CN108436887A - 空间多自由度的并联柔顺装置 - Google Patents

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Abstract

一种空间多自由度的并联柔顺装置，包括：基座、用于为执行机构提供支撑的动平台以及两端分别与基座和动平台相连的三根UPU型支链以及至少三根SPS型支链，其中：UPU型支链和SPS型支链交替布置于动平台和基座之间，所有支链在空间延长线交汇于一点，即所述柔顺装置的末端操作点，在该末端操作点处，所述柔顺装置仅具有空间纯平移的柔顺特性。本装置可以对空间的任意方向的作用力产生自然的顺应，可提高机器人系统在复杂环境中作业时的安全性，并保障机器人‑环境发生物理接触的作业任务的顺利实施。

Description

空间多自由度的并联柔顺装置
技术领域
本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种空间多自由度的并联柔顺装置。
背景技术
现有的机器人柔顺装置很多都只具有单自由度方向的顺应特性，不能充分保护机器人面对环境交互操作的过程中可能受到意外的撞击时的安全性。从力控制的角度来说，空间多自由度的柔顺能力，一定程度上也可以加强柔顺装置在任意方向进行力控制的灵活性。
发明内容
本发明针对现有单自由度机器人柔性顺应装置存在的一些不足，提出一种空间多自由度的并联柔顺装置，该装置的末端操作点处具有空间纯平移的刚度特性，可以对空间的任意方向的作用力产生自然的顺应，设置于机器人手臂和执行机构之间，可提高机器人系统在复杂环境中作业时的安全性，并保障机器人-环境发生物理接触的作业任务的顺利实施。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：基座、用于为执行机构提供支撑的动平台以及两端分别与基座和动平台相连的三根UPU型支链以及至少三根SPS型支链，其中：UPU型支链和SPS型支链交替布置于动平台和基座之间，所有支链在空间延长线交汇于一点，即所述柔顺装置的末端操作点，在该末端操作点处，所述柔顺装置仅具有空间纯平移的柔顺特性。
所述的动平台与基座共轴放置，且各支链与基座、动平台的铰支点都围绕柔顺装置的轴线呈均匀圆周布置，因此各支链与基座平面的倾斜角度均相等，在静态下优化的设计为60°。支链的倾斜角越大，其垂向刚度越强而侧向刚度越弱。在不同的工况条件下，可以采用不同的初始倾角，以满足不同的垂向和侧向刚度条件。
所述的并联柔顺装置通过三根并联连接的UPU支链，使动平台相对于基座具有三个纯平动的自由度的同时SPS型支链对动平台产生沿支链轴线方向的力作用，不影响柔顺装置纯平移的末端刚度特性，其作用是增强装置的整体刚性大小。
所述的UPU型支链，即万向副-移动副-万向副型支链，具体由前后两个分别与动平台和基座相连的作为万向副的虎克铰关节和中间一个作为移动副的平移关节组成，其中：两个虎克铰转动轴线相互平行且虎克铰的关节平面与平移关节的轴线相互垂直，从而限制了动平台绕UPU支链轴线转动的自由度。
所述的SPS型支链，即球副-移动副-球副型支链，具体由前后两个分别与动平台和基座相连的作为球副的球面副关节和中间一个作为移动副的平移关节组成。
所述的UPU型支链和SPS型支链中的平移关节由两根活动连接的合金杆组成；该平移关节上套有线弹簧，弹簧两端分别与两根合金杆固定连接，从而可以随着平移关节的拉伸压缩运动发生等量的拉压变形，产生沿支链轴线方向的力作用。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过控制各弹簧支链与基座的倾斜角度，来控制装置的垂向和侧向刚度，使得安装了并联柔顺装置的机器人手臂在进行插轴入孔作业时，依靠装配系统的顺应性，可以避免由于位置误差导致的装配卡阻现象，将轴顺利插入孔中，或当遇到人体或者其他环境中的物体，装置会在接触力的作用下让弹簧支链发生形变，从而避免了操作器损坏或者人受伤。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明俯视结构示意图和左视结构图；
图3为本发明UPU弹簧支链结构示意图；
图4为本发明用于插轴入孔装配作业示意图。
图中：1动平台、2基座、3SPS型弹簧支链、4UPU型弹簧支链、5机器人末端法兰、6空间并联柔顺装置、7轴类零件、8孔类零件、点O表示并联柔顺装置末端顺应点。
具体实施方式
