块上的坐标运用机器人运动学计算连杆在其他方向上的变形及扭转，进而确定所述并联机构的位姿误差。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述提示的技术内容作出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明保护的范围内。

Claims (5)

1.一种带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，包括定平台（1）、动平台（2）、第一支链（5）、第二支链（6）、第三支链（7），第一支链（5）、第二支链（6）和第三支链（7）中的每一个支链均包括以下部件：立柱（51，61，71）、移动副（52，62，72）、转动副（53，63，73）、连杆（54，64，74）、球面副（55，65，75），

上述每一个支链中所包括的部件的连接结构为：立柱（51，61，71）垂直安装在定平台（1）上，移动副（52，62，72）与立柱（51，61，71）连接，转动副（53，63，73）与移动副（52，62，72）连接，连杆（54，64，74）的一端与转动副（53，63，73）连接，连杆（54，64，74）的另一端与球面副（55，65，75）连接，球面副（55，65，75）安装在动平台（2）上；

三个立柱（51，61，71）以定平台（1）的中心为原点，互相夹角为120°；

其特征在于：所述并联机构还包括传感器固定架（3）、二维影像传感器组（4）、激光发射器组（8）、多功能卡（9）和计算机（10），

传感器固定架（3）安装在三个立柱（51，61，71）上端，传感器固定架（3）与定平台（1）平行，二维影像传感器组（4）安装在传感器固定架（3）上，

在每一个支链的连杆（54，64，74）上安装激光发射器组（8）中的激光发射器，激光发射器组（8）中的激光发射器在连杆（54，64，74）所在的垂直平面内，并使激光发射器组（8）中的激光发射器发射的激光能够被二维影像传感器组（4）接收，且激光发射器组（8）中的激光发射器发出的激光为直线激光，

二维影像传感器组（4）通过通讯线与多功能卡（9）连接，多功能卡（9）的一端与二维影像传感器组（4）连接，该多功能卡（9）的另一端与计算机（10）连接，计算机（10）通过多功能卡（9）控制激光发射器组（8）。

2.根据权利要求1所述的带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，其特征在于：二维影像传感器组（4）为三组完全相同的二维影像传感器模块（41，42，43），二维影像传感器模块（41，42，43）均为对称形状，二维影像传感器模块（41，42，43）中心线的夹角为120°，三个二维影像传感器模块（41，42，43）的中心线在水平面上的投影与三个连杆（54，64，74）在水平面上的投影重合。

3.根据权利要求2所述的带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，其特征在于：激光发射器组（8）发射激光照射二维影像传感器模块（41，42，43），该二维影像传感器模块（41，42，43）将照射点的位置信号输出给多功能卡（9），多功能卡（9）再将位置信号输入计算机（10）。

4.根据权利要求3所述的带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，其特征在于：激光发射器组（8）中包含的激光发射器的个数N为3的整数倍，N不小于3。

5.根据权利要求4所述的带连杆变形误差检测的三自由度并联机构，其特征在于：每个二维影像传感器模块（41，42，43）的宽度确定方法为：

SN1：根据挠度公式求出连杆在激光发射器组（8）中的N个激光发射器安装位置处的最大理论变形量， N个所述最大理论变形量是在连杆（54，64，74）末端的球面副（55，65，75）的受力在转动副（53，63，73）的轴线方向上的分力最大时求得；

SN2：二维影像传感器模块（41，42，43）的宽度不小于N个所述最大理论变形量的最大值的2倍。