CN112936225B - 一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法，涉及机器人机构领域，包括定平台、动平台、多个运动支链和若干个冗余支链，运动支链的两端分别与定平台和动平台连接，运动支链上设置有制动器，冗余支链的两端分别与定平台和动平台连接，冗余支链上设置有驱动部件。冗余支链设置为n个，控制时使得随动的运动支链数目为n，利用n个冗余支链的控制，使随动的n个运动支链运动到预期的位姿，通过多次调整，使所有的运动支链运动到预期的位姿，即可以实现并联机构预期所有自由度输出的控制。本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法减少了驱动部件，降低了成本，降低了控制难度，承载能力大。

Description

一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法
技术领域
本发明涉及机器人机构领域，特别是涉及一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法。
背景技术
并联机构具有结构紧凑、承载能力大、精度高、回程误差小等优点，广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。在重载场合需要增加冗余支链以提高机构的承载能力，提出了冗余驱动并联机构，如专利CN201610494181.7所公开的五自由度冗余驱动并联抛光机器人，包括定平台及动平台，六个RUS驱动分支及一个约束分支，该机构利用冗余并联结构提高整体机构刚度、避免奇异位置、有效增加工作空间，达到提高加工表面质量的效果；专利CN201610289804.7所公开的一种冗余驱动的搅拌摩擦焊并联机器人，包括动平台、机架以及连接在机架和动平台之间的四个分支机构，该机构可以执行空间两转动一移动的三自由度运动，具有加工精度高、刚度高、伴随运动简单等优点；专利CN201710914676.5所公开的一种相对自由度为三的结构冗余并联机器人机构，包括基座、第一至第四支链组件，该机构可以执行空间两移动一转动的三自由度运动，减少了机构的奇异位形并改善了机构的力传递性能。但这类机构驱动器数目大于自由度数目，其协调控制难度较大，不易实现工程化应用。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法，减少了驱动部件，降低了成本，降低了控制难度，承载能力大。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构，包括定平台、动平台、多个运动支链和若干个冗余支链，所述运动支链的两端分别与所述定平台和所述动平台连接，所述运动支链上设置有制动器，所述冗余支链的两端分别与所述定平台和所述动平台连接，所述冗余支链上设置有驱动部件。
优选地，所述冗余支链包括由上至下依次连接的第一连接件、第一上连杆、第二连接件、第一下连杆和第三连接件，所述第一上连杆的上端通过所述第一连接件与所述动平台连接，所述第一下连杆的下端通过所述第三连接件与所述定平台连接。
优选地，所述运动支链包括由上至下依次连接的第四连接件、第二上连杆、第五连接件、第二下连杆和第六连接件，所述第二上连杆的上端通过所述第四连接件与所述动平台连接，所述第二下连杆的下端通过所述第六连接件与所述定平台连接。
优选地，所述第一连接件和所述第三连接件均为球副，所述第二连接件为移动副，所述驱动部件安装于所述第二连接件上，所述驱动部件为直线驱动单元。
优选地，所述第四连接件和所述第六连接件均为球副，所述第五连接件为移动副，所述制动器安装于所述第五连接件上。
优选地，所述第四连接件为球副，所述第五连接件为移动副，所述第六连接件为转动副，所述制动器安装于所述第五连接件上。
优选地，还包括约束支链，所述约束支链下端与所述定平台的中心固定连接，所述约束支链的上端通过虎克铰与所述动平台的中心连接；所述第一连接件和所述第四连接件均为球副，所述第二连接件和所述第五连接件均为虎克铰，所述第三连接件和所述第六连接件均为转动副，所述驱动部件安装于所述第三连接件上，所述驱动部件为旋转驱动单元，所述制动器安装于所述第六连接件上。
