CN115592653A - 一种平面三自由度冗余驱动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平面三自由度冗余驱动并联机构，涉及机器人领域，包括动平台、环绕在动平台外周侧的定平台、四条连接在定平台和动平台之间的并行支链，各并行支链沿动平台外周侧等间隔分布，并行支链包括铰接在动平台上的铰接块、沿动平台移动平面并排设置的伸缩杆和转动杆，伸缩杆和转动杆的一端均铰接在铰接块远离动平台的一侧位置处，伸缩杆和转动杆的另一端均铰接有转动轴，转动轴的转动轴线垂直于动平台的移动平面，且转动轴转动链接在定平台上，定平台上设有驱动转动杆绕对应的转动轴转动的驱动机构，便于实现平面x、y方向的平移运动和绕z轴方向上的旋转运动，其具有承载能力强、稳定性高、刚度高、便于控制、机械安装接口简单等优势。

Description

一种平面三自由度冗余驱动并联机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种平面三自由度冗余驱动并联机构。

背景技术

并联机器人广泛运用于数控车床，船舶、航天、仿生、医学等领域。并联机构是指由两个或者两个以上分支组成，机构具有两个及两个以上自由度，且以并联方式驱动的结构。并联结构相对于串联结构具有机构刚度大、承载能力强、转运质量大、惯性小、位置误差不累积等特点，其中，冗余驱动并联机构是指其机构驱动装置个数多于自由度数的并联机构，冗余驱动具有使机构结构具有局部对称性、无奇异位形等特点，以此优化机构的刚度和承载力等性能。冗余驱动是指驱动关节数量大于末端执行器所拥有自由度数量的性质，冗余驱动并不改变末端执行器的运动性质，只增加了驱动关节的数量，可以有效消除工作空间内部的奇异位形。冗余驱动结构还可以有效地改善机构的受力特性，避开奇异位形。而且冗余驱动并联机构由于同时存在主动过约束和被动过约束，很好地融合了过约束并联机构与冗余驱动并联机构二者的优点，具有承载能力大和各项同性良好等特点，应用潜力很大，然而，现有的两平移一转动并联机构的驱动副较少，多为单一驱动，导致刚度较低，精度小、承载能力差，且不易控制。而且现有技术中的冗余驱动并联机构受力分析相当复杂。

专利号为CN201711418392.3的中国发明专利公开了一种三自由度并联机构，包括定平台、动平台和三条运动支链，定平台与动平台通过并联的第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链连接，至少其中一条运动支链为灵动型支链，该机构驱动简单且灵活性较强，但是该机构动平台采用单支链机构进行，无法保证机构的高刚度、高精度以及容易控制的目的。专利号为CN201810329397.7的中国发明专利公开了一种适用于平台移动的三自由度并联机构，包括固定平台、运动平台以及连接两个平台的三条结构完全相同的活动分支组成，每条活动分支都是一个平行四边形连杆滑块机构。该机构实现了实现运动平台沿x、y、z三个方向的平移运动，但是无法保证机构对z轴的旋转以及对并联机构高刚度要求，且该机构属于串联支链，不易控制。专利号为CN202111388268.3的中国发明专利公开了两转动一移动少关节多冗余驱动并联机构，其包括定平台、动平台和连接动平台、定平台的五条支链，第一支链和第三支链结构相同为RPU结构。该并联机构具有关节数目少，结构简单，刚度高，运动部分解耦，控制容易等优点，可实现两转动一移动的运动方式，但是对于两移动一转动的运动方式并不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面三自由度冗余驱动并联机构，以解决上述现有技术存在的问题，便于实现平面x、y方向的平移运动和绕z轴方向上的旋转运动，其具有承载能力强、稳定性高、刚度高、便于控制、机械安装接口简单等优势，适用于机器人技术领域。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种平面三自由度冗余驱动并联机构，包括动平台、环绕在所述动平台外周侧的定平台、四条连接在所述定平台和所述动平台之间的并行支链，各所述并行支链沿所述动平台外周侧等间隔分布，所述并行支链包括铰接在所述动平台上的铰接块、沿所述动平台移动平面并排设置的伸缩杆和转动杆，所述伸缩杆和所述转动杆的一端均铰接在所述铰接块远离所述动平台的一侧位置处，所述伸缩杆和所述转动杆的另一端均铰接有转动轴，所述转动轴的转动轴线垂直于所述动平台的移动平面，且所述转动轴转动链接在所述定平台上，所述定平台上设有驱动所述转动杆绕对应的所述转动轴转动的驱动机构。

优选的，各所述并行支链均位于同一平面内。

优选的，各所述并行支链两两对称设置。

优选的，两所述转动轴分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间连接有鱼眼接头，所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆远离所述铰接块的一端，所述鱼眼接头的杆端分别固定在两所述转动轴上。

