CN112161800A - 一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，包括运动输出平台、人字安装架和三条双输入复合驱动分支，且三条所述双输入复合驱动分支呈圆周均布；所述双输入复合驱动分支包括安装在所述人字安装架上的闭环复合双驱动子链、中间的传动支杆和顶部与所述运动输出平台连接的联动轴承，所述闭环复合双驱动子链的顶部通过所述传动支杆与所述联动轴承连接在一起。本发明具有两转一移三个输出自由度，通过闭环双驱动子链的作用，可实现不同性质驱动的分离输入，以及在各个输出自由度上不同性质运动成分的叠加输出。

Description

一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台

技术领域

本发明涉及并联机构领域，尤其涉及一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台。

背景技术

调姿隔振技术是航空航天、国防军工、车辆、船舶等众多重大工程领域的关键技术。所谓调姿隔振，是载体针对同一输出自由度上两种或多种不同性质扰动叠加的综合消除技术，一般通过专门设计的机构装置来实现。并联机构因其占用比较小，驱动出力均匀化，刚度大，更容易在驱动中引入隔振环节等特点，更适合作为未来运载体用调姿隔振装置。位姿调整一般对应低频大幅值扰动，隔振对应高频小幅值扰动，现有调节装置往往只突出单一功能，要想既实现调姿又实现隔振，经常需要两套装置共同来完成，使系统级设计十分复杂。在同一装置中同时实现调姿与隔振功能更符合实际需求，国内外也有大量研究，主要方法是在原有调姿机构的驱动分支内直接串联隔振装置，这种方法简单直观，然而却使分支运动链增长，机构的动力学性能较差。

近年来，通过在并联机构的分支中引入闭环子链的方法来解决机构的驱动性能、工作空间、动力学性能等问题受到人们关注，相似的发明成果也较多。中国专利CN108214467A提出一种具有空间双驱动折叠分支的六自由度并联机构，在分支中构造局部空间闭环机构，将六个驱动简化到三个分支当中，并实现机构六自由度的运动输出和折叠功能，通过局部闭环使机构形式紧凑简洁，动力学性能较好。中国专利CN109648543B提出一种含平面双驱动分支和SP驱动分支三自由度并联机构，将一个2RPR型的平面六杆子闭环引入一个分支，并在子闭环中设置了机构的两个驱动，使机构的灵活性和工作空间得以改善；中国专利CN109773754A提出一种含平面四连杆子闭环折叠分支的三自由度并联运动平台，在并联机构的分支中增加平面四杆子闭环，使得在同样的驱动条件下，机构伸缩比和动力学性能都得到提升。以上专利通过增设局部闭环子链使机构综合性能得到提高，但并没有运用子闭环结构实现双输入的叠加。中国专利CN107575518A提出一种主被动并行输入并联调姿隔振平台，通过在分支中引入平面四杆子链形成被动隔振单元，实现了主被动双输入的叠加，改善了被动隔振的动力学性能；中国专利CN105738062B提出一种可变结构的高低频混合输出并联三维运动台，该机构在分支中引入双子闭环，分别是驱动子闭环和传动子闭环，驱动子闭环的形式为一个RRPRP五杆机构，双输入并置于子闭环中且连于机架，驱动性能良好，传动子闭环为一空间四杆机构，主要用来提高结构刚度；中国专利CN104308838B、CN104458169B和CN104390755B分别提出一种高低频复合驱动六自由度并联运动台、高低频复合驱动二维转动平台和高低频复合驱动并联三自由度运动台，通过在分支中引入平面五杆机构及其变种形式，实现多种双输入复合驱动设计，结合不同约束形式的并联分支构成一类复合驱动并联平台，机构的自由度是输出自由度的二倍，双输入在子闭环中并联设置且连于基础，机构动力学性能良好。

