CN113543942B - 具有运动学冗余驱动的并联机构 - Google Patents

Abstract

一种空间并联机构，包括平台。三个或更多个支腿配置为从底座或基底延伸到平台，每个支腿都具有远侧连杆、提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度(DOF)的一个或多个远侧接头，该远侧接头将远侧连杆的远侧端部连接到平台。近侧接头在远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转DOF。接头连杆组件在近侧接头与底座或基底之间向每个所述支腿提供多个DOF。三个支腿的远侧旋转轴线彼此平行。

Description

具有运动学冗余驱动的并联机构

相关申请的引证

本申请要求2018年3月6日提交的美国专利申请第62/814,526号的优先权，其通过引证结合于此。

技术领域

本公开属于并联机构的领域，例如在机器人机构、运动模拟系统、飞行模拟运动平台和用于娱乐设施的运动平台中使用的那些并联机构。

背景技术

可以发现在诸如机器人、运动模拟器和高精度定位装置的许多领域中应用六自由度(6-DOF)空间并联机构(SPM)，这是由于其高有效载荷能力和高定位精度的特性。并联机构的问题是其运动范围受到限制，特别是它的旋转运动范围受到限制。例如，在飞行模拟设施中，平台所需的有效载荷非常大，于是机构的运动学结构必须使得关键连杆仅承受张力/压力。具有这些特征的这种类型的运动学结构很少，并且该运动学结构通常具有受到限制的旋转运动范围。此外，考虑特定的并联机构，通过按比例放大该机构，通常可以使平移运动范围更大。然而，按比例放大对通常受到运动学奇点的限制的旋转运动范围没有影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖的在具有运动学冗余驱动的并联机构。

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点的并联机构。

本发明的再一个目的是提供一种具有增加的旋转工作空间的新颖的多自由度并联机构。

因此，根据本公开的第一方面，提供了一种空间并联机构，其包括：平台；至少三个支腿，该至少三个支腿配置为从底座或基底延伸到平台，每个支腿都包括远侧连杆、至少一个远侧接头、近侧接头、接头连杆组件，其中，至少一个远侧接头提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度(DOF)，至少一个远侧接头将远侧连杆的远侧端部连接到平台，近侧接头在远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转DOF，接头连杆组件在近侧接头和底座或基底之间向每个所述支腿提供多个DOF；其中，三个支腿的远侧旋转轴线彼此平行。

进一步根据第一方面，每个所述支腿中的近侧接头和至少一个远侧接头是被动接头。

更进一步根据第一方面，接头连杆组件包括驱动接头(actuated joint，致动接头，被驱动或致动的接头)。

更进一步根据第一方面，至少一个远侧接头是单个回转接头。

更进一步根据第一方面，近侧接头是球形接头。

更进一步根据第一方面，对于支腿中的至少两个支腿，提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转DOF的至少一个远侧接头是提供一个旋转DOF的四杆机构的一部分。

更进一步根据第一方面，支腿中的至少两个支腿的四杆机构分别支撑指状部，这些指状部之间的距离通过驱动支腿的运动而变化。

更进一步根据第一方面，接头连杆组件取自由R(RR-RRR)、RRR、(3-CPR)、(3-RPS)、(3-RPS)组成的组。

更进一步根据第一方面，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于底座的平面成π的角度。

更进一步根据第一方面，对于每个所述支腿，接头连杆组件是相同的。

根据第二方面，提供了一种空间并联机构，其包括：平台；至少三个支腿，该至少三个支腿配置为从底座或基底延伸到平台，每个支腿都包括远侧连杆、至少一个远侧接头、近侧接头、接头连杆组件，其中至少一个远侧接头提供相对于远侧平移方向的一个平移自由度(DOF)，至少一个远侧接头将远侧连杆的远侧端部连接到平台，近侧接头在远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转DOF，接头连杆组件在近侧接头和底座或基底之间向每个所述支腿提供多个DOF；并且其中，至少三个支腿的远侧平移方向是共面的。

进一步根据第二方面，每个所述支腿中的近侧接头和至少一个远侧接头是被动接头。

更进一步根据第二方面，接头连杆组件包括驱动接头。

更进一步根据第二方面，至少一个远侧接头是棱柱接头。

更进一步根据第二方面，近侧接头是球形接头。

更进一步根据第二方面，接头连杆组件取自由RRR、R(RR-RRR)、(3-CPR)、(3-CPR)、(3-RPS)组成的组。

更进一步根据第二方面，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于底座的平面成π的角度。

更进一步根据第二方面，对于每个所述支腿，接头连杆组件是相同的。

根据第三方面，提供了一种夹具机构，其包括：平台；至少三个支腿，该至少三个支腿从底座或基底延伸到平台，每个支腿都包括远侧连杆、近侧接头、接头连杆组件、至少一个远侧接头，其中近侧接头在远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转DOF，接头连杆组件在近侧接头和底座或基底之间向每个所述支腿提供多个DOF，至少一个远侧接头提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度(DOF)，该至少一个远侧接头将远侧连杆的远侧端部连接到平台，三个支腿的远侧旋转轴线彼此平行；其中，对于支腿中的至少两个支腿，提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转DOF的至少一个远侧接头是提供一个旋转DOF的四杆机构的一部分；并且其中，支腿中的至少两个支腿的四杆机构分别支撑指状部，其中指状部之间的距离可通过驱动支腿的运动而变化。

