CN107553468A - 一种可重构六自由度并联操作平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于并联机构学与机器人技术领域，公开了一种可重构六自由度并联操作平台，设置有6条驱动链；每条驱动链由电动缸、球铰和虎克铰构成；驱动链上端通过虎克铰与运动平台相连；驱动链的下端通过球铰与其轴在环形导轨上滑动的圆周齿轮相连；6个圆周齿轮与中心齿轮啮合；安装在固定平台上且与固定平台同心的环形导轨；中心齿轮通过传动轴及法兰支座等安装在固定平台的轴心处；圆周齿轮可通过弧形移动块在环形导轨上移动，同时可以自转，也可通过紧固螺钉固定圆周齿轮的转轴。本发明通过丝杠调整中心齿轮的位置从而改变与圆周齿轮的啮合关系，以及移动或转动环形导轨上的圆周齿轮，即可改变六自由度平台的构型，简单快捷，安全可靠。

Description

一种可重构六自由度并联操作平台

技术领域

本发明属于并联机构学与机器人技术领域，尤其涉及一种可重构六自由度并联操作平台。

背景技术

并联机构是指运动平台和固定平台之间使用两个或两个以上的驱动链相连而成，具有两个或两个以上自由度的机构。相对于串联机构，其具有承载能力强，传动误差不累积且运动学逆解求解简单的优点。因此，并联机构特别是六自由度并联机构广泛应用于飞行模拟器、飞行器对接、并联机床、并联力传感器、关节康复、大型雷达天线副反射面调整、精密操作等领域。但是目前应用的六自由度并联机构平台在设计时即确定为结构参数固定的机构，在使用过程中用户无需考虑结构参数变化，简化了电气控制，但是结构参数固定，其运动学和动力学性能就唯一确定，只能适应设计之初的工作空间、操作精度等指标，从而限制了其用作机器人机构时的任务柔性。因此，若其结构参数可变，每组结构参数对应有其特定的工作区间，故总体工作空间增加；同时六自由度平台在某些位姿状态下存在奇异性，即电动缸长度变化较小的情况下，运动平台位姿变化较大，不易于控制，而造成这种奇异性的主要原因就是结构参数不合理，所以结构参数可变能够有效避免机构的奇异性，优化运动和力的传递性能。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前应用的六自由度并联机构平台限制了机构的运动学和动力学性能对不同操作任务的适应性，不利于其用作机器人操作机构。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可重构六自由度并联操作平台。

本发明是这样实现的，一种可重构六自由度并联操作平台，所述可重构六自由度并联操作平台设置有：

一个固定平台；

一个中心齿轮通过第一螺钉、第一深沟球轴承安装在所述固定平台上；

进一步，所述固定平台上通过沉头螺钉安装有一个环形导轨；

所述环形导轨上通过弧形移动块安装有圆周齿轮，共六组分布在环形导轨上；

所述中心齿轮与六个圆周齿轮啮合。

所述六个圆周齿轮上通过球铰安装有六条驱动链；

进一步，每条驱动链由球铰、第一凸台转接头、电动缸、第二凸台转接头、虎克铰串联组成；

所述圆周齿轮通过球铰链连接第一凸台转接头，所述第一凸台转接头连接电动缸。

所述驱动链上端通过所述虎克铰与运动平台相连；所述驱动链的下端通过所述球铰与所述环形导轨上的圆周齿轮相连；

所述电动缸通过电动缸伸缩轴顶端螺纹与第二凸台转接头，所述第二凸台转接头通过螺栓安装在所述虎克铰上。

进一步，所述中心齿轮通过传动轴及法兰支座安装在固定平台的轴心处。

进一步，所述圆周齿轮通过弧形移动块在环形导轨上移动，也通过紧钉螺钉固定圆周齿轮的转轴。

进一步，传动轴通过第二螺钉、锥形定位销与所述中心齿轮连接；

丝杠的外侧套有齿轮轴套，丝杠的底部通过第二深沟球轴承与所述传动轴连接，所述齿轮轴套通过第三螺钉固定在所述中心齿轮上。

进一步，所述固定平台通过第一螺钉安装有法兰支座，法兰支座上端安装有第一端面轴承；圆周齿轮还安装有第二端面轴承、紧钉螺钉、第三深沟球轴承。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的三自由度并联操作平台，所述三自由度并联操作平台安装有三条驱动链和三个圆周齿轮。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的四自由度并联操作平台，所述四自由度并联操作平台安装有四条驱动链和四个圆周齿轮。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的五自由度并联操作平台，所述五自由度并联操作平台安装有五条驱动链和五个圆周齿轮。