如图4所示，本实施例中包含：机器人、设置于机器人末端法兰5上的空间并联柔顺装置6、通过夹具固定在并联柔顺装置动平台1上的轴类零件7，以及作为被装配零件的孔类零件8。
如图1所示，所述的空间并联柔顺装置，该装置通过动平台1、基座2、三根SPS型弹簧支链3以及三根UPU型弹簧支链4构成3UPU-3SPS型并联柔顺装置结构。所有的弹簧支链轴线汇交于一点O，点O为该柔顺装置的末端操作点。
如图2所示，所述的空间并联柔顺装置为中心对称结构，初始状态下动平台与基座共轴，动平台及基座上所有铰链均为圆形分布。UPU型弹簧支链与SPS型交替布置，相邻两根弹簧支链在水平面内的夹角相等，均为60°。所有弹簧支链与基座平面的夹角θ相等，均为60°。
如图3所示，所述的UPU型弹簧支链由前后两个虎克铰关节U和中间一个平移关节P组成。两个虎克铰转动关节轴线完全平行，且虎克铰关节平面与平移关节轴线垂直。以s1和s2表示UPU弹簧支链与基座相连的虎克铰两个转动轴线所对应的单位方向矢量，s3和s4表示UPU弹簧支链与动平台相连的虎克铰转动轴线对应的单位方向矢量，n表示UPU弹簧支链轴线对应的单位方向矢量，则有：s1＝s4，s2＝s3，n＝s2×s1＝s3×s4。
所述的SPS型弹簧支链结构与UPU型弹簧支链类似，只是支链中的U关节被球铰关节S替代。
如图2所示，在并联柔顺装置末端操作点O处建立参考坐标系。经过推导可以得到空间并联柔顺装置在末端操作点处的刚度其中：k为每根线弹簧的刚度值大小。
刚度矩阵K完全解耦，在末端操作点O处分别施加沿x、y、z方向的外力，柔顺装置将只产生沿x、y、z方向的平移变形，因此，该并联柔顺装置能实现空间三自由度纯平移的柔顺特性。并且，并联柔顺装置沿x、y、z三个坐标轴方向的刚度值分别为3kcos2θ、3kcos2θ和6ksin2θ。
如图4所示，在机器人插轴入孔装配作业中，由于机器人存在定位误差，轴类零件7在插入孔类零件8的过程中，很难保证恰好完成装配。当轴端与孔边缘的倒角发生接触碰撞，轴受到倒角作用的撞击力。此时，如果装配系统没有顺应性，轴会被“顶死”在孔边缘上，发生装配卡阻现象，急剧的接触力甚至可能会损坏机器人系统。
如图4所示，当将被装配的轴类零件设置于所述的空间并联柔顺装置末端，再将并联柔顺装置设置于机器人末端，执行插轴入孔装配作业。当轴与孔边缘倒角接触时，轴类零件会同时受到竖直向下的装配驱动力以及倒角对轴施加的接触力作用，在两者的合力作用下，并联柔顺装置产生自然的位置滑移顺应，使得轴类零件可以沿着倒角边缘自然下移，从而顺利插入孔类零件中，完成自动化装配作业。
本实施例中，SPS型弹簧支链的数量为三根，但本发明的保护范围不局限于SPS型弹簧支链数目为三根的情况。增加SPS型弹簧支链的数目不影响到并联柔顺装置末端纯平移的力顺应特性，但可以增强并联柔顺装置各方向整体的刚度值。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种空间多自由度的并联柔顺装置，其特征在于，包括：基座、用于为执行机构提供支撑的动平台以及两端分别与基座和动平台相连的三根UPU型支链以及至少三根SPS型支链，其中：UPU型支链和SPS型支链交替布置于动平台和基座之间，所有支链在空间延长线交汇于一点，即所述柔顺装置的末端操作点，在该末端操作点处，所述柔顺装置仅具有空间纯平移的柔顺特性。
2.根据权利要求1所述的并联柔顺装置，其特征是，所述的动平台与基座共轴放置，且各支链与基座、动平台的铰支点都围绕柔顺装置的轴线呈均匀圆周布置。
3.根据权利要求1所述的并联柔顺装置，其特征是，所述的UPU型支链，即万向副-移动副-万向副型支链，具体由前后两个分别与动平台和基座相连的作为万向副的虎克铰关节和中间一个作为移动副的平移关节组成。
4.根据权利要求3所述的并联柔顺装置，其特征是，所述的两个虎克铰转动轴线相互平行且虎克铰的关节平面与平移关节的轴线相互垂直，从而限制了动平台绕UPU支链轴线转动的自由度。
5.根据权利要求1所述的并联柔顺装置，其特征是，所述的SPS型支链，即球副-移动副-球副型支链，具体由前后两个分别与动平台和基座相连的作为球副的球面副关节和中间一个作为移动副的平移关节组成。
6.根据权利要求3或4或5所述的并联柔顺装置，其特征是，所述的UPU型支链和SPS型支链中的平移关节由两根活动连接的合金杆组成；该平移关节上套有线弹簧，弹簧两端分别与两根合金杆固定连接。
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