CN106926219A - 刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置 - Google Patents

Abstract

一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其包括一个动平台、一个静平台、一个中间立柱以及三个支链，该中间立柱的两端分别连接于该动平台和该静平台，各个该支链和该动平台之间的连接方式是球铰，各个该支链和该静平台之间的连接方式是胡克铰，并且各个该支链中该球铰和该胡克铰采用移动副，在该中间立柱和各个该支链的限制下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置能够进行两个自由度的转动和一个自由度的移动，并且该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置不仅能够实现三个自由度方向的单独的运动，而且还能够耦合运动，并且无累积公差，从而确保该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的精度。

Description

刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置

技术领域

本发明涉及一种着陆上升组合体姿态模拟试验，特别涉及一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置。

背景技术

着陆上升组合体姿态模拟试验，是对着陆上升组合体在月球表面着陆的各种姿态进行的模拟实验研究。开展着陆上升组合体姿态模拟试验，需要一套空间三自由度并联机构。在满足姿态模拟试验的功能和性能的基础上，本发明创新设计了一种随动刚度可调的并联装置。

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支链并联驱动的三自由度装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其中该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一个动平台、一个静平台、一个中间立柱以及三个支链，该中间立柱的两个端部分别连接于该动平台和该静平台，各个该支链和该动平台之间通过一球铰连接的方式进行连接，各个该支链和该静平台之间通过一胡克铰的方式进行连接，并且各个该支链中该球铰和该胡克铰采用移动副。

作为对本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，三个该支链呈等腰三角形的形状布置。

作为对本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一随动支链，该随动支链分别连接于该动平台和该静平台，并且该随动支链和该中间立柱形成移动副。

作为对本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，该动平台位于该静平台的上部。

作为对本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的进一步优选的实施例，该中间立柱和该动平台通过该胡克铰的方式进行连接，以形成PU支链。

本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的优势在于：

本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一个动平台、一个静平台、一个中间立柱以及三个支链，该中间立柱的两端分别连接于该动平台和该静平台，各个该支链和该动平台之间的连接方式是球铰，各个该支链和该静平台之间的连接方式是胡克铰，并且各个该支链中该球铰和该胡克铰采用移动副，在该中间立柱和各个该支链的限制下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置能够进行两个自由度的转动和一个自由度的移动，并且该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置不仅能够实现三个自由度方向的单独的运动，而且还能够耦合运动，并且无累积公差，从而确保该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的精度。

由于受到空间的限制，各个该支链呈等腰三角形的形状布置，以使该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的结构更加紧凑。另外，为了保证该随动刚度可调的三自由度并联装置的运动的准确性，使其严格围绕该动平台的中心转动，在该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置中间增加了一随动支链，其中该随动支链和该中间立柱形成移动副。该中间立柱和该动平台采用该胡克铰的方式进行连接，形成PU支链。在该随动支链的移动副的三个锁紧全部锁紧、该胡克铰十字轴轴端四个抱闸全部关闭以及三个驱动拉伸状态下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度最大，三个锁紧全部松开、四个抱闸全部打开状态下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度最小，在其他状态下通过调节抱闸和锁紧状态可以实现刚度可调。

另外，三个该支链采用等腰三角形布置，该随动支链布置于其中间，空间复用，使得整个该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的结构紧凑，增加了该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的承载能力，提高了该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的整体刚度。且该随动支链使得该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的自由度准确可控，有效地保证该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的运动性。

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是本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的立体示意图。

图2是本发明的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的概念示意图。

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和图2所示，依本发明的发明精神提供一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一个动平台10、一个静平台20、一个随动支链30以及三个主动支链40，该随动支链30和各个该支链40的两端分别连接于该动平台10和该静平台20。优选地，该动平台10和该静平台20可以采用上下结构，例如该动平台10位于该静平台20的上方，该随动支链30的上端部和各个该支链40的上端部分别连接于该动平台10，该中间立柱70的下端部和各个该支链40的下端部分别连接于该静平台20。该动平台10能够被驱动在X和Y方向做相对于该静平台20的转动和在Z方向做相对于该静平台20的上下运动，从而实现该随动刚度可调的三自由度并联装置在三个自由度方向的单独运动或者耦合运动。

优选地，各个该支链40和该动平台10之间通过一球铰连接50的方式进行连接，各个该支链40和该静平台20之间通过一胡克铰60的方式进行连接，并且各个该支链40中该球铰50和该胡克铰60采用移动副。在该随动支链30和各个该支链40的限制下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置能够进行两个自由度的转动和一个自由度的移动，并且该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置不仅能够实现三个自由度方向的单独的运动，而且还能够耦合运动，并且无累积公差，从而确保该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的精度。

另外，三个该支链40呈等腰三角形的形状布置，以使该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的结构更加紧凑。

该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一随动支链30，该随动支链30分别连接于该动平台10和该静平台20，并且该随动支链30和该中间立柱70形成移动副，以保证该随动刚度可调的三自由度并联装置的运动的准确性，使其严格围绕该动平台10的中心转动。优选地，该随动支链30和该动平台10采用该胡克铰60的方式进行连接，形成PU支链。在该随动支链30的移动副的三个锁紧全部锁紧、该胡克铰60十字轴轴端四个抱闸全部关闭以及三个驱动拉伸状态下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度最大，三个锁紧全部松开、四个抱闸全部打开状态下，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度最小，在其他状态下通过调节抱闸和锁紧状态可以实现刚度可调。

进一步阐述该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置刚度特性，需先建立该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的运动学方程,求出该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的雅可比矩阵，然后基于守恒协调刚度矩阵推导出该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度矩阵的解析表达式。