优选的，所述驱动机构为安装在所述定平台上的驱动电机，所述驱动电机的驱动轴与所述转动轴传动连接。

优选的，所述定平台包括若干与各所述并行支链一一对应的框架结构，各所述转动轴均转动连接在对应的所述框架结构上，且所述框架结构上的两侧均开设有供所述鱼眼接头转动的缺口。

优选的，所述伸缩杆包括缸体及滑动连接在所述缸体上的活塞杆，所述活塞杆伸出所述缸体的一端铰接在所述铰接块上，所述缸体远离所述活塞杆的一端铰接在所述鱼眼接头上。

优选的，所述动平台为矩形状结构，且各所述铰接块分别铰接在所述动平台的四个角位置处。

优选的，所述铰接块为T型杆状结构，所述T型杆状结构的竖杆端部铰接在所述动平台上，所述T型杆状结构的横杆两端分别与所述活塞杆和所述转动杆相铰接。

优选的，所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间转动连接有铰接杆，所述铰接杆上套设有用于增加接触面积的环形垫片，所述环形垫片位于所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间的位置处。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

第一，各并行支链沿动平台外周侧等间隔分布，并行支链包括铰接在动平台上的铰接块、沿动平台移动平面并排设置的伸缩杆和转动杆，伸缩杆和转动杆的一端均铰接在铰接块远离动平台的一侧位置处，伸缩杆和转动杆的另一端均铰接有转动轴，转动轴的转动轴线垂直于动平台的移动平面，且转动轴转动链接在定平台上，定平台上设有驱动转动杆绕对应的转动轴转动的驱动机构，首先，本发明中的四条并行支链沿动平台外周侧等间隔分布，即呈正四边形布置连接动平台，通过并行支链中转动杆转动并带伸缩杆进行伸缩驱动，形成冗余驱动过约束并联机构，相较于串联机构，并联机构刚度大、运动误差无累积、承载重量比大、模块化程度高、响应速度快、成本低、技术附加值高，特别适用于重载高精度的场合或微动场合，同时提供增加冗余驱动，减少机构内部奇异，增加其可用工作空间，过约束并联机构则大大提高了机构的刚度及承载能力，此发明很好地融合了被动过约束并联机构与冗余驱动并联机构二者的优点,具有承载能力大和各项同性良好等特点。再者，通过驱动机构对4个转动杆的转动驱动，使得动平台可以进行平面x轴和y轴移动与绕z轴的转动，实现两移动一转动的运动方式，在驱动机构驱动转动杆转动的过程中，通过与转动杆组成的并行支链下的伸缩杆的移动，增大该机构的移动范围与机构的刚度和承载能力。进一步的，相对于传统平面三条支链结构，本申请中由于增加了一条对称冗余驱动支链，其可有效克服传统平面三条支链下的并联机构的第二类奇异，改善运动性能，且使得机构的刚度增加，承载能力升高。

第二，各并行支链均位于同一平面内，以保证能够方便实现x轴方向与y轴方向的横向移动和绕z轴的转动，且整个机构便于控制，结合整个装置因转动杆驱动，配合伸缩杆的伸缩，使得整个机构冗余特性可变，具有力学可控性，且运动学分析简单，便于实时控制。

第三，各并行支链两两对称设置，以有效提高运动范围的同时，也极大的增强整体机构的精度与刚度。

第四，两转动轴分别与伸缩杆和转动杆之间连接有鱼眼接头，鱼眼接头的圆头端分别与伸缩杆和转动杆远离铰接块的一端，鱼眼接头的杆端分别固定在两转动轴上，使得转动杆不再直接绕转动轴转动，通过增加鱼眼接头，即增加一转动关节的连接，扩大了转动杆沿动平台移动平面上的转动范围，进一步提高了动平台的运动范围。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整个并联机构的结构示意图；

图2为本发明并行支链的结构示意图；

图3为本发明框架结构的示意图；

其中，1-框架结构、2-鱼眼接头、3-转动杆、4-T型杆状结构、5-动平台、6-转动轴、7-轴用弹性挡圈、8-横杆、9-环形垫片、10-缸体、11-活塞杆、12-连接杆、13-定平台、14-铰接块、15-伸缩杆。

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平面三自由度冗余驱动并联机构，以解决上述现有技术存在的问题，便于实现平面x、y方向的平移运动和绕z轴方向上的旋转运动，其具有承载能力强、稳定性高、刚度高、便于控制、机械安装接口简单等优势，适用于机器人技术领域。

