一种具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构

摘要

本发明公开了一种具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构，属于机械制造技术领域。它包括正四边形的动平台，三条完全相同的RRR支链，一条可伸缩支链，以及环形导轨和滑块。三条完全相同的RRR支链、一条可伸缩支链和滑块的运动都是通过伺服电机进行驱动控制。该机构动平台具有三个自由度，分别是其所在平面内的两个平移自由度和垂直于该平面的一个转动自由度。由于引入了冗余驱动支链，该并联机构具有较高的刚度，同时能够克服在运行过程中的一些奇异位形，扩大了机构的工作空间。该机构的冗余驱动支链可以同时控制施加于动平台上的拉压力大小和方向，通过优化控制，能够更好地提高动平台在运行过程中的精度。

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构。

背景技术

并联机构作为近几十年来出现的新型机构，与传统的串联机构相比，具有刚度高、承载能力强、速度响应快、模块化程度高等特点，引起了人们的广泛关注，研究人员充分利用并联机构的特点以拓展其应用范围，目前已经在制造业、航天航空、传感测量、工程装备、医疗等领域有了广泛的应用。

早期出现的六自由度并联机构，随着研究和应用的深入，其相关的缺点也显露出来，如工作空间相对有限，操作灵活性较差，制造加工困难等，因此人们把研究重点逐渐转向少自由度并联机构。平面并联机构作为一类少自由度并联机构，相比于其他类型并联机构而言，具有结构简单，相对工作空间大，易于操作等特点，但同时还存在一些问题，主要有奇异导致了工作空间减小，支链变形振动降低了运行精度。为了解决这些问题以提高机构的性能，在原有机构的基础上引入了冗余驱动支链，通过合理的主动控制以减少机构的奇异、提高机构的刚度和动态性能。

目前平面并联机构引入的冗余驱动支链一般是采用与已有支链相同结构形式的支链，并且使用单驱动。这种冗余驱动支链一般无法直接对运动平台施加所需的加载力，需要通过支链间接对加载力进行控制，这就大大降低了加载的精度，同时也增加了控制的复杂性；另外加载力的方向无法进行改变，这就难以实现最优控制效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构，所述的冗余驱动支链可以同时控制施加于动平台上的冗余力方向和大小，能够更好地提高机构的性能。

本发明所述的具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构由三条相同RRR支链（具有三个旋转副的串联支链）和一条新型冗余驱动支链组成。所述的三条相同RRR支链每隔90°布置在圆形底板1的同一个圆周上。

其中，第一条支链的结构如下：

在第一伺服电机2的轴端连接有第一减速器3；所述的第一减速器3固定连接在所述的底板1的下方；第一连杆4的一端通过第一联轴器5与所述的第一减速器3的轴端相连接，另一端与第二连杆 6以铰链形式相连接；所述的第二连杆 6的另一端铰接于动平台17的底面；

第二条支链的结构如下：

在第二伺服电机7的轴端连接有第二减速器8；所述的第二减速器8固定连接在所述的底板1的下方；第三连杆9的一端通过第二联轴器10与所述的第二减速器8的轴端相连接，另一端与第四连杆11以铰链形式相连接；所述的第四连杆11的另一端铰接于动平台17的底面；

第三条支链的结构如下：

在第三伺服电机12的轴端连接有第三减速器13；所述的第三减速器13固定连接在所述的底板1的下方；第五连杆14的一端通过第三联轴器15与所述的第三减速器13的轴端相连接，另一端与第六连杆16以铰链形式相连接；所述的第六连杆16的另一端铰接于动平台17的底面；

在所述的三条支链的约束下，所述的动平台17具有平面内的两个平移自由度和垂直于该平面的一个转动自由度；

所述的新型冗余驱动支链的结构是：

在所述的第一条支链和第三条支链与所述的底板1连接的铰链点之间，安装有圆心角为150°的环形导轨18；在所述的环形导轨18上安置有环形滑块19；连接板20的一端和所述的环形滑块19的内侧固定连接，另一侧和圆心角为135°的环形齿条21固定连接；齿轮22与所述的环形齿条21相啮合；所述的齿轮22键连接于第四减速器23的转轴上；所述的第四减速器23固定于所述的底板1的下方；第四伺服电机24和所述的第四减速器23的输入端连接；

托板25固定在所述的环形滑块19上，并通过铰链形式连接有支撑板26；在所述的支撑板26的一端固定有电机支撑座27；第五伺服电机28固定在所述的电机支撑座27上；滚珠丝杠29通过第四联轴器30与所述的第五伺服电机28的转轴相连接；所述的滚珠丝杠29在靠近所述的第四联轴器30的一端，通过固定在所述的电机支撑座27上的滚珠丝杠固定端31进行支撑转动，另一端通过固定在所述的支撑板26上的滚珠丝杠支撑端32进行支撑转动；在所述的滚珠丝杠29上套接了无法兰式的丝杠螺母33；在所述的滚珠丝杠29的两侧平行且等距地分别布置有第一直线导轨34和第二直线导轨35；在所述的第一直线导轨34和第二直线导轨35的同一横向位置分别安置有第一滑块36和第二滑块37；所述的丝杠螺母33上通过键连接形式固定连接了滑动块38，所述的滑动块38同时固定在所述的第一滑块36和第二滑块37上；