本发明的优点及积极效果为：并联支链一端的铰接点位置参数可调整，具有参数可重构性，每条驱动链上的铰接点可用一个点集表示，则6个铰接点组合的构型可用六维向量集合来表示，只需构型为该集合的一个元素，即可通过调整环形导轨上的齿轮位置和转角实现构型。通过调整铰接点位置参数，使机构具有多种构型，每种构型具有其特有的工作空间，使得整体工作空间增加。以本次示意图尺寸为例，当所有球铰铰接点处于圆周齿轮的最外侧时，记其工作空间体积为1，则当所有球铰铰接点处于最内侧时其工作空间体积约为1.2，两者重合工作空间体积约为0.8，则这两种情况的总的工作空间体积约为1.4，即在不计其他构型的工作空间的情况下，工作空间体积约为原来的1.4倍。

由于机构的运动性能与结构参数有关，本发明结构参数的可调整性使机构的运动性能具有一定的优化空间。并联机构中，运动平台在工作空间的不同位置具有不同的灵巧度，工作过程中要求运动平台的灵巧度越大越好，此时就可以通过调整结构参数提高灵巧度，避免机构的奇异性。

通过转动丝杠上下调整中心齿轮与圆周齿轮的啮合关系，以及移动或转动环形导轨上的圆周齿轮，即可改变六自由度平台的构型，简单快捷，安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可重构六自由度并联操作平台结构示意图；

图中：(a)整体轴测图；(b)整体俯视图。

图2是本发明实施例提供的中心齿轮安装结构示意图；

图中：(a)中心齿轮安装剖视图；(b)中心齿轮安装主视图。

图3是本发明实施例提供的圆周齿轮安装结构示意图；

图中：(a)圆周齿轮安装剖视图；(b)圆周齿轮安装主视图。

图4是本发明实施例提供的球铰安装结构示意图。

图5是本发明实施例提供的虎克铰安装结构示意图。

图6是本发明实施例提供的中心齿轮结构示意图。

图7是本发明实施例提供的传动轴部分配合示意图。

图8是本发明实施例提供的环形导轨结构示意图。

图9是本发明实施例提供的圆周齿轮结构示意图。

图10是本发明实施例提供的弧形移动块结构示意图。

图11是本发明实施例提供的圆周齿轮与环形导轨安装结构示意图。

图12是本发明实施例提供的特殊耦合调整结构示意图。

图13是本发明实施例提供的独立调整结构示意图。

图中：1、固定平台；2、环形导轨；3、圆周齿轮；4、第一凸台转接头；5中心齿轮；6、球铰；7、电动缸；8、第二凸台转接头；9、虎克铰；10、运动平台；11、第一螺钉；12、传动轴；13、第一深沟球轴承；14、法兰支座；15、第一端面轴承；16、第二螺钉；17、锥形定位销；18、第三螺钉；19、第二深沟球轴承；20、齿轮轴套；21、丝杠；22、弧形移动块；23、第三深沟球轴承；24、紧钉螺钉；25、第二端面轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以根据使用需求，结构参数调整至期望值，实现机构的可重构性；并联机构的逆运动学分析简单，结构参数的调整并不会给机构的运动控制程序带来较大改变，仅改变相关结构参数即可。相对于传统的固定参数设计的机构，由于其结构参数可变，机构的灵活性提高，工作空间增加，灵巧度等运动性能的得以优化。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的可重构六自由度并联操作平台包括：固定平台1、环形导轨2、圆周齿轮3、第一凸台转接头4、中心齿轮5、球铰6、电动缸7、第二凸台转接头8、虎克铰9、运动平台10。

固定平台1上安装有环形导轨2，环形导轨2上通过弧形移动块22安装有圆周齿轮3，圆周齿轮3通过球铰链6连接第一凸台转接头4，第一凸台转接头4连接电动缸7，电动缸7与第二凸台转接头8连接，第二凸台转接头8安装在虎克铰9上，虎克铰9安装在运动平台10的下端面；中心齿轮5通过第一螺钉11、第一深沟球轴承13安装在固定平台1上，传动轴12通过第二螺钉16、锥形定位销17与中心齿轮5连接；丝杠21的外侧套有齿轮轴套20，丝杠21的底部通过第二深沟球轴承19与传动轴12连接，齿轮轴套20通过第三螺钉18固定在中心齿轮5上，固定平台1通过第一螺钉11安装有法兰支座14，法兰支座14上安装有第一端面轴承15；圆周齿轮3还安装有第三深沟球轴承23、紧钉螺钉24、第二端面轴承25。

