CN108127686A - 一种驱动方式可变的连杆支链及含该支链的并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动方式可变的连杆支链及含该支链的并联机构，包括支撑单元、驱动单元、驱动模式切换单元和平行四边形支链，其中支撑单元包括支撑板和轴承座，用于安装其余单元，驱动单元由伺服电机、电机罩和中心轴组成，驱动切换单元包括两组电磁离合器和两组电磁制动器，平行四边形支链包含上连杆、下连杆、辅助杆和输出杆；通过改变电磁离合器和制动器的状态可改变伺服电机驱动力矩和反作用力矩作用的位置，实现对平行四边形支链中不同杆件的驱动，可实现三种驱动模式及其切换；本发明通过切换机构驱动模式来提高机构性能，在不改变构型，不添加冗余驱动的条件下提升机构在工作空间内的运动和力的传递性能，结构简单，易于控制。

Description

一种驱动方式可变的连杆支链及含该支链的并联机构

技术领域

本发明涉及机构学与并联机器人领域，特别涉及一种驱动方式可变的连杆支链及含该支链的并联机构。

背景技术

并联机构是串联机构的互补构型，被广泛的应用于工业生产中。并联机构一般由静平台、动平台和连接两平台的两组或多组运动支链组成。并联机构的典型结构特点是具有多支链闭环结构，导致其关节数目(包括主动和被关节)远大于其终端自由度数目，存在多种可选的驱动关节配置方式。驱动模式的选择和改变，将影响并联机构的性能，尤其是工作空间内的奇异性。通过变驱动方式合理优化配置主被动关节是改善机构性能的一种潜在途径。

传统的驱动关节选择通常考虑降低运动部件质量和惯量的需求，将与静平台相连的转动关节或移动关节作为驱动关节。但是这种固定的选择方式存在着构型一定时，机构运动性能无法根据不同任务的要求而改变的问题。另外，并联机构工作空间中往往存在众多奇异点和奇异轨迹，奇异轨迹将工作空间划分成不同的非奇异子区域，实际工作时机构动平台只能在某个子区域内工作，而无法跨过奇异轨迹到达另一个工作区域，这大大降低了工作空间的利用效率。为克服奇异问题，目前主要的方法是采用冗余驱动，如专利CN104526685A所提出的含平行四边形支链的冗余驱动平面二自由度并联机械手，将5R机构一级连杆替换为平行四边形，通过四个电机连接可实现冗余驱动。但是添加额外的驱动电机和运动链，导致成本增加，冗余驱动同时引入了复杂的控制问题，使得系统控制难度增大。该发明通过控制驱动电机组合也可以得到其他控制模式，但是一旦选定某种模式后在机构运行过程中无法在线切换，只能通过停机后切换电机的连接方式从而利用另一种控制模式进行控制，无法实现实时驱动模式改变和性能提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种驱动方式可变的连杆支链及含该支链的并联机构，通过电磁离合器和电磁制动器切换机构的驱动模式，在不需要改变机构构型、不添加冗余驱动的条件下通过变驱动实现机构性能的提升，控制简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种驱动方式可变的连杆支链，包括支撑单元、驱动单元、驱动模式切换单元和平行四边形支链。

所述支撑单元包括支撑板和轴承座，轴承座用于安装驱动单元和驱动模式切换单元。所述驱动单元由伺服电机、电机罩和中心转轴组成，伺服电机外壳体与电机罩固结，电机罩实现与支撑板或下连杆的联接，电机输出轴通过联轴器与中心转轴连接，中心转轴实现与下连杆或上连杆的联接。所述驱动模式切换单元由驱动切换器件组成，驱动切换器件采用若干组电磁离合器或电磁制动器。所述平行四边形支链包含上连杆、下连杆、辅助杆和输出杆，四根杆件连接形成平行四边形，其中上连杆与输出杆平行，下连杆与辅助杆平行且二者长度相等。下连杆一端连接驱动单元，一端连接输出杆，上连杆一端连接驱动单元，一端连接辅助杆，辅助杆一端连接上连杆，一端连接输出杆，输出杆末端通过运动副连接动平台。

驱动单元与驱动模式切换单元同轴串联安装在支撑单元上，平行四边形支链一端与驱动单元和驱动模式切换单元连接，另一端向外输出，用于连接末端执行器。

优选地，一种变驱动连杆支链的驱动切换器件采用两组电磁离合器，两组电磁制动器。

优选地，通过切换电磁离合器I和电磁离合器II的接合与分离状态，可实现中心转轴与上连杆或下连杆联接及其切换，切换电磁制动器I和电磁制动器II的接合与分离状态，可实现电机罩与支撑板或下连杆的联接及其切换。通过改变电机罩和中心转轴与不同部件的联接方式来改变电机驱动力矩和反作用力矩的作用位置，从而实现对平行四边形支链中不同杆件的驱动，达到改变支链驱动方式的目的。