本发明还提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构的控制方法，包括以下步骤：所述冗余支链设置有n个，首先，松开前n个所述运动支链中的所述制动器，使前n个所述运动支链为随动状态，锁死其他所述运动支链的所述制动器，使其他所述运动支链为锁死状态，通过控制n个所述冗余支链的驱动输入，即可调整前n个所述运动支链的位移；然后设置第(n+1)～2n个所述运动支链为随动，其他所述运动支链锁死，通过控制n个所述冗余支链的驱动输入，即可调整第(n+1)～2n个所述运动支链的位移；以此类推，即可实现所有所述运动支链的调整。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法，包括定平台、动平台、多个运动支链和若干个冗余支链，运动支链的两端分别与定平台和动平台连接，运动支链上设置有制动器，冗余支链的两端分别与定平台和动平台连接，冗余支链上设置有驱动部件。冗余支链设置为n个，控制时使得随动的运动支链数目为n，除随动的运动支链外，其余运动支链均通过制动器锁死。利用n个冗余支链的控制，使随动的n个运动支链运动到预期的位姿，通过多次调整，使所有的运动支链运动到预期的位姿，即可以实现并联机构预期所有自由度输出的控制。可见，本发明中的冗余并联机构承载能力大，减少了驱动部件，降低了成本，通过多次驱动实现多维独立输出，进而实现机构位置姿态调整，简化了冗余并联机构的控制问题，具有非常广阔的应用前景。
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为本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构的实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构的实施例二的结构示意图；
图3为本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构的实施例三的结构示意图；
图4为本发明提供的少驱动多自由度输出冗余并联机构的实施例四的结构示意图。
附图标记说明：100、少驱动多自由度输出冗余并联机构；1、定平台；2、动平台；3、冗余支链；301、第一上连杆；302、第一下连杆；303、第一连接件；304、第二连接件；305、第三连接件；306、驱动部件；4、运动支链；401、第二上连杆；402、第二下连杆；403、第四连接件；404、第五连接件；405、第六连接件；406、制动器；5、约束支链。
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做出创造性劳动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。
本发明的目的是提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构及控制方法，减少了驱动部件，降低了成本，降低了控制难度，承载能力大。
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。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构100，包括定平台1、动平台2、多个运动支链4和若干个冗余支链3，运动支链4的两端分别与定平台1和动平台2连接，运动支链4上设置有制动器406，冗余支链3的两端分别与定平台1和动平台2连接，冗余支链3上设置有驱动部件306。具体地，运动支链4的数量大于冗余支链3的数量。可见，本实施例以正常非冗余并联机构为基础，添加一个或多个(记为n个)冗余支链3构造冗余并联机构，在所添加的每个冗余支链3上添加驱动部件306，而将正常非冗余并联机构的原支链上的驱动副更换为制动器406，使原支链成为既可锁死也可随动的运动支链4。
冗余支链3设置为n个，控制时使得随动的运动支链4数目为n，除随动的运动支链4外，其余运动支链4均通过制动器406锁死。利用n个冗余支链3的控制，即通过控制驱动部件306使随动的n个运动支链4运动到预期的位姿，通过多次调整，使所有的运动支链4运动到预期的位姿，即可以实现并联机构预期所有自由度输出的控制。可见，本实施例中的冗余并联机构承载能力大，减少了驱动部件306，降低了成本，通过多次驱动实现多维独立输出，进而实现机构位置姿态调整，降低了控制难度，简化了冗余并联机构的控制问题，具有非常广阔的应用前景。
具体地，冗余支链3包括由上至下依次连接的第一连接件303、第一上连杆301、第二连接件304、第一下连杆302和第三连接件305，第一上连杆301的上端通过第一连接件303与动平台2连接，第一下连杆302的下端通过第三连接件305与定平台1连接。
具体地，运动支链4包括由上至下依次连接的第四连接件403、第二上连杆401、第五连接件404、第二下连杆402和第六连接件405，第二上连杆401的上端通过第四连接件403与动平台2连接，第二下连杆402的下端通过第六连接件405与定平台1连接。
