CN114918908A - 解耦并联机构、设置方法、控制方法及机械设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种解耦并联机构、设置方法、控制方法及机械设备。解耦并联结构包括静平台、动平台和四个支链，四个支链分别为2个PUU支链和2个PUS支链。设置方法通过4个支链的解耦设置，使动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度、垂荡自由度和纵荡自由度，通过的四个支链的滑动副的控制，可实现对动平台的四维主动减振。通过限位件将其中3个支链在静平台侧的U副限制为R副，可将解耦并联机构重构为三自由度机构。控制方法根据动平台的工况，对解耦并联机构进行重构，并调整支链的控制模式。机械设备包括上述解耦并联机构。本申请实现了四支链并联机构的解耦和快速重构，可降低机构的运动复杂度，提高主动减振性能。

Description

解耦并联机构、设置方法、控制方法及机械设备

技术领域

本申请涉及并联机器人技术领域，尤其涉及一种解耦并联机构、设置方法、控制方法及机械设备。

背景技术

在车辆、船舰及航空等机械设备中，大量的振动和冲击将严重影响设备的工作性能和寿命，或者使货物受损、乘客舒适性下降，因而采取有效的减振措施十分必要。目前，大量的减振系统由诸如橡胶等含有弹簧阻尼特性的材料构成，这种方式称为被动减振，被动减振虽结构简单，但对于低频振动信号，其减振效果十分有限，且被动减振的动态特性不能实时调节，无法适应环境的快速变化；随着技术的发展，少量基于并联机构的主动减振技术得到了关注，然而传统的并联机构的各自由度之间通常没有相互解耦，使机构存在寄生运动，造成并联机构用于主动减振时控制难度很大；而且传统的并联机构在制造完成以后，其拓扑结构及自由度性质就已确定，致使其减振的维度单一，应用范围受到限制。

因此，为适应机械设备在不同环境下的多维度振动工况，设计出易于控制、可变自由度性质的并联机构减振装置十分重要。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足之处，本申请的目的在于提供一种各自由度之间相互解耦、易于控制、可重构自由度的解耦并联机构及其设置方法和控制方法，以及基于该解耦并联机构的机械设备。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案。

一种解耦并联机构，包括：静平台，用于构成基准平台；动平台，用于安装外部对象；并联于所述静平台和所述动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，所述第一支链和所述第二支链均构成PUU支链，其滑动副设置在所述静平台上，两者在静平台侧的第一转轴沿第一方向共线设置、两者在动平台侧的第四转轴沿第一特征线段共线设置、两者动平台侧的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面。

所述第三支链和所述第四支链均构成PUS支链，且滑动副设置在所述静平台上，两者在静平台侧的第一转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段；所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度、垂直于所述静平台的垂荡自由度、平行于所述静平台的纵荡自由度。

在一些实施方式中，所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链、所述第四支链各自在静平台侧的U副的中心共面设置；所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

在一些实施方式中，所述第一支链包括第一连杆、第一虎克铰、第二虎克铰、第一滑块，所述第一虎克铰连接所述第一滑块至所述第一连杆的第一端，所述第二虎克铰连接所述第一连杆的第二端至所述动平台；所述第二支链包括第二连杆、第三虎克铰、第四虎克铰、第二滑块，所述第三虎克铰连接所述第二滑块至所述第二连杆的第一端，所述第四虎克铰连接所述第二连杆的第二端至所述动平台；所述第三支链包括第三连杆、第五虎克铰、第一球副、第三滑块，所述第五虎克铰连接所述第三滑块至所述第三连杆的第一端，所述第一球副连接所述第三连杆的第二端至所述动平台；所述第四支链包括第四连杆、第六虎克铰、第二球副、第四滑块，所述第六虎克铰连接所述第四滑块至所述第四连杆的第一端，所述第二球副连接所述第四连杆的第二端至所述动平台。

其中，所述第一滑块和所述第二滑块沿所述第一方向滑动设置于所述静平台、所述第三滑块和所述第四滑块沿所述第二方向滑动设置于所述静平台。

在一些实施方式中，所述第一虎克铰、所述第三虎克铰、所述第五虎克铰、所述第六虎克铰均为分离式虎克铰，所述分离式虎克铰包括垂直交叉设置的滑块侧转动副和连杆侧转动副，所述滑块侧转动副包括旋转设置的第一转轴和第一轴承座，所述第一轴承座固定至所述PUU支链的滑动副的滑块。

在一些实施方式中，所述第一支链还包括第一驱动机构，用于驱动所述第一支链的滑动副；所述第二支链还包括第二驱动机构，用于驱动所述第二支链的滑动副；所述第三支链还包括第三驱动机构，用于驱动所述第三支链的滑动副；所述第四支链还包括第四驱动机构，用于驱动所述第四支链的滑动副；所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构均设置于所述静平台上。

在一些实施方式中，所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供四维主动减振；所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构均为位置控制模式。

