CN117140487A - 一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人 - Google Patents

Abstract

一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，两条UPR驱动支链结构相同，均包括移动副一，一端通过虎克铰与静平台连接，另一端通过转动副与动平台连接；UPU驱动支链包括移动副二，其两端分别与静平台、动平台通过虎克铰连接；UPS支链包括移动副三，一端通过虎克铰与静平台连接，另一端通过球副与动平台连接；四条驱动支链均匀分布在动平台和静平台周围，双向绳驱动UPR柔性驱动支链包括移动副四，其一端与静平台通过虎克铰连接，另一端与动平台通过转动副连接。其刚柔耦合及冗余驱动特性，可改善刚度和承载能力，适用于搅拌摩擦动态载荷场景，且可以进行驱动力优化，同时改善机构内力，提高机构输出力的效率。

Description

一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人

技术领域

本发明涉及并联机器人技术领域，具体为一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人。

背景技术

目前，常用的搅拌摩擦增材装备一般由传统机床改进和搅拌摩擦焊机结合开发而来，此类基于大型机床的搅拌摩擦增材装备具有负载大、刚度高的特点，但在实际应用时，存在着设备费用昂贵，灵活性和制造柔性不高的缺点。为提高装备的柔性，也有学者采用六自由度串联机器人进行搅拌摩擦增材制造的研究，但因为搅拌摩擦过程中需要非常大的轴向接触力，串联型工业机器人本身刚度较低，机构累积误差大，应用效果并不理想。冗余驱动并联机器人因其具有高刚度，运动精度高，承担载荷能力强，良好动态响应性能等特点，但由于多驱动支链的原因存在机构内力大的缺点，本发明提供一种刚柔耦合冗余驱动并联机器人机构，将冗余驱动和绳驱动相结合，柔性的绳驱动支链可以有效缓解冗余驱动并联机构内力干涉问题，同时保有冗余驱动并联机构自身的优势，提升了机构性能。

现有技术如下：

与专利CN112621723A “一种5UPS-2RP(U)冗余驱动并联机器人”的技术对比

1、专利CN112621723A中针对的是对传统并联机构进行性能的提升，采用增加两条约束支链获得冗余驱动，以提升整体刚度为主要目标。本专利针对的是搅拌摩擦增材制造的特定领域，该场景需要很大的轴向接触力，搅拌摩擦过程中动态载荷复杂，针对此问题，本专利采用一种刚柔耦合驱动的方式，柔性的绳驱动支链可以有效缓解冗余驱动并联机构内力干涉问题，并有效缓解轴向大载荷接触力对机构的影响，与专利CN112621723A的应用目的不同。

2、专利CN112621723A含有两条约束支链（RP（U）被动约束支链）和五条驱动支链（UPS主动驱动支链）组合的方式获得冗余驱动并联机构；而本专利提出采用四条刚性驱动支链（两条UPR驱动支链，一条UPU驱动支链，一条UPS驱动支链）及一条柔性驱动支链（CDUPR双向绳驱动柔性支链）共同驱动的方式，所有的支链都是主动驱动支链，没有被动支链，与专利CN112621723A的驱动方式不同，专利CN112621723A为纯刚性并联机器人，本专利为刚柔耦合型并联机器人，存在本质区别。

3、专利CN112621723A的四个自由度是两个平移和两个转动，本专利实现的四个自由度是三个平移和一个转动，驱动支链的组合方式不同，两者实现的末端执行器运动和可达工作空间也就完全不同。

与专利CN112123323A“一种4UPU-UP冗余驱动并联机器人”的技术对比

1、专利CN112123323A目的在于改善现有并联机床用的并联机构的不足，提供一种具有三自由度的冗余并联机器人机构，对机构的刚度和加工精度要求较高；本专利针对的是搅拌摩擦增材制造，搅拌摩擦过程中动态载荷复杂，对机构的抗振性能提出更高的要求，针对此问题，本专利采用一种刚柔耦合驱动的方式，柔性的绳驱动支链可以有效缓解冗余驱动并联机构内力干涉问题，并有效缓解轴向大载荷接触力对机构的影响，与专利CN112123323A的应用目的不同。

2、专利CN112123323A含有四条UPU主动驱动支链和一条UP被动约束链，四条UPU支链均匀分布在所述被动约束链周围；而本专利提出采用四条刚性驱动支链（两条UPR驱动支链，一条UPU驱动支链，一条UPS驱动支链）及一条柔性驱动支链（CDUPR双向绳驱动柔性支链）的驱动的方式，所有的支链都是主动驱动支链，没有被动支链，与专利CN112123323A的驱动方式不同，专利CN112123323A为纯刚性并联机器人，本专利为刚柔耦合型并联机器人，存在本质区别。