进一步根据第三方面，每个所述支腿中的近侧接头和至少一个远侧接头是被动接头。

更进一步根据第三方面，接头连杆组件包括驱动接头。

更进一步根据第三方面，近侧接头是球形接头。

更进一步根据第三方面，接头连杆组件取自由R(RR-RRR)、RRR、(3-CPR)、(3-RPS)、(3-RPS)组成的组。

更进一步根据第三方面，对于每个所述支腿，接头连杆组件是相同的。

更进一步根据第三方面，四杆机构共用平台连杆。

更进一步根据第三方面，四杆机构具有将平台连杆连接到相应远侧连杆的附加连杆。

更进一步根据第三方面，在至少一个四杆机构中，附加连杆延伸超过平台连杆并且枢转地支撑指状部连杆，该指状部连杆支撑所述指状部。

更进一步根据第三方面，在至少一个四杆机构中，附加连杆具有V形形状并且枢转地支撑指状部连杆，该指状部连杆支撑所述指状部。

更进一步根据第三方面，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于底座的平面成π的角度。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是根据本公开的实施方式的具有运动学冗余驱动的空间并联机构的立体图；

图2是图1的空间并联机构的一个支腿的几何描述的示意图；

图3是空间并联机构的平台的示意图，其中示出了避免奇点的远侧连杆的取向范围；

图4是空间并联机构的远侧端部的立体图，其特征是具有夹具组件，该夹具组件带有一对指状部；

图5是图4的空间并联机构的夹具连杆机构的运动学的示意图；

图6是图1的空间并联机构的等距视图，该空间并联机构具有驱动器和夹具组件；以及

图7是根据本公开的另一实施方式的具有运动学冗余驱动的空间并联机构的立体图。

具体实施方式

参考附图，更具体地参考图1，运动学冗余的空间并联机构总体上以10表示。并联机构10是本公开的多种并联机构中的示例性并联机构，该并联机构的特征是可以在平台处具有多达六个自由度加上附加的冗余自由度，以避免奇点并扩展旋转运动能力。并联机构10设计成通过使用与总自由度(包括冗余自由度)一样多的驱动器来避免过约束，即避免驱动器自身产生内力。

机构10具有底座11(也称为框架、基底)和平台12，底座11设置成支撑多个支腿13，这些支腿驱动平台12的运动。在一个实施方式中，具有三个或更多个支腿13。根据一个实施方式，仅使用三个支腿13来避免支腿干涉。尽管底座11示出为限定的表面或结构，但是支腿13可以直接固定到基底。平台12示出为其上没有任何部件。然而，平台12(也称为末端执行器)通常在其上接收设备、系统、工具、座位等，所有这些都取决于并联机构10的用途。在以下描述的示例性实施方式中，平台12可以支撑一对指状部以形成夹具。此外，机构10可以相对于图1所示的取向倒置，其中底座11是向上的且平台12面向地面，或者机构10可以向下垂悬。

