CN109571444A - 一种两平移一转动的部分解耦并联机构 - Google Patents

一种两平移一转动的部分解耦并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种两平移一转动的部分解耦并联机构，其包括动平台、定平台和连接动平台和定平台的多个运动支链，多个运动支链包括第一运动支链、第二运动支链以及第三运动支链，第一运动支链和第三运动支链分别对称设置在动平台和定平台的两侧，第二运动支链设置在第一运动支链和第三运动支链之间，第一运动支链和第三运动支链均包括上连杆、中间连杆以及下连杆，第二运动支链包括上连杆和下连杆。本发明的平移转动并联机构具有结构简单，机构制造装配容易，传动精度高以及成本低的优点。并且本机构属于非对称并联机构，与对称的并联机构相比工作空间较大，运动灵活性好。

Description

一种两平移一转动的部分解耦并联机构
技术领域
本发明涉及并联机构的领域，具体地涉及一种两平移一转动的部分解耦并联机构。
背景技术
并联机构是指动平台与定平台之间至少由两个或两个以上运动链相连,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构与串联机构相比具有刚度大、承载能力强、定位精度高、累计误差小等优点并且结构相对紧凑。近年来被广泛应用于航空航天领域的飞行运动模拟器、卫星天线、新型虚拟轴机床、力传感器、医疗设备、航天器交会对接等众多技术领域。
与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件少、构件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等优点，尤其是具有二平移一转动的三自由度并联机构在工业中应用比较广泛。
但是现有的二平移一转动的三自由度并联机构大多结构复杂，制造成本高，实用性差。另外大部分并联机构各驱动单元之间是耦合的,并且并联机构的输入与输出之间是非线性的,这些导致了并联机构运动学正解求解困难、控制复杂、标定困难、运动精度差。
发明内容
针对上述的问题，本发明提出一种两平移一转动的部分解耦并联机构，其分支结构简单，能实现转动以及平移解耦，易于控制且承载能力强，并且，其属于非对称并联机构，与对称的并联机构相比，其工作空间较大，运动灵活性好。
具体地，本发明提供一种两平移一转动的部分解耦并联机构，其包括动平台、定平台和连接所述动平台和定平台的多个运动支链，多个运动支链包括第一运动支链、第二运动支链以及第三运动支链，
所述第一运动支链和所述第三运动支链分别对称设置在动平台和定平台的两侧，所述第二运动支链设置在所述第一运动支链和第三运动支链之间，
第一运动支链和第三运动支链均包括上连杆、中间连杆以及下连杆，第二运动支链包括上连杆和下连杆，第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的上连杆分别与动平台铰接，第一运动支链和第三运动支链的上连杆、中间连杆以及下连杆之间分别转动连接，第一运动支链和第三运动支链的下连杆分别通过一圆柱副与所述定平台连接，第二运动支链的下连杆与所述定平台铰接。
优选地，所述第一运动支链上连杆的一个端部通过第一转动副与所述动平台铰接，所述第一运动支链上连杆的另一端部通过第二转动副与第一运动支链中间连杆的一个端部铰接，所述第一运动支链中间连杆的另一端部通过第三转动副与所述第一运动支链下连杆的一个端部相连，所述第一运动支链下连杆的另一端部通过第一圆柱副与所述定平台连接。
优选地，所述第二转动副、第三转动副以及第一圆柱副轴线相互平行，所述第二转动副、第三转动副以及第一圆柱副轴线分别与第一转动副的轴线相互垂直。
优选地，所述第二运动支链上连杆的一个端部通过第四转动副与所述动平台铰接，所述第二运动支链上连杆的另一端部通过第五转动副与第二运动支链下连杆的一个端部铰接，所述第二运动支链下连杆的另一端部通过第六转动副与所述定平台铰接。
优选地，所述第四转动副、第五转动副以及第六转动副的轴线相互平行。
优选地，所述第三运动支链上连杆的一个端部通过第七转动副与所述动平台铰接，该所述第三运动支链上连杆的另一端部通过第八转动副与第三运动支链中间连杆的一个端部铰接，所述第三运动支链中间连杆的另一端部通过第九转动副与第三运动支链下连杆相连，所述第三运动支链下连杆的另一端部通过第二圆柱副与所述定平台连接。
