CN111267078B - 一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，包括定平台和动平台，动平台呈十字架型并包括横向板和纵向板，横向板的两端分别利用第二支链和第四支链与定平台连接，第二支链和第四支链相同且为5R‑RR支链，第二支链和第四支链与定平台连接的转动副均作为驱动副，纵向板的两端分别利用第一支链和第三支链与定平台连接，第一支链和第三支链相同且为UPR支链，第一支链和第三支链上的移动副均作为驱动副，驱动副能够驱动第一支链、第二支链、第三支链和第四支链运动并带动动平台做两转一移运动。本发明使并联机构具有较强刚度、工作空间大、易于控制等优点，同时减少机构的奇异位形并改善机构的力传递性能，增加机构的可操作性。

Description

一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构。

背景技术

并联机构具有高刚度、高精度及承载能力大的优点，人们已经研究出大量并联机构，广泛应用于加工制造、医学、微定位机器人以及各种运动模拟器等领域，然而，并联机器人也有其天生的缺陷，特别是6自由度并联机构，其运动耦合强、工作空间不规则、运动学正解复杂等等，这些缺点增加了控制和后续标定工作的复杂性。

近年来，少自由度并联机构越来越受到研究者的重视和青睐，少自由度并联机构具有结构简单、成本低、易于控制等优点，广泛应用于切削加工，铸造、锻造、冲压、挤压等加工领域。对于安全性、刚度、柔顺性等性能要求较高的现代设备非常需要一种少自由度并联机构作为本体机构，尤其是现代复杂曲面的加工，需要高刚度、高灵活度、大转动能力的并联机构，然而如今这类并联机构非常稀少，因此这类机构的研制具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，以解决上述现有技术存在的问题，使并联机构具有较强刚度、工作空间大、易于控制等优点，同时减少机构的奇异位形并改善机构的力传递性能，增加机构的可操作性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，包括定平台和动平台，所述动平台呈十字架型并包括固定连接或一体成型的横向板和纵向板，所述横向板的两端分别利用第二支链和第四支链与所述定平台连接，所述第二支链和所述第四支链相同且为5R-RR支链，所述第二支链和所述第四支链与所述定平台连接的转动副均作为驱动副，所述纵向板的两端分别利用第一支链和第三支链与所述定平台连接，所述第一支链和所述第三支链相同且为UPR支链，所述第一支链和所述第三支链上的移动副均作为驱动副，所述驱动副能够驱动所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链运动并带动所述动平台做两转一移运动。

优选的，所述UPR支链包括奇数链第一连接杆和奇数链第二连接杆，所述定平台利用奇数链第一转动副与奇数链第二转动副连接，所述奇数链第二转动副与所述奇数链第一连接杆的一端连接，所述奇数链第一连接杆的另一端利用奇数链第一移动副与所述奇数链第二连接杆的一端连接，所述奇数链第二连接杆的另一端利用奇数链第三转动副与所述纵向板的端部连接，所述第一支链和所述第三支链上的所述奇数链第一移动副均为驱动副。

优选的，所述定平台上沿其纵向中心线固定有两个奇数链铰接座，两个所述奇数链铰接座关于所述定平台的横向中心线对称设置，两个所述奇数链铰接座的奇数链铰接轴相互平行，所述第一支链的所述奇数链第一转动副与一所述奇数链铰接座连接，所述第三支链的所述奇数链第一转动副与另一所述奇数链铰接座连接。

优选的，所述第一支链和所述第三支链的所述奇数链第一转动副的转动轴线共线，所述奇数链第一移动副的移动方向沿着所述奇数链第二转动副和所述奇数链第三转动副的转动轴线的公垂线方向；所述奇数链第一转动副与所述奇数链第二转动副的转动轴线垂直并组成虎克铰。

优选的，当所述纵向板的纵边平行于所述定平台时，所述第一支链和所述第三支链关于过所述动平台的中心点且垂直于所述定平台的横向平面完全对称。

优选的，所述5R-RR支链为有闭环单元的支链，所述5R-RR支链包括偶数链第一连接杆、偶数链第二连接杆、偶数链第三连接杆和偶数链第四连接杆，所述偶数链第一连接杆的一端利用偶数链第一转动副与所述定平台连接，所述偶数链第一连接杆的另一端利用偶数链第二转动副与所述偶数链第二连接杆的一端连接，所述偶数链第二连接杆的中部利用偶数链第三转动副与所述偶数链第三连接杆的一端连接，所述偶数链第三连接杆的另一端利用偶数链第四转动副与所述偶数链第四连接杆的一端连接，所述偶数链第四连接杆的另一端利用偶数链第五转动副与所述定平台连接，所述偶数链第二连接杆的另一端与偶数链第六转动副连接，所述偶数链第六转动副利用偶数链第七转动副与所述横向板的一端连接，所述偶数链第一转动副和所述偶数链第五转动副均为驱动副。

