CN108942895A - 一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头，该动力头由六自由度基座、末端恒力输出机构组成。所述六自由度基座由动平台、小万向铰、移动副、大万向铰、定平台依次连接组成，采用UPU即万向铰—移动副—万向铰的支链形式；所述末端恒力输出机构由恒力输出体、连杆、“工”字型滑块、“工”字型凹槽和扭簧组成；所述“工”字型滑块和“工”字型凹槽采用间隙配合，“工”字型滑块在“工”字型凹槽上沿内壁平移；六自由度基座和末端恒力执行机构以PRRP(移动副—转动副—转动副—移动副)的结构形式连接。本发明的组合方式提高了机构的自由度，可以实现恒力输出且能实时调整机构姿态，不同的参数配置还可以实现恒力调节，结构对称运动特性好。

Description

一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头

技术领域

本发明属于恒力机构，尤其涉及一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头。

背景技术

恒力机构能够对目标物体施加恒定的作用力，它和传统的圆柱弹簧与其他弹性体不同，恒力机构不满足胡克定理。随着精密技术的发展，在某些工作场合，工业机器人或者机床在对精密部件抓取、加工或者打磨抛光时往往需要末端执行器与外部环境接触时保持常值。一些柔性机构依靠机构中的部分或全部弹性构件的变形储存能量或释放能量,在此过程中实现机构设计所要求的力、位移或者运动。这类机构无需装配、可以一次加工成形,且机构在运动过程中无摩擦、无磨损、疲劳寿命长,重要的是具有定位精度高、易与非机械传动相匹配等优点。目前获得恒力的方法有：机电一体化等方法。机电一体化控制通过反馈作用可以实现力的精确控制，但是一般情况下该结构较为复杂、体积较大、可靠性不高。现有的恒力机构往往结构复杂，机构自由度不高，面对不同的工作环境很难实现机构姿态的调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有恒力机构存在的不足，提供了一种结构简单、能够获得恒力的六自由度并联动力头。

本发明的具有恒力特性的六自由度并联末端执行机构由六自由度基座、末端恒力输出机构组成。

作为本发明的优选技术方案，所述六自由度基座由动平台、小万向铰、移动副、大万向铰、定平台依次连接组成，采用UPU即万向铰—移动副—万向铰的支链形式。

作为本发明的优选技术方案，所述大万向铰与定平台连接，两个大万向铰为一组，三组大万向铰均匀分布在定平台的短边上，大万向铰与定平台采用螺纹连接。

作为本发明的优选技术方案，所述移动副用于连接大万向铰和小万向铰，三者同轴心连接，小万向铰和动平台连接，两个小万向铰为一组，三组小万向铰均匀分布在动平台的短边上，小万向铰与动平台采用螺纹连接。

作为本发明的优选技术方案，所述动平台上位于中心位置开有通孔，关于中心轴圆周阵列开有“工”字型凹槽，“工”字型凹槽和“工”字型滑块间隙配合，“工”字型滑块沿着“工”字型凹槽内表面平移。

作为本发明的优选技术方案，所述末端恒力输出机构由恒力输出体、连杆、“工”字型滑块和扭簧组成。所述恒力输出体四周分布有双耳板，双耳板通过销轴和连杆连接，两个扭簧对称套在销轴上，两个扭簧的中心线和销轴的中心线共线，每个扭簧的一端固定于耳板上，另一端固定于连杆上。所述恒力输出体沿着动平台的中轴线上下运动。

作为本发明的优选技术方案，所述连杆的另一端通过销轴与“工”字型滑块连接，两个扭簧对称套在销轴上，两个扭簧的中心线和销轴的中心线共线，每个扭簧的一端固定于“工”字型滑块上，另一端固定于连杆上。

作为本发明的优选技术方案，所述恒力输出体、连杆、“工”字型滑块和扭簧的这种组合方式构成双滑块机构，四组双滑块机构阵列分布于恒力执行体的四周。整个组合体可以通过分配扭簧的参数，装配的角度，零件的尺寸得到不同大小的恒力。

本发明采用双滑块机构和扭簧的组合实现恒力输出。通常带有弹簧的双滑块四连杆机构可以形成四种类型的状态，包括双稳态，部分负刚度，恒力和正刚度。当机构产生双稳态时，利用这一特性可以通过分配适当的扭簧参数，几何参数和初始输出位置得到恒力，并且不同的参数可以得到不同的恒力。