在一些实施方式中，所述第一支链包括第一限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第一支链静平台侧的U副限制为第一转动副，使所述第一支链转换为PRU支链；所述第二支链包括第二限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第二支链静平台侧的U副限制为第二转动副，使所述第二支链转换为PRU支链；所述第三支链包括第三限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第三支链静平台侧的U副限制为第三转动副，使所述第三支链转换为PRS支链。

当所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件均从准备状态转换为工作状态时，所述解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；当所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件均从工作状态转换为准备状态时，所述解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

在一些实施方式中，所述第一限位件包括端盖和卡止部，所述第一支链的静平台侧的U副的第一转轴具有卡槽，所述卡槽和所述卡止部匹配设置，所述第一限位件位于工作状态时，所述端盖固定至与所述第一转轴匹配的第一轴承座，且所述卡止部卡入所述卡槽，将所述第一支链静平台侧的U副限制为所述第一转动副。

在一些实施方式中，所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件通过自动控制或手动调整在准备状态和工作状态之间进行转换；所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供多维主动减振；在四自由度状态，所述解耦并联机构的第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构均为位置控制模式；在三自由度状态，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个为力控制模式，另外三个为位置控制模式。

在一些实施方式中，所述第一支链的滑动副包括滑台模组和滑块，所述滑台模组包括第一驱动机构和滑轨，所述滑块滑动设置于所述滑轨，所述第一驱动机构驱动所述滑块沿所述第一方向滑动。

本申请还提供了另一种解耦并联机构，包括：静平台，用于构成基准平台；动平台，用于安装外部对象；并联于所述静平台和所述动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，所述第一支链和所述第二支链均为PRU支链，两者的R副共线设置、两者在动平台侧的转轴沿第一特征线段共线设置、两者的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面；所述第三支链为PRS支链，所述第四支链为PUS支链，两者在静平台侧的转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段。

所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、垂直于所述静平台的垂荡自由度、平行于所述静平台的纵荡自由度。

在一些实施方式中，所述第一支链包括第一连杆、第一转动副、第二虎克铰、第一滑块，所述第一转动副连接所述第一滑块至所述第一连杆的第一端，所述第二虎克铰连接所述第一连杆的第二端至所述动平台；所述第二支链包括第二连杆、第二转动副、第四虎克铰、第二滑块，所述第二转动副连接所述第二滑块至所述第二连杆的第一端，所述第四虎克铰连接所述第二连杆的第二端至所述动平台。

所述第三支链包括第三连杆、第三转动副、第一球副、第三滑块，所述第三转动副连接所述第三滑块至所述第三连杆的第一端，所述第一球副连接所述第三连杆的第二端至所述动平台；所述第四支链包括第四连杆、第六虎克铰、第二球副、第四滑块，所述第六虎克铰连接所述第四滑块至所述第四连杆的第一端，所述第二球副连接所述第四连杆的第二端至所述动平台。

其中，所述第一滑块和所述第二滑块沿所述第一方向滑动设置于所述静平台、所述第三滑块和所述第四滑块沿所述第二方向滑动设置于所述静平台；所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链各自的R副和所述第四支链的U副的中心共面设置；所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

在一些实施方式中，所述第一支链还包括第一驱动机构，用于驱动所述第一支链的滑动副；所述第二支链还包括第二驱动机构，用于驱动所述第二支链的滑动副；所述第三支链还包括第三驱动机构，用于驱动所述第三支链的滑动副；所述第四支链还包括第四驱动机构，用于驱动所述第四支链的滑动副；所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供三维主动减振；所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个为力控制模式，另外三个为位置控制模式。

本申请还提供了一种解耦并联机构的设置方法，用于设置静平台和动平台之间的四支链并联机构：将第一支链和第二支链均设置为PUU支链，使两者在静平台侧的第一转轴沿第一方向共线设置、两者在动平台侧的第四转轴沿第一特征线段共线设置、两者动平台侧的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面；将第三支链和第四支链设置为PUS支链，使两者在静平台侧的第一转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段。

所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度、垂直于所述静平台的垂荡自由度、平行于所述静平台的纵荡自由度。

在一些实施方式中，所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

在一些实施方式中，通过第一限位件将所述第一支链的静平台侧的U副限制为第一转动副，使所述第一支链转换为PRU支链；通过第二限位件将所述第二支链的静平台侧的U副限制为第二转动副，使所述第二支链转换为PRU支链；通过第三限位件将所述第三支链的静平台侧的U副限制为第三转动副，使所述第三支链转换为PRS支链；从而使所述解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；逆转上述过程时，所述解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

本申请还提供了一种解耦并联机构的控制方法，根据前述的解耦并联机构的设置方法设置解耦并联机构；通过第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构分别驱动所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链、所述第四支链的滑动副；通过控制所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构，实现对所述动平台的主动减振。

在一些实施方式中，在所述动平台适于进行四维主动减振时，将所述解耦并联机构重构成四自由度机构，并将所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构设为位置控制模式；在所述动平台适于进行三维主动减振时，将所述解耦并联机构重构成三自由度机构，并将所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个设置为力控制模式，将另外三个设置为位置控制模式。