3、专利CN112123323A的周围四条支链是完全一样的，成轴对称布局方式，而本专利周围四条支链是不同的，每条支链约束的自由度不相同，型综合更加复杂。专利CN112123323A的自由度是3个，分别是绕所述虎克铰三的两个转动自由度，和沿中心轴平动的一个平动自由度。而本专利的自由度是4个，分别是沿X，Y，Z轴三个方向的三个平动自由度，以及绕动平台14中心处的转动副三13做转动。驱动支链的组合方式也各不相同，两者实现的末端执行器运动和可达工作空间也就完全不同。

发明内容

针对现有摩擦增材机床存在的灵活性不高、串联机器人刚度不足的问题，本发明提出了一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，实现一个转动三个平动的运动自由度，提高机构的刚度和承载力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，包括静平台和动平台，还包括连接静平台和动平台的两条UPR驱动支链，一条UPU驱动支链，一条UPS驱动支链和一条CDUPR双向绳驱动柔性支链；两条所述UPR驱动支链的结构相同，均包括移动副一，所述移动副一为驱动关节，所述移动副一包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副一的固定端通过虎克铰一与所述静平台连接，所述移动副一的伸缩端通过转动副一与所述动平台连接；

所述UPU驱动支链的结构包括移动副二，所述移动副二为驱动关节，所述移动副二包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副二的固定端通过虎克铰三与所述静平台连接，所述移动副二的伸缩端与动平台通过虎克铰四连接；

所述UPS驱动支链的结构包括移动副三，所述移动副三作为驱动关节，所述移动副三包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副三的固定端通过虎克铰五与所述静平台连接，虎克铰五的两个转轴分别为铰接轴一和铰接轴二，铰接轴一和铰接轴二的轴线相交于一点，所述移动副三的伸缩端与动平台通过球副连接；

所述两条UPR驱动支链，一条UPU驱动支链，一条UPS驱动支链均匀分布在所述CDUPR双向驱动柔性支链周围；

所述CDUPR双向绳驱动柔性支链包括移动副四，所述移动副四作为驱动关节，通过绳索和滑轮组驱动，所述移动副四包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副四的固定端通过虎克铰六与所述静平台连接，所述移动副四的伸缩端与动平台通过转动副三连接；使得所述动平台具有沿X，Y，Z轴三个方向的三个平动自由度，和绕转动副三轴线方向的转动自由度。

作为本发明进一步改进，所述静平台上沿周向均匀开有四个通孔，分别用于容纳两个移动副一，一个移动副二以及一个移动副三的固定端穿设于其中，所述两个虎克铰一，一个虎克铰二以及一个虎克铰三设置于所述通孔孔口的外部。

作为本发明进一步改进，两条UPR驱动支链的虎克铰二，UPU驱动支链的虎克铰四，UPS驱动支链的球副一，分布于以所述移动副四的伸缩端与所述动平台的连接点为圆心的两条相互垂直的过圆心直线的动平台平面的外侧。

作为本发明进一步改进，所述移动副一采用直线驱动装置。

作为本发明进一步改进，所述移动副一采用电动缸、气缸或液压缸，或者采用由电机驱动的伸缩杆机构。

作为本发明进一步改进，所述移动副四采用绳驱动的直线运动机构，驱动电机通过绳索绞盘带动驱动绳索驱动移动副四，移动副四的固定端为定位套筒同时接接连接套筒，移动副四的伸缩端为沿定位套筒的轴向滑动的伸缩杆同时接连接杆。

本发明的有益效果如下：

本发明的搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，为具有五个驱动和四个自由度的冗余驱动并联机器人，相对于传统的冗余驱动并联机器人优势在于，将绳驱动柔性支链引入，可以有效降低纯刚性冗余驱动并联机器人容易产生内力的问题，通过柔性支链驱动力的自适应调整，可以有效改善机构的内力平衡和动力学性能，且轴向柔性支链可以提供较大的轴向载荷，为搅拌摩擦提供合适的轴向搅拌摩擦力，对搅拌摩擦增材应用具有很好的适应性。

本发明的四个自由度为一个转动和三个平动，使得机器人能够覆盖更广泛的工作区域，适应复杂形状工件的增材制造，同时保持良好灵活度和精度高。此外，本发明驱动结构简单，控制难度低，实际使用的可靠性高，同样适用于重载搬运。本发明易于装配、加工成本低、易于实现模块化生产。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的另一视角。

图中：1、虎克铰一；2、移动副一；3、转动副一；4、虎克铰三；5、移动副二；6、虎克铰四；7、虎克铰五；8、移动副三；9、球副；10、绳索绞盘；11、静平台；12、移动副四；13、转动副三；14、动平台；15、虎克铰六；16、电机；S1、UPR驱动支链；S2、UPU驱动支链；S3、UPS驱动支链；S4、CDUPR双向绳驱动柔性支链；21、连接套筒；22、连接杆； 51、铰接轴一；52、铰接轴二；61、定位套筒；62、伸缩杆。