综上所述，现有机构通过引入四杆机构或五杆机构，虽然可实现不同性质运动的叠加，并改善动力特性，但驱动输出行程较小，机构整体的工作空间受限。本发明通过在分支中引入六杆机构，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，通过新形式的闭环子链使双重驱动分离输入，并增加折叠分支的伸缩比，在两转一移自由度上，机构可实现较大范围位的位姿与振动的叠加输出。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，包括运动输出平台、人字安装架和三条双输入复合驱动分支，且三条所述双输入复合驱动分支呈圆周均布；所述双输入复合驱动分支包括安装在所述人字安装架上的闭环复合双驱动子链、中间的传动支杆和顶部与所述运动输出平台连接的联动轴承，所述闭环复合双驱动子链的顶部通过所述传动支杆与所述联动轴承连接在一起。

进一步的，所述闭环复合双驱动子链包括第一驱动组件、第二驱动组件、联动杆和驱动输出杆，所述第一驱动组件、所述驱动输出杆和第二驱动组件顺次排列安装在所述人字安装架上，且所述驱动输出杆位于所述第一驱动组件和第二驱动组件之间，所述第一驱动组件、第二驱动组件的顶端分别通过第二转动副、第四转动副与所述联动杆的两端连接，所述驱动输出杆的上部通过第六转动副与所述联动杆连接在一起，驱动输出杆的顶端通过万向铰与所述传动支杆的底部连接在一起。

再进一步的，所述第一驱动组件包括滑板式、弹簧式和作动器式三种；所述第二驱动组件包括驱动缸，所述驱动缸顶端的推杆与所述第四转动副连接，所述驱动缸的底部通过第三转动副连接在所述人字安装架上；所述驱动输出杆通过第五转动副连接在所述人字安装架上。

再进一步的，所述滑板式的第一驱动组件包括导轨、滑块和传动杆，所述导轨安装在所述人字安装架上，所述滑块可滑动地连接在所述导轨上，所述滑块和传动杆的一端通过第一转动副连接在一起，所述传动杆的另一端通过第二转动副与联动杆的一端连接。

再进一步的，所述弹簧式第一驱动组件包括弹簧阻尼器，所述弹簧阻尼器的一端通过第九转动副安装在所述人字安装架上，所述弹簧阻尼器的另一端通过第十转动副与所述联动杆的一端连接。

再进一步的，所述作动器式的第一驱动组件包括作动器缸体和作动器推杆，所述作动器缸体通过第七转动副安装在所述人字安装架上，所述作动器推杆与所述作动器缸体连接且位于上部，所述作动器推杆的顶端通过第八转动副与所述联动杆的一端连接。

再进一步的，所述第六转动副包括联动轴和联动轴承，所述联动杆沿长度方向的表面上设有多个安装孔位，所述联动轴承安装在任意四个邻近的所述安装孔位上，所述联动轴放置在所述联动杆的中心腰形孔内，且联动轴的两端安装在所述联动轴承内。

再进一步的，所述第一驱动具体选用电磁作动器、电液作动器、音圈电机、高频直线电机、电磁作动器、压电陶瓷或磁致伸缩作动器；所述第二驱动具体选用丝杠滑块导轨驱动、直线模组驱动、电动缸、直线电机、电动推杆或液压缸。

再进一步的，所述运动输出平台为平板式或框架式结构，所述联动轴承、传动支杆均设置有三个。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，包括运动输出平台、人字安装架和三条呈圆周均布的双输入复合驱动分支，双输入复合驱动分支包括闭环复合双驱动子链、传动支杆和联动轴承，闭环复合双驱动子链的顶部通过传动支杆与联动轴承连接在一起。其中，闭环复合双驱动子链包括第一驱动组件、第二驱动组件、联动杆和驱动输出杆，闭环复合双驱动子链包含一个平面六杆机构，可以将两种不同频率、不同行程的输入进行叠加，并通过联动杆带动驱动输出杆将具有叠加效果的驱动输入传递给分支，最终实现运动输出平台的复合运动输出，此种复合并不是不同运动维度复合，而是同维度上不同性质运动的复合。

六杆机构作为闭环子链，在保证分支驱动刚度和动态特性的前提下，增加了分支运动的灵活性，分支驱动范围增加，折叠分支的伸缩比增大，驱动器同等驱动行程条件下，机构具有更大的展开空间以及运动空间。