本申请还提供了一种机械设备，包括前述的任一种解耦并联机构；所述静平台安装至所述机械设备，所述动平台用于安装需要减振或驱动的对象。

在一些实施方式中，所述机械设备为车辆，所述车辆设置有重构操作机构，所述重构操作机构连接至所述解耦并联机构的第一限位件、第二限位件和第三限位件，用于使所述解耦并联机构在三自由度机构和四自由度机构之间转换；所述第一方向沿所述车辆的前进方向设置；当所述车辆在郊区或野外路况行驶时，所述解耦并联机构作为三自由度机构工作，当所述车辆在城市路况行驶时，所述解耦并联机构作为四自由度机构工作。

本申请的各个实施例具有以下技术效果中的至少一种：

1.通过在将动平台的三个或者四个自由度解耦设置，使并联机构的运动学关系简单，十分便于控制算法的设计；尤其是用于主动减振系统时，可提高减振系统的响应速度和减振性能；

2.通过将驱动机构设置于静平台上，相比于驱动器安装在连杆上的并联机构具有动态载荷小的特点，即电机、滑台底座等不会随着连杆在空间中运动，因而可以减小控制难度、提高响应速度；

3.将整个并联机构设置为封闭式结构，结构刚度好，因而可以保证较高的运行精度；

4.通过限位件的设置，使并联机构可在三自由度和四自由度之间转换，使并联机构可适用于需要多种减振工况的机械设备；

5.通过限位件的简单结构设置，使并联机构的自由度重构可自动完成，实现机械设备运行过程中的实时切换；

6.将解耦并联机构的第一方向沿车辆的前进方向设置；车辆在郊区或野外工况行驶时，容易出现较高振幅的上下颠簸和俯仰和横滚方向的振动，但是相对较少进行频繁的制动操作，因此将并联机构设置为三自由度，从而减小控制难度、提高对较频繁出现的俯仰、横滚和垂荡自由度上的振动的响应速度和减振性能；在城市道路行驶时，尤其是低速跟车状态或者在避让新人、非机动车时，会出现频繁的制动或者紧急制动，此时应将并联机构设置为四自由度，以同时对前后的纵荡自由度上的振动进行减振。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是实施例1至6的解耦并联机构的立体图；

图2是实施例7至10的解耦并联机构的立体图；

图3是图2的另一个视角的立体图；

图4是图1至图3中部分结构的立体图；

图5是图1至图4中的动平台仰视图；

图6是图2和图3中的第一虎克铰和第一限位件的立体图；

图7是图6中部分结构的示意图；

附图标号说明：

100.第一支链，110.第一驱动机构，120.第一滑块，130.第一虎克铰，131.第一轴承座，132.T型销轴，133.第一转动座，140.第一连杆，150.第二虎克铰，160.第一限位件，200.第二支链，210.第二驱动机构，220.第二滑块，230.第三虎克铰，233.第二转动座，240.第二连杆，250.第四虎克铰，260.第二限位件，300.第三支链，310.第三驱动机构，320.第三滑块，330.第五虎克铰，333.第三转动座，340.第三连杆，350.第一球副，360.第三限位件，400.第四支链，410.第四驱动机构，420.第四滑块，430.第六虎克铰，433.第四转动座，440.第四连杆，450.第二球副，500.静平台，600.动平台，601.第一支链上端安装位，602.第二支链上端安装位，603.第三支链上端安装位，604.第四支链上端安装位，901.第一方向，902.第二方向，903.第一特征线段，904.第二特征线段。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本申请的具体实施方式。下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本申请相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1。如图1所示，本申请提供的解耦并联机构包括静平台500、动平台600及并联于静平台500和动平台600之间的第一支链100、第二支链200、第三支链300和第四支链400。其中静平台500构成整个解耦并联机构的基准平台，并用于将解耦并联机构安装至车辆等机械设备上。动平台600用于安装需要驱动或者减振的外部对象，可相对于静平台500运动，其运动自由度由四个支链的设置决定。

其中，如图1所示，第一支链100和第二支链200均构成PUU支链，且它们的滑动副均设置在静平台500上。两者在静平台500一侧的第一转轴沿第一方向901共线设置。参见图4，两者在动平台600一侧的第四转轴沿第一特征线段903共线设置、两者动平台600一侧的U副中心位于第一特征线段903的两个端点，使第一支链100和第二支链200始终共面。

为了简明起见，本申请中的各个支链的设置形式用字母表示，部分运动副也用字母标识。其中P副指的是滑动副，U副指的是虎克铰构成的2自由度转动副，R副指的是单自由度的转动副，S副指的是3自由度球副，而且各个支链中包括必要的不影响自由度的连杆。以第一支链100为例，其包括依次设置的一个滑动副(P副)和两个虎克铰(U副)，其中两个虎克铰的转轴从静平台500一侧开始依次为第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴。

如图1所示，第三支链300和第四支链400均构成PUS支链，且它们的滑动副均设置在静平台500上。两者在静平台500一侧的第一转轴沿第二方向902共线设置。如图4所示，两者的球副的中心连线构成第二特征线段904。