实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1和图2所示，本实施例的搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，包括静平台11和动平台14，还包括连接静平台11、动平台14的两条UPR驱动支链S1，一条UPU驱动支链S2，一条UPS驱动支链S3和一条CDUPR双向驱动柔性支链S4；

所述两条UPR驱动支链S1的结构相同，均包括移动副一2，所述移动副一2作为驱动关节，其一端与所述静平台11通过虎克铰连接，另一端与动平台14通过转动副一3连接；

所述UPU驱动支链S2的结构包括移动副二5，所述移动副二5作为驱动关节，其两端分别与所述静平台11与动平台14通过虎克铰连接；

所述UPS驱动支链S3的结构包括移动副三8，所述移动副三8作为驱动关节，其一端与所述静平台11通过虎克铰连接，另一端与动平台14通过球副连接；

两条UPR驱动支链S1，一条UPU驱动支链S2，一条UPS驱动支链S3均匀分布在所述CDUPR双向驱动柔性支链S4周围，所述CDUPR双向驱动柔性支链S4包括移动副四12，所述移动副四12作为驱动关节，通过绳索和滑轮驱动，其一端与所述静平台11通过虎克铰连接，另一端与动平台14通过转动副三13连接，CD表示绳驱动柔性支链。

进一步地，移动副一2包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副一2的固定端通过虎克铰一1与所述静平台11连接，所述移动副一2的伸缩端通过转动副一3与所述动平台14连接；

所述移动副二5包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副二5的固定端通过虎克铰三4与所述静平台11连接，所述移动副二5的伸缩端与动平台14通过虎克铰四6连接；

所述移动副三8包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副三8的固定端通过虎克铰五7与所述静平台11连接，所述移动副三8的伸缩端与动平台14通过球副9连接；

所述移动副四12包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副四12的固定端通过虎克铰六15与所述静平台11连接，所述移动副四12的伸缩端与动平台14通过转动副三13连接；使得所述动平台（14）具有沿X，Y，Z轴三个方向的三个平动自由度，和绕转动副三13轴线方向的转动自由度。

具体地，本实施例采用的“虎克铰”结构为本领域常用的连接结构，虎克铰一1、虎克铰三4、虎克铰四6、虎克铰五7和虎克铰六15可采用相同的连接结构，如图1和图2所示，结构均包括两个分别与伸缩端和平台连接的铰支座，每个铰支座中的铰接孔中设有铰接轴（转轴），两根铰接轴相交于一点，如图2所示，虎克铰五7的两个转轴分别为铰接轴一51和铰接轴二52，铰接轴一51和铰接轴二52的轴线相交于一点。

静平台11上沿周向均匀开有四个通孔，分别用于容纳两个移动副一2，一个移动副二5以及一个移动副三8的固定端穿设于其中，所述两个虎克铰一1，一个虎克铰二4以及一个虎克铰三7设置于所述通孔孔口的外部。

两条UPR驱动支链S1的虎克铰二3，UPU驱动支链S2的虎克铰四6，UPS驱动支链S3的球副一9，分布于以所述移动副四12的伸缩端与所述动平台14的连接点为圆心的两条相互垂直的过圆心直线的动平台14平面的外端。

具体地，根据实际需求和空间布置需求，处于相对侧的虎克铰一1的连线呈180度，处于相对侧的两个虎克铰一1上两个铰接轴分别平行。

移动副一2采用直线驱动装置，如电动缸、液压缸或气缸等，或者采用由电机16驱动的伸缩杆机构。

如图2所示，伸缩杆机构具体为：包括连接套筒21和连接杆22，连接杆22可由电机16驱动沿连接套筒21移动。

具体地，移动副四12可采用绳驱动的直线运动机构，驱动电机16通过绳索绞盘10带动驱动绳索驱动移动副四12，移动副四12的固定端为定位套筒61（同接套筒21），移动副四12的伸缩端为沿定位套筒61的轴向滑动的伸缩杆62（同连接杆22）。

本实施例采用的移动副四12的内部绳索和滑轮结构及工作原理，本申请人在先专利申请“一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置”（公开号CN110862035A）中已经充分公开，具有沿移动副四12轴向直线运动的特点，且具有一定的柔性。

如图2所示，动平台14上设有用于连接移动副四12的转动副13。

具体地，静平台11、动平台14具体平台的支撑和连接功能，其具体结构形式可根据实际应用需求进行设计即可。

本实施例采用的静平台11、动平台14为八边形平台，所述CDUPR双向驱动柔性支链S4位于两八边形平台中心位置的连线上，两条UPR驱动支链S1，一条UPU驱动支链S2，一条UPS刚性支链S3沿八边形平台的外接圆圆周均匀分布。