优选地，一种驱动方式可变的连杆支链可实现三种驱动模式，分别为：当电磁离合器I分离、电磁离合器II接合、电磁制动器I分离且电磁制动器II接合，中心转轴与下连杆固联，电机罩与支撑板固联，驱动力矩作用于下连杆，反作用力矩作用于支撑板，驱动下连杆的绝对转角，实现驱动模式a。当电磁离合器I接合、电磁离合器II分离、电磁制动器I分离且电磁制动器II接合，中心转轴与上连杆固联，电机罩与支撑板固联，驱动力矩作用于上连杆，反作用力矩作用于支撑板，驱动上连杆的绝对转动角，此种方式等价于驱动输出杆的绝对转角，实现驱动模式b。当电磁离合器I接合、电磁离合器II接合、电磁制动器I接合且电磁制动器II分离，中心转轴与上连杆固联，电机罩与下连杆固联，驱动力矩作用于上连杆，反作用力矩作用于下连杆，驱动上连杆与下连杆间的相对转角，此种方式等价于将电机置于下连杆和输出杆的连接关节上，实现驱动模式c。

优选地，一种变驱动连杆支链的平行四边形支链有两种安装模式。

优选地，平行四边形支链中可以将辅助杆安装于上连杆内侧，形成内装模式，也可将辅助杆安装于上连杆外侧，形成外装模式。

本发明还提供了一种包含该种驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面5R并联机构，包括驱动方式可变的连杆支链、第一静平台和第一支撑脚。其两组驱动方式可变的连杆支链安装于第一静平台，两组连杆支链输出杆末端通过转动副连接，形成第一动平台。通过两组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，变驱动平面5R并联机构可实现9种驱动模式。

本发明还提供了一种包含该种驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面3‐RRR并联机构，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第二静平台、第二动平台和第二支撑脚。其中三组驱动方式可变的连杆支链呈圆周对称布置，各组支链的支撑板与第二静平台固联。三条连杆支链的输出杆末端均通过转动副与第二动平台连接，第二动平台可实现两维移动和一维转动。通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，变驱动平面3‐RRR并联机构可实现27种驱动模式。

本发明还提供了一种包含该种驱动方式可变的连杆支链模块的变驱动空间三自由度并联机构，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第三静平台和第三动平台。三组驱动方式可变的连杆支链呈圆周对称布置，三条连杆支链的输出杆末端通过球铰与第三动平台连接，变驱动空间三自由度并联机构可实现两维转动和一维移动。通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，变驱动空间三自由度并联机构可实现27种驱动模式。

与现有技术相比，本发明的特点是根据机构在工作空间内不同的任务要求，通过实时切换机构的驱动模式调整机构的运动学性能，使其在工作空间内克服奇异且提高运动和力的传递性能，充分发挥机构的潜在优势。变驱动机构无需更改机构构型，且不需要引入冗余驱动，具有结构简单，易于控制和应用的特点。所述的变驱动连杆支链可作为模块化结构，根据不同的任务要求进行组合，其末端连接方式也可灵活改变，可组成多种变驱动并联机构。

附图说明

图1是本发明一种驱动方式可变的连杆支链外观示意图。

图2是本发明一种驱动方式可变的连杆支链的结构装配图。

图3是本发明一种驱动方式可变的连杆支链的另一种安装方式示意图。

图4是本发明含该连杆支链的变驱动平面5R并联机构示意图。

图5是本发明含该连杆支链的变驱动平面3‐RRR并联机构示意图。

图6是本发明含该连杆支链的变驱动空间三自由度并联机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示是一种驱动方式可变的连杆支链示意图，图2是该驱动方式可变的连杆支链的结构装配图。一种驱动方式可变的连杆支链，包括支撑单元、驱动单元、驱动模式切换单元和平行四边形支链。其中所述支撑单元包括支撑板12、轴承座I 5和轴承座II 7，轴承座I5和轴承座II 7用于安装驱动单元和驱动模式切换单元。所述驱动单元包括伺服电机11、电机罩10和中心转轴23，中心转轴23安装在驱动模式切换单元内部，通过联轴器24与电机输出轴111连接。所述驱动模式切换单元由电磁离合器I 6、电磁离合器II 8、电磁制动器I 9和电磁制动器II 13组成。所述平行四边形支链包含下连杆3、上连杆4、辅助杆2和输出杆1，四根杆件连接形成平行四边形，其中上连杆4与输出杆1平行，下连杆3与辅助杆2平行且长度相等，输出杆1末端可通过各类运动副连接机构动平台，下连杆3与上连杆4分别有一端与驱动模式切换单元连接。