支腿13可以由使连杆(也称为杆、连杆机构(linkage)、构件)互相连接的多个接头组成，这些接头例如为：

·回转接头(R)：提供一个旋转自由度(rDOF)的接头，这种接头可以被称为枢轴、铰链等。

·棱柱接头或滑动接头(P)：提供一个平移自由度(tDOF)的接头

·圆柱接头(C)：提供一个tDOF和一个rDOF的接头

·万向接头(U)：提供两个rDOF的接头，其中两个rDOF的旋转轴线在交点(例如，中心)处彼此相交。

·球形接头(S)：提供三个rDOF的接头，其中这些rDOF的旋转轴线在中心处彼此相交。

在图1的实施方式中，三个支腿13是相似的、部分相似的或相同的。每个支腿13具有远侧连杆30，在以下公开内容中，表述“远侧”更靠近平台12，而“近侧”更靠近底座11。在一个实施方式中，例如所示出的，远侧连杆30在其远侧端部处通过远侧接头31连接到平台12。远侧接头31提供一个围绕远侧旋转轴线R1的rDOF。例如，远侧接头31可以是回转接头。近侧接头32在远侧连杆30的近侧端部处提供两个或更多个rDOF。近侧接头32在图1中示出为球形接头。近侧接头32可以是其他接头或接头组件，例如万向接头。在一个实施方式中，接头31和32被称为是被动的(passive joint，无源接头)，这是因为它们不支撑任何驱动器。所有三个支腿13都包括远侧连杆30、具有一个rDOF的远侧接头31以及具有两个或更多个rDOF的近侧接头32，其中三个支腿13的远侧旋转轴线R1彼此平行。在一个实施方式中，远侧接头31可以是一组同时提供单个rDOF的接头。例如，远侧接头31可以由如图4至图6中的4杆连杆机构代替，这是因为4杆连杆机构提供单个rDOF。

支腿13可以通过任何适当的接头连杆组件连接到底座11，以在近侧接头32和底座11之间向支腿13提供多个DOF。图1和图2中示出了非限制性实施方式，但是其仅作为实例给出，这是因为其他支腿构造也可用于将底座11接合到近侧接头32。

在所示的实施方式中，图1和图2的架构包括通过三个相同的运动学冗余的R(RR-RRR)SR支腿13连接到底座11的移动平台12，其中R代表驱动回转接头(actuated revolutejoint，致动回转接头)，R代表被动回转接头(例如，远侧接头31)，S代表被动球形接头(例如，近侧接头32)。在图1的实施方式中的每个支腿13中，第一驱动回转接头33安装在底座11处。然后，具有共线的轴线的两个驱动回转接头34A和34B安装在第一移动连杆34上并且用于分别驱动平面5杆连杆机构的两个连杆35A和35B，这也在图2中示出了。连杆36通过回转接头36A连接到连杆35A。具有回转接头37A和37B的连杆37完成5杆连杆机构，其中连杆37经由回转接头37B连接到连杆35B，并且其中连杆37通过回转接头37A连接到连杆36。接头34A、34B、36A、37A和37B的旋转轴线彼此平行。在一个实施方式中，连杆35A、35B、36、37的一部分形成平行四边形。

连杆37在其远侧端部处连接到近侧接头32。这三个驱动接头33、34A和34B的组合用于在空间中定位第i个支腿的近侧接头32(图2中的点S_i)。如图1和图2所示，在点S_i处的近侧接头32然后连接到远侧连杆30，该远侧连杆进而使用远侧接头31连接到移动平台12。在一个实施方式中，接头33、34A和34B各自例如由双向旋转电机(例如，电动机)驱动。

作为R(RR-RRR)SR支腿13的替代方式，其他架构也是可能的，例如RRRSR、(3-CPR)SR、(3-RPS)SR、(3-RPS)SR和其他结构。在一个实施方式中，可以使球形接头32产生三个平移自由度的任何驱动机构都可以用作该机构的支腿。

参考图2给出了用于对并联机构10的运动学进行建模的几何参数的描述。在该模型中，l_ij(i＝1、2、3；j＝1；…；7)表示第i个支腿的第j个连杆的长度，s_ij是沿着第i个支腿的连杆ij定义的长度为l_ij的矢量，如图2所示。平面5杆连杆机构中的所有接头(图1中的34A、34B、36A、37A和37B)的旋转轴线彼此平行。平面5杆连杆机构的接头的旋转轴线可以垂直于支腿13的第一接头(图1中的接头33)的轴线。在一个实施方式中，附接到平台12的回转接头(图1中的31)的轴线可以垂直于平台12的平面，其中平台12的平面包括支腿13的三个附接点。此外，在平面5-R连杆机构的底座处的驱动接头i2和i3(图1中的34A、34B)具有与单位矢量e_i2和e_i3相关联的共线的轴线。为了避开I型奇点，连杆i1(图1中的连杆34)设计成相对于底座12成钝角α(图2)，其中I型奇点在接头S_i的中心位于支腿13的与单位矢量e_i1相关的第一驱动接头33(图1)的轴线上时出现。在一个实施方式中，角度α被选择为等于π。为了减小电机i2和i3的惯性的影响，将这些电机放置成尽可能靠近位于接头33(图1)上的第一驱动器的轴线。这些电机(例如，电子双向电机)分别驱动平面5杆连杆机构的连杆i6和i2(图1中的35A和35B)。与球形接头直接附连到平台12的许多其他空间并联机构相反，在本并联机构10中，球形接头位于连杆i3和i4(图1中的连杆30和37)之间。根据本公开的一个实施方式，这种布置连同附接到平台12的远侧接头31的轴线的特定方向(即，使远侧接头的旋转轴线垂直于平台12的平面)可以产生与奇点和逆向运动学分析相关的优点，如下所述。还应指出，由于近侧接头32与平台12之间的附加连杆30，并联机构10具有九个自由度和九个驱动器(每个支腿13中具有三个)，这意味着冗余度是纯运动学的。因此，不存在由驱动器产生的对抗力和驱动冗余度。