优选的，所述定平台上沿其横向中心线固定有四个偶数链铰接座，四个所述偶数链铰接座对称设置在所述定平台的纵向中心线的两侧，四个所述偶数链铰接座的偶数链铰接轴相互平行，所述奇数链铰接轴与所述偶数链铰接轴的轴线均平行，所述第二支链的所述偶数链第一转动副和所述偶数链第二转动副与所述纵向中心线一侧的两个所述偶数链铰接座一一对应连接，所述第四支链的所述偶数链第一转动副和所述偶数链第二转动副与所述纵向中心线另一侧的两个所述偶数链铰接座一一对应连接。

优选的，所述第二支链和所述第四支链的所述偶数链第七转动副的转动轴线共线，所述偶数链第一转动副、所述偶数链第二转动副、所述偶数链第三转动副、所述偶数链第四转动副、所述偶数链第五转动副与所述偶数链第六转动副的转动轴线均相互平行；所述偶数链第六转动副与所述偶数链第七转动副的转动轴线垂直并组成虎克铰。

优选的，当所述第一支链和所述第三支链构成的平面垂直于所述定平台时，所述第二支链和所述第四支链关于过所述动平台的中心点且垂直于所述定平台的纵向平面完全对称。

优选的，所述定平台为矩形板状结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明在并联机构中引入冗余驱动，并联机构在实现两转一移三自由度运动的基础上，各驱动副可以独立进行控制，不仅使并联机构具有高刚度、工作空间大、易于控制和高承载能力等特性，还能够克服少自由度并联机构工作空间内的奇异性，消除非期望自由度，并改善机构的力传递性能，提升工作空间连续性，改善机构综合性能，增加机构的可操作性和驱动稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构的结构示意图；

其中：1-定平台，2-动平台，11-奇数链第一连接杆，12-奇数链第二连接杆，1A-奇数链第一转动副，1B-奇数链第二转动副，1C-奇数链第一移动副，1D-奇数链第三转动副；21-偶数链第一连接杆，22-偶数链第二连接杆，23-偶数链第三连接杆，24-偶数链第四连接杆，2A-偶数链第一转动副，2B-偶数链第二转动副，2C-偶数链第三转动副，2D-偶数链第四转动副，2E-偶数链第五转动副，2F-偶数链第六转动副，2G-偶数链第七转动副。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

如图1所示：本实施例提供了一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，包括定平台1和动平台2，定平台1为矩形板状结构，动平台2呈十字架型并包括固定连接或一体成型的横向板和纵向板，横向板的两端分别利用第二支链和第四支链与定平台1连接，第二支链和第四支链相同且为5R-RR支链，第二支链和第四支链与定平台1连接的转动副均作为驱动副，纵向板的两端分别利用第一支链和第三支链与定平台1连接，第一支链和第三支链相同且为UPR支链，第一支链和第三支链上的移动副均作为驱动副，驱动副能够驱动第一支链、第二支链、第三支链和第四支链运动并带动动平台2做两转一移运动。

具体的，UPR支链包括奇数链第一连接杆11和奇数链第二连接杆12，定平台1利用奇数链第一转动副1A与奇数链第二转动副1B连接，奇数链第二转动副1B与奇数链第一连接杆11的一端连接，奇数链第一连接杆11的另一端利用奇数链第一移动副1C与奇数链第二连接杆12的一端连接，奇数链第二连接杆12的另一端利用奇数链第三转动副1D与纵向板的端部连接，第一支链和第三支链上的奇数链第一移动副1C均为驱动副。即第一支链和第三支链上的奇数链第一移动副1C均为驱动副，且UPR支链中均采用低副结构，能够降低并联结构的制造成本。