工作时，静平台11与固定机架固定安装。以两条UPR驱动支链S1，一条UPU驱动支链S2，一条UPS刚性支链S3，一条CDUPR双向绳驱动柔性支链S4的移动副一2，移动副二5，移动副三8，移动副四12作驱动，带动动平台14沿X，Y，Z轴三个方向的三个平动自由度，以及绕动平台14中心处的转动副三13做转动，为具有四自由度的冗余驱动并联机器人，其中，三个平动及一个转动的方向如图2中箭头所示。

本实施例的刚柔耦合冗余驱动并联机器人驱动支链数目多于机构自由度数目，可以改善刚度和承载能力，通过柔性支链驱动力的自适应调整，可以有效改善机构的内力平衡和动力学性能，同时机构自由度较多，可以再配合摆动头实现更多自由度的运动，具有很高的灵活性；且轴向柔性支链可以提供较大的轴向载荷，增材过程中为了使焊材和基底充分搅拌摩擦，一般也需要机器人提供较大的轴向力，因此，本发明用于搅拌摩擦增材应用具有很大的优势。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，包括静平台（11）和动平台（14），其特征在于，还包括连接静平台（11）和动平台（14）的两条UPR驱动支链（S1），一条UPU驱动支链（S2），一条UPS驱动支链（S3）和一条CDUPR双向绳驱动柔性支链（S4）；两条所述UPR驱动支链（S1）的结构相同，均包括移动副一（2），所述移动副一（2）为驱动关节，所述移动副一（2）包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副一（2）的固定端通过虎克铰一（1）与所述静平台（11）连接，所述移动副一（2）的伸缩端通过转动副一（3）与所述动平台（14）连接；

所述UPU驱动支链（S2）的结构包括移动副二（5），所述移动副二（5）为驱动关节，所述移动副二（5）包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副二（5）的固定端通过虎克铰三（4）与所述静平台（11）连接，所述移动副二（5）的伸缩端与动平台（14）通过虎克铰四（6）连接；

所述UPS驱动支链（S3）的结构包括移动副三（8），所述移动副三（8）作为驱动关节，所述移动副三（8）包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副三（8）的固定端通过虎克铰五（7）与所述静平台（11）连接，虎克铰五（7）的两个转轴分别为铰接轴一（51）和铰接轴二（52），铰接轴一（51）和铰接轴二（52）的轴线相交于一点，所述移动副三（8）的伸缩端与动平台（14）通过球副（9）连接；

所述两条UPR驱动支链（S1），一条UPU驱动支链（S2），一条UPS驱动支链（S3）均匀分布在所述CDUPR双向驱动柔性支链（S4）周围；

所述CDUPR双向绳驱动柔性支链（S4）包括移动副四（12），所述移动副四（12）作为驱动关节，通过绳索和滑轮组驱动，所述移动副四（12）包括固定端、沿所述固定端相对移动的伸缩端，所述移动副四（12）的固定端通过虎克铰六（15）与所述静平台（11）连接，所述移动副四（12）的伸缩端与动平台（14）通过转动副三（13）连接；使得所述动平台（14）具有沿X，Y，Z轴三个方向的三个平动自由度，和绕转动副三（13）轴线方向的转动自由度。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，其特征在于，

所述静平台（11）上沿周向均匀开有四个通孔，分别用于容纳两个移动副一（2），一个移动副二（5）以及一个移动副三（8）的固定端穿设于其中，所述两个虎克铰一（1），一个虎克铰二（4）以及一个虎克铰三（7）设置于所述通孔孔口的外部。

3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，其特征在于，两条UPR驱动支链（S1）的虎克铰二（3），UPU驱动支链（S2）的虎克铰四（6），UPS驱动支链（S3）的球副一（9），分布于以所述移动副四（12）的伸缩端与所述动平台（14）的连接点为圆心的两条相互垂直的过圆心直线的动平台（14）平面的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副一（2）采用直线驱动装置。

5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副一（2）采用电动缸、气缸或液压缸，或者采用由电机（16）驱动的伸缩杆机构。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种搅拌摩擦增材刚柔耦合冗余驱动并联机器人，其特征在于，所述移动副四（12）采用绳驱动的直线运动机构，驱动电机（16）通过绳索绞盘（10）带动驱动绳索驱动移动副四（12），移动副四（12）的固定端为定位套筒（61）同时接接连接套筒（21），移动副四（12）的伸缩端为沿定位套筒（61）的轴向滑动的伸缩杆（62）同时接连接杆（22）。