如图1所示，第一方向901和第二方向902垂直设置；如图4所示，第二特征线段904的一端位于第一特征线段903的中点，且第二特征线段903垂直于第一特征线段903。上述设置使动平台600具有解耦的以第二方向902为转轴的俯仰自由度、以第一方向901为转轴的横滚自由度、垂直于静平台500的垂荡自由度、平行于静平台600、沿第一方向901的纵荡自由度共四个自由度，详见后续实施例7和其他实施例的具体说明。

本实施例可通过驱动各个支链的滑动副，实现对动平台600的运动控制，构成四自由度驱动机构，用于使动平台600产生俯仰、横滚以及上下左右的平动，例如用于构成驾驶模拟平台。由于各个自由度之间相互解耦，使得机构的控制非常简单。本实施例还可用于为动平台600及安装于动平台600上的外部对象提供主动减振功能。同样由于各个自由度之间相互解耦，不仅可以使控制方法的设计更加简单，而且可以提高主动减振的响应速度和减振性能，从而扩大主动减振的频响范围。

实施例2。在实施例1的基础上，如图1所示，第一支链100、第二支链200、第三支链300、第四支链400各自在静平台500一侧的U副的中心共面设置。且第一支链100和第二支链200、第三支链300和第四支链400始终构成上窄下宽的封闭梯形结构。如图4所示，第二特征线段904的长度为第一特征线段903长度的一半。上述设置为本申请在常见的驱动和主动减振工况下的的优选设置，可使整个解耦并联机构结构紧凑，还可优化运动行程和进一步降低控制难度。

但在实际应用中，可根据静平台500的安装位置的空间条件、动平台600上需要安装的外部对象的尺寸和重量等边界条件进行适应性设置，并通过少量试验或模拟进行优化。例如第一支链100及第二支链200的下端和第三支链300及第四支链400的下端可以上下错开设置，第二特征线段904的长度也可适当调整。

实施例3。在以上实施例的基础上，本实施例说明各个支链的具体结构的优选实施方式。其中，如图1所示，第一支链100包括从静平台500开始依次设置的第一滑块120、第一虎克铰130、第一连杆140、第二虎克铰150，第一虎克铰130将第一滑块120连接至第一连杆140的第一端，第二虎克铰150将第一连杆140的第二端连接至动平台600底面。

类似地，第二支链200包括第二滑块220、第三虎克铰230、第二连杆240、第四虎克铰250，第三虎克铰230连接第二滑块220至第二连杆240的第一端，第四虎克铰250连接第二连杆240的第二端至动平台600底面。

如图3所示，第三支链300包括第三滑块320、第五虎克铰330、第三连杆340、第一球副350，第五虎克铰330连接第三滑块320至第三连杆340的第一端，第一球副350连接第三连杆340的第二端至动平台600底面。

如图1所示，第四支链400包括第四滑块420、第六虎克铰430、第四连杆440、第二球副450，第六虎克铰430连接第四滑块420至第四连杆440的第一端，第二球副450连接第四连杆440的第二端至动平台600底面。

其中，第一滑块120和第二滑块220沿第一方向901滑动设置于静平台500上，且沿同一滑动轴线设置，并使第一虎克铰130的静平台500一侧的转轴(即实施例一中提到的第一支链100的第一转轴)和第三虎克铰230的静平台500一侧的转轴(即实施例一中提到的第二支链200的第一转轴)共线；第三滑块320和第四滑块420沿第二方向902滑动设置于静平台500上，且沿同一滑动轴线设置，并使第五虎克铰330的静平台500一侧的转轴和第六虎克铰430的静平台500一侧的转轴共线。

实施例4。在以上实施例的基础上，如图6所示，本实施例的第一虎克铰130、第三虎克铰230、第五虎克铰330、第六虎克铰430均为分离式虎克铰。以第一虎克铰130为例，分离式虎克铰包括垂直交叉设置的滑块侧转动副和连杆侧转动副，滑块侧转动副由旋转设置的呈T字形的T形销轴132和第一轴承座131构成，第一轴承座131固定至第一滑块120，且第一轴承座131的轴向沿第一方向901设置。连杆侧转动副由T形销轴132和第一转动座133构成，第一转动座133固定至第一连杆140靠近静平台500的第一端。

分离式虎克铰便于安装于滑块和连杆之间，而且便于对其第一转轴以及成对设置的虎克铰之间(例如第一虎克铰130和第二虎克铰230之间、第五虎克铰330和第六虎克铰430之间的共线定位)进行精确定位，以保证实现本申请的自由度解耦。

实施例5。在以上实施例的基础上，如图1所示，本实施例的第一支链100还包括第一驱动机构110，用于驱动第一滑块120；第二支链200还包括第二驱动机构210，用于驱动第二滑块220；第三支链300还包括第三驱动机构310，用于驱动第三滑块320；第四支链400还包括第四驱动机构410，用于驱动第四滑块；第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410均设置于静平台500上。

仍以第一支链100为例，第一滑块120设置于一滑轨上，构成滑动副。该滑轨固定至静平台500；第一驱动机构110为伺服电机，用于驱动连接至其驱动轴的滚珠丝杠组件，从而驱动连接至滚珠丝杠组件的第一滑块120在滑轨上滑动。第一驱动机构110也可通过直线电机或直线液压缸等驱动器构成。