具体来说具备三个优点：1)采用平面六杆机构作为双输入的局部闭环单元，增加了双输入单元运动的灵活性，同时也增加了复合驱动输出构件的运动范围；

2)折叠分支的伸缩比增大，机构折叠状态不增加占用空间，工作状态具有更大的展开空间，同时保证机构刚度和动力学性能；

3)机构输入数多于输出自由度数，机构运动更加灵活，能够有效避免发生奇异。

4)具有沿两个水平轴的转动和沿竖直方向的移动三个自由度，很多特定工况下只需要这三个自由度，相比六自由度机构杆件数减少、结构更简洁、控制量相对简化、系统搭建成本成倍降低。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例一三维结构示意图；

图2为本发明实施例二三维结构示意图；

图3为本发明实施例三三维结构示意图；

图4为本发明的实施例一中闭环复合双驱动子链示意图；

图5为本发明的第六转动副连接结构示意图；

图6为本发明的联动轴示意图；

图7为本发明的实施例二中闭环复合双驱动子链示意图；

图8为本发明的实施例三中闭环复合双驱动子链示意图；

附图标记说明：1、运动输出平台；2、联动轴承；3、传动支杆；4、闭环复合双驱动子链；5、人字安装架；

4-1、导轨；4-2、滑块；4-3、第一转动副；4-4、传动杆；4-5、第二转动副；4-6、联动杆；4-7、第四转动副；4-8、推杆；4-9、驱动缸；4-10、第三转动副；4-11、第五转动副；4-12、驱动输出杆；4-13、第六转动副；4-14、万向铰；4-15、第七转动副；4-16、作动器缸体；4-17、作动器推杆；4-18、第八转动副；4-19、第九转动副；4-20、弹簧阻尼器；4-21、第十转动副；4-1301、联动轴；4-1302、联动轴承。

具体实施方式

如图1所示，一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，包括运动输出平台1、人字安装架5和三条双输入复合驱动分支，且三条所述双输入复合驱动分支呈圆周均布；所述双输入复合驱动分支包括安装在所述人字安装架5上的闭环复合双驱动子链4、中间的传动支杆3和顶部与所述运动输出平台1连接的联动轴承2，所述闭环复合双驱动子链4的顶部通过所述传动支杆3与所述联动轴承2连接在一起。具体的，所述运动输出平台1为平板式或框架式结构，所述联动轴承2、传动支杆3均设置有三个，三个所述联动轴承2与所述运动输出平台1的三个呈120°均匀分布的角位相连接。

具体的，所述闭环复合双驱动子链4包括第一驱动组件、第二驱动组件、联动杆4-6和驱动输出杆4-12，所述第一驱动组件、所述驱动输出杆4-12和第二驱动组件顺次排列安装在所述人字安装架5上，且所述驱动输出杆4-12位于所述第一驱动组件和第二驱动组件之间，所述第一驱动组件、第二驱动组件的顶端分别通过第二转动副4-5、第四转动副4-7与所述联动杆4-6的两端连接，所述驱动输出杆4-12的上部通过第六转动副4-13与所述联动杆4-6连接在一起，驱动输出杆4-12的顶端通过万向铰4-14与所述传动支杆3的底部连接在一起。

具体的，如图5、6所示，所述第六转动副4-13包括联动轴4-1301和联动轴承4-1302，所述联动杆4-6沿长度方向的表面上设有多个安装孔位，所述联动轴承4-1302安装在任意四个邻近的所述安装孔位上，所述联动轴4-1301放置在所述联动杆4-6的中心腰形孔内，且联动轴4-1301的两端安装在所述联动轴承4-1302内。

具体的，所述第一驱动组件包括滑板式、弹簧式和作动器式三种；所述第二驱动组件包括驱动缸4-9，所述驱动缸4-9顶端的推杆4-8与所述第四转动副4-7连接，所述驱动缸4-9的底部通过第三转动副4-10连接在所述人字安装架5上；所述驱动输出杆4-12通过第五转动副4-11连接在所述人字安装架5上。