第七连杆39的一端固定连接在所述的滑动块38上，另一端和拉压传感器40固定连接；第八连杆41的一端和所述的拉压传感器40连接，另一端通过铰接形式和所述的动平台17的上面连接；所述的第七连杆39、第八连杆41和拉压传感器40处于同一轴线上，，通过所述的第五伺服电机28沿着该轴向方向给所述的动平台17施加预定的拉压力。

本发明的有益效果为：

本发明提供的并联机构引入了冗余驱动支链，增加了机构的刚度，同时能够克服运行过程中的一些奇异位形，扩大了机构的工作空间；冗余驱动支链是通过两个驱动机构实现的，可以同时控制施加于动平台上的拉压力大小和方向，能够更好的提高动平台在运行过程中的精度；冗余驱动支链上安装有拉压传感器，因此可以通过闭环控制实现对加载力大小的精确控制；冗余驱动支链的周向移动是通过齿轮齿条带动环形滑块在环形导轨运动实现的，结构紧凑，而且角度控制灵活。

附图说明

图 1是本发明的并联机构的整体结构示意图；

图 2是本发明的并联机构支链驱动结构示意图；

图 3是本发明的冗余驱动支链的轴向驱动结构示意图；

图 4是本发明的冗余驱动支链的周向移动结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明：

实施例1：

本发明所述的具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构的工作过程详述如下：

如图1所示，该并联机构所需控制的是动平台17的位置和转角。在给定其位置和转角后，按照图1所示的装配模式，通过机构的位置逆解，可以分别获得第一连杆4、第三连杆9和第五连杆14的转角，利用对应的伺服电机进行控制，从而获得所需的动平台17的位姿。冗余驱动支链是为了进一步提高机构的刚度以及动平台的动态运行精度；通过对机构的动态特性分析获得冗余驱动支链施加于动平台17上的最优加载力大小和方向，从而确定环形滑块19在环形导轨18上的位置以及沿着第七连杆39的轴向方向所需施加的拉压力大小，从而可以通过第四伺服电机24和第五伺服电机28进行控制，以提高机构的动态运行性能。

如图1和2所示，第一连杆4、第三连杆9和第五连杆14的转角是通过相应的驱动机构进行控制的，其工作过程都是一样，这里以第一连杆4的角度控制为例说明其工作过程：通过机构位置逆解获得第一连杆4的角度，乘以第一减速器3的减速比后获得第一伺服电机2的位置控制指令，第一伺服电机2根据该指令值驱动电机轴旋转，经过第一减速器3并通过第一联轴器5带动第一连杆4旋转到所需的角度；第一伺服电机2可以通过自身的编码器实现旋转角度的半闭环控制，或者通过外部与第一连杆4相连的旋转角度测量装置实现全闭环控制。

如图2和图4所示，冗余驱动支链的加载方向控制是通过齿轮齿条传动机构实现的；获得所需加载方向后，再结合动平台17的位姿，利用机构的位置逆解可以获得环形滑块19在环形导轨18上的位置。考虑齿条21和齿轮22的传动比以及第四减速器23的减速比，将该位置值转换为第四伺服电机24的位置控制指令，第四伺服电机24根据该指令值驱动电机轴旋转，经过第四减速器23 带动齿轮22旋转，通过齿之间的啮合带动齿条21的运动，从而带动环形滑块19在环形导轨18上运动到指定的位置，由此得到了所需的加载方向。

如图 1和图 3，冗余驱动支链对动平台17的加载力大小是通过第五伺服电机28进行控制的；获得支链沿着第七连杆39的轴向方向所需施加的拉压力大小后，其轴向驱动机构一方面需要控制滑动块38的位置，同时还需要根据该拉压力的大小对动平台17进行加载，因此对第五伺服电机28采用力-位混合控制。

第五伺服电机28的位置控制过程为：在确定了滑动块38所需移动的距离后，将该移动距离转换为第五伺服电机28的位置控制指令；第五伺服电机28根据位置控制指令驱动电机轴旋转，通过第四联轴器30带动滚珠丝杠29旋转，滚珠丝杠29的旋转转换为丝杠螺母33的轴向移动，从而带动固接于其上的滑动块38移动到所需的位置。

第五伺服电机28的力控制过程为：在确定了冗余驱动支链所需施加的拉压力值后，第五伺服电机28根据该拉压力值对动平台17进行加载，同时压力传感器40将所测得的拉压力值进行反馈，通过与所需施加的载荷力大小进行比较，对偏差值进行补偿，从而形成对加载力的闭环控制。伺服电机的控制灵活方便，运行精度高，因此可以根据需求对动平台施加精确、可控的拉压力载荷。