在本发明的优选实施例中：固定平台1、环形导轨2、中心齿轮5、环形导轨2上的6个圆周齿轮3，用于连接圆周齿轮3和电动缸7的球铰链6，为机构提供驱动的电动缸7(6组)，用于连接运动平台10和电动缸7的虎克铰9，用于放置负载的运动平台10，以及中心齿轮5与圆周齿轮3的安装使用到其他构件；在连接固定平台1与运动平台10时，依次不交错地使用6组电动缸7连接到圆周齿轮3上的球铰链6和运动平台10上的虎克铰9。每个电动缸7作为并联机构的一条支链，每条支链上配置相同的构件。

在本发明的优选实施例中：如图2(a)所示，为中心齿轮5的安装剖视图，齿轮传动轴12依次与推力球轴承15，法兰支座14，第一第三深沟球轴承配合，其中推力球轴承14主要承载轴向力并通过法兰支座14施加在固定平台1上，法兰支座14通过螺钉固定在固定平台1上，法兰支座14与齿轮传动轴12间隙配合，第一第三深沟球轴承与齿轮轴过渡配合，保证齿轮轴的垂直度，第一第三深沟球轴承与固定平台1上的孔过盈配合。中心齿轮5通过带有丝杠螺纹和导向平键的齿轮轴套20与传动轴12配合。同时在传动轴12的大径圆环端面通过第一螺钉16固定了圆周均布的3组锥形定位销17，与中心齿轮5下端的锥形定位孔配合，用于定位和传递转矩。传动轴12与丝杠21通过第一深沟球轴承9配合保证同轴，同时丝杠21与齿轮轴套20的丝杠螺纹配合。由此，可以通过传动轴12传递旋转运动，同时也可通过转动丝杠21使中心齿轮5及齿轮轴套20沿导向平键上下移动，调整中心齿轮5与圆周齿轮3的状态，啮合或脱离。

在本发明的优选实施例中：如图3(a)为圆周齿轮3的安装结构图，圆周齿轮轴依次与推力球轴承25、弧形移动块22和第三深沟球轴承23配合，推力球轴承25主要承载齿轮轴的轴向力，齿轮轴与弧形移动块22之间间隙配合，齿轮轴与第三深沟球轴承23之间过盈配合，第三深沟球轴承23的轴向定位为阶梯轴定位，第三深沟球轴承23与弧形移动块22之间过盈配合，同时在弧形移动块22的外侧有三个螺纹孔，如图3(b)所示，两侧的螺纹孔用于弧形移动块22在环形导轨2上的安装固定，中间螺纹孔与紧钉螺钉24连接，用于约束圆周齿轮的旋转。该并联机构有6组与此相同的结构，且分布于环形导轨不同位置。

在本发明的优选实施例中：如图4所示，为球铰6在圆周齿轮3上的固定安装，圆周齿轮3在端面靠近边缘位置设计了一个螺纹孔，供球铰6支座在圆周齿轮4上的固定，带有球头的摇杆与凸台转接头4相连，凸台转接头4通过螺钉固定在电动缸7的底部。该并联机构有6组与此相同的结构，分别分布在6个圆周齿轮3上。

在本发明的优选实施例中：如图5所示，为虎克铰9的在机构中的固定安装，虎克铰9内部结构对称，其上叉形铰链座通过凸台转接头8与电动缸7的伸缩杆相连，下叉形铰链座固定在运动平台10上，固定方式如图5所示，下叉形铰链座的开口方向朝外。该机构有6个与此相同的局部结构，分别分布在运动平台的圆周上，且保证6组电动缸是依次不交错地连接对应的球铰和虎克铰。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述.

