CN106737593A - 动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置 - Google Patents

Abstract

一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其包括一个基座、一个动平台、三个支链、一个直线驱动单元以及两个弧线驱动单元，该动平台设置于该基座的上部，该直线驱动单元的下端部设置于该基座，并且该直线驱动单元的上端部通过一十字铰连接于该动平台，以通过该直线驱动单元驱动该动平台在Z轴方向做相对于该基座的上下运动，各个该弧线驱动单元分别设置于该十字铰，以驱动该动平台在X轴方向和Y轴方向做相对于该基座的转动，各个该支链的上端部和下端部分别连接于该动平台和该基座，各个该支链增加了该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的整体性能，该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置具有驱动简单、工作空间大等优点。

Description

动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置

技术领域

本发明涉及一种三自由度串联装置，属于串联机器人机构学领域，特别涉及一种随动刚度可调的三自由度串联装置。

背景技术

月球探索是人类探索太空的第一步。在研究月球环境及其表面真实的状态特性时，需要通过试验以得到最真实可靠的月球表面土壤的采样分析数据，因此需要进行地面模拟月球表面采样试验。

配合月球探索工程的实施，需开展月球表面环境模拟的采样封装专项试验的研究，而姿态调整机构安装其上的钻机、表取机械臂组成了采样封装专项试验系统。姿态调整机构为其上的设备提供各种在月球表面的着陆姿态，并为验证采样封装相关设备安装布局、工作运动等接口关系提供验证条件。姿态调整机构处于模拟月球表面的模拟平台上面，为采样封装设备提供较真实的工作对象与工作环境，检验采样封装设备和月球表面的坡度、表取模拟等状态的相互配合关系。

调节姿态调整机构的姿态就能模拟设备在月球表面的各种着陆姿态。在这些着陆姿态下能对设备进行各种仿真试验，实时获取表取、钻取动作时的各种情况以及数据，并能检查设备之间的干涉问题。姿态调整机构的设计是整个采样封装试验的一个关键功能部件的设计。其技术较为复杂、并能提供后期的理论方面的研究平台。因此，设计一台合理的姿态调整机构具有非常重要的意义。也为月球探索工程的采样返回的顺利实现提供了试验验证的基石。机构刚度是指机构在外力的作用下抵抗变形的能力，刚度是高速和高精度并联机构的重要特性之一。刚度包括了静刚度和动刚度，刚度不仅与机器人机构的拓扑结构有关，还与机构的尺度参数和截面参数密切相关。静刚度性能分析是基于静刚度解析模型，站在整个工作空间的角度评价机构的静刚度性能，以便为机构参数设计提供参考，建立机构整体静刚度、柔度矩阵并分析其在整个工作空间内静刚度性能和6个主刚度指标及所在主方向。由于一般串联机构刚度较低，稳定性较差，本发明提供一种随动刚度可调的三自由度串联装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高本身的稳定性和动态特性的随动刚度可调的三自由度串联装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其中该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置包括一个基座、一个动平台、三个支链、一个直线驱动单元以及两个转动驱动单元，该动平台设置于该基座的上部，该直线驱动单元的下端部设置于该基座，并且该直线驱动单元的上端部通过一十字铰连接于该动平台，以通过该直线驱动单元驱动该动平台在Z轴方向做相对于该基座的上下运动，各个该转动驱动单元分别设置于该十字铰，以驱动该动平台在X轴方向和Y轴方向做相对于该基座的转动，各个该支链的上端部和下端部分别连接于该动平台和该基座。

作为对本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，各个该支链呈等腰三角形的形状布置。

作为对本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，该直线驱动单元是一液压缸。

作为对本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，该液压缸是自锁液压缸。

本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的优势在于：

本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置包括一个基座、一个动平台、三个支链、一个直线驱动单元以及两个转动驱动单元，该动平台设置于该基座的上部，该直线驱动单元的下端部设置于该基座，并且该直线驱动单元的上端部通过一十字铰连接于该动平台，以通过该直线驱动单元驱动该动平台在Z轴方向做相对于该基座的上下运动，各个该转动驱动单元分别设置于该十字铰，以驱动该动平台在X轴方向和Y轴方向做相对于该基座的转动，各个该支链的上端部和下端部分别连接于该动平台和该基座，各个该支链增加了该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的整体性能，该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置具有驱动简单、工作空间大等优点。该直线驱动单元具有自锁功能，当该直线驱动单元驱动该动平台的高度调整完毕后，该直线驱动单元能够通过自锁锁定高度。