本实施例还提供一种少驱动多自由度输出冗余并联机构100的控制方法，包括以下步骤：冗余支链3设置有n个，首先，松开前n个运动支链4中的制动器406，使前n个运动支链4为随动状态，锁死其他运动支链4的制动器406，使其他运动支链4为锁死状态，通过控制n个冗余支链3的驱动输入，即可调整前n个运动支链4的位移；然后设置第(n+1)～2n个运动支链4为随动，其他运动支链4锁死，通过控制n个冗余支链3的驱动输入，即可调整第(n+1)～2n个运动支链4的位移；以此类推，即可实现所有运动支链4的调整。
于本具体实施例中，第一连接件303和第三连接件305均为球副，第二连接件304为移动副，驱动部件306安装于第二连接件304上，驱动部件306为直线驱动单元，即本实施例中的冗余支链3为SPS冗余支链，在冗余支链3的P副上添加驱动部件306。第一上连杆301的下端和第一下连杆302的上端通过移动副连接，第一上连杆301的上端和第一下连杆302的下端分别通过一个球副与动平台2和定平台1连接，直线驱动单元安装于冗余支链3的移动副上。具体地，直线驱动单元为直线电机或液压缸。
于本具体实施例中，第四连接件403和第六连接件405均为球副，第五连接件404为移动副，制动器406安装于第五连接件404上，即本实施例中的运动支链4为SPS运动支链，在运动支链4的P副上添加可控制的制动器406，可锁死也可随动。第二上连杆401的下端和第二下连杆402的上端通过移动副连接，第二上连杆401的上端和第二下连杆402的下端分别通过一个球副与动平台2和定平台1连接，制动器406安装于运动支链4的移动副上。
于本具体实施例中，运动支链4设置为六个，冗余支链3设置为一个，构成单驱动六自由度输出的7SPS并联机构。
具体控制过程为：松开第一个运动支链4上的制动器406，锁死其余五个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第一个运动支链4随动，即可控制第一个运动支链4到达预定位置；松开第二个运动支链4上的制动器406，锁死其余五个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第二个运动支链4随动，即可控制第二个运动支链4到达预定位置；依次类推，重复六次，即可控制该机构到达预定位置。
实施例二：
如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于冗余支链3的数量，具体地，本实施例中冗余支链3设置为两个，构成双驱动六自由度输出的8SPS并联机构。
具体控制过程为：松开第一个、第二个运动支链4上的制动器406，锁死其余四个运动支链4上的制动器406，通过控制两个冗余支链3的驱动输入，第一个、第二个运动支链4随动，即可控制第一个、第二个运动支链4到达预定位置；松开第三个、第四个运动支链4上的制动器406，锁死其余四个运动支链4上的制动器406，通过控制两个冗余支链3的驱动输入，第三个、第四个运动支链4随动，即可控制第三个、第四个运动支链4到达预定位置；依次类推，重复三次，即可控制该机构到达预定位置。
实施例三：
如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于运动支链4的具体结构和数量，具体地，第四连接件403为球副，第五连接件404为移动副，第六连接件405为转动副，制动器406安装于第五连接件404上，即本实施例中的运动支链4为RPS运动支链，在运动支链4的P副上添加可控制的制动器406，可锁死也可随动。第二上连杆401的下端和第二下连杆402的上端通过移动副连接，第二上连杆401的上端通过球副与动平台2连接，第二下连杆402的下端通过转动副与定平台1连接，制动器406安装于运动支链4的移动副上。
于本具体实施例中，运动支链4设置为三个，冗余支链3设置为一个，构成单驱动两转一移输出的3RPS-SPS并联机构。
具体控制过程为：松开第一个运动支链4上的制动器406，锁死其余两个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第一个运动支链4随动，即可控制第一个运动支链4到达预定位置；松开第二个运动支链4上的制动器406，锁死其余两个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第二个运动支链4随动，即可控制第二个运动支链4到达预定位置；依次类推，重复三次，即可控制该机构到达预定位置。
实施例四：
