CN107127738A - 刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构 - Google Patents

Abstract

一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构，包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构，每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接；其中奇序号组支腿为刚性线性致动器，偶序号组支腿为柔性线性致动器，4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接，用于调整铰点位置。其通过刚柔混合以及冗余方式驱动，实现对机构刚度的大范围调整，并能通过低耦合可重构机制实现沿Z轴平动过程中始终解耦，其可以显著降低现有六自由度并联机构全域工作空间存在的自由度以及刚度的耦合，扩大高精度工作空间，刚度自适应并联机构与环境间的相互作用。

Description

刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构

技术领域

本发明涉及一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构。

背景技术

六自由度并联机构以其刚度大、精度高、承载能力强等特点，广泛应用于国防、航天的运动模拟、力学环境模拟、隔振/减振、精密定位及指向等领域。对于这些应用，六自由度并联机构的刚度及动力学特性至关重要，尤其是耦合特性。典型的六自由度并联机构，如Gough-Stewart并联机构等，因其多结构参数、多变量及多约束，性能分析复杂，刚度调节范围小，全域低耦合设计与优化困难。理论上，并联机构解耦(或称为正交)能够在一定程度上降低运动学和动力学等非线性耦合影响。目前六自由度并联机构多采用局部优化或点优化设计方法，在解耦中心邻域的工作空间获取高精度、低耦合性能。当六自由度并联机构运动远离解耦中心时，耦合加剧、精度降低，限制了并联机构在宏观操作领域的应用。更为重要的是，当六自由度并联机构与应用环境相互作用时，影响机构性能的不仅仅是其动力学特性，所接触作用界面的非均质、非连续的物性参数变化与几何参数变化，以及多作用物理过程等导致系统出现非线性、强扰动、多耦合特性，给并联机构的位置跟踪、力控制及其应用带来了挑战。因此，复杂相互作用界面下六自由度并联机构若能较好地适应界面效应，则要求其能够准确地控制与环境的相互作用，规避局部刚度优化并联机构大范围工作空间内可能出现刚度奇变、刚度不稳定的缺陷。为解决以上问题，本发明提出一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构，其通过刚柔混合以及冗余方式驱动，实现对机构刚度的大范围调整，并能通过低耦合可重构机制实现沿Z轴平动过程中始终解耦，其可以显著降低现有六自由度并联机构全域工作空间存在的自由度以及刚度的耦合，扩大高精度工作空间，刚度自适应并联机构与环境间的相互作用。

为实现上述目的，本发明的采用的技术方案是：一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构，动平台为上平台，定平台为下平台，上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构，4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7，另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8，奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上，偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上；4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7，另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、 B6、B8，奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上，偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上；上、下奇数组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称；8根支腿也按照奇偶序号分组，每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接；其中奇序号组支腿为刚性线性致动器，偶序号组支腿为柔性线性致动器，4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接，用于调整铰点位置。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的机构的刚度能够调整，通过柔性支腿内力以及冗余驱动基于内力控制的刚度调整。

2、选取中位作为工作点，按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为：

选取中位作为工作点，按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为：

(1)根据负载安装接口尺寸确定并联机构上平台半径r_a1，将此分布圆作为本发明并联机构奇序号组支腿的分布圆；

(2)根据负载六个自由度运动的范围、速度、加速度，以及负载质量特性，优化设计标准Stewart 八腿并联机构具体结构；

(3)进行工作空间、刚度的性能分析，以设计要求为准则确定优化设计结果，最终确定上平台半径r_a1、下平台半径r_b1、中位高度H；

(4)根据优化设计结果奇序号组支腿的上下铰点坐标，并依据支腿驱动器参数要求进行选型；

(5)根据奇序号组支腿铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程；

(6)定义喉部半径比工程设计时其取值范围为0.6～1.0，根据布置要求确定喉部半径比n取值，计算r₂并依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程；

(7)以标准Stewart八腿并联机构的中位结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即能够计算出偶序号组支腿的上下铰点；

(8)检验设计的结构参数是否存在干涉，若存在，返回步骤2重新修改设计参数进行优化；

(9)结束。

4、如上所述的并联机构其解耦机制控制流程步骤如下：

步骤1：在t_i时刻，给定并联机构运动位姿指令将其映射为两条指令，其中指令用于八条驱动支腿运动伸长量的计算，指令p_R＝[0 0 z 0 00]^T用于解耦重构的铰点调整指令；