优选地，所述第八转动副、第九转动副和第二圆柱副的轴线相互平行，所述第八转动副、第九转动副和第二圆柱副的轴线分别与第七转动副的轴线相互垂直。
优选地，所述第一运动支链的圆柱副的轴线和所述第二运动支链的圆柱副的轴线平行且与所述第六转动副的轴线相垂直。
优选地，所述第一运动支链的圆柱副的轴线和所述第二运动支链的圆柱副通过转轴装置与所述定平台铰接。
优选地，所述第七转动副的转角与所述动平台的转角相等。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
①本发明提供并联机构结构简单，机构制造装配容易，传动精度高，成本低，能实现转动以及平移解耦，易于控制且承载能力强。
②本发明的并联机构属于非对称并联机构，与对称的并联机构相比，其工作空间较大，运动灵活性好。
③本发明通过三个运动支链的不同控制能够实现转动和平移解耦，控制简单方便、标定容易、动态性能好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；以及
图2为本发明的实施例的结构示意图。
图中部分附图标记如下：
1-动平台、2-定平台、3-第一转动副、4-第一运动支链上连杆、5-第二转动副、6-第一运动支链中间连杆、7-第三转动副、8-第一运动支链下连杆、9-第一圆柱副、10-第四转动副、11-第二运动支链上连杆、12-第五转动副、13-第二运动支链下连杆、14-第六转动副、15-第七转动副、16-第三运动支链上连杆、17-第八转动副、18-第三运动支链中间连杆、19-第九转动副、20-第三运动支链下连杆、21-第二圆柱副、第一运动支链100、第二运动支链200和第三运动支链300。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1及图2，其中图1为本发明的两平移一转动的部分解耦并联机构的结构示意图，图2为本实施例的结构示意图。
该并联机构包括动平台1和定平台2，定平台2和动平台1之间设置有多个支链，多个支链包括第一运动支链100、第二运动支链200和第三运动支链300。定平台2和动平台1通过第一运动支链100、第二运动支链200和第三运动支链300传动相连，第一运动支链100和第三运动支链300在动平台1和定平台2的两侧对称设置，第二运动支链200设置在第一运动支链100和第三运动支链300之间。
该并联机构在三个运动支链驱动的共同作用下，驱动动平台实现X轴方向的转动和Y轴以及Z轴方向的平移。并且对三个运动支链分别进行控制能够实现移动和转动解耦控制的简单方便。
第一运动支链100和第三运动支链300均包括上连杆、中间连杆以及下连杆，上连杆、中间连杆以及下连杆之间相互连接。第二运动支链200包括上连杆和下连杆。第二运动支链200设置在第一运动支链100和第三运动支链300之间。
第一运动支链100包括第一运动支链上连杆4、第一运动支链中间连杆6以及第一运动支链下连杆8，第一运动支链上连杆4的一个端部通过第一转动副3与动平台1铰接，该第一运动支链上连杆4的另一端部通过第二转动副5与第一运动支链中间连杆6的一个端部铰接，第一运动支链中间连杆6的另一端部通过第三转动副7与第一运动支链下连杆8相连，第一运动支链下连杆8的另一端部通过第一圆柱副9与定平台2连接。第一圆柱副9与定平台2之间不能进行转动。
在一个实施例中，第一转动副3、第二转动副5以及第三转动副7均包括两个轴套以及销轴，轴套与其余部件连接并且能够绕销轴进行旋转。第一圆柱副9包括转动副和移动副。
其中，第一圆柱副9包括一个轴套以及一个圆柱轴，轴套能够绕圆柱轴旋转并能够在圆柱轴上进行移动。第一圆柱副9通过圆柱轴与定平台铰接，轴套与下连杆连接。
第二转动副5、第三转动副7和第一圆柱副9的轴线相互平行，第二转动副5、第三转动副7和第一圆柱副9的轴线分别与第一转动副3的轴线相互垂直。
第一运动支链上连杆4、第一运动支链中间连杆6以及第一运动支链下连杆8相互之间能够单独转动。
第一运动支链100的电机驱动设置在第一圆柱副9的移动副处，如在本实施例中，可以设置在圆柱轴附近。第一运动分支约束了动平台1沿Z轴方向的转动自由度，并且第一运动支链100是移动解耦分支，第一运动支链下连杆8沿Y轴移动的位移等于动平台1在该方向移动的位移。