优选地，各个该支链采用等腰三角形的形状进行布置，这样，能够使得该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置运动平稳，受力均匀，并且提高了该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的整体刚度，以保证该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的可靠性。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的立体示意图。

图2是本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的概念示意图。

图3是本发明的该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图3所示，依本发明的发明精神提供一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置包括一个基座1、一个动平台3、三个支链2、一个直线驱动单元4以及两个转动驱动单元5。

该动平台3设置于该基座1的上部，该直线驱动单元4的下端部设置于该基座1，并且该直线驱动单元4的上端部通过一十字铰连接于该动平台3，以通过该直线驱动单元4驱动该动平台3在Z轴方向做相对于该基座1的上下运动，各个该转动驱动单元5分别设置于该十字铰，以驱动该动平台3在X轴方向和Y轴方向做相对于该基座1的转动，各个该支链2的上端部和下端部分别连接于该动平台3和该基座1。

优选地，该直线驱动单元4是一个液压缸，以通过电动的方式驱动该动平台3竖直上下运动。更优选地，该液压缸是一个自锁液压缸，即该液压缸具有自锁功能，从而当该液压缸将该动平台3调整到预设高度之后，该液压缸能够自锁，以使该动平台3保持在该预设高度。

进一步地，如图1，各个该支链2呈等腰三角形的形状布置，这样，能够使得该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置运动平稳，受力均匀，并且提高了该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的整体刚度，以保证该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置的可靠性。

使用两个该弧线驱动单元5来驱动该十字绞的两根轴来实现动平台绕X轴和Y轴的转动，一个该直线驱动单元4来实现沿Z轴的移动。同时，在该基座1沿圆周布置三个该支链2来保证该随动刚度可调的三自由度装置的稳定性，同时该支链2也具有自锁功能，在调整完俯仰和侧倾角后，该支链2能够自锁以辅助限制角度的变化，从而消除了各运动关节的间隙，提高了该随动刚度可调的三自由度装置的刚度、稳定性及安全性。

机构运动学解析

基于虚功原理建立样机受力和变形间的关系，然后分析样机全局刚度矩阵与各结构部件弹性变形间的关系，并对不同姿态空间下样机的全局刚度特性进行数值分析。

对样机模型进行适当的简化：

1)假设球副S、该动平台3、该基座1(定平台)以及胡克铰U为理想刚体，仅考虑驱动副P和连杆为弹性体；

2)将三个该支链2看作3个分支，并将分支下端看作通过6维力[F_i，R_i，P_i，M_fi，M_ri，M_pi]^T(i＝1，2，3)与该基座1相连，三个该支链2支撑作用；

3)不考虑各个部件的重力；

4)将驱动分支上连杆、下连杆等效成具有相同直径的均质杆；

5)忽略液压缸中油液质量的影响。

对分支各部件刚度求解

1)伸缩杆的轴向拉压刚度k_e

驱动分支PU其上端与上平台相连，下端与下连杆相连，受到驱动力P₄的作用，设其沿支链轴线方向发生拉压弹性变形δ_e，根据力与变形的关系，可以得到驱动分支驱动力和伸缩杆轴向拉压弹性变形δ_Le之间的关系式：

P₄＝k_eδ_e

式中E_L——伸缩杆弹性模量，采用钢材，取200GPa；

A_Le——伸缩杆横截面积，

d_Le——伸缩杆的直径(mm)。

2)液压缸液压油的刚度k_h

驱动分支PU由液压缸驱动，由于液压油的可压缩性，必然产生弹性变形。液压缸内两端液柱形变位移量相同，故可以将其等效为一个并联弹簧系统。而液压柱传力于活塞杆，产生驱动力P₂，其弹性变形为δ_Lh。则驱动分支驱动力和液压油的轴向弹性变形的关系为：