实施例6。在实施例5的基础上，本实施例的解耦并联机构用于为外部对象提供四维主动减振；且第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410均为位置控制模式。实际应用时，可通过传感器对静平台500的振动进行检测，通过算法实时计算出各个驱动机构的位移输入，并驱动各个驱动机构对动平台600进行主动减振。由于本申请的动平台600的各个自由度之间相互解耦，使得各个驱动机构的控制和算法设计非常简单，不仅可以提高解耦并联机构的工作可靠性，还可提高其响应速度和减振性能。

实施例7。在以上各实施例的基础上，如图2和图3所示，本实施例的第一支链100还包括第一限位件160，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下的第一限位件160将第一虎克铰130从U副限制为第一转动副(R副)，从而使第一支链100转换为PRU支链。具体地，第一限位件160可通过将第一虎克铰130的T形销轴132和第一轴承座131锁定，即可实现上述限制。

类似地，第二支链200还包括第二限位件260，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将第三虎克铰230从U副限制为第二转动副(R副)，使第二支链200转换为PRU支链。第三支链300还包括第三限位件360，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将第五虎克铰330从U副限制为第三转动副(R副)，使第三支链300转换为PRS支链。

当第一限位件160、第二限位件260、第三限位件360均从准备状态转换为工作状态时，解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；当它们均从工作状态转换为准备状态时，解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

如图4和图5所示，当各个限位件处于工作状态时，虽然第一虎克铰130的第一转动座133、第三虎克铰230的第二转动座233和均只能以第二方向902为轴线旋转，而无法再以第一方向901为轴线旋转，但由于第一特征线段903的设置，即第一支链100的上端安装位601、第二支链的上端安装位602、第三支链300的上端安装位603共线，且第二虎克铰150、第四虎克铰250、第二球副350的中心共线，使动平台600仍然具有横滚方向的自由度。

同时由于第二特征线段904与第一特征线段903垂直，即第四支链400的上端安装位604位于第一特征线段903的一条中垂线上，所以动平台600仍然可绕该中垂线转动，从而具有俯仰方向的自由度，而上下方向的纵荡自由度则容易通过四个支链的配合实现。本实施例的第六虎克铰430的第四转动座433的运动未作限制，不影响整个机构的自由度。当各个限位件均处于准备状态时，动平台600则具有俯仰、横滚、垂荡以及纵荡方向的四维减振能力。

实施例8。如图6和图7所示，本实施例说明以上实施例的各限位件的一种实施方式。第一限位件160包括端盖161和卡止部162，第一虎克铰130的T形销轴132上设有卡槽，该卡槽和卡止部162匹配设置。当第一限位件160位于工作状态时，端盖161固定至与T形销轴132匹配的第一轴承座131上，且卡止部162卡入卡槽，将第一虎克铰130限制为仅有一个转动自由度的第一转动副(R副)。第一限位件160的工作状态即为固定至第一轴承座131的状态，准备状态为拆下备用的状态。其他限位件可类似地设置。

实施例9。本实施例为本申请的解耦并联机构用作可重构多维减振装置的实施方式。其中第一限位件160、第二限位件260、第三限位件360通过自动控制或手动调整的方式在准备状态和工作状态之间进行转换；解耦并联机构用于为安装至动平台600的外部对象提供多维主动减振。在四自由度状态，即各限位件处于准备状态时，解耦并联机构的第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410均为位置控制模式；在三自由度状态，即各限位件处于工作状态时，各驱动机构为冗余控制状态，可将其中的一个设置为力控制模式，用作辅助减振；另外三个设置为位置控制模式。

实施例10。本实施例说明以上实施例中的各滑动副的一种具体设置方式。仍以第一支链100为例，其滑动副包括滑台模组和第一滑块120，滑台模组包括第一驱动机构110和滑轨，第一滑块120滑动设置于该滑轨上，第一驱动机构110驱动第一滑块120沿第一方向901滑动。其他滑动副可类似地设置。

实施例11。本实施例为另一种解耦并联机构，参照图1和图4所示的第一实施例的结构，本实施例与实施例一相比的区别为，第一支链100和第二支链200均为PRU支链，且两者的R副的转轴沿第一方向901共线设置。同时，第三支链300为PRS支链、第四支链400仍为PUS支链，两者在静平台500一侧的转轴沿第二方向902共线设置，即第三支链300的R副轴线和第四支链的U副的静平台500一侧的轴线沿第二方向902共线设置。

本实施例的其他设置和实施例一相同，因此不再重复说明。换一种说法，本实施例为将第一实施例的其中3个U副换成了3个R副，使动平台600具有解耦的以第二方向902为转轴的俯仰自由度、以第一方向901为转轴的横滚自由度和垂直于静平台500的垂荡自由度。

实施例12。本实施例说明实施例11的各支链的具体结构。本实施例和实施例三的区别为，将实施例三的第一虎克铰130、第三虎克铰230、第五虎克铰330分别替换为仅有一个转动自由度的第一转动副、第二转动副、第三转动副，其他设置和实施例三相同，因此不再详细说明。本实施例的工作方式和实施例7的三自由度机构工作方式相同。