本发明的实施例并联机构的6条驱动链具有相同的构件配置，每条驱动链上部连接动平台，下端连接环形导轨上的6个相同圆周齿轮，以一条驱动链为例介绍。本发明的可重构性体现在对圆周齿轮上球铰所在的位置进行调整，且根据调整方式的不同，分为耦合调整和独立调整，下面具体说明两种调整方式的工作原理：

1、耦合调整模式

耦合调整是通过旋转中心齿轮5实现的；根据设计将弧形移动块移动22到环形导轨2的各个位置，使用螺钉固定在环形导轨2上，并使弧形移动块22上的紧钉螺钉放松圆周齿轮3的转轴，并转动圆周齿轮3，调整与中心齿轮5的啮合位置，通过转动丝杠21将中心齿轮5下降到与圆周齿轮3啮合。

由于6个相同圆周齿轮3均与中心齿轮5处于啮合关系，旋转中心齿轮5时，6个球铰6的铰接点就会以相同的转速绕各自的圆周齿轮3的转轴旋转；当起始位置时各组铰接点和圆周齿轮3的转轴均于中心齿轮5的转轴在同一直线上，那么中心齿轮5的调整会使六个铰接点所构成的六边形相似的放大缩小，且六个铰接点均在以环形导轨2的圆心为圆心的圆上，示意图如图10所示。

2、独立调整模式

耦合调整方式具有较强的对称性，适用的场景受限，独立调整实现的机构构型更多。首先，独立调整时，圆周齿轮3不再受到中心齿轮5驱动，转动丝杠21，中心齿轮5的位置上升直至与圆周齿轮3脱离啮合的位置。将载有圆周齿轮3的弧形移动块22移动到指定位置，固定弧形移动块22。最后拧松弧形移动块22上的紧钉螺钉，放松圆周齿轮3的轴，调整圆周齿轮3的转角，最后拧紧各紧钉螺钉，完成机构的调整。

6个点集的铰接点构成六边形构型是无数的，并且通过几何分析可以确定满足构型的六边形的集合。所以只要设计的构型为该集合的一个，即可通过独立调整实现该构型。具体的示意图如图11所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，所述可重构六自由度并联操作平台设置有：

一个固定平台；

一个中心齿轮通过第一螺钉、第一深沟球轴承安装在所述固定平台上；

所述中心齿轮与六个圆周齿轮啮合；

所述六个圆周齿轮上通过球铰分别安装有一条驱动链；

一个运动平台；

所述运动平台下端面连接所述六条驱动链。

2.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，所述固定平台上通过沉头螺钉安装有一个环形导轨；

所述环形导轨上通过弧形移动块安装有圆周齿轮，共六组分布在环形导轨上；

所述环形导轨上通过弧形移动块安装有圆周齿轮；

所述圆周齿轮通过球铰链连接第一凸台转接头，所述第一凸台转接头连接电动缸。

3.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，每条驱动链由球铰、第一凸台转接头、电动缸、第二凸台转接头、虎克铰串联组成；

所述驱动链上端通过所述虎克铰与运动平台相连；所述驱动链的下端通过所述球铰与所述环形导轨上的圆周齿轮相连；

所述电动缸与第二凸台转接头连接，所述第二凸台转接头安装在所述虎克铰上。

4.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，所述中心齿轮通过传动轴及法兰支座安装在固定平台的轴心处。

5.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，所述圆周齿轮通过弧形移动块在环形导轨上移动，也通过紧钉螺钉固定圆周齿轮的转轴。

6.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，传动轴通过第二螺钉、锥形定位销与所述中心齿轮连接；

丝杠的外侧套有齿轮轴套，丝杠的底部通过第二深沟球轴承与所述传动轴连接，所述齿轮轴套通过第三螺钉固定在所述中心齿轮上。

7.如权利要求1所述的可重构六自由度并联操作平台，其特征在于，所述固定平台通过第一螺钉安装有法兰支座，法兰支座上安装有第一端面轴承；圆周齿轮还安装有第三深沟球轴承、紧钉螺钉、第二端面轴承。

8.一种使用权利要求1～7任意一项所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的三自由度并联操作平台，其特征在于，所述三自由度并联操作平台安装有三条驱动链和三个圆周齿轮。

9.一种使用权利要求1～7任意一项所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的四自由度并联操作平台，其特征在于，所述四自由度并联操作平台安装有四条驱动链和四个圆周齿轮。

10.一种使用权利要求1～7任意一项所述可重构六自由度并联操作平台的驱动链形式并适当配合不同铰链而构成的五自由度并联操作平台，其特征在于，所述五自由度并联操作平台安装有五条驱动链和五个圆周齿轮。