如图2所示是该驱动方式可变的连杆支链的结构装配图，结合图2详细说明该连杆支链内部的构件安装和连接方式。所述支撑板12固定，轴承座I 5、轴承座II 7与支撑板12固结，安装时保证轴承座I 5和轴承座II 7的轴承孔和支撑板12底部的轴承孔同心。伺服电机外壳体112与电机罩10通过螺钉IV26固结，电机罩10底部通过滚动轴承IV 29与支撑板12连接。电机罩10底部与支撑板12之间安装有电磁制动器II 13，电磁制动器II 13包含制动衔铁II 131和定子II 132两部分，电磁制动器II 13的制动衔铁II 131与定子II 132之间有微小间隙，其中电磁制动器II 13的定子II 132通过螺钉VI 28与支撑板12固联，电磁制动器II 13的制动衔铁II 131通过螺钉V 27与电机罩10固联。当电磁制动器II 13处于接合状态时，制动衔铁II 131与定子II132固联无法发生相对转动，此时电机外壳体112、电机罩10与支撑板12固联不动。当电磁制动器II 13处于分离状态时，制动衔铁II 131可相对于定子II 132自由转动，此时电机罩10与支撑板12脱离，电机罩10和电机外壳体112可绕中心自由转动。

电机罩10顶部通过电磁制动器I 9与下连杆3连接。电磁制动器I 9包含制动衔铁I91和定子I 92且二者之间有微小间隙，定子I 92通过螺钉III 25与电机罩10固联，制动衔铁I 91通过螺钉VII 30与下连杆3固联。当电磁制动器I 9处于接合状态时，制动衔铁I 91与定子I 92固联无法发生相对转动，此时电机罩10与下连杆3固联。当电磁制动器I 9处于分离状态时，制动衔铁I 91可相对于定子I 92自由转动，此时下连杆3与电机罩10分离，二者可发生相对转动。

电机输出轴111通过联轴器24与中心转轴23连接，用于向外输出驱动力矩。中心转轴23通过滚动轴承I 14和滚动轴承II 18安装于轴承座I 5和轴承座II 7上，可绕中心转动。中心转轴23与下连杆3之间安装有滚动轴承III 21，当中心转轴23与下连杆3不固联时，二者可相对转动。中心转轴23上安装有电磁离合器I 6和电磁离合器II 8，用于切换中心转轴23与下连杆3和上连杆4的连接。

电磁离合器II 8安装于轴承座II 7和下连杆3之间，包括磁轭II 81、线圈II 82、动盘II 83和离合衔铁II 84四部分。其中磁轭II 81通过螺钉II 19与轴承座II 7固联，线圈II 82位于磁轭II 81和动盘II 83之间，线圈II 82的通电状态控制电磁离合器II 8的接合与分离，动盘II 83通过键II 20与中心转轴23连接，随中心转轴23一起转动。离合衔铁II84通过螺钉VIII 31与下连杆3固联，离合衔铁II 84与动盘II 83之间有微小间隙。当电磁离合器II 8中的线圈II 82通电时，离合衔铁II 84与动盘II 83吸附在一起，使得下连杆3与中心转轴23固联，通过电机输出轴111转动驱动下连杆3绕中心轴线转动。当电磁离合器II 8中的线圈II 82断电时，离合衔铁II 84与动盘II 83分离，动盘II 83随中心转轴23空转，其转动不传递给下连杆3。

电磁离合器I 6安装于轴承座I 5和上连杆4之间，包括磁轭I 61、线圈I 62、动盘I63和离合衔铁I 64四部分。其中磁轭I 61通过螺钉I 15与轴承座I 5固联，线圈I 62位于磁轭I 61和动盘I 63之间，线圈I 62的通电状态控制电磁离合器I 6的接合与分离，动盘I 63通过键I 16与中心转轴23连接，随中心转轴23转动。离合衔铁I 64通过螺钉IX 32与上连杆4固联，离合衔铁I 64与动盘I 63之间有微小间隙。当电磁离合器I 6中的线圈I 62通电时，离合衔铁I 64与动盘I 63吸附在一起，使得上连杆4与中心转轴23固联，通过电机输出轴111转动驱动上连杆4绕中心轴线转动。当电磁离合器I 6中的线圈I 62断电时，离合衔铁I64与动盘I 63分离，动盘I 63随中心转轴23空转，其转动不传递给上连杆4。