既然已经描述了并联机构10的示例性架构，就阐述其运动学模型。参考图1和图2，在底座11和移动平台12的质心处分别建立底座坐标系(base frame)11和移动坐标系(moving frame)12，它们被标记为Oxyz和O'x'y'z'(图2)。矢量p表示O'相对于O的位置，矩阵Q是移动平台12相对于底座11的取向。矢量r_i表示S_i的位置。矢量n是沿着附接到平台的回转接头的轴线的单位矢量，并且d_i是附接到平台的回转接头的中心的位置矢量，在移动坐标系中示出了该位置矢量。除了d_i以外，所有矢量都在底座坐标系中示出。并联机构10的用于导出运动学关系的约束等式可以表示成如下形式。首先，对第四连杆的长度的约束表示成

而且，第四连杆必须与附接到平台的R接头的轴线正交，这得到

n^T(p+Qd_i-r_i)＝0. (2)

等式(1)和等式(2)是机器人的几何约束。首先考虑等式(1)。(1)的时间导数得到

其中

s_i4＝p+Qd_i-r_i. (4)

(3)的左手侧的第二项可以表示成

其中ω是平台的角速度矢量，Ω是角速度张量，即，

此外，(3)的右手侧可以表示成

其中，是第i个支腿的驱动接头速度的矢量，而

是1×3的矩阵，并且M_i是当被认为是第i个支腿在用于位置点S_i的3-DOF机构时的雅可比矩阵。通过考虑腿的运动学，可以容易地获得此矩阵，如图2所示。可获得

其中

以及

其中

w_i11＝(r_i-s_i1)^T(e_i2×e_i1) (12)

s_i3＝r_i-s_i1-s_i2 (14)

s_i5＝s_i2+s_i7-s_i6 (15)

最后，矩阵M_i可以表示成

为了整合总的机构运动学，现在可以组合(3)、(5)和(7)以获得

其中0代表三维零线矢量，即0＝[0 0 0]，并且是包括9个驱动接头速度的矢量。由于矩阵K_i是1×3维的，所以出现在(17)的右手侧的第一矩阵是3×9维的。等式(17)包括从由(1)给出的第一组几何约束获得的三个速度等式。

现在考虑由(2)给出的第二组几何约束。与上述推导类似，(2)的时间导数得到

其可以改为表示成

其中

n＝Q[z′]_O′ (20)

其中[z′]_O′＝[0 0 1]^T表示z'轴，并且在移动坐标系中示出，并且

通过与(5)中给出的推导类似的推导，并且使用(21)，可以将(19)中的第一项改为表示成

并且(19)中的第三项可以改为表示成

将(22)和(23)相加然后得到

(n×s_i4)^Tω+[(Qd_i)×n]^Tω＝[(Qd_i-s_i4)×n]^Tω. (24)

现在让

c_i＝Qd_i-s_i4 (25)

其是从点0'到接头S_i的中心的矢量。则(19)可以改为表示成

其中

其中M_i在(16)中限定，并且

K_i+3＝n^TM_i (28)

是1×3维的矩阵。将(26)改为表示成矩阵的形式，我们获得

等式(29)包含从由(2)给出的第二组约束获得的三个速度等式。

最后，组合(17)和(29)并重新排列这些分量，我们获得

其中是平台的笛卡尔速度的矢量，并且矩阵J和K具有以下形式

其中，如上所述，0代表1×3维的矩阵，等式(30)表示(6+3)-DOF运动学冗余并联机构10的速度等式。可以观察到，矩阵J是6×6维的，而K是6×9维的。矩阵的维数反映了机构的冗余度，该机构实际上具有九个自由度和九个驱动器。

空间并联机器人的取向工作空间受到限制的主要原因之一是奇点的出现。实际上，通常可以通过按比例放大机器人来增加平移工作空间，但是此操作对取向工作空间没有影响。因此，奇点分析是评估并联机器人的性能的重要组成部分。在此部分中，将示出的是，可以容易地避免所提出的冗余混合的并联机构10的奇点配置，这得到比常见的并联机构的取向工作空间更大的取向工作空间。