步骤2：根据解耦重构的铰点调整指令计算并联机构奇序号组支腿的上铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程；

步骤3：依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程；

步骤4：以并联机构结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即计算出偶序号组支腿的下铰点坐标，进而确定重构调整下铰点的调节量；

步骤5：采用并联机构运动学反解算法，根据运动位姿指令计算八条驱动支腿运动的伸长量；

步骤6：根据驱动支腿伸长量以及重构调整下铰点的调节量，通过驱动系统的闭环控制即能够实现相应动作；

步骤7：调整运动的同时，并联机构的刚度可通过柔性支腿的刚度调节，以及调整各驱动支腿驱动力实现基于内力变刚度控制，重复以上步骤，即能通过动态调整偶序号组支腿的下铰点位置，实现机构的沿Z轴运动解耦。

与现有的六自由度并联机构相比，本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明与现有并联机构相比，将柔性驱动与传统刚性驱动相结合，提高了机构刚度的调节范围。

2.针对并联机构自由度之间的耦合问题，将点解耦设计延伸为线解耦设计，扩大了高精度工作空间。

3.可重构解耦机制与冗余驱动变刚度控制相结合，可保持沿Z轴平动运动过程始终刚度正交与刚度调整。

4.与现有并联机构相比，本发明的并联机构主刚度变化范围大、线性度与对称度好，在与环境相互作用时具有更好的控制稳定性与鲁棒性。

附图说明

图1是本发明广义并联机构的结构示意图；

图2是本发明广义并联机构柔性支腿的结构示意图；

图3为本发明广义并联机构的可重构解耦与刚度调整框图；

图4为本发明广义并联机构的控制流程框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。

实施例1

如图1所示，一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构，动平台为上平台，定平台为下平台，上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构，4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、 A7，另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8，奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上，偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上；4个下铰点按奇序号分组为 B1、B3、B5、B7，另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8，奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上，偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上；上、下奇序号组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称；8根支腿也按照奇偶序号分组，每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号上、下铰连接；其中奇序号组支腿为刚性线性致动器，包括电、气、液或压电等刚性致动器，偶序号组支腿为柔性线性致动器，包括柔索、压电、弹簧等柔性致动器， 4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组下铰连接，调整铰点位置。

六自由度并联机构采用了区别于标准Gough-Stewart并联机构的八支链刚柔混合冗余驱动结构。机构在增加了两个支链后，实现了结构上完全对称，更重要的是改善了机构的性能，提高了机构的运动和力传递特性，扩大了并联机构的运动空间，在一定程度上还可以消除奇异性。控制过程中，可以对机构内力进行优化，实现基于内力对抗的刚度调整。

六自由度并联机构采用刚柔混合的驱动方式。刚柔混合驱动可以提高机构刚度的调节范围，由机构的动力学方程可知作用在并联机构上的外力为：

式中，F_M表示动平台所受的广义力，表示驱动力向量，J^T为并联机构雅各比矩阵的转置，表征了驱动机构的出力与平台受力之间的映射关系。

此时并联机构的静刚度可以通过式(1)表示：

式(2)中，表示广义力F_M对动平台位姿向量各元素X的偏导，即机构的总刚度；为机构的主动刚度，其主要与驱动力向量有关；为机构的被动刚度，该项进一步可以化简为J^Tk_iJ，式中k_i表示各个支腿的刚度，所以被动刚度取决于各个支腿的刚度以及该位姿下的雅各比矩阵。

对于应用纯刚性支腿的并联机构来说，仅存在被动刚度，整机的刚度基本是无法调整的，而在加入了柔性结构之后，引入了主动刚度项，可通过调节柔性支腿内力，改善机构刚度，便于其针对各种复杂环境做出适当的刚度调节，提高其环境适应性。