第二运动支链200包括第二运动支链上连杆11以及第二运动支链下连杆13，第二运动支链200中的第二运动支链上连杆11的一个端部通过第四转动副10与动平台1铰接，第二运动支链上连杆11的另一端部通过第五转动副12与第二运动支链下连杆13的一个端部铰接，第二运动支链下连杆13的另一端部通过第六转动副14与定平台2铰接。
在一个实施例中，第四转动副10和第五转动副12均包括两个轴套以及销轴，轴套能够绕销轴进行旋转。
第四转动副10、第五转动副12以及第六转动副14的轴线相互平行。第二运动支链上连杆11以及第二运动支链下连杆13相互之间能够单独转动。
第二运动支链200的电机驱动设置在第六转动副14处，用于约束动平台1沿Y轴以及Z轴方向的转动自由度，同时约束动平台1沿X轴方向的移动自由度。
第三运动支链300包括第三运动支链上连杆16、第三运动支链中间连杆18以及第三运动支链下连杆20。第三运动支链300中的第三运动支链上连杆16的一个端部通过第七转动副15与动平台1铰接，该第三运动支链上连杆16的另一端部通过第八转动副17与第三运动支链中间连杆18的一个端部铰接，第三运动支链中间连杆18的另一端部通过第九转动副19与第三运动支链下连杆20相连，第三运动支链下连杆20的另一端部通过第二圆柱副21与定平台2连接。
第八转动副17、第九转动副19和第二圆柱副21的轴线相互平行，第八转动副17、第九转动副19和第二圆柱副21轴线分别与第七转动副15的轴线相互垂直。
在一个实施例中，第七转动副15、第八转动副17以及第九转动副19均包括两个轴套以及销轴，轴套与其余部件连接并且能够绕销轴进行旋转。
第二圆柱副21包括转动副和移动副，第二圆柱副21包括一个轴套以及一个圆柱轴，轴套能够绕圆柱轴旋转并能够在圆柱轴上进行移动。其中，第二圆柱副21通过圆柱轴与定平台2铰接。
第三运动支链300的电机驱动设置在靠近动平台1的第七转动副15处，用于约束动平台1沿Z轴方向转动自由度，并且第三运动支链300是转动解耦分支，其中，第七转动副15的转角等于动平台1的转角，动平台1在第七转动副15的转角内进行转动。
同时，第一运动支链100的第一圆柱副9和第三运动支链300的第二圆柱副21轴线平行，第一运动支链100的第一圆柱副9和第三运动支链300的第二圆柱副21的轴线分别与第三运动支链中的第六转动副14相垂直。
下面对本发明的工作原理做进一步解释：
如图2所示，首先，建立如图所示，空间直角坐标系O-XYZ，第一运动支链的电机驱动设置在第一圆柱副的移动副处，第一运动分支约束了动平台沿Z轴方向的转动自由度，并且第一运动支链同时是整个装置移动解耦分支，第一运动支链的下连杆沿Y轴移动的位移等于动平台在该方向移动的位移。
第二运动支链的电机驱动设置在与定平台2连接的第六转动副处，用于约束动平台1沿Y轴、Z轴方向的转动自由度，以及X轴方向的移动自由度。
第三运动支链电机驱动设置在靠近动平台的第七转动副处，用于约束动平台沿Z轴方向转动自由度，并且第三运动支链同时是整个装置的转动解耦分支，第七转动副的转角等于动平台的转角。
在三个分支驱动的共同作用下，驱动动平台实现X轴方向的转动移动和Y轴、Z轴方向的平移移动，并且约束动平台1沿Y轴、Z轴方向的转动自由度，以及X轴方向的移动自由度，能够实现移动和转动解耦控制简单方便。
在具体使用中，根据实际应用，需要对动平台的X轴方向的转动移动和Y轴、Z轴方向的平移移动进行限定，在使用过程中随时对动平台的两个平移及一个转动进行检测，并将检测获取的数据反馈至控制单元，控制单元根据动平台的实时检测获取的平移及转动数据对三个驱动分支的驱动电机进行控制，从而通过三个驱动分支实现对动平台的X轴方向的转动移动和Y轴、Z轴方向的平移移动的控制。
动平台平稳控制过程可以描述为：动平台在工作过程中，传感器实时检测动平台的位姿变化，反馈给控制系统，输出控制量驱动电机转动，调整动平台位姿，达到保持动平台平稳运动的控制效果。