并联机构10的架构的奇点可以分成两类，即，在支腿中的一个支腿中出现的奇点(串联和并联)和平台的并联奇点(II型)。由于图1和图2的支腿13包括串联部件和并联部件，所以在支腿13中的一个支腿中出现的奇点可以是任何类型的。然而，由于图1和图2中的支腿13的架构(一个回转接头与平面的五杆连杆机构串联)简单，所以对支腿13中出现的奇点的分析是简单的。当在(11)中定义的矩阵W_i是奇点时，出现支腿13的I型(串联)奇点。这种奇点在球形接头32(图1)位于第一回转接头33的轴线上的情况下出现，在这种情况下，具有＝0，这使得矩阵W_i是奇点。在最终设计中通过使第一接头水平(即α＝π)来避免这种情况，这使得此构造无法实现。

如果s_i3与(e_i2 x_s_i2)正交或者如果s_i5与(e_i3 x_s_i6)正交，则也会出现I型奇点。通过适当地设计5杆连杆机构的尺寸以使这些构造对应于工作空间的极限来避免这种构造是相当简单的。在支腿中可能出现的II型(并联)奇点对应于在(10)中定义的矩阵J_i的奇点。在此矩阵中，第一行总是与最后两行正交。因此，如果最后两行变成线性相关的，则可能出现奇点。从矩阵的结构中，这种条件对应于连杆i5和i7的对准。这些构造在实践中可以容易地避免。总之，支腿13的可能的奇点对应于其物理极限，这可以容易地由并联机构10的控制器处理。

现在，移动平台12的奇点构造(机构10的并联奇点)对于并联或混合机器人可能是最有限制性的。实际上，这种奇点极大地限制了空间并联机构(例如高夫斯图尔特平台)的取向工作空间。当det(J)＝0时，出现并联奇点(II型奇点)，其中J是(31)中定义的雅可比矩阵。这里使用几何方法来分析这些奇点。可以观察到，在图1和图2的机构10中，接头S_i/32之后是附接到平台12的连杆i4/30和远侧接头31。利用这种布置，可以找到两条线，并且由对应于每个支腿的Plücker坐标表达：其中一条沿着单位向量n，而另一条沿着向量S_i4，如图2中的虚线所示。在每个支腿13中，这两条线在接头S_i的中心相交并且它们彼此垂直。在(30)中定义的雅可比矩阵J仅仅是这六条Plücker线的组合。通过引入GLG(格拉斯曼线几何结构)，机构10的奇点条件可以几何方式确定。为了简化奇点分析，可以将六条线分成独立研究的两组。第一组包括沿着单位向量n的三条线，而另一组由沿着向量a_i4的三条线组成。从图2中可以观察到，沿着n的三条线在空间上彼此平行，而沿着Si4的三条线共面。划分这六条Plücker线的合理性可以在数学上得到证明。假设这些线在位于由矢量s_i4形成的平面上的任意系中表达，它的z轴在由Plücker坐标[b_j m_j n_j；p_j q_j w_j]；j＝1,…,6表示的三个单位矢量n的方向上。对于属于第一组的线，Plücker坐标是

而属于第二组的线的Plücker坐标可以表达为

可以看出，矩阵J_n中的每条线与矩阵J_a中的线是线性无关的，反之亦然。根据GLG，用于空间平行线或共面线的线性独立的线的最大数量(在此是两组中的每一组的情况)是三。对于两组中的任何一组，当三条线在一点相交时或者当其在平面上彼此平行时，可能出现奇点。然而，对于并联机构10，这种奇点是容易避免的，如在下面的子部分中所解释的。

A.第一组奇点

在这种情况下，沿着n的第i条线(i＝1，2，3)经过点S_i，并且被限制为围绕附接到平台的第i个回转接头的轴线旋转。它的可能的位置形成半径等于l_i4的柱形轮廓。因此，存在三个具有平行轴线的柱形。当三条线(每个柱形上一条线)共面时，可能出现奇点。避免这种可能性的一种方式是使连杆i4相对于平台相对较短，以便确保柱形彼此足够远，即确保没有直线可通过所有三个柱形。这可以在设计阶段容易地实现。

B.第二组奇点

这里，对于这组线，使用运动学冗余的支腿的优点被最生动地反映。当属于此组的三条共面的Plücker线在公共点相交或彼此平行时，出现II型奇点。然而，通过使用运动冗余使仅三个连杆i4中的一个重新取向，可避免这种奇点构造而不改变平台的构造。此外，应注意，尽管原则上仅使用两个冗余支腿就足以避免这组奇点，但是使用三个支腿使得并联机构10可处于有利的构造，保持平台12远离奇点。通过三个冗余支腿，例如，在良好条件的布置中，可保持连杆i4和平台之间的相对角度恒定，从而完全避免平台的所有构造中的奇点。除了支腿奇点以外，并联机构10仅具有两种不同类型的II型奇点，这两种奇点都可以由操作并联机构10的控制器容易地避免。