六自由度并联机构的结构采用单叶双曲面参数描述时，奇序号分组支腿和偶序号分组支腿分别位于两个单叶双曲面上，对应描述方程为

式(3)和式(4)中单叶双曲面的特征参数包括：喉部半径r₁及r₂，双曲面中心距a_1z及a_2z，系数 c₁及c₂。

当且仅当两个单叶双曲面参数满足正交条件时，并联机构解耦；在平台运动的任一时刻t_i，正交条件为

式(6)中h为上平台沿z向平移的高度。

本实施例的结构确定步骤如下：

选取中位作为工作点，按标准Stewart八腿并联机构设计具体结构：

(1)根据负载安装接口尺寸确定并联机构上平台半径r_a1，将此分布圆作为本发明并联机构奇序号组支腿的分布圆。

(2)根据负载六个自由度运动的范围、速度、加速度，以及负载质量特性，优化设计标准Stewart 八腿并联机构具体结构。

(3)进行工作空间、刚度等性能分析，以设计要求为准则确定优化设计结果。最终确定上平台半径r_a1、下平台半径r_b1、中位高度H等。

(4)根据优化设计结果奇序号组支腿的上下铰点坐标，并依据支腿驱动器参数要求进行选型。

(5)根据奇序号组支腿铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程。

(6)定义喉部半径比工程设计时其取值范围为0.6～1.0之间。根据布置要求确定喉部半径比n取值，计算r₂并依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程。

(7)以标准Stewart八腿并联机构的中位结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即可计算出偶序号组支腿的上下铰点。

(8)检验设计的结构参数是否存在干涉，若存在，返回步骤2重新修改设计参数进行优化。

(9)结束。

如图4所示，本实施例的刚柔混合冗余驱动变刚度与可重构解耦机制控制流程：

步骤1：在t_i时刻，给定并联机构运动位姿指令将其映射为两条指令，其中指令用于八条驱动支腿运动伸长量的计算，指令p_R＝[0 0 z 0 00]^T用于解耦重构的铰点调整指令。

步骤2：根据解耦重构的铰点调整指令计算并联机构奇序号组支腿的上铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程。

步骤3：依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程。

步骤4：以并联机构结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即可计算出偶序号组支腿的下铰点坐标，进而确定重构调整下铰点的调节量。

步骤5：采用并联机构运动学反解算法，根据运动位姿指令计算八条驱动支腿运动的伸长量。

步骤6：根据驱动支腿伸长量以及重构调整下铰点的调节量，通过驱动系统的闭环控制即可实现相应动作。

步骤7：调整运动的同时，并联机构的刚度可通过柔性支腿的刚度调节，以及调整各驱动支腿驱动力实现基于内力变刚度控制。重复以上步骤，即可通过动态调整偶序号组支腿的下铰点位置，实现机构的沿Z轴运动解耦。与此同时，刚柔混合冗余驱动可实现对的刚度调整。结合可重构解耦机制与变刚度控制，本发明提出的六自由度并联机构能够实现沿Z轴平动运动过程的任一点解耦和刚度控制

实施例2

参阅图2、3对柔性支腿的结构形式进行具体说明。柔性驱动可以通过两种方式实现，一、如图2所示，包括缸杆1、缸盖2、调节片3、弹簧4、缸筒5、柔索6、滑轮7和驱动电机8，利用柔索、弹簧作为机构主体，柔索作为主动驱动方式，弹簧带有预紧力安装，利用驱动电机拉动柔索，实现支腿收缩，支腿伸长则通过弹簧恢复实现；二、如图3所示，包括缸杆1、缸盖2、调节片3、弹簧4、缸筒5、压电堆9、导线10和电源控制器11，利用压电、弹簧作为机构主体，串联的压电堆作为主动驱动方式，与柔索驱动的不同之处在于，机构伸长时是通过主动控制压电堆实现，而缩回是通过弹簧恢复实现。支腿的初始刚度可利用调整弹簧预紧力设定。单独使用弹簧结构时，工作过程中径向刚度较低，在满足轴向刚度需求的前提下，径向变形会影响工作质量，所以两组结构均增加缸筒设计以保证其径向的稳定。