通过控制电磁制动器I 9、电磁制动器II 13、电磁离合器I 6和电磁离合器II 8的接合与分离状态，该驱动方式可变的连杆支链可实现三种驱动模式，分别如下：

驱动模式a：当电磁致动器I 9分离，电磁制动器II 13接合，电机罩10与支撑板12固联，电磁离合器I 6分离，电磁离合器II 8接合，中心转轴23与下连杆3固联，此种状态下电机驱动力矩作用于下连杆3，反作用力矩作用于支撑板12，驱动下连杆3的绝对转角。

驱动模式b：当电磁致动器I 9分离，电磁制动器II 13接合，电机罩10与支撑板12固联，电磁离合器I 6接合，电磁离合器II 8分离，中心转轴23与上连杆4固联，此种状态下电机驱动力矩作用于上连杆4，反作用力矩作用于支撑板12，驱动上连杆4的绝对转角。

驱动模式c：当电磁致动器I 9接合，电磁制动器II 13分离，电机罩10与下连杆3固联，电磁离合器I 6接合，电磁离合器II 8分离，中心转轴23与上连杆4固联，此种状态下电机驱动力矩作用于上连杆4，反作用力矩作用于下连杆3，驱动上连杆4与下连杆3之间的相对转角。

当该变驱动连杆支链中的电磁制动器I 9、电磁制动器II 13、电磁离合器I 6和电磁离合器II 8均处于接合状态时，支链被锁死，不能产生转动。除上述四种状态组合方式以外，其余的状态组合方式均为非正常工作状态，实际应用中应予以避免。

该驱动方式可变的连杆支链有两种安装模式，如图1所示为内装式，其辅助杆2安装于下连杆3内侧。如图3所示为该驱动方式可变的连杆支链的另一种安装方式——外装式，将辅助杆2安装于下连杆3外侧，两种安装方式在功能上等效。

本发明的驱动方式可变的连杆支链可作为一种模块化运动链，通过不同数量的连杆支链模块的组合，在各输出杆末端选用合适的运动副连接动平台，可组成不同运动形式和构型的变驱动并联机构。如图4所示示意了一种包含该连驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面5R并联机构，包括两组驱动方式可变的连杆支链、第一支撑脚33和第一静平台34。两组驱动方式可变的连杆支链末端通过转动副连接在一起形成第一动平台35，第一动平台35上可安装相应的机械手、吸盘等执行器，对放置于第一静平台34上的物品进行操作。通过两组驱动方式可变的连杆支链驱动模式的组合，该变驱动平面5R并联机构可实现9种驱动模式。

如图5示意了一种包含该驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面3‐RRR并联机构，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第二静平台36、第二动平台37和第二支撑脚38。三组驱动方式可变的连杆支链圆周均布于静平台上，各组支链的支撑板12与第二静平台36固结，三组支链末端均通过转动副与第二动平台37连接，第二动平台37可实现两移动一转动的三自由度平面运动。通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动模式的组合，该变驱动平面3‐RRR并联机构可实现27种驱动模式。

如图6示意了一种包含该驱动方式可变的连杆支链的变驱动空间三自由度并联机构，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第三动平台39、第三静平台41。三组驱动方式可变的连杆支链圆周均布于静平台上，三组支链末端均通过球铰40与第三动平台39连接，第三动平台39可实现空间两转动一移动的三自由度运动。通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动模式的组合，该变驱动空间三自由度并联机构可实现27种驱动模式。

值得注意的是，尽管上面结合附图对本发明的技术方案和优选实施例进行了详细描述，但本发明并不仅仅局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，本领域的相关技术人员受本发明的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种驱动方式可变的连杆支链，包括支撑单元、驱动单元、驱动模式切换单元和平行四边形支链，其特征在于：

所述支撑单元包括支撑板(12)、轴承座I(5)和轴承座II(7)，轴承座I(5)和轴承座II(7)用于安装驱动单元和驱动模式切换单元；

所述驱动单元由伺服电机(11)、电机罩(10)和中心转轴(23)组成，伺服电机外壳体(112)与电机罩(10)固联，电机罩(10)实现与支撑板(12)或下连杆(3)的联接，电机输出轴(111)通过联轴器(24)与中心转轴(23)连接，中心转轴(23)实现与下连杆(3)或上连杆(4)的联接；