因此，如上所述，通过并联机构10的控制器并且通过适当设计和轨迹规划，可以避免所有II型奇点。可以进一步利用并联机构10的冗余度，例如，以通过底座电机操作夹具。实际上，在前述节中，该冗余度用于避免奇点构造，这对于平台12的给定位置和取向留下无限多的非奇点构造。再次考虑平台12和连杆i4，可以容易地观察到，如图3所示，如果连杆i4保持在包括在所示范围内的角度，即β_I∈[β_I ^min，β_I ^max]＝[30°，150°]，则可能永远不会出现II型奇点(这三条线永远不会变得相关)。

因此，可以修改并联机构10的平台和连杆i4，使得通过改变角度β_i，冗余度中的两个冗余度用于操作夹具。为此，在不改变平台12的运动学的情况下，用平面平行四边形四杆连杆机构40替换平台12处的远侧接头31中的至少两个远侧接头，如图4所示。在图4和图5中，多个四杆连杆机构40示出为共用一个共同的三叉连杆，因为可以将该三叉连杆看作平台12，所以该三叉连杆标记为12。平台连杆12通过远侧接头31'并通过形成四杆连杆机构40的附加连杆40A连接到远侧连杆30'。在一个实施方式中，远侧连杆30'与图1中的远侧连杆30等效。然而，为了避免混淆，作为四杆连杆机构40一部分的远侧连杆被称为远侧连杆30'。如上所述，作为所示的三个四杆连杆机构40的替代方式，尽管未示出，但是图4和图5的夹具组件可以具有两个四杆连杆机构40并具有连接到这两个四杆连杆机构40的远侧连杆30。标记为40'和40”的两个四杆连杆机构40可以各自支撑指状部41。在图4中，根据一个实施方式，在四杆连杆机构40'中，附加连杆40A延伸超过平台连杆12，以便使指状部连杆40A'通过其他远侧接头31'连接到附加连杆41。指状部41连接到指状部连杆40A'。指状部连杆40A'可以具有弯曲形状、弯折部等，以便朝向另一指状部41定向。通过上述布置，指状部连杆40A'以及因此其上的指状部41相对于四杆连杆机构40'的远侧连杆30处于恒定的取向。

参考图4，也可以设想将指状部41直接安装到四杆连杆机构40”中的远侧连杆30'上，由此不需要指状部连杆40A'。在图5的实施方式中，支架41'可以用于将四杆连杆机构40”的指状部41定位成与四杆连杆机构40'的指状部41面对面。如图5所示，四杆连杆机构40”可以具有与四杆连杆机构40'类似的构造，即，该四杆连杆机构可以具有通过其他远侧接头31'连接到附加连杆41的指状部连杆40A”。指状部41连接到指状部连杆40A”。附加连杆41可以具有V形形状，以便将四杆连杆机构40”的指状部41定位成与四杆连杆机构40'的指状部41面对面。

在图4和图5的布置中，根据一个实施方式，连杆30'、40A、40A'、40A”、41的运动方向位于平台12的平面内，其中接头31'的旋转轴线垂直于该平面。此外，指状部41相对于彼此处于恒定的取向。

参考图6，提供了并联机构10的立体图，其中设置有夹具的指状部41，并且设置有安装在所有三个支腿13的接头33、34A和34B处的驱动器42。图6中的夹具是图4的夹具，但是也可以是图5的夹具。夹具的指状部41安装在这些连杆机构40(即40'和40”)中的两个连杆上。指状部41示出为具有三角形主体，指状部41的平部彼此面对。然而，也考虑其他布置，例如彼此铰接的两个或更多个指骨。这些指骨可以具有其自己的驱动系统，这些驱动系统与驱动平台12的运动的驱动系统分开，或者可以被被动地驱动。

连杆机构40的近侧连杆或构件可以具有相同的长度，使得指状部41在保持相同取向的同时遵循圆形路径。平台12的形状允许指状部41的对称平行运动，这些运动各自可以被独立地控制。指状部41的开口距离δ1和δ3用角度β1和β3以及机构的几何参数来表示。图5示出了夹具连杆机构的运动学视图。虚拟回转接头表示初始架构的等效回转接头。开口距离δ1和δ3与角度β1和β3之间的关系可以表示成

其中，几何参数A是每个指状部的最大开口。在当前的设计中，指状部41的开口的最大值是25mm。β1和β3的值限制在60度和120度之间。使用此公式，可以容易地示出当操作夹具时，并联机构10保持远离奇点。

基于本文所提出的等式，并联机构10的逆向运动学的推导是容易的。对于平台12的规定位置和取向以及夹具的每个指状部41的规定开口，连同在对应角度β_i的中间范围处选择的连接到平台12的第三连杆的取向，容易计算九个电机的接头坐标。