六自由度并联机构可由复合单叶双曲面描述，其解耦中心由两个单叶双曲面确定，设计并联机构时以解耦中心为参考点和控制点。因此，如果在并联机构运动过程中，以一个明确的单叶双曲面 (奇序号分组支腿所在曲面)，反求与之正交匹配的另一个单叶双曲面(偶序号分组支腿所在曲面)，而后调整偶序号组支腿的下铰点位置，即解耦中心由某一点延伸为一条线，实现并联机构的解耦设计由中位点解耦向线解耦线的拓展，为并联机构由微观操作领域向宏观操作领域的高精度应用提供了实现机制。进一步，若基于线解耦机制实现并联机构工作空间全域内低耦合，将使并联机构在工作全域内具有高精度性能。与此同时，刚柔混合以及优化冗余驱动机构的支腿驱动力，可实现对整机刚度的调整，进而满足并联机构与环境相互作用时的刚度适应。参阅图4具体说明本发明的低耦合、可重构以及变刚度特性，广义并联机构的奇序号组、偶序号组支腿分别位于两个单叶双曲面上，中位时，其解耦中心为中位控制点，当并联机构运动时，单叶双曲面发生变化，两曲面无法确定解耦中心，机构的耦合性增大，而机构的偶序数支腿下铰点是可以调整的，这样使得并联机构是可以重新构造的，通过解耦计算，实时调整铰点位置，重构新的单叶双曲面与之匹配，实现机构的解耦，使其具有低耦合特性，同时优化各驱动支腿的冗余驱动力，通过内力实现刚度的调整与控制。

本发明的有益之处在于一种刚柔混合线解耦的可重构冗余驱动广义并联机构，在并联机构承载能力大、刚度高、精度高的基础上，着眼于并联机构自由度之间的刚度及动力学耦合大、高精度工作空间小、环境相互作用时刚度适应能力差等问题，从结构设计角度出发，利用可重构以及刚柔混合冗余驱动思想，提供了一种具有低耦合特性的广义并联机构，在一定区域内，各自由度之间的耦合性降低，刚度调整范围增加，运动精度得到提升，提高了其在宏微操作领域的应用。

Claims (4)

1.一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构，动平台为上平台，定平台为下平台，上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构，其特征在于，4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7，另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8，奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上，偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上；4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7，另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8，奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上，偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上；上、下奇数组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称；8根支腿也按照奇偶序号分组，每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接；其中奇序号组支腿为刚性线性致动器，偶序号组支腿为柔性线性致动器，4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接，用于调整铰点位置。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构，其特征在于：所述的机构的刚度能够调整，通过柔性支腿内力以及冗余驱动基于内力控制的刚度调整。

3.根据权利要求1所述的一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构，其特征在于，选取中位作为工作点，按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为：

(1)根据负载安装接口尺寸确定并联机构上平台半径r_a1，将此分布圆作为本发明并联机构奇序号组支腿的分布圆；

(2)根据负载六个自由度运动的范围、速度、加速度，以及负载质量特性，优化设计标准Stewart八腿并联机构具体结构；

(3)进行工作空间、刚度的性能分析，以设计要求为准则确定优化设计结果，最终确定上平台半径r_a1、下平台半径r_b1、中位高度H；

(4)根据优化设计结果奇序号组支腿的上下铰点坐标，并依据支腿驱动器参数要求进行选型；

(5)根据奇序号组支腿铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程；

(6)定义喉部半径比工程设计时其取值范围为0.6～1.0，根据布置要求确定喉部半径比n取值，计算r₂并依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程；

(7)以标准Stewart八腿并联机构的中位结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即能够计算出偶序号组支腿的上下铰点；

(8)检验设计的结构参数是否存在干涉，若存在，返回步骤2重新修改设计参数进行优化；

(9)结束。

4.根据权利要求1所述的一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构，其特征在于，其解耦机制控制流程步骤如下：

步骤1：在t_i时刻，给定并联机构运动位姿指令将其映射为两条指令，其中指令用于八条驱动支腿运动伸长量的计算，指令p_R＝[00z000]^T用于解耦重构的铰点调整指令；

步骤2：根据解耦重构的铰点调整指令计算并联机构奇序号组支腿的上铰点坐标，求取其分布的单叶双曲面方程；

步骤3：依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程；

步骤4：以并联机构结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面，即计算出偶序号组支腿的下铰点坐标，进而确定重构调整下铰点的调节量；

步骤5：采用并联机构运动学反解算法，根据运动位姿指令计算八条驱动支腿运动的伸长量；

步骤6：根据驱动支腿伸长量以及重构调整下铰点的调节量，通过驱动系统的闭环控制即能够实现相应动作；

步骤7：调整运动的同时，并联机构的刚度可通过柔性支腿的刚度调节，以及调整各驱动支腿驱动力实现基于内力变刚度控制，重复以上步骤，即能通过动态调整偶序号组支腿的下铰点位置，实现机构的沿Z轴运动解耦。