其中优选方案之一为，定平台1上沿其纵向中心线固定有两个奇数链铰接座，两个奇数链铰接座关于定平台1的横向中心线对称设置，两个奇数链铰接座的奇数链铰接轴相互平行，第一支链的奇数链第一转动副1A与一奇数链铰接座连接，第三支链的奇数链第一转动副1A与另一奇数链铰接座连接第一支链和第三支链的奇数链第一转动副1A的转动轴线共线，奇数链第一移动副1C的移动方向沿着奇数链第二转动副1B和奇数链第三转动副1D的转动轴线的公垂线方向；奇数链第一转动副1A与奇数链第二转动副1B的转动轴线垂直并组成虎克铰。当纵向板的纵边平行于定平台1时，第一支链和第三支链关于过动平台2的中心点且垂直于定平台1的横向平面完全对称，同时奇数链第一连接杆11和奇数链第二连接杆12的长度相等，保证并联机构的高度对称性，有助于消除并联机构的伴随运动，提高并联机构的稳定性。

具体的，5R-RR支链为有闭环单元的支链，5R-RR支链包括偶数链第一连接杆21、偶数链第二连接杆22、偶数链第三连接杆23和偶数链第四连接杆24，偶数链第一连接杆21的一端利用偶数链第一转动副2A与定平台1连接，偶数链第一连接杆21的另一端利用偶数链第二转动副2B与偶数链第二连接杆22的一端连接，偶数链第二连接杆22的中部利用偶数链第三转动副2C与偶数链第三连接杆23的一端连接，偶数链第三连接杆23的另一端利用偶数链第四转动副2D与偶数链第四连接杆24的一端连接，偶数链第四连接杆24的另一端利用偶数链第五转动副2E与定平台1连接，偶数链第二连接杆22的另一端与偶数链第六转动副2F连接，偶数链第六转动副2F利用偶数链第七转动副2G与横向板的一端连接，偶数链第一转动副2A和偶数链第五转动副2E均为驱动副。即第二支链和第四支链上的偶数链第一转动副2A和偶数链第五转动副2E均为驱动副，且5R-RR支链支链中均采用低副结构，能够降低并联结构的制造成本。其中，偶数链第一转动副2A、偶数链第一连接杆21、偶数链第二转动副2B、偶数链第二连接杆22、偶数链第三转动副2C、偶数链第三连接杆23、偶数链第四转动副2D、偶数链第四连接杆24和偶数链第五转动副2E构成闭环单元。

其中优选方案之一为，定平台1上沿其横向中心线固定有四个偶数链铰接座，四个偶数链铰接座对称设置在定平台1的纵向中心线的两侧，四个偶数链铰接座的偶数链铰接轴相互平行，奇数链铰接轴与偶数链铰接轴的轴线均平行，第二支链的偶数链第一转动副2A和偶数链第五转动副2E与纵向中心线一侧的两个偶数链铰接座一一对应连接，第四支链的偶数链第一转动副2A和偶数链第五转动副2E与纵向中心线另一侧的两个偶数链铰接座一一对应连接。第二支链和第四支链的偶数链第七转动副2G的转动轴线共线，偶数链第一转动副2A、偶数链第二转动副2B、偶数链第三转动副2C、偶数链第四转动副2D、偶数链第五转动副2E与偶数链第六转动副2F的转动轴线均相互平行；偶数链第六转动副2F与偶数链第七转动副2G的转动轴线垂直并组成虎克铰。当第一支链和第三支链构成的平面垂直于定平台1时，第二支链和第四支链关于过动平台2的中心点且垂直于定平台1的纵向平面完全对称，偶数链第一连接杆21、偶数链第二连接杆22、偶数链第三连接杆23和偶数链第四连接杆24长度相等，保证并联机构的高度对称性，有助于消除并联机构的伴随运动，提高并联机构的稳定性。

本实施例在运动过程中，第一支链和第三支链上的奇数链第一移动副1C均为驱动副，第二支链和第四支链上的偶数链第一转动副2A和偶数链第五转动副2E均为驱动副，而且可以选用合适的电机作为驱动部件，进而通过六个驱动副驱动四条支链实现动平台2相对定平台1的两转一移的三自由度运动，具体的，动平台2可以实现绕奇数链第一转动副1A轴线(也即奇数链铰接轴的轴线)的转动，以及绕偶数链第七转动副2G轴线的转动，动平台2还可以实现上下移动。通过冗余驱动的引入，能够显著增大并联机构的承载能力，还能提高刚度和精度，并克服少自由度并联机构工作空间内的奇异性，消除非期望自由度，增大工作空间，提升工作空间连续性，改善机构综合性能，增加机构的可操作性和驱动稳定性，从而因本实施例具备承载能力大、稳定性强、精度高和无伴随运动等优势，在高速、稿精度以及高刚度加工领域有着广泛应用前景。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：包括定平台和动平台，所述动平台呈十字架型并包括固定连接或一体成型的横向板和纵向板，所述横向板的两端分别利用第二支链和第四支链与所述定平台连接，所述第二支链和所述第四支链相同且为5R-RR支链，所述第二支链和所述第四支链与所述定平台连接的转动副均作为驱动副，所述纵向板的两端分别利用第一支链和第三支链与所述定平台连接，所述第一支链和所述第三支链相同且为UPR支链，所述第一支链和所述第三支链上的移动副均作为驱动副，所述驱动副能够驱动所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链运动并带动所述动平台做两转一移运动；当所述纵向板的纵边平行于所述定平台时，所述第一支链和所述第三支链关于过所述动平台的中心点且垂直于所述定平台的横向平面完全对称，当所述第一支链和所述第三支链构成的平面垂直于所述定平台时，所述第二支链和所述第四支链关于过所述动平台的中心点且垂直于所述定平台的纵向平面完全对称，偶数链第一连接杆、偶数链第二连接杆、偶数链第三连接杆和偶数链第四连接杆长度相等。