实施例13。本实施例为实施例11或12用于为安装至动平台600的外部对象提供三维主动减振的应用实例。其中，第一支链100还包括第一驱动机构110，用于驱动第一支链110的滑动副；第二支链200还包括第二驱动机构210，用于驱动第二支链200的滑动副；第三支链300还包括第三驱动机构310，用于驱动第三支链300的滑动副；第四支链400还包括第四驱动机构410，用于驱动第四支链400的滑动副；本实施例的解耦并联机构用于为外部对象提供三维主动减振；各驱动机构中的一个为力控制模式，另外三个为位置控制模式。本实施例的工作方式和实施例9的三自由度状态的工作方式相同。

实施例14。本实施例为解耦并联机构的一种设置方法，如图1所示，本实施例的设置方法用于设置静平台500和动平台600之间的四支链并联机构。具体第，将第一支链100和第二支链200均设置为PUU支链，使两者在静平台500一侧的第一转轴沿第一方向901共线设置。如图4所示，两者在动平台600一侧的第四转轴沿第一特征线段903共线设置、两者在动平台600一侧的U副的中心位于第一特征线段903的两个端点，使第一支链100和第二支链200始终共面。

进一步地，将第三支链300和第四支链400设置为PUS支链，使两者在静平台500一侧的第一转轴沿第二方向902共线设置。如图4所示，使两者的球副的中心连线构成第二特征线段904。第一方向901和第二方向902垂直设置，第二特征线段904的一端位于第一特征线段903的中点，且第二特征线段904垂直第一特征线段903，使动平台600具有解耦的以第二方向902为转轴的俯仰自由度、以第一方向901为转轴的横滚自由度、垂直于静平台500的垂荡自由度、平行于静平台500且沿第一方向901的纵荡自由度。

实施例15。在实施例14的基础上，本实施例的第二特征线段904的长度为第一特征线段903长度的一半，从而使解耦并联机构具有实施例2的结构。

实施例16。在实施例14或15的基础上，如图2和图3所示，通过第一限位件160将第一支链100的静平台500一侧的U副限制为仅有一个沿第一方向901的旋转自由度的第一转动副(R副)，从而使第一支链100转换为PRU支链；通过第二限位件260将第二支链200的静平台500一侧的U副限制为仅有一个沿第一方向901的旋转自由度的第二转动副(R副)，从而使第二支链200转换为PRU支链；通过第三限位件360将第三支链300的静平台500一侧的U副限制为仅有一个沿第二方向902的旋转自由度的第三转动副(R副)，使第三支链300转换为PRS支链；上述设置使解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；逆转上述过程时，解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

实施例17。本实施例为本申请的解耦并联机构的一种控制方法。首先根据实施例14的设置方法设置解耦并联机构；如图1-3所示，通过第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410分别驱动第一支链100、第二支链200、第三支链300、第四支链400的滑动副；通过控制第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410，实现对动平台600的主动减振。

实施例18。在实施例17的基础上，根据实施例16的设置方法进一步设置解耦并联机构；在动平台600适于进行四维主动减振时，将解耦并联机构重构成四自由度机构，并将第一驱动机构110、第二驱动机构210、第三驱动机构310、第四驱动机构410设为位置控制模式。在动平台600适于进行三维主动减振时，将解耦并联机构重构成三自由度机构，并将上述各驱动机构中的一个设置为力控制模式，将另外三个设置为位置控制模式。

实施例19。本实施例为一种机械设备，包括本申请提供的解耦并联机构，例如实施例5提供的具体实施例。静平台500固定至机械设备的底盘或基座等结构上，动平台600用于安装需要减振的对象。机械设备的控制器控制解耦并联机构的各驱动机构进行主动减振。

实施例20。在实施例19的基础上，本实施例的机械设备为一种车辆，车辆设置有重构操作机构，重构操作机构连接至解耦并联机构的第一限位件160、第二限位件260和第三限位件360，用于使解耦并联机构在三自由度机构和四自由度机构之间转换；解耦并联机构的第一方向901沿车辆的前进方向设置；当车辆在郊区或野外路况行驶时，解耦并联机构作为三自由度机构工作。当车辆在城市工况工作时，解耦并联机构作为四自由度机构工作。重构操作机构可手动或自动操作。

车辆在郊区或野外工况行驶时，由于路面条件较差、上下坡较多，但是视野好、车辆少，因此容易出现较高振幅的上下颠簸和俯仰和横滚方向的振动，但是相对较少进行频繁的制动操作，此时适于将并联机构设置为三自由度，从而减小控制难度、提高对较振幅较大的俯仰、横滚和垂荡自由度上的振动的响应速度和减振性能；在城市道路行驶时，尤其是低速跟车状态或者避让新人、非机动车时，会出现频繁的制动甚至进行紧急制动，同时其他自由度上的振幅相对较小；此时应将并联机构设置为四自由度，以同时对前后的纵荡自由度上的振动进行减振。