机构运动学解析

如图2所示，建立与该动平台10固结的动坐标系Pxyz、与该静平台20固结的固定坐标系OXYZ，如图2所示，坐标系的原点P和O分别位于该随动支链30的该胡克铰60中心在该动平台10和该静平台20所确定平面上的投影处，轴z和Z分别垂直于该动平台10和该静平台20向上，轴x、y与X、Y分别平行和垂直于动该动平台10和该静平台20的边A₂A₃与B₂B₃。在坐标系OXYZ中，该静平台20上的该胡克铰60中心B_i(i＝1,2,3)的坐标为(B_ix,B_iy,B_iz)，该动平台10上的该球铰50的中心A_i(i＝1,2,3)的坐标为(A_ix,A_iy,A_iz)。在动坐标系Pxyz中，该动平台10上的该球铰50的中心A_i(i＝1,2,3)的坐标为((^PA_ix,^PA_iy,^PA_iz)。

分析机构的结构形式，可建立该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的运动学约束方程如下：

(A_ix-B_ix)²+(A_iy-B_iy)²+(A_iz-B_iz)²＝l_i ²,i＝1,2,3 (1)

其中：

给出Z‐Y‐X型3个欧拉角(γ,β,α)，由于中间的该随动支链30对该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的运动性的限制，γ＝0，动坐标系最终的姿态矩阵为

其中cα＝cosα，sα＝sinα。

将式(1)对时间t求导，可得：

结合式(1)和(2)可得：

其中ω_x，ω_y，ω_z为该动平台10分别绕定坐标系X，Y，Z轴旋转的角速度，而C_i，D_i，E_i为系数，且与旋转矩阵T有关。由于ω_z＝0，故上式可化简为：

令a_i1＝A_ix-B_ix,a_i2＝A_iy-B_iy,a_i3＝A_iz-B_iz，则

系数

C_i＝a_i1(^PA_iycβcα-^PA_izsβsα)+a_i2(-^PA_iysα-^PA_izcα)+a_i3(^PA_iycβcα-^PA_izcβsα)

D_i＝a_i1(-^PA_ixsβ+^PA_iycβsα+^PA_izcβcα)+a_i3(-^PA_ixcβ-^PA_iysβ-^PA_izsβcα)

其中

A_ix＝x+^PA_ixcβ+^PA_iysβsα+^PA_izsβcα

A_iy＝y+^PA_iycα-^PA_izsα

A_iz＝z-^PA_ixsβ+^PA_iycβsα+^PA_izcβcα

将式(4)写成矩阵的形式：

令

则式(4)可记为：

雅克比矩阵的求解

由式(4)和(5)可得并联机构的雅克比矩阵为：

J＝B^-1A (9)

求解得：

建立刚度矩阵模型

设关节刚度矩阵为：

其中k_ii通常取为常量。

由式(10)可知，对于机构雅克比矩阵有：

并联机构的守恒协调转换刚度矩阵具有如下形式：

K_C＝K_G+J^TK_JJ＝K_G+S_J (12)

式中：K_G为外力作用影响产生的刚度，S_J为机构结构位形刚度。

式中T＝[T₁ T₂ T₃]^T代表驱动力(驱动力矩)，它与动平台作用与外界的力(或力偶矩)F＝[f,m_n]^T之间的关系用下式表示：

F＝J^TT (14)

K_G和S_J矩阵的元素g_i1、g_i2、g_i3和j_1i、j_2i、j_3i分别如下：

刚度矩阵在z，α，β方向的分量K_Cz，K_Cα，K_Cβ，经过计算得:

Δα＝a_i1(-^PA_iysβsα-^PA_izsβcα)+a_i2(-^PA_iycα+^PA_izsα)+a_i3(-^PA_iycβsα-^PA_izcβcα) (18)

Δβ＝a_i1(-^PA_ixcβ-^PA_iysβsα-^PA_izsβcα)+a_i3(^PA_ixsβ-^PA_iycβ-^PA_izcβcα) (19)

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支链并联驱动的三自由度装置的位姿和所受外力(力矩)有关，故可以通过改变该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的三个锁紧和四个抱闸的状态来实现该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的位姿调整以及所受力(力矩)的改变，从而实现该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度可调。

下面是改变该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的三个锁紧和四个抱闸的状态，通过传感器测出的该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置位姿以及所受力(力矩)的数值。

从上表中可知通过改变三个锁紧和四个抱闸的状态，可以实现该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置位姿的改变，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置所需的驱动力也随之改变，因此该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置的刚度实现可调。

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 (6)

1.一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一个动平台、一个静平台、一个中间立柱以及三个支链，该中间立柱的两个端部分别连接于该动平台和该静平台，各个该支链和该动平台之间通过一球铰连接的方式进行连接，各个该支链和该静平台之间通过一胡克铰的方式进行连接，并且各个该支链中该球铰和该胡克铰采用移动副。

2.如权利要求1所述的一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，三个该支链呈等腰三角形的形状布置。

3.如权利要求1所述的一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一随动支链，该随动支链分别连接于该动平台和该静平台，并且该随动支链和该中间立柱形成移动副。

4.如权利要求2所述的一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，该随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置包括一随动支链，该随动支链分别连接于该动平台和该静平台，并且该随动支链和该中间立柱形成移动副。

5.如权利要求4所述的一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，该动平台位于该静平台的上部。

6.如权利要求5所述的一种随动刚度可调的三支链并联驱动的三自由度装置，其特征在于，该中间立柱和该动平台通过该胡克铰的方式进行连接，以形成PU支链。