專利名稱：一種具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為近幾十年來出現(xiàn)的新型機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，具有剛度高、承載能力強(qiáng)、速度響應(yīng)快、模塊化程度高等特點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注，研究人員充分利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)以拓展其應(yīng)用范圍，目前已經(jīng)在制造業(yè)、航天航空、傳感測量、工程裝備、醫(yī)療等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。早期出現(xiàn)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，隨著研究和應(yīng)用的深入，其相關(guān)的缺點(diǎn)也顯露出來，如工作空間相對有限，操作靈活性較差，制造加工困難等，因此人們把研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一類少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，相比于其他類型并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言，具有結(jié)構(gòu)簡單，相對工作空間大，易于操作等特點(diǎn)，但同時(shí)還存在一些問題，主要有奇異導(dǎo)致了工作空間減小，支鏈變形振動(dòng)降低了運(yùn)行精度。為了解決這些問題以提高機(jī)構(gòu)的性能，在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了冗余驅(qū)動(dòng)支鏈，通過合理的主動(dòng)控制以減少機(jī)構(gòu)的奇異、提高機(jī)構(gòu)的剛度和動(dòng)態(tài)性能。目前平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈一般是采用與已有支鏈相同結(jié)構(gòu)形式的支鏈，并且使用單驅(qū)動(dòng)。這種冗余驅(qū)動(dòng)支鏈一般無法直接對運(yùn)動(dòng)平臺(tái)施加所需的加載力，需要通過支鏈間接對加載力進(jìn)行控制，這就大大降低了加載的精度，同時(shí)也增加了控制的復(fù)雜性；另外加載力的方向無法進(jìn)行改變，這就難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈可以同時(shí)控制施加于動(dòng)平臺(tái)上的冗余力方向和大小，能夠更好地提高機(jī)構(gòu)的性能。本發(fā)明所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)由三條相同RRR支鏈(具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)副的串聯(lián)支鏈)和一條新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈組成。所述的三條相同RRR支鏈每隔90°布置在圓形底板I的同一個(gè)圓周上。其中，第一條支鏈的結(jié)構(gòu)如下:在第一伺服電機(jī)2的軸端連接有第一減速器3 ;所述的第一減速器3固定連接在所述的底板I的下方；第一連桿4的一端通過第一聯(lián)軸器5與所述的第一減速器3的軸端相連接，另一端與第二連桿6以鉸鏈形式相連接；所述的第二連桿6的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)17的底面；第二條支鏈的結(jié)構(gòu)如下:在第二伺服電機(jī)7的軸端連接有第二減速器8 ;所述的第二減速器8固定連接在所述的底板I的下方；第三連桿9的一端通過第二聯(lián)軸器10與所述的第二減速器8的軸端相連接，另一端與第四連桿11以鉸鏈形式相連接；所述的第四連桿11的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)17的底面；第三條支鏈的結(jié)構(gòu)如下:在第三伺服電機(jī)12的軸端連接有第三減速器13 ;所述的第三減速器13固定連接在所述的底板I的下方；第五連桿14的一端通過第三聯(lián)軸器15與所述的第三減速器13的軸端相連接，另一端與第六連桿16以鉸鏈形式相連接；所述的第六連桿16的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)17的底面；在所述的三條支鏈的約束下，所述的動(dòng)平臺(tái)17具有平面內(nèi)的兩個(gè)平移自由度和垂直于該平面的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；所述的新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)是:在所述的第一條支鏈和第三條支鏈與所述的底板I連接的鉸鏈點(diǎn)之間，安裝有圓心角為150°的環(huán)形導(dǎo)軌18 ;在所述的環(huán)形導(dǎo)軌18上安置有環(huán)形滑塊19 ;連接板20的一端和所述的環(huán)形滑塊19的內(nèi)側(cè)固定連接，另一側(cè)和圓心角為135°的環(huán)形齒條21固定連接；齒輪22與所述的環(huán)形齒條21相嚙合；所述的齒輪22鍵連接于第四減速器23的轉(zhuǎn)軸上；所述的第四減速器23固定于所述的底板I的下方；第四伺服電機(jī)24和所述的第四減速器23的輸入端連接；托板25固定在所述的環(huán)形滑塊19上，并通過鉸鏈形式連接有支撐板26 ;在所述的支撐板26的一端固定有電機(jī)支撐座27 ;第五伺服電機(jī)28固定在所述的電機(jī)支撐座27上；滾珠絲杠29通過第四聯(lián)軸器30與所述的第五伺服電機(jī)28的轉(zhuǎn)軸相連接；所述的滾珠絲杠29在靠近所述的第四聯(lián)軸器30的一端，通過固定在所述的電機(jī)支撐座27上的滾珠絲杠固定端31進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端通過固定在所述的支撐板26上的滾珠絲杠支撐端32進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述的滾珠絲杠29上套接了無法蘭式的絲杠螺母33 ;在所述的滾珠絲杠29的兩側(cè)平行且等距地分別布置有第一直線導(dǎo)軌34和第二直線導(dǎo)軌35 ;在所述的第一直線導(dǎo)軌34和第二直線導(dǎo)軌35的同一橫向位置分別安置有第一滑塊36和第二滑塊37 ;所述的絲杠螺母33上通過鍵連接形式固定連接了滑動(dòng)塊38，所述的滑動(dòng)塊38同時(shí)固定在所述的第一滑塊36和第二滑塊37上；第七連桿39的一端固定連接在所述的滑動(dòng)塊38上，另一端和拉壓傳感器40固定連接；第八連桿41的一端和所述的拉壓傳感器40連接，另一端通過鉸接形式和所述的動(dòng)平臺(tái)17的上面連接；所述的第七連桿39、第八連桿41和拉壓傳感器40處于同一軸線上，，通過所述的第五伺服電機(jī)28沿著該軸向方向給所述的動(dòng)平臺(tái)17施加預(yù)定的拉壓力。本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入了冗余驅(qū)動(dòng)支鏈，增加了機(jī)構(gòu)的剛度，同時(shí)能夠克服運(yùn)行過程中的一些奇異位形，擴(kuò)大了機(jī)構(gòu)的工作空間；冗余驅(qū)動(dòng)支鏈?zhǔn)峭ㄟ^兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，可以同時(shí)控制施加于動(dòng)平臺(tái)上的拉壓力大小和方向，能夠更好的提高動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)行過程中的精度；冗余驅(qū)動(dòng)支鏈上安裝有拉壓傳感器，因此可以通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對加載力大小的精確控制；冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的周向移動(dòng)是通過齒輪齒條帶動(dòng)環(huán)形滑塊在環(huán)形導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)緊湊，而且角度控制靈活。


圖1是本發(fā)明的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的軸向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的周向移動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明:實(shí)施例1:本發(fā)明所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作過程詳述如下:如圖1所示，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)所需控制的是動(dòng)平臺(tái)17的位置和轉(zhuǎn)角。在給定其位置和轉(zhuǎn)角后，按照圖1所示的裝配模式，通過機(jī)構(gòu)的位置逆解，可以分別獲得第一連桿4、第三連桿9和第五連桿14的轉(zhuǎn)角，利用對應(yīng)的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而獲得所需的動(dòng)平臺(tái)17的位姿。冗余驅(qū)動(dòng)支鏈?zhǔn)菫榱诉M(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)的剛度以及動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行精度；通過對機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析獲得冗余驅(qū)動(dòng)支鏈?zhǔn)┘佑趧?dòng)平臺(tái)17上的最優(yōu)加載力大小和方向，從而確定環(huán)形滑塊19在環(huán)形導(dǎo)軌18上的位置以及沿著第七連桿39的軸向方向所需施加的拉壓力大小，從而可以通過第四伺服電機(jī)24和第五伺服電機(jī)28進(jìn)行控制，以提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。