本发明的有益效果为，通过把恒力输出端和六自由度平台的组合，有助于实现恒力输出机构的姿态调整从而适应不同的工况，通过对扭簧参数、几何参数和初始位置的设置可以实现不同恒力的输出，恒力输出机构的整体结构简单且对称布置，运动状态良好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为具有恒力输出特性的六自由度并联动力头俯视图

图2为具有恒力输出特性的六自由度并联动力头等轴测图

图3为动平台等轴测图

图4为具有恒力输出特性的输出端组合体等轴测图

图5为恒力输出特性结构原理图

图中：1、大万向铰；2、移动副；3、小万向铰；4、动平台；5、“工”字型凹槽；6、连杆；7、定平台；8、恒力输出体；9、扭簧(9-1、上扭簧；9-2、下扭簧)；10、“工”字型滑块；11、销轴(11-1、下销轴；11-2、上销轴)。

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，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。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限定本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5。

如图1、2所示，本发明提供了一种实施例的结构形式，本实施例中具有恒力特性的六自由度并联末端执行机构由六自由度基座、末端恒力输出机构组成。

所述六自由度基座由定平台(7)、大万向铰(1)、移动副(2)、小万向铰(3)和动平台(4)依次连接组成。

所述动平台(4)在中心位置开有通孔，表面开有“工”字型凹槽(5)，“工”字型凹槽(5)关于动平台(4)的中轴线圆周阵列分布；所述“工”字型滑块(10)与“工”字型凹槽(5)间隙配合，“工”字型滑块(10)在“工”字型凹槽(5)上沿内壁平移。

所述连杆(6)和“工”字型滑块(10)通过下销轴(11-1)连接，销轴上套有下扭簧(9-2)；所述下扭簧(9-2)一端固定于“工”字型滑块(10)上，另一端固定于连杆(6)上，两个下扭簧(9-2)的中轴线与下销轴(11-1)的中轴线共线；连杆(6)通过上销轴(11-2)与恒力输出体(8)连接，上销轴(11-2)套有上扭簧(9-1)；所述上扭簧(9-1)一端固定于恒力输出体(8)的耳板上，另一端固定于连杆(6)上。

所述末端恒力输出机构由双滑块四连杆机构组成。恒力输出体(8)、连杆(6)、“工”字型滑块(10)、“工”字型凹槽(5)和扭簧(9)组成PRRP(移动副—转动副—转动副—移动副)的结构形式，这种结构形式可以实现恒力输出端与六自由度基座的连接。所述恒力输出体(8)沿着动平台(4)的中轴线上下运动。

本发明实现恒力输出的原理如图5所示，通过分配适当的扭簧参数、几何参数和初始输入位置可以得到双稳态状态，通过对双稳态形式的调整可以形成恒力，并且不同的参数设计可以得到不同的恒力，这种情况可以满足不同工况对不同恒力的要求，实现了恒力可调节。

本发明的PRRP组合形式实现了恒力输出端与六自由度基座的连接，可以达到姿态调整的目的，极大的提高了恒力输出机构的柔顺度从而适应不同的工作空间。恒力输出机构呈对称分布，结构简单易于加工。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头，其特征在于：由六自由度基座和末端恒力输出机构组成。

所述六自由度基座由定平台(7)、大万向铰(1)、移动副(2)、小万向铰(3)和动平台(4)依次连接组成，即采用UPU的形式，应用到本发明的六自由度平台的结构形式只是本发明的其中一种实施例，即其他形式的六自由度平台和本恒力输出机构的组合方式也在本发明的范围之内。

所述动平台(4)上开有通孔，表面开有“工”字型凹槽(5)，“工”字型凹槽(5)关于动平台(4)的中轴线圆周阵列分布；所述“工”字型滑块(10)与“工”字型凹槽(5)间隙配合，“工”字型滑块(10)在“工”字型凹槽(5)上沿内壁平移。

2.根据权利要求1所述的一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头，所述末端恒力输出机构采用双滑块四连杆机构的形式，由恒力输出体(8)、连杆(6)、“工”字型滑块(10)、“工”字型凹槽(5)和扭簧(9)组成，通过PRRP(移动副—转动副—转动副—移动副)的结构形式实现恒力输出端与六自由度基座的连接，其中恒力输出体(8)、连杆(6)、“工”字型滑块(10)、“工”字型凹槽(5)和扭簧(9)由双滑块机构演化而来。

所述恒力输出体(8)沿着动平台(4)的中轴线上下运动。

3.根据权利要求1所述的一种具有恒力输出特性的六自由度并联动力头，其特征在于：对于分配适当的几何参数，扭簧参数和初始位置，该恒力输出机构满足力—位移特性曲线的特征，在一定的输出位移范围内具有恒力特性。