参考图7，空间并联机构的另一实施方式以10'示出。空间并联机构10'与图1和图2的空间并联机构10共用许多部件，由此相同的元件将具有相同的附图标记。机构10具有底座11(也称为框架)和平台12，底座11设置成支撑多个支腿13'，这些支腿驱动平台12的运动。在一个实施方式中，存在三个或更多个支腿13'，尽管为了简单起见在图7中仅示出一个支腿。根据一个实施方式，仅使用三个支腿13'来避免支腿干涉。尽管底座11示出为限定的表面，但是支腿13'可以直接固定到该基底。平台12示出为在其上没有任何部件。然而，平台12(也称为末端执行器)通常在其上接收设备、系统、工具、座椅等，所有这些都取决于并联机构10的用途。此外，机构10可以相对于图7所示的取向倒置，其中底座11位于上部并且平台12在地面上。

在图7的实施方式中，三个支腿13'是相似的、部分相似的或相同的。每个支腿13'具有远侧连杆30。远侧连杆30在其远侧端部处通过远侧接头31连接到平台12。远侧接头31提供一个关于平移方向T1的tDOF。例如，远侧接头31可以是滑动接头。近侧接头32在远侧连杆30的近侧端部处提供两个或更多个rDOF。近侧接头32在图7中示出为球形接头。近侧接头32可以是其他接头或接头组件，例如万向接头。在一个实施方式中，接头31和32被称为是被动的，这是因为其不支撑任何驱动器。所有三个支腿13'都具有远侧连杆30、带有一个tDOF的远侧接头31以及带有两个或更多个rDOF的近侧接头32，其中三个支腿13'的平移方向T1位于同一平面中，即是共面的。在一个实施方式中，所有三个远侧接头31的平移方向T1可以彼此相交。

支腿13'可以通过任何适当的一组接头和连杆连接到底座11，以在近侧接头32和底座11之间向支腿13提供多个DOF。图7示出了非限制性实施方式，该实施方式具有3-RRRSP布置但是仅作为实例给出，这是因为其他支腿构造可用于将底座11接合到近侧接头32。3-RRRSP包括驱动底座接头70和连杆71。驱动接头72安装到连杆71的远侧端部。连杆73的近侧端部连接到驱动接头72。驱动接头74位于连杆73的远侧端部处。连杆75从其到驱动接头74的近侧连接部延伸到近侧接头32。在一个实施方式中，接头72和74的旋转轴线彼此平行。在一个实施方式中，接头72和74的旋转轴线不平行于驱动接头70的旋转轴线。在又一实施方式中，接头70、72和74都是回转接头，如上文在3-RRRSP命名法中所述的。作为3-RRRSP支腿13'的替代方式，其他架构也是可能的，例如RRRSP、R(RR-RRR)SP、(3-CPR)SP、(3-CPR)SR、(3-RPS)SP等。基本上，任何可使球形接头32产生3个平移DOF的驱动机构都可用作用于该机构的支腿，并且将支腿连接到平台的远侧接头可以是任何一个DOF接头或机构。

操作本公开的空间并联机构10和10'的控制器可以包括一个或多个处理单元。非暂时性计算机可读存储器可以通信地联接到处理单元并且可以包括可由处理单元执行的计算机可读程序指令，以用于执行用于控制空间并联机构10和/或10'的平台12的移动的方法。该方法可以包括接收将平台从当前位置和取向移动到期望位置和取向的命令；确定从平台的当前位置和取向到平台的期望位置和取向的位移中的空间并联机构中的至少一个奇点；利用运动学冗余驱动来计算至少一个支腿的连杆的校正取向，该连杆的校正取向使得空间并联机构能够避免从平台的当前位置和取向到平台的期望位置和取向的所述位移中的至少一个奇点；和/或向空间并联机构的至少一些DOA发送控制信号，以将所述连杆移动到该校正取向，并且经由连杆的所述校正取向将平台移动到期望位置和取向，从而避免该至少一个奇点。

Claims (29)

1.一种空间并联机构，包括：

平台；

至少三个支腿，配置为从底座或基底延伸到所述平台，每个所述支腿都包括：

远侧连杆，

至少一个远侧接头，提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度，所述至少一个远侧接头将所述远侧连杆的远侧端部连接到所述平台，

近侧接头，所述近侧接头在所述远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转自由度，以及

接头连杆组件，在所述近侧接头与所述底座或基底之间向每个所述支腿提供多个自由度；

其中，所述三个支腿的所述远侧旋转轴线彼此平行。

2.根据权利要求1所述的空间并联机构，其中，每个所述支腿中的所述至少一个远侧接头和所述近侧接头是被动接头。

3.根据权利要求2所述的空间并联机构，其中，所述接头连杆组件包括驱动接头。

4.根据权利要求1所述的空间并联机构，其中，所述至少一个远侧接头是单个回转接头。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的空间并联机构，其中，所述近侧接头是球形接头。