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至图3所示，本实施例提供一种平面三自由度冗余驱动并联机构，包括动平台5、环绕在动平台5外周侧的定平台、四条连接在定平台和动平台5之间的并行支链，优选的为保证动平台5移动和转动的均衡性，动平台5位于定平台所环绕的结构中心位置处，各并行支链沿动平台5外周侧等间隔分布，并行支链包括铰接在动平台5上的铰接块、沿动平台5移动平面并排设置的伸缩杆和转动杆3，伸缩杆和转动杆3的一端均铰接在铰接块远离动平台5的一侧位置处，伸缩杆和转动杆3的另一端均铰接有转动轴6，转动轴6的转动轴线垂直于动平台5的移动平面，且转动轴6转动链接在定平台上，定平台上设有驱动转动杆3绕对应的转动轴6转动的驱动机构，具体的，由于转动杆3两端的铰接设置，以实现其整体的转动运动状态，即沿动平台5移动的平面整体摆动，首先，本发明中的四条并行支链沿动平台5外周侧等间隔分布，即呈正四边形布置连接动平台5，通过并行支链中转动杆3转动并带伸缩杆进行伸缩驱动，形成冗余驱动过约束并联机构，相较于串联机构，并联机构刚度大、运动误差无累积、承载重量比大、模块化程度高、响应速度快、成本低、技术附加值高，特别适用于重载高精度的场合或微动场合，同时提供增加冗余驱动，减少机构内部奇异，增加其可用工作空间，过约束并联机构则大大提高了机构的刚度及承载能力，此发明很好地融合了被动过约束并联机构与冗余驱动并联机构二者的优点,具有承载能力大和各项同性良好等特点。

再者，通过驱动机构对4个转动杆3的转动驱动，使得动平台5可以进行平面x轴和y轴移动与绕z轴的转动，实现两移动一转动的运动方式，在驱动机构驱动转动杆3转动的过程中，通过与转动杆3组成的并行支链下的伸缩杆的移动，增大该机构的移动范围与机构的刚度和承载能力。进一步的，相对于传统平面三条支链结构，本申请中由于增加了一条对称冗余驱动支链，其可有效克服传统平面三条支链下的并联机构的第二类奇异，改善运动性能，且使得机构的刚度增加，承载能力升高。

整个机构具有刚度高、结构简单、便于控制、稳定性强与机械安装接口简单等特点，通过自由度公式

计算，其中，机构的阶数

=3，含机架的构件数目

=18，运动副的数目

=24，fi表示第i个运动副的自由度，在平面中移动副和转动副共有24个，所以

为24，将这几项参数带入公式，F表示机构的自由度，计算得到F=3。整个机构的驱动数为4，自由度为3，由于驱动数目大于自由度数目，构成了冗余驱动并联机构，冗余驱动并联机构极大地改善了机构的受力特性，可避开机构的奇异位形，同时过约束并联机构则大大提高了机构的刚度及承载能力。

优选的，整个机构的四条并行支链完全相同，通过并行支链中的转动杆3，进行连续驱动，运动解耦性能好，运动模型简单，降低了控制难度，具有更强的使用性能。且伸缩杆与转动杆3的配合作用，共同组成了该机构的一个分支，进而形成并行支链，转动杆3作为驱动杆，伸缩杆作为转动杆3驱动下的被动机构，增加该机构的行进范围，同时组成的并行支链也对机构起到增大机构的承载能力、刚度大精度高的优势。

而且，各并行支链均位于同一平面内，以保证能够方便实现x轴方向与y轴方向的横向移动和绕z轴的转动，且整个机构便于控制，结合整个装置因转动杆3驱动，配合伸缩杆的伸缩，使得整个机构冗余特性可变，具有力学可控性，且运动学分析简单，便于实时控制。

进一步的，各并行支链两两对称设置，以有效提高运动范围的同时，也极大的增强整体机构的精度与刚度。

作为本发明优选的实施方式，两转动轴6分别与伸缩杆和转动杆3之间连接有鱼眼接头2，鱼眼接头2的圆头端分别与伸缩杆远离铰接块的一端和转动杆3远离铰接块的一端相连接，鱼眼接头2的杆端分别固定在两转动轴6上，使得转动杆3不再直接绕转动轴6转动，通过增加鱼眼接头2，即增加一转动关节的连接，扩大了转动杆3沿动平台5移动平面上的转动范围，进一步提高了动平台5的运动范围。优选的鱼眼接头2的杆端开设有连接孔，转动轴6上设有沿其径向延伸的连接杆12，鱼眼接头2的杆端通过连接孔与转动轴6上的连接杆12插接设置。

进一步的，驱动机构为安装在定平台上的驱动电机，驱动电机的驱动轴与转动轴6传动连接，通过驱动电机方便对转动轴6的转动调节，并降低了使用成本。

而且，定平台包括若干与各并行支链一一对应的框架结构1，各转动轴6均转动连接在对应的框架结构1上，转动轴6与框架结构1和鱼眼接头2相连接，具有固定框架结构1和承载了鱼眼接头2分别与伸缩杆和转动杆3的转动作用。且框架结构1上的两侧均开设有供鱼眼接头2转动的缺口。整个机构四个框架结构1位置可以调整较为方便简单，四个框架结构1组成的角度可为多个姿态，更加有效的对动平台5的运动范围进行评估，实现动平台5在x轴方向与y轴方向的移动和绕z轴的转动，有效地增大了整个机构的运动范围与刚度性能。

