CN107053141A - 全域恒平衡重载六自由度并联机构 - Google Patents

全域恒平衡重载六自由度并联机构 Download PDF

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    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0072Programme-controlled manipulators having parallel kinematics of the hybrid type, i.e. having different kinematics chains

Abstract

一种全域恒平衡重载六自由度并联机构,其包括运动平台、固定平台、承重平台、六条结构完全相同的驱动分支和三条结构完全相同的承重分支。六条驱动分支连接运动平台和固定平台,构成并联驱动机构,三条承重分支连接承重平台和固定平台,构成并联平衡机构,承重平台中心通过第二球铰与运动平台连接。上述六条驱动分支为UPS结构,由电动缸、第一万向铰和第一球铰组成。上述三条承重分支为PRUR结构,由平衡液压缸或平衡气缸、第一转动副、第二万向铰和第二转动副组成。本发明在保持平衡机构的输入力恒定不变的情况下,在整个工作空间各个位姿,即全域内具有恒定的重力平衡性能,其承载能力强,定位精度高,控制简单。

Description

全域恒平衡重载六自由度并联机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种并联机构,特别是一种重载并联机构。
背景技术
[0002] 并联机构因其定位精度高、刚度高和承载能力强等优点,得到了广泛的应用。六自 由度并联机构由于其可实现空间三维运动,因此被广泛应用于各种模拟运动,如飞机、坦 克、舰船等的运动仿真。现有大型六自由度并联机构的驱动机构部分大多采用电动缸或液 压缸控制,电动缸精度高,可靠性好,维护和操作方便,成本低,但不能承受重载,液压系统 承载能力强,但液压系统比较复杂,使用维修比较困难。
[0003] 为了提高并联机构的承载能力,专利200820004705.0公开了 一种大负载六自由度 电动平台,采用电动缸进行驱动,气缸进行辅助支撑,气缸一端通气另一端悬空,通过控制 进气压力可平衡负载和上平台部分重力,但由于气缸随上平台运动而被动运动,由气缸推 力产生除沿竖直方向外其他方向的分力(或力矩)会导致电动缸负载的增加。专利 201310651676.2公开了一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台,采用六个液压缸进行 驱动,具有较高的承载能力,当上平台运动时,需根据上平台位姿实时调节液压系统的输出 力以平衡负载和上平台重力,对控制具有较高的要求。专利201310282798.9公开了一种带 有平衡机构的六自由度重载静平衡并联运动模拟平台机构,该机构采用六个电动缸,三个 平衡缸,平衡缸用以平衡负载和运动平台部分重力,电动缸用以平衡负载和运动平台剩余 重力和驱动运动平台和负载实现给定运动。平衡缸的存在,减小了电动缸的负载,提高了该 机构的承载能力,但该机构在整个工作空间各个位姿下,即全域内却不具有恒定的承载能 力,即在全域内平衡机构所能平衡的负载和运动平台的重力随运动平台所处位姿不同而不 同。若想在全域内平衡给定的负载和运动平台的重力,则需根据运动平台的位姿实时调节 平衡缸的推/拉力。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种承载能力强、定位精度高、控制简单的全域恒平衡重 载六自由度并联机构。
[0005] 本发明包括运动平台、固定平台、承重平台、六条结构完全相同的驱动分支和三条 结构完全相同的承重分支。六条驱动分支连接运动平台和固定平台,构成并联驱动机构,三 条承重分支连接承重平台和固定平台,构成并联平衡机构。
[0006] 所述六条驱动分支中由电动缸驱动构成的第一移动副的一端通过第一球铰与运 动平台连接,另一端通过第一万向较与固定平台连接,上述六个第一球铰中心点连线构成 半对称六边形,上述六个第一万向铰中心点连线构成正六边形,六个第一球较中心点连线 构成的半对称六边形的各边与六个第一万向铰中心点连线构成的正六边形的各边对应平 行。
[0007] 所述三条承重分支包括第一连杆、第二连杆、滑块、第二移动副、第一转动副、第二 万向铰、第二转动副和三组导轨,其中对称布置的三组导轨固定在固定平台上,导轨与固定 平台之间成固定夹角,第一连杆的一端通过第二转动副与承重平台连接,第一连杆的另一 端通过第二万向铰与第二连杆的一端连接,第二连杆的另一端通过第一转动副与滑块连 接,滑块通过第二移动副与上述三组导轨滑动连接,上述三个第二转动副中心点连线构成 正三角形,上述承重平台中心通过第二球铰与运动平台连接,第二球较由三个轴线相互垂 直且汇交于一点的转动副构成。
[0008] 上述第一万向铰由第三转动副和第四转动副构成,第三转动副和第四转动副轴线 垂直相交,第三转动副平行于固定平面;上述第二万向铰由第五转动副和第六转动副构成, 第五转动副和第六转动副轴线垂直相交,上述第一转动副、第六转动副、第二转动副和第二 移动副平行,上述三组导轨分别包含两条平行导轨,两条导轨之间设有平衡液压缸或平衡 气缸,并与导轨平行,平衡液压缸或平衡气缸尾部通过铰链连接固定在固定平台上,平衡液 压缸或平衡气缸伸缩杆端部通过螺纹连接固定在第二移动副上。
[0009] 电动缸主要用来控制运动平台的动作,使得运动平台在三维空间的运动位置更精 确。平衡液压缸或平衡气缸通过平衡机构给运动平台作用一个竖直向上的力以平衡负载和 运动平台部分或全部重力,工作过程中平衡液压缸或平衡气缸的推力由蓄能器保持。
[0010] 本发明与现有技术相比有如下优点:
[0011]平衡机构具有三个移动自由度,当选取移动副作为主动输入时,其雅克比矩阵恒 定。因此,在运动初始,调节平衡液压缸或平衡气缸输出力,通过平衡机构给运动平台作用 于一个竖直向上的力以平衡负载和运动平台部分或全部重力,在运动过程中再无须随运动 平台所处位姿不同而实时调节平衡机构的输入力就可平衡最初平衡机构所能平衡的那一 部分负载和运动平台的重力。该机构实现了在全域内各个位姿下都具有恒定重力平衡性能 的目的,这为具有平衡特性的重载并联机器人实时控制带来了便利。
附图说明
[0012]图1是本发明的主视图;
[0013] 图2是本发明中并联驱动机构的主视图;
[0014] 图3是本发明中并联平衡机构的主视图;
[0015] 图4是本发明的俯视图;
[0016] 图5是本发明中平衡机构的俯视图。
具体实施方式
[0017] 在图1-图3所示的本发明全域恒平衡重载六自由度并联机构示意图中,六条结构 相同的驱动分支连接运动平台7和固定平台1,构成并联驱动机构,三条结构相同的承重分 支连接承重平台9和固定平台构成并联平衡机构。
[0018]所述六条驱动分支中由电动缸驱动5构成的第一移动副的一端通过第一球铰6与 运动平台连接,另一端通过第一万向铰2与固定平台连接,如图4所示,上述六个第一球铰中 心点连线构成半对称六边形,上述六个第一万向较中心点连线构成正六边形,六个第一球 铰中心点连线构成的半对称穴边形的各边与六个第一万向铰中心点连线构成的正六边形 的各边对应平行;
[0019] 所述三条承重分支中对称布置的三组导轨18固定在固定平台上,导轨与固定平台 之间成固定夹角,第一连杆11的一端通过第二转动副10与承重平台连接,第一连杆的另一 端通过第二万向铰12与第二连杆15的一端连接,第二连杆的另一端通过第一转动副16与滑 块17连接,滑块通过第二移动副与上述三组导轨滑动连接。如图5所示,上述三个第二转动 副中心点连线构成正三角形,上述承重平台中心通过第二球铰8与运动平台连接,第二球铰 由三个轴线相互垂直且汇交于一点转动副构成。
[0020] 上述第一万向铰由第三转动副3和第四转动副4构成,第三转动副和第四转动副轴 线垂直相交,第三转动副平行于固定平面;上述第二万向铰由第五转动副13和第六转动副 14构成,第五转动副和第六转动副轴线垂直相交,上述第一转动副、第六转动副、第二转动 副和第二移动副平行,上述三组导轨分别包含两条平行导轨,两条导轨之间设有平衡液压 缸19,并与导轨平行,平衡液压缸尾部通过铰链连接固定在固定平台上,平衡液压缸伸缩杆 端部通过螺纹连接固定在第二移动副上。