实施例1：

如图1、4所示，所述滑板式的第一驱动组件包括导轨4-1、滑块4-2和传动杆4-4，所述导轨4-1安装在所述人字安装架5上，所述滑块4-2可滑动地连接在所述导轨4-1上，所述滑块4-2和传动杆4-4的一端通过第一转动副3连接在一起，所述传动杆4-4的另一端通过第二转动副4-5与联动杆4-6的一端连接；工作时，滑块4-2可以沿所述导轨4-1水平移动，传动杆4-4可以绕所述第一转动副3的轴线旋转作业，联动杆4-6与所述传动杆4-4之间以第二转动副4-5为旋转轴产生旋转运动。具体的，所述人字安装架5、滑块4-2、传动杆4-4、联动杆4-6、推杆4-8和驱动缸4-9组成一个平面六杆机构，该平面六杆机构可以将两种不同频率、不同行程的输入进行叠加，并通过联动杆4-6带动驱动输出杆4-12将具有叠加效果的驱动输入传递给作为分支的传动支杆3，最终实现运动输出平台的复合运动输出。

实施例2：

如图3、8所示，所述弹簧式第一驱动组件包括弹簧阻尼器4-20，所述弹簧阻尼器4-20的一端通过第九转动副4-19安装在所述人字安装架5上，所述弹簧阻尼器4-20的另一端通过第十转动副4-21与所述联动杆4-6的一端连接。与实施例1相比，该实施例具有更大的工作空间；工作时，所述弹簧阻尼器4-20的底部可以绕所述第九转动副4-19转动，同时，弹簧阻尼器4-20的缸体推动推杆可以带动第十转动副4-21实现上下位置的移动，其他联动过程与实施例1相同。具体的，所述人字安装架5、弹簧阻尼器4-20(该阻尼器包括一个缸体和一个推杆)、联动杆4-6、推杆4-8和驱动缸4-9组成一个平面六杆机构，该平面六杆机构可以将两种不同频率、不同行程的输入进行叠加，并通过联动杆4-6带动驱动输出杆4-12将具有叠加效果的驱动输入传递给作为分支的传动支杆3，最终实现运动输出平台的复合运动输出。

实施例3：

如图2、7所示，所述作动器式的第一驱动组件包括作动器缸体4-16和作动器推杆4-17，所述作动器缸体4-16通过第七转动副4-15安装在所述人字安装架5上，所述作动器推杆4-17与所述作动器缸体4-16连接且位于上部，所述作动器推杆4-17的顶端通过第八转动副4-18与所述联动杆4-6的一端连接；工作时，所述作动器缸体4-16的底部可以绕所述第七转动副4-15转动，同时，作动器缸体4-16推动作动器推杆4-17带动第八转动副4-18实现上下位置的移动，其他联动过程与实施例1相同。具体的，所述人字安装架5、作动器缸体4-16、作动器推杆4-17、联动杆4-6推杆4-8、驱动缸4-9组成一个平面六杆机构，该平面六杆机构可以将两种不同频率、不同行程的输入进行叠加，并通过联动杆4-6带动驱动输出杆4-12将具有叠加效果的驱动输入传递给作为分支的传动支杆3，最终实现运动输出平台的复合运动输出。与实施例1和实施例2相比，该实施例能够实现主被动复合双输入，即主动调姿与被动隔振，与一类特定的实际工况相适应。

此外，所述第一驱动具体选用电磁作动器、电液作动器、音圈电机、高频直线电机、电磁作动器、压电陶瓷或磁致伸缩作动器；所述第二驱动具体选用丝杠滑块导轨驱动、直线模组驱动、电动缸、直线电机、电动推杆或液压缸。

本发明的驱动过程如下：

首先，第一驱动在幅值较大、频率较低的范围内进行直线驱动，通过机构传动转化为运动输出平台1低频高幅的两转一移运动；第二驱动在幅值较小、频率较高的范围内进行直线驱动，通过机构传动转化为运动输出平台1高频低幅的两转一移运动。两种驱动可以同时或单独工作，相应的，运动输出平台1的运动可以是双模叠加运动或单模式运动。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：包括运动输出平台(1)、人字安装架(5)和三条双输入复合驱动分支，且三条所述双输入复合驱动分支呈圆周均布；