如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于运动支链4的结构和数量以及冗余支链3的结构。具体地，本实施例中还包括约束支链5，约束支链5下端与定平台1的中心固定连接，约束支链5的上端通过虎克铰与动平台2的中心连接；第一连接件303和第四连接件403均为球副，第二连接件304和第五连接件404均为虎克铰，第三连接件305和第六连接件405均为转动副，驱动部件306安装于第三连接件305上，驱动部件306为旋转驱动单元，制动器406安装于第六连接件405上。
具体地，第一上连杆301的下端和第一下连杆302的上端通过虎克铰连接，第一上连杆301的上端通过球副与动平台2连接，第一下连杆302的下端通过转动副与定平台1连接，旋转驱动单元安装于冗余支链3的转动副上；第二上连杆401的下端和第二下连杆402的上端通过虎克铰连接，第二上连杆401的上端通过球副与动平台2连接，第二下连杆402的下端通过转动副与定平台1连接，制动器406安装于运动支链4的转动副上。即本实施例中的冗余支链3为RUS冗余支链，在冗余支链3的R副上添加旋转驱动单元，运动支链4为RUS运动支链，在运动支链4的R副上添加可控制的制动器406，可锁死也可随动，同时还包括一个U约束支链。具体地，旋转驱动单元为旋转电机。
于本具体实施例中，运动支链4设置为两个，冗余支链3设置为一个，约束支链5设置为一个，构成单驱动两转输出的3RUS-U并联机构。
具体控制过程为：松开第一个运动支链4上的制动器406，锁死第二个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第一个运动支链4随动，即可控制第一个运动支链4到达预定位置；松开第二个运动支链4上的制动器406，锁死第一个运动支链4上的制动器406，通过控制冗余支链3的驱动输入，第二个运动支链4随动，即可控制第二个运动支链4到达预定位置，即该机构到达预定位置。
需要说明的是，除以上实施例一～实施例四中的三类并联机构之外，基于其他类型并联机构采用类似的方法形成少驱动多输出冗余并联机构均在本专利保护范围之内。
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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种少驱动多自由度输出冗余并联机构，其特征在于，包括定平台、动平台、多个运动支链和若干个冗余支链，所述运动支链的两端分别与所述定平台和所述动平台连接，所述运动支链上设置有制动器，所述冗余支链的两端分别与所述定平台和所述动平台连接，所述冗余支链上设置有驱动部件，所述冗余支链包括由上至下依次连接的第一连接件、第一上连杆、第二连接件、第一下连杆和第三连接件，所述第一上连杆的上端通过所述第一连接件与所述动平台连接，所述第一下连杆的下端通过所述第三连接件与所述定平台连接，所述运动支链包括由上至下依次连接的第四连接件、第二上连杆、第五连接件、第二下连杆和第六连接件，所述第二上连杆的上端通过所述第四连接件与所述动平台连接，所述第二下连杆的下端通过所述第六连接件与所述定平台连接；
所述第一连接件和所述第三连接件均为球副，所述第二连接件为移动副，所述驱动部件安装于所述第二连接件上，所述驱动部件为直线驱动单元，所述第四连接件和所述第六连接件均为球副，所述第五连接件为移动副，所述制动器安装于所述第五连接件上；
或者所述第一连接件和所述第三连接件均为球副，所述第二连接件为移动副，所述驱动部件安装于所述第二连接件上，所述驱动部件为直线驱动单元，所述第四连接件为球副，所述第五连接件为移动副，所述第六连接件为转动副，所述制动器安装于所述第五连接件上；
或者还包括约束支链，所述约束支链下端与所述定平台的中心固定连接，所述约束支链的上端通过虎克铰与所述动平台的中心连接；所述第一连接件和所述第四连接件均为球副，所述第二连接件和所述第五连接件均为虎克铰，所述第三连接件和所述第六连接件均为转动副，所述驱动部件安装于所述第三连接件上，所述驱动部件为旋转驱动单元，所述制动器安装于所述第六连接件上。
2.一种如权利要求1所述的少驱动多自由度输出冗余并联机构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：所述冗余支链设置有n个，首先，松开前n个所述运动支链中的所述制动器，使前n个所述运动支链为随动状态，锁死其他所述运动支链的所述制动器，使其他所述运动支链为锁死状态，通过控制n个所述冗余支链的驱动输入，即可调整前n个所述运动支链的位移；然后设置第(n+1)～2n个所述运动支链为随动，其他所述运动支链锁死，通过控制n个所述冗余支链的驱动输入，即可调整第(n+1)～2n个所述运动支链的位移；以此类推，即可实现所有所述运动支链的调整。
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