如圖1和2所示，第一連桿4、第三連桿9和第五連桿14的轉(zhuǎn)角是通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的，其工作過程都是一樣，這里以第一連桿4的角度控制為例說明其工作過程:通過機(jī)構(gòu)位置逆解獲得第一連桿4的角度，乘以第一減速器3的減速比后獲得第一伺服電機(jī)2的位置控制指令，第一伺服電機(jī)2根據(jù)該指令值驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過第一減速器3并通過第一聯(lián)軸器5帶動(dòng)第一連桿4旋轉(zhuǎn)到所需的角度；第一伺服電機(jī)2可以通過自身的編碼器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的半閉環(huán)控制，或者通過外部與第一連桿4相連的旋轉(zhuǎn)角度測量裝置實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。如圖2和圖4所示，冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的加載方向控制是通過齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的；獲得所需加載方向后，再結(jié)合動(dòng)平臺(tái)17的位姿，利用機(jī)構(gòu)的位置逆解可以獲得環(huán)形滑塊19在環(huán)形導(dǎo)軌18上的位置?？紤]齒條21和齒輪22的傳動(dòng)比以及第四減速器23的減速比，將該位置值轉(zhuǎn)換為第四伺服電機(jī)24的位置控制指令，第四伺服電機(jī)24根據(jù)該指令值驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過第四減速器23帶動(dòng)齒輪22旋轉(zhuǎn)，通過齒之間的嚙合帶動(dòng)齒條21的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)環(huán)形滑塊19在環(huán)形導(dǎo)軌18上運(yùn)動(dòng)到指定的位置，由此得到了所需的加載方向。如圖1和圖3，冗余驅(qū)動(dòng)支鏈對動(dòng)平臺(tái)17的加載力大小是通過第五伺服電機(jī)28進(jìn)行控制的；獲得支鏈沿著第七連桿39的軸向方向所需施加的拉壓力大小后，其軸向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一方面需要控制滑動(dòng)塊38的位置，同時(shí)還需要根據(jù)該拉壓力的大小對動(dòng)平臺(tái)17進(jìn)行加載，因此對第五伺服電機(jī)28采用力-位混合控制。第五伺服電機(jī)28的位置控制過程為:在確定了滑動(dòng)塊38所需移動(dòng)的距離后，將該移動(dòng)距離轉(zhuǎn)換為第五伺服電機(jī)28的位置控制指令；第五伺服電機(jī)28根據(jù)位置控制指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，通過第四聯(lián)軸器30帶動(dòng)滾珠絲杠29旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠29的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為絲杠螺母33的軸向移動(dòng)，從而帶動(dòng)固接于其上的滑動(dòng)塊38移動(dòng)到所需的位置。第五伺服電機(jī)28的力控制過程為:在確定了冗余驅(qū)動(dòng)支鏈所需施加的拉壓力值后，第五伺服電機(jī)28根據(jù)該拉壓力值對動(dòng)平臺(tái)17進(jìn)行加載，同時(shí)壓力傳感器40將所測得的拉壓力值進(jìn)行反饋，通過與所需施加的載荷力大小進(jìn)行比較，對偏差值進(jìn)行補(bǔ)償，從而形成對加載力的閉環(huán)控制。伺服電機(jī)的控制靈活方便，運(yùn)行精度高，因此可以根據(jù)需求對動(dòng)平臺(tái)施加精確、可控的拉壓力載荷。
權(quán)利要求
1.一種具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)由三條相同RRR支鏈和一條新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的三條相同RRR支鏈每隔90°布置在圓形底板(I)的同一個(gè)圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的三條相同RRR支鏈的結(jié)構(gòu)為: 第一條支鏈的結(jié)構(gòu)為: 在第一伺服電機(jī)(2)的軸端連接有第一減速器(3);所述的第一減速器(3)固定連接在所述的底板(I)的下方；第一連桿(4)的一端通過第一聯(lián)軸器(5)與所述的第一減速器(3)的軸端相連接，另一端與第二連桿(6)以鉸鏈形式相連接；所述的第二連桿(6)的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)(17)的底面； 第二條支鏈的結(jié)構(gòu)為: 在第二伺服電機(jī)(7)的軸端連接有第二減速器(8);所述的第二減速器(8)固定連接在所述的底板(I)的下方；第三連桿(9)的一端通過第二聯(lián)軸器(10)與所述的第二減速器(8)的軸端相連接，另一端 與第四連桿(11)以鉸鏈形式相連接；所述的第四連桿(11)的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)(17)的底面； 第三條支鏈的結(jié)構(gòu)為: 