P₂＝k_hδ_h k_h＝k_h1+k_h2

式中k_h1——各分支液压缸有杆腔的刚度(N/mm)；

k_h2——各分支液压缸无杆腔的刚度(N/mm)；

E_h——液压油的弹性模量，取2.0GPa；

A_h2——各分支液压缸无杆腔的有效横截面积，

A_h1——各分支液压缸有杆腔的有效横截面积，

l_h1——各分支液压缸有杆腔的长度(mm)；

l_h2——各分支液压缸无杆腔的长度(mm)；

d_Lh——各分支液压缸无杆腔的横截直径(mm)。

3)底端定长杆的轴向拉压刚度k_f

驱动分支PU的底端定长杆受到驱动力P₂的反作用力P′₂的作用，且沿支链轴线方向发生拉压弹性变形δ_f则驱动分支驱动力的反作用力和底端定长杆轴向拉压弹性变形δ_f之间的关系为：

P′₂＝k_fδ_f

式中A_Lf——底端定长杆横截面积，

d_Lf——底端定长杆的等效直径(mm)；

l_f——底端定长杆的杆长(mm)。

4)驱动分支的弯曲刚度k_cf、k_cr

F’₀＝k_cfδ_cf

R’₀＝k_crδ_cr

式中E_c——支撑分支弹性模量，采用钢材，取200GPa；

I——支撑分支的极惯性矩，

d_c——支撑分支的直径(mm)；

因此，如图3描述了该机构样机的刚度模型，周围均布的3个UPS支撑分支分别变换为具有2个等效线性弹簧的弹性分支，中间的驱动分支变换为具有3个等效线性弹簧和2个等效弯曲弹簧的弹性分支，该动平台3和该基座1通过这些弹性分支相互连接，从而建立起该随动刚度可调的三自由度装置的刚度模型。

将驱动分支上各元件受力作用而引起的弹性变形合成为：

δ_p＝δ_e+δ_h+δ_f+δ_cf+δ_cr

另根据力和变形之间的相互关系，可以得到PU驱动分支的轴向刚度k_p为：

各UPS随动支撑分支的轴向刚度为：

因此，将各UPS随动分支轴向刚度整合成矩阵的形式为：

K_c＝diag[k_q1 k_q2 k_q3]

中间驱动分支受力的作用，前两项引起支撑分支的弯曲弹性变形为δ_cf，δ_cr，后一项引起支撑分支的拉伸弹性变形为δ_pp，则有：

K_a＝diag[k_pp k_cf kcr]

通过分析，可以得到动平台广义合外力F与其微位姿的关系式为：

F′＝Kδ_t

K为并联机构样机的6χ6的全局刚度矩阵，其表达式为：

K＝[G]^T·diag[K_aK_c]·[G]

式中，G为全局雅可比矩阵的逆矩阵。

由以上刚度矩阵的解析式可知：刚度矩阵主要与该随动刚度可调的三自由度装置的位姿和所受外力有关，故可以通过改变该随动刚度可调的三自由度装置的直线驱动锁紧的状态来实现该随动刚度可调的三自由度装置的位姿调整以及所受力的改变，从而实现该随动刚度可调的三自由度装置的刚度可调。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其特征在于，该动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置包括一个基座、一个动平台、三个支链、一个直线驱动单元以及两个转动驱动单元，该动平台设置于该基座的上部，该直线驱动单元的下端部设置于该基座，并且该直线驱动单元的上端部通过一十字铰连接于该动平台，以通过该直线驱动单元驱动该动平台在Z轴方向做相对于该基座的上下运动，各个该转动驱动单元分别设置于该十字铰，以驱动该动平台在X轴方向和Y轴方向做相对于该基座的转动，各个该支链的上端部和下端部分别连接于该动平台和该基座。

2.如权利要求1所述的一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其特征在于，各个该支链呈等腰三角形的形状布置。

3.如权利要求1所述的一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其特征在于，该直线驱动单元是一液压缸。

4.如权利要求3所述的一种动态特性可调的解偶单支链驱动的三自由度装置，其特征在于，该液压缸是自锁液压缸。