其中，伸缩杆包括缸体10及滑动连接在缸体10上的活塞杆11，活塞杆11伸出缸体10的一端铰接在铰接块上，缸体10远离活塞杆11的一端铰接在鱼眼接头2上，缸体10与活塞杆11组成移动副，增大并行支链的移动范围与刚度。

作为优选的，动平台5为矩形状结构，优选的动平台5为正方形结构，且各铰接块分别铰接在动平台5的四个角位置处，而且四个框架结构1绕矩形状结构的中心点进行环绕布置，使得各并行支链的运动不仅稳定性能强，减少动能损失，同时可以高效的避免杆件的干涉。

进一步的，铰接块为T型杆状结构4，T型杆状结构4由竖杆及垂直连接在竖杆端部的横杆8制作而成，优选的横杆8沿竖杆径向伸出其两端的长度相同，T型杆状结构4的竖杆端部铰接在动平台5上，T型杆状结构4的横杆8两端分别与活塞杆11和转动杆3相铰接，T型杆状结构4与转动杆3和活塞杆11相连接共同组成并行支链，使得机构具有刚度强，承载能力大等优势。具体的，通过转动杆3、伸缩杆与T型杆状结构4结构的连接，且通过转动杆3、伸缩杆另一端与鱼眼接头2和机架的连接，整个并行支链形成一个平行四杆单元组件，并且由于四个并行支链呈两两对称分布，通过驱动平行四杆单元组件中的转动杆3实现相应运动，提高整体机构的精度与刚度，在运动的同时可以实现x轴方向与y轴方向的移动和绕z轴的转动，便于控制。

鱼眼接头2的圆头端分别与伸缩杆和转动杆3之间转动连接有铰接杆，铰接杆上套设有用于增加接触面积的环形垫片9，两鱼眼接头2的圆头端分别与伸缩杆和转动杆3之间的位置处均设有环形垫片9，以增大鱼眼接头2分别与伸缩杆和转动杆3的接触面积，且减小接触压力、防止松动、保护零件，且在铰接杆上套设有轴用弹性挡圈7，以起到增加预紧力的作用。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明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 (10)

1.一种平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，包括动平台、环绕在所述动平台外周侧的定平台、四条连接在所述定平台和所述动平台之间的并行支链，各所述并行支链沿所述动平台外周侧等间隔分布，所述并行支链包括铰接在所述动平台上的铰接块、沿所述动平台移动平面并排设置的伸缩杆和转动杆，所述伸缩杆和所述转动杆的一端均铰接在所述铰接块远离所述动平台的一侧位置处，所述伸缩杆和所述转动杆的另一端均铰接有转动轴，所述转动轴的转动轴线垂直于所述动平台的移动平面，且所述转动轴转动链接在所述定平台上，所述定平台上设有驱动所述转动杆绕对应的所述转动轴转动的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，各所述并行支链均位于同一平面内。

3.根据权利要求2所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，各所述并行支链两两对称设置。

4.根据权利要求2或3所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，两所述转动轴分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间连接有鱼眼接头，所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆远离所述铰接块的一端，所述鱼眼接头的杆端分别固定在两所述转动轴上。

5.根据权利要求4所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述驱动机构为安装在所述定平台上的驱动电机，所述驱动电机的驱动轴与所述转动轴传动连接。

6.根据权利要求5所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述定平台包括若干与各所述并行支链一一对应的框架结构，各所述转动轴均转动连接在对应的所述框架结构上，且所述框架结构上的两侧均开设有供所述鱼眼接头转动的缺口。

7.根据权利要求6所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述伸缩杆包括缸体及滑动连接在所述缸体上的活塞杆，所述活塞杆伸出所述缸体的一端铰接在所述铰接块上，所述缸体远离所述活塞杆的一端铰接在所述鱼眼接头上。

8.根据权利要求7所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述动平台为矩形状结构，且各所述铰接块分别铰接在所述动平台的四个角位置处。

9.根据权利要求8所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述铰接块为T型杆状结构，所述T型杆状结构的竖杆端部铰接在所述动平台上，所述T型杆状结构的横杆两端分别与所述活塞杆和所述转动杆相铰接。

10.根据权利要求9所述的平面三自由度冗余驱动并联机构，其特征在于，所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间转动连接有铰接杆，所述铰接杆上套设有用于增加接触面积的环形垫片，所述环形垫片位于所述鱼眼接头的圆头端分别与所述伸缩杆和所述转动杆之间的位置处。

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