6.根据权利要求1所述的空间并联机构，其中，对于所述支腿中的至少两个支腿而言，提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度的所述至少一个远侧接头是提供所述一个旋转自由度的四杆机构的一部分。

7.根据权利要求6所述的空间并联机构，其中，所述支腿中的至少两个支腿的四杆机构分别支撑指状部，其中这些指状部之间的距离能通过驱动所述支腿运动而变化。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的空间并联机构，其中，所述接头连杆组件取自由R(RR-RRR)、RRR、(3-CPR)、(3-RPS)、(3-RPS)组成的组。

9.根据权利要求8所述的空间并联机构，其中，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于所述底座的平面成π的角度。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的空间并联机构，其中，对于每个所述支腿，所述接头连杆组件是相同的。

11.一种空间并联机构，包括：

平台；

至少三个支腿，配置为从底座或基底延伸到所述平台，每个所述支腿都包括：

远侧连杆，

至少一个远侧接头，提供相对于远侧平移方向的一个平移自由度，所述至少一个远侧接头将所述远侧连杆的远侧端部连接到所述平台，

近侧接头，在所述远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转自由度，以及

接头连杆组件，以在所述近侧接头与所述底座或基底之间向每个所述支腿提供多个自由度；并且

其中，所述至少三个支腿的所述远侧平移方向轴线是共面的。

12.根据权利要求11所述的空间并联机构，其中，每个所述支腿中的所述至少一个远侧接头和所述近侧接头是被动接头。

13.根据权利要求12所述的空间并联机构，其中，所述接头连杆组件包括驱动接头。

14.根据权利要求11所述的空间并联机构，其中，所述至少一个远侧接头是棱柱接头。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的空间并联机构，其中，所述近侧接头是球形接头。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的空间并联机构，其中，所述接头连杆组件取自由RRR、R(RR-RRR)、(3-CPR)、(3-CPR)、(3-RPS)组成的组。

17.根据权利要求16所述的空间并联机构，其中，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于所述底座的平面成π的角度。

18.根据权利要求11至14中任一项所述的空间并联机构，其中，对于每个所述支腿而言，所述接头连杆组件是相同的。

19.一种夹具机构，包括：

平台；

至少三个支腿，从底座或基底延伸到所述平台，每个所述支腿都包括：

远侧连杆，

近侧接头，在所述远侧连杆的近侧端部处提供至少两个旋转自由度，

接头连杆组件，以在所述近侧接头与所述底座或基底之间向每个所述支腿提供多个自由度，以及

至少一个远侧接头，提供围绕远侧旋转轴线的一个旋转自由度，所述至少一个远侧接头将所述远侧连杆的远侧端部连接到所述平台，三个所述支腿的所述远侧旋转轴线彼此平行；

其中，对于所述支腿中的至少两个支腿而言，提供围绕所述远侧旋转轴线的一个旋转自由度的所述至少一个远侧接头是提供所述一个旋转自由度的四杆机构的一部分；并且

其中，所述支腿中的至少两个支腿的所述四杆机构分别支撑指状部，其中这些指状部之间的距离能够通过驱动所述支腿运动而变化。

20.根据权利要求19所述的夹具机构，其中，每个所述支腿中的所述至少一个远侧接头和所述近侧接头是被动接头。

21.根据权利要求19所述的夹具机构，其中，所述接头连杆组件包括驱动接头。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的夹具机构，其中，所述近侧接头是球形接头。

23.根据权利要求19至21中任一项所述的夹具机构，其中，所述接头连杆组件取自由R(RR-RRR)、RRR、(3-CPR)、(3-RPS)、(3-RPS)组成的组。

24.根据权利要求19至21中任一项所述的夹具机构，其中，对于每个所述支腿，所述接头连杆组件是相同的。

25.根据权利要求19至21中任一项所述的夹具机构，其中，所述四杆机构共用平台连杆。

26.根据权利要求25所述的夹具机构，其中，所述四杆机构具有将所述平台连杆连接到相应的远侧连杆的附加连杆。

27.根据权利要求26所述的夹具机构，其中，在至少一个所述四杆机构中，所述附加连杆延伸超过所述平台连杆并且枢转地支撑指状部连杆，所述指状部连杆支撑所述指状部。

28.根据权利要求26所述的夹具机构，其中，在至少一个所述四杆机构中，所述附加连杆具有V形形状并且枢转地支撑指状部连杆，所述指状部连杆支撑所述指状部。

29.根据权利要求23所述的夹具机构，其中，接头组件的最近侧接头的旋转轴线相对于所述底座的平面成π的角度。