所述驱动模式切换单元由驱动切换器件组成，驱动切换器件采用若干组电磁离合器和若干组电磁制动器；

所述平行四边形支链包含下连杆(3)、上连杆(4)、辅助杆(2)和输出杆(1)，四根杆件连接形成平行四边形，其中上连杆(4)与输出杆(1)平行，下连杆(3)与辅助杆(2)平行且长度相等，下连杆(3)一端连接驱动单元，一端连接输出杆(1)，上连杆(4)一端连接驱动单元，一端连接辅助杆(2)，辅助杆(2)一端连接上连杆(4)，一端连接输出杆(1)，输出杆(1)末端通过各类运动副连接动平台；

驱动单元与驱动模式切换单元同轴串联安装在支撑单元上，平行四边形支链一端与驱动单元和驱动模式切换单元连接，另一端向外输出，用于连接末端执行器。

2.根据权利要求1所述的一种驱动方式可变的连杆支链，其特征在于，其驱动模式切换单元采用两组电磁离合器即电磁离合器I(6)和电磁离合器II(8)，两组电磁制动器即电磁制动器I(9)和电磁制动器II(13)；通过切换电磁离合器I(6)和电磁离合器II(8)的接合与分离，实现中心转轴(23)与下连杆(3)或上连杆(4)联接及其切换，通过切换电磁制动器I(9)和电磁制动器II(13)的接合与分离状态，实现电机罩(10)与支撑板(12)或下连杆(3)的联接及其切换；通过改变电机罩(10)和中心转轴(23)与不同部件的联接方式来改变电机驱动力矩和反作用力矩的作用位置，从而实现对平行四边形支链中不同杆件的驱动，达到改变支链驱动方式的目的。

3.根据权利要求1所述的一种驱动方式可变的连杆支链，其特征在于，该支链能够实现三种驱动模式，分别为：

所述电磁离合器I(6)分离、电磁离合器II(8)接合、电磁制动器I(9)分离且电磁制动器II(13)接合，中心转轴(23)与下连杆(3)固联，电机罩(10)与支撑板(12)固联，驱动力矩作用于下连杆(3)，反作用力矩作用于支撑板(12)，驱动下连杆(3)的绝对转角，实现驱动模式a；

所述电磁离合器I(6)接合、电磁离合器II(8)分离、电磁制动器I(9)分离且电磁制动器II(13)接合，中心转轴(23)与上连杆(4)固联，电机罩(10)与支撑板(12)固联，驱动力矩作用于上连杆(4)，反作用力矩作用于支撑板(12)，驱动上连杆(4)的绝对转动角，此种方式等价于驱动输出杆(1)的绝对转角，实现驱动模式b；

所述电磁离合器I(6)接合、电磁离合器II(8)接合、电磁制动器I(9)接合且电磁制动器II(13)分离，中心转轴(23)与上连杆(4)固联，电机罩(10)与下连杆(3)固联，驱动力矩作用于上连杆(4)，反作用力矩作用于下连杆(3)，驱动上连杆(4)与下连杆(3)间的相对转角，此种方式等价于将电机置于下连杆(3)和输出杆(1)的连接关节上，实现驱动模式c。

4.根据权利要求1所述的一种驱动方式可变的连杆支链，其特征在于，所述由连杆组成的平行四边形运动传递支链有两种安装模式，将辅助杆(2)安装于下连杆(3)内侧，形成内装模式；或将辅助杆(2)安装于下连杆(3)外侧，形成外装模式。

5.一种包含如权利要求1到4任一所述的驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面5R并联机构，其特征在于，包括两组驱动方式可变的连杆支链、第一静平台(34)和第一支撑脚(33)，两组驱动方式可变的连杆支链的输出杆(1)末端通过转动副连接，形成第一动平台(35)。

6.根据权利要求5所述的变驱动平面5R并联机构，其特征在于，通过两组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，实现9种驱动模式。

7.一种包含如权利要求1到4任一所述的驱动方式可变的连杆支链的变驱动平面3-RRR并联机构，其特征在于，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第二静平台(36)、第二动平台(37)和第二支撑脚(38)，三组驱动方式可变的连杆支链呈圆周对称布置，三组连杆支链末端均通过转动副与第二动平台(37)连接。

8.根据权利要求7所述的变驱动平面3-RRR并联机构，其特征在于，通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，实现27种驱动模式。

9.一种包含如权利要求1到4任一所述的驱动方式可变的连杆支链的变驱动空间三自由度并联机构，其特征在于，包括三组驱动方式可变的连杆支链、第三静平台(41)和第三动平台(39)，三组驱动方式可变的连杆支链呈圆周对称布置，三组连杆支链末端均通过球较(40)与第三动平台(39)连接。

10.根据权利要求9所述的变驱动空间三自由度并联机构，其特征在于，通过三组驱动方式可变的连杆支链驱动方式的组合，实现27种驱动模式。