本实施例的典型应用场景为救护车，动平台600用于固定担架。由于车辆本身的减震器已经过滤了高频振动，因此本申请的解耦并联机构可用于对低频振动进行主动减振，提高患者的舒适程度，避免如骨折、扭伤、脑震荡等伤情的加重。其他的交通工具如船只、飞机也可应用，例如用于运送贵重仪器或大型易碎构件。还可根据各种工况的出现频率，将第一方向901设置为容易出现纵荡振动的方向。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本申请构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点和功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (20)

1.一种解耦并联机构，其特征在于，包括：

静平台，用于构成基准平台；

动平台，用于安装外部对象；

并联于所述静平台和所述动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；

其中，所述第一支链和所述第二支链均构成PUU支链，且滑动副设置于所述静平台上，两者在静平台侧的第一转轴沿第一方向共线设置、两者在动平台侧的第四转轴沿第一特征线段共线设置、两者动平台侧的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面；

所述第三支链和所述第四支链均构成PUS支链，且滑动副设置于所述静平台上，两者在静平台侧的第一转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段；

所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度、垂直于所述静平台的垂荡自由度、平行于所述静平台的纵荡自由度。

2.根据权利要求1所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链、所述第四支链各自在静平台侧的U副的中心共面设置；

所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

3.根据权利要求1所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链包括第一滑块、第一虎克铰、第一连杆、第二虎克铰，所述第一虎克铰连接所述第一滑块至所述第一连杆的第一端，所述第二虎克铰连接所述第一连杆的第二端至所述动平台；

所述第二支链包括第二滑块、第三虎克铰、第二连杆、第四虎克铰，所述第三虎克铰连接所述第二滑块至所述第二连杆的第一端，所述第四虎克铰连接所述第二连杆的第二端至所述动平台；

所述第三支链包括第三滑块、第五虎克铰、第三连杆、第一球副，所述第五虎克铰连接所述第三滑块至所述第三连杆的第一端，所述第一球副连接所述第三连杆的第二端至所述动平台；

所述第四支链包括第四滑块、第六虎克铰、第四连杆、第二球副，所述第六虎克铰连接所述第四滑块至所述第四连杆的第一端，所述第二球副连接所述第四连杆的第二端至所述动平台；

其中，所述第一滑块和所述第二滑块沿所述第一方向滑动设置于所述静平台、所述第三滑块和所述第四滑块沿所述第二方向滑动设置于所述静平台。

4.根据权利要求3所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一虎克铰、所述第三虎克铰、所述第五虎克铰、所述第六虎克铰均为分离式虎克铰，所述分离式虎克铰包括垂直交叉设置的滑块侧转动副和连杆侧转动副，所述滑块侧转动副包括旋转设置的第一转轴和第一轴承座，所述第一轴承座固定至所述PUU支链的滑动副的滑块。

5.根据权利要求1所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链还包括第一驱动机构，用于驱动所述第一支链的滑动副；

所述第二支链还包括第二驱动机构，用于驱动所述第二支链的滑动副；

所述第三支链还包括第三驱动机构，用于驱动所述第三支链的滑动副；

所述第四支链还包括第四驱动机构，用于驱动所述第四支链的滑动副；

所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构均设置于所述静平台上。

6.根据权利要求5所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供四维主动减振；所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构均为位置控制模式。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链包括第一限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第一支链静平台侧的U副限制为第一转动副，使所述第一支链转换为PRU支链；

所述第二支链包括第二限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第二支链静平台侧的U副限制为第二转动副，使所述第二支链转换为PRU支链；

所述第三支链包括第三限位件，具有可相互转换的准备状态和工作状态，工作状态下将所述第三支链静平台侧的U副限制为第三转动副，使所述第三支链转换为PRS支链；

当所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件均从准备状态转换为工作状态时，所述解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；当所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件均从工作状态转换为准备状态时，所述解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

8.根据权利要求7所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一限位件包括端盖和卡止部，所述第一支链的静平台侧的U副的第一转轴具有卡槽，所述卡槽和所述卡止部匹配设置，所述第一限位件位于工作状态时，所述端盖固定至与所述第一转轴匹配的第一轴承座，且所述卡止部卡入所述卡槽，将所述第一支链静平台侧的U副限制为所述第一转动副。

9.根据权利要求7所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一限位件、所述第二限位件、所述第三限位件通过自动控制或手动调整在准备状态和工作状态之间进行转换；

所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供多维主动减振；在四自由度状态，所述解耦并联机构的第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构均为位置控制模式；在三自由度状态，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个为力控制模式，另外三个为位置控制模式。

10.根据权利要求7所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链的滑动副包括滑台模组和滑块，所述滑台模组包括第一驱动机构和滑轨，所述滑块滑动设置于所述滑轨，所述第一驱动机构驱动所述滑块沿所述第一方向滑动。

11.一种解耦并联机构，其特征在于，包括：

静平台，用于构成基准平台；

动平台，用于安装外部对象；

并联于所述静平台和所述动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；

其中，所述第一支链和所述第二支链均为PRU支链，两者的R副共线设置、两者在动平台侧的转轴沿第一特征线段共线设置、两者的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面；