在第三伺服電機(jī)(12)的軸端連接有第三減速器(13);所述的第三減速器(13)固定連接在所述的底板(I)的下方；第五連桿(14)的一端通過第三聯(lián)軸器(15)與所述的第三減速器(13)的軸端相連接，另一端與第六連桿(16)以鉸鏈形式相連接；所述的第六連桿(16)的另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)(17)的底面； 在所述的三條支鏈的約束下，所述的動(dòng)平臺(tái)(17)具有平面內(nèi)的兩個(gè)平移自由度和垂直于該平面的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的動(dòng)平臺(tái)(17)為正四邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)是: 在所述的第一條支鏈和第三條支鏈與所述的底板(I)連接的鉸鏈點(diǎn)之間，安裝有環(huán)形導(dǎo)軌(18);在所述的環(huán)形導(dǎo)軌(18)上安置有環(huán)形滑塊(19);連接板(20)的一端和所述的環(huán)形滑塊(19)的內(nèi)側(cè)固定連接，另一側(cè)和環(huán)形齒條(21)固定連接；齒輪(22)與所述的環(huán)形齒條(21)相嚙合；所述的齒輪(22)鍵連接于第四減速器(23)的轉(zhuǎn)軸上；所述的第四減速器(23)固定于所述的底板(I)的下方；第四伺服電機(jī)(24)和所述的第四減速器(23)的輸入端連接； 托板(25 )固定在所述的環(huán)形滑塊(19 )上，并通過鉸鏈形式連接有支撐板(26 );在所述的支撐板(26)的一端固定有電機(jī)支撐座(27);第五伺服電機(jī)(28)固定在所述的電機(jī)支撐座(27)上；滾珠絲杠(29)通過第四聯(lián)軸器(30)與所述的第五伺服電機(jī)(28)的轉(zhuǎn)軸相連接；所述的滾珠絲杠(29)在靠近所述的第四聯(lián)軸器(30)的一端，通過固定在所述的電機(jī)支撐座(27)上的滾珠絲杠固定端(31)進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端通過固定在所述的支撐板(26)上的滾珠絲杠支撐端(32)進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述的滾珠絲杠(29)上套接了無法蘭式的絲杠螺母(33);在所述的滾珠絲杠(29)的兩側(cè)平行且等距地分別布置有第一直線導(dǎo)軌(34)和第二直線導(dǎo)軌(35);在所述的第一直線導(dǎo)軌(34)和第二直線導(dǎo)軌(35)的同一橫向位置分別安置有第一滑塊(36)和第二滑塊(37);所述的絲杠螺母(33)上通過鍵連接形式固定連接了滑動(dòng)塊(38)，所述的滑動(dòng)塊(38)同時(shí)固定在所述的第一滑塊(36)和第二滑塊(37)上； 第七連桿(39)的一端固定連接在所述的滑動(dòng)塊(38)上，另一端和拉壓傳感器(40)固定連接；第八連桿(41)的一端和所述的拉壓傳感器(40)連接，另一端通過鉸接形式和所述的動(dòng)平臺(tái)(17)的上面連接；所述的第七連桿(39)、第八連桿(41)和拉壓傳感器(40)處于同一軸線上，通過所述的第五伺服電機(jī)(28)沿著該軸向方向給所述的動(dòng)平臺(tái)(17)施加預(yù)定的拉壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的環(huán)形導(dǎo)軌(18)的圓心角為150°。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的環(huán) 形齒條(21)的圓心角為135°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有新型冗余驅(qū)動(dòng)支鏈的三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域。它包括正四邊形的動(dòng)平臺(tái)，三條完全相同的RRR支鏈，一條可伸縮支鏈，以及環(huán)形導(dǎo)軌和滑塊。三條完全相同的RRR支鏈、一條可伸縮支鏈和滑塊的運(yùn)動(dòng)都是通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。該機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)具有三個(gè)自由度，分別是其所在平面內(nèi)的兩個(gè)平移自由度和垂直于該平面的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于引入了冗余驅(qū)動(dòng)支鏈，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較高的剛度，同時(shí)能夠克服在運(yùn)行過程中的一些奇異位形，擴(kuò)大了機(jī)構(gòu)的工作空間。該機(jī)構(gòu)的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈可以同時(shí)控制施加于動(dòng)平臺(tái)上的拉壓力大小和方向，通過優(yōu)化控制，能夠更好地提高動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)行過程中的精度。
文檔編號(hào)B25J9/00GK103101049SQ20131006967
公開日2013年5月15日 申請日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者李鐵民, 姜峣, 吳軍, 關(guān)立文, 唐曉強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)