Claims (2)

1. 一种全域恒平衡重载六自由度并联机构,其包括运动平台、固定平台、承重平台、六 条结构完全相同的驱动分支和三条结构完全相同的承重分支,六条驱动分支连接运动平台 和固定平台,构成并联驱动机构,三条承重分支连接承重平台和固定平台,构成并联平衡机 构,其特征在于:所述六条驱动分支中由电动缸驱动构成的第一移动副的一端通过第一球 铰与运动平台连接,另一端通过第一万向铰与固定平台连接,上述六个第一球铰中心点连 线构成半对称六边形,上述六个第一万向铰中心点连线构成正六边形,六个第一球铰中心 点连线构成的半对称六边形的各边与六个第一万向铰中心点连线构成的正六边形的各边 对应平行; 所述三条承重分支包括第一连杆、第二连杆、滑块、第二移动副、第一转动副、第二万向 铰、第二转动副和三组导轨,其中对称布置的三组导轨固定在固定平台上,导轨与固定平台 之间成固定夹角,第一连杆的一端通过第二转动副与承重平台连接,第一连杆的另一端通 过第二万向铰与第二连杆的一端连接,第二连杆的另一端通过第一转动副与滑块连接,滑 块通过第二移动副与上述三组导轨滑动连接,上述三个第二转动副中心点连线构成正三角 形,上述承重平台中心通过第二球铰与运动平台连接,第二球铰由三个轴线相互垂直且汇 交于一点的转动副构成。
2. 根据权利要求1所述的全域恒平衡重载六自由度并联机构,其特征在于:所述第一万 向铰由第三转动副和第四转动副构成,第三转动副和第四转动副轴线垂直相交,第三转动 副平行于固定平面,所述第二万向铰由第五转动副和第六转动副构成,第五转动副和第六 转动副轴线垂直相交,所述第一转动副、第六转动副、第二转动副和第二移动副平行,所述 三组导轨分别包含两条平行导轨,两条导轨之间布置有平衡液压缸或平衡气缸,与导轨平 行,平衡液压缸或平衡气缸尾部通过铰链连接固定在固定平台上,平衡液压缸或平衡气缸 伸缩杆端部通过螺纹连接固定在第二移动副上。
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