具体地，在某一个实施例的动平台的位姿检测系统设计中，可以采用两个位移传感器和一个角度传感器作为检测设备，获取动平台X轴方向的转动角度A、Y轴方向的平移位移B以及Z轴方向的平移位移C，并根据实际需要对动平台需要限定的位移预先在控制系统内部存储动平台X轴方向的目标转动角度A0、Y轴方向的目标平移位移B0以及Z轴方向的目标平移位移C0，在工作过程中计算差值ΔA、ΔB以及ΔC，ΔA＝A-A0，ΔB＝B-B0，ΔC＝C-C0，并根据ΔA、ΔB以及ΔC的大小实时调节动平台的位姿。该实施例仅是本发明所示并联结构的一个目标用法，在实际应用中，本并联机构并不限定使用方法，其通过三个运动支链的不同控制能够实现转动和平移解耦，控制简单方便、标定容易、动态性能好，能够使用于多个场合。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：其包括动平台、定平台和连接所述动平台和定平台的多个运动支链，多个运动支链包括第一运动支链、第二运动支链以及第三运动支链，
所述第一运动支链和所述第三运动支链分别对称设置在动平台和定平台的两侧，所述第二运动支链设置在所述第一运动支链和第三运动支链之间，
第一运动支链和第三运动支链均包括上连杆、中间连杆以及下连杆，第二运动支链包括上连杆和下连杆，第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的上连杆分别与动平台铰接，第一运动支链和第三运动支链的上连杆、中间连杆以及下连杆之间分别转动连接，第一运动支链和第三运动支链的下连杆分别通过一圆柱副与所述定平台连接，第二运动支链的下连杆与所述定平台铰接。
2.根据权利要求1所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第一运动支链上连杆的一个端部通过第一转动副与所述动平台铰接，所述第一运动支链上连杆的另一端部通过第二转动副与第一运动支链中间连杆的一个端部铰接，所述第一运动支链中间连杆的另一端部通过第三转动副与所述第一运动支链下连杆的一个端部相连，所述第一运动支链下连杆的另一端部通过第一圆柱副与所述定平台连接。
3.根据权利要求2所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第二转动副、第三转动副以及第一圆柱副轴线相互平行，所述第二转动副、第三转动副以及第一圆柱副轴线分别与第一转动副的轴线相互垂直。
4.根据权利要求1所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第二运动支链上连杆的一个端部通过第四转动副与所述动平台铰接，所述第二运动支链上连杆的另一端部通过第五转动副与第二运动支链下连杆的一个端部铰接，所述第二运动支链下连杆的另一端部通过第六转动副与所述定平台铰接。
5.根据权利要求4所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第四转动副、第五转动副以及第六转动副的轴线相互平行。
6.根据权利要求1所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第三运动支链上连杆的一个端部通过第七转动副与所述动平台铰接，该所述第三运动支链上连杆的另一端部通过第八转动副与第三运动支链中间连杆的一个端部铰接，所述第三运动支链中间连杆的另一端部通过第九转动副与第三运动支链下连杆相连，所述第三运动支链下连杆的另一端部通过第二圆柱副与所述定平台连接。
7.根据权利要求6所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第八转动副、第九转动副和第二圆柱副的轴线相互平行，并且分别与第七转动副的轴线相互垂直。
8.根据权利要求4所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第一运动支链的圆柱副的轴线和所述第二运动支链的圆柱副的轴线平行且与所述第六转动副的轴线相垂直。
9.根据权利要求1所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第一运动支链的圆柱副的轴线和所述第二运动支链的圆柱副通过转轴装置与所述定平台铰接。
10.根据权利要求6所述的两平移一转动的部分解耦并联机构，其特征在于：所述第七转动副的转角与所述动平台的转角相等。
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