所述双输入复合驱动分支包括安装在所述人字安装架(5)上的闭环复合双驱动子链(4)、中间的传动支杆(3)和顶部与所述运动输出平台(1)连接的联动轴承(2)，所述闭环复合双驱动子链(4)的顶部通过所述传动支杆(3)与所述联动轴承(2)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述闭环复合双驱动子链(4)包括第一驱动组件、第二驱动组件、联动杆(4-6)和驱动输出杆(4-12)，所述第一驱动组件、所述驱动输出杆(4-12)和第二驱动组件顺次排列安装在所述人字安装架(5)上，且所述驱动输出杆(4-12)位于所述第一驱动组件和第二驱动组件之间，所述第一驱动组件、第二驱动组件的顶端分别通过第二转动副(4-5)、第四转动副(4-7)与所述联动杆(4-6)的两端连接，所述驱动输出杆(4-12)的上部通过第六转动副(4-13)与所述联动杆(4-6)连接在一起，驱动输出杆(4-12)的顶端通过万向铰(4-14)与所述传动支杆(3)的底部连接在一起。

3.根据权利要求2所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述第一驱动组件包括滑板式、弹簧式和作动器式三种；所述第二驱动组件包括驱动缸(4-9)，所述驱动缸(4-9)顶端的推杆(4-8)与所述第四转动副(4-7)连接，所述驱动缸(4-9)的底部通过第三转动副(4-10)连接在所述人字安装架(5)上；所述驱动输出杆(4-12)通过第五转动副(4-11)连接在所述人字安装架(5)上。

4.根据权利要求3所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述滑板式的第一驱动组件包括导轨(4-1)、滑块(4-2)和传动杆(4-4)，所述导轨(4-1)安装在所述人字安装架(5)上，所述滑块(4-2)可滑动地连接在所述导轨(4-1)上，所述滑块(4-2)和传动杆(4-4)的一端通过第一转动副(3)连接在一起，所述传动杆(4-4)的另一端通过第二转动副(4-5)与联动杆(4-6)的一端连接。

5.根据权利要求3所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述弹簧式第一驱动组件包括弹簧阻尼器(4-20)，所述弹簧阻尼器(4-20)的一端通过第九转动副(4-19)安装在所述人字安装架(5)上，所述弹簧阻尼器(4-20)的另一端通过第十转动副(4-21)与所述联动杆(4-6)的一端连接。

6.根据权利要求3所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述作动器式的第一驱动组件包括作动器缸体(4-16)和作动器推杆(4-17)，所述作动器缸体(4-16)通过第七转动副(4-15)安装在所述人字安装架(5)上，所述作动器推杆(4-17)与所述作动器缸体(4-16)连接且位于上部，所述作动器推杆(4-17)的顶端通过第八转动副(4-18)与所述联动杆(4-6)的一端连接。

7.根据权利要求2所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述第六转动副(4-13)包括联动轴(4-1301)和联动轴承(4-1302)，所述联动杆(4-6)沿长度方向的表面上设有多个安装孔位，所述联动轴承(4-1302)安装在任意四个邻近的所述安装孔位上，所述联动轴(4-1301)放置在所述联动杆(4-6)的中心腰形孔内，且联动轴(4-1301)的两端安装在所述联动轴承(4-1302)内。

8.根据权利要求2所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述第一驱动具体选用电磁作动器、电液作动器、音圈电机、高频直线电机、电磁作动器、压电陶瓷或磁致伸缩作动器；所述第二驱动具体选用丝杠滑块导轨驱动、直线模组驱动、电动缸、直线电机、电动推杆或液压缸。

9.根据权利要求1所述的含闭环双驱动子链的三自由度可折叠并联运动台，其特征在于：所述运动输出平台(1)为平板式或框架式结构，所述联动轴承(2)、传动支杆(3)均设置有三个。

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