所述第三支链为PRS支链，所述第四支链为PUS支链，两者在静平台侧的转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段；

所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度和垂直于所述静平台的垂荡自由度。

12.根据权利要求11所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链包括第一滑块、第一转动副、第一连杆、第二虎克铰，所述第一转动副连接所述第一滑块至所述第一连杆的第一端，所述第二虎克铰连接所述第一连杆的第二端至所述动平台；

所述第二支链包括第二滑块、第二转动副、第二连杆、第四虎克铰，所述第二转动副连接所述第二滑块至所述第二连杆的第一端，所述第四虎克铰连接所述第二连杆的第二端至所述动平台；

所述第三支链包括第三滑块、第三转动副、第三连杆、第一球副，所述第三转动副连接所述第三滑块至所述第三连杆的第一端，所述第一球副连接所述第三连杆的第二端至所述动平台；

所述第四支链包括第四滑块、第六虎克铰、第四连杆、第二球副，所述第六虎克铰连接所述第四滑块至所述第四连杆的第一端，所述第二球副连接所述第四连杆的第二端至所述动平台；

其中，所述第一滑块和所述第二滑块沿所述第一方向滑动设置于所述静平台、所述第三滑块和所述第四滑块沿所述第二方向滑动设置于所述静平台；所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链各自的R副和所述第四支链的U副的中心共面设置；所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

13.根据权利要求11或12所述的解耦并联机构，其特征在于，

所述第一支链还包括第一驱动机构，用于驱动所述第一支链的滑动副；

所述第二支链还包括第二驱动机构，用于驱动所述第二支链的滑动副；

所述第三支链还包括第三驱动机构，用于驱动所述第三支链的滑动副；

所述第四支链还包括第四驱动机构，用于驱动所述第四支链的滑动副；

所述解耦并联机构用于为所述外部对象提供三维主动减振；所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个为力控制模式，另外三个为位置控制模式。

14.一种解耦并联机构的设置方法，用于设置静平台和动平台之间的四支链并联机构，其特征在于，

将第一支链和第二支链均设置为PUU支链，使两者在静平台侧的第一转轴沿第一方向共线设置、两者在动平台侧的第四转轴沿第一特征线段共线设置、两者动平台侧的U副中心位于所述第一特征线段的两个端点，使所述第一支链和所述第二支链始终共面；

将第三支链和第四支链设置为PUS支链，使两者在静平台侧的第一转轴沿第二方向共线设置、两者的球副的中心连线构成第二特征线段；

所述第一方向和所述第二方向垂直设置，所述第二特征线段的一端位于所述第一特征线段的中点，且所述第二特征线段垂直所述第一特征线段，使所述动平台具有解耦的俯仰自由度、横滚自由度、垂直于所述静平台的垂荡自由度、平行于所述静平台的纵荡自由度。

15.根据权利要求14所述的解耦并联机构的设置方法，其特征在于，

所述第二特征线段的长度为所述第一特征线段长度的一半。

16.根据权利要求14或15所述的解耦并联机构的设置方法，其特征在于，

通过第一限位件将所述第一支链的静平台侧的U副限制为第一转动副，使所述第一支链转换为PRU支链；

通过第二限位件将所述第二支链的静平台侧的U副限制为第二转动副，使所述第二支链转换为PRU支链；

通过第三限位件将所述第三支链的静平台侧的U副限制为第三转动副，使所述第三支链转换为PRS支链；

从而使所述解耦并联机构由四自由度机构重构为三自由度机构；

逆转上述过程时，所述解耦并联机构由三自由度机构重构为四自由度机构。

17.一种解耦并联机构的控制方法，其特征在于，

根据权利要求14所述的解耦并联机构的设置方法设置解耦并联机构；

通过第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构分别驱动所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链、所述第四支链各自的滑动副；

通过控制所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构，实现对所述动平台的主动减振。

18.根据权利要求17所述的解耦并联机构的控制方法，其特征在于，

根据权利要求16所述的解耦并联机构的设置方法进一步设置所述解耦并联机构；

在所述动平台适于进行四维主动减振时，将所述解耦并联机构重构成四自由度机构，并将所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构设为位置控制模式；

在所述动平台适于进行三维主动减振时，将所述解耦并联机构重构成三自由度机构，并将所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第三驱动机构、所述第四驱动机构中的一个设置为力控制模式，将另外三个设置为位置控制模式。

19.一种机械设备，其特征在于，

包括权利要求1至13中任一项所述的解耦并联机构；

所述静平台安装至所述机械设备，所述动平台用于安装需要减振或驱动的对象。

20.根据权利要求19所述的机械设备，其特征在于，

所述机械设备为车辆，所述车辆设置有重构操作机构，所述重构操作机构连接至所述解耦并联机构的第一限位件、第二限位件和第三限位件，用于使所述解耦并联机构在三自由度机构和四自由度机构之间转换；

所述第一方向沿所述车辆的前进方向设置；

当所述车辆在郊区或野外路况行驶时，所述解耦并联机构作为三自由度机构工作，当所述车辆在城市路况行驶时，所述解耦并联机构作为四自由度机构工作。

Images