2.根据权利要求1所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述UPR支链包括奇数链第一连接杆和奇数链第二连接杆，所述定平台利用奇数链第一转动副与奇数链第二转动副连接，所述奇数链第二转动副与所述奇数链第一连接杆的一端连接，所述奇数链第一连接杆的另一端利用奇数链第一移动副与所述奇数链第二连接杆的一端连接，所述奇数链第二连接杆的另一端利用奇数链第三转动副与所述纵向板的端部连接，所述第一支链和所述第三支链上的所述奇数链第一移动副均为驱动副。

3.根据权利要求2所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述定平台上沿其纵向中心线固定有两个奇数链铰接座，两个所述奇数链铰接座关于所述定平台的横向中心线对称设置，两个所述奇数链铰接座的奇数链铰接轴相互平行，所述第一支链的所述奇数链第一转动副与一所述奇数链铰接座连接，所述第三支链的所述奇数链第一转动副与另一所述奇数链铰接座连接。

4.根据权利要求2所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述第一支链和所述第三支链的所述奇数链第一转动副的转动轴线共线，所述奇数链第一移动副的移动方向沿着所述奇数链第二转动副和所述奇数链第三转动副的转动轴线的公垂线方向；所述奇数链第一转动副与所述奇数链第二转动副的转动轴线垂直并组成虎克铰。

5.根据权利要求3所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述5R-RR支链为有闭环单元的支链，所述5R-RR支链包括偶数链第一连接杆、偶数链第二连接杆、偶数链第三连接杆和偶数链第四连接杆，所述偶数链第一连接杆的一端利用偶数链第一转动副与所述定平台连接，所述偶数链第一连接杆的另一端利用偶数链第二转动副与所述偶数链第二连接杆的一端连接，所述偶数链第二连接杆的中部利用偶数链第三转动副与所述偶数链第三连接杆的一端连接，所述偶数链第三连接杆的另一端利用偶数链第四转动副与所述偶数链第四连接杆的一端连接，所述偶数链第四连接杆的另一端利用偶数链第五转动副与所述定平台连接，所述偶数链第二连接杆的另一端与偶数链第六转动副连接，所述偶数链第六转动副利用偶数链第七转动副与所述横向板的一端连接，所述偶数链第一转动副和所述偶数链第五转动副均为驱动副。

6.根据权利要求5所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述定平台上沿其横向中心线固定有四个偶数链铰接座，四个所述偶数链铰接座对称设置在所述定平台的纵向中心线的两侧，四个所述偶数链铰接座的偶数链铰接轴相互平行，所述奇数链铰接轴与所述偶数链铰接轴的轴线均平行，所述第二支链的所述偶数链第一转动副和所述偶数链第五转动副与所述纵向中心线一侧的两个所述偶数链铰接座一一对应连接，所述第四支链的所述偶数链第一转动副和所述偶数链第五转动副与所述纵向中心线另一侧的两个所述偶数链铰接座一一对应连接。

7.根据权利要求5所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述第二支链和所述第四支链的所述偶数链第七转动副的转动轴线共线，所述偶数链第一转动副、所述偶数链第二转动副、所述偶数链第三转动副、所述偶数链第四转动副、所述偶数链第五转动副与所述偶数链第六转动副的转动轴线均相互平行；所述偶数链第六转动副与所述偶数链第七转动副的转动轴线垂直并组成虎克铰。

8.根据权利要求1所述的可独立控制的两转一移冗余驱动并联机构，其特征在于：所述定平台为矩形板状结构。

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