一种可变工作空间冗余驱动4UPU-R并联机构

摘要

本发明涉及一种可变工作空间4UPU‑R并联机构，可实现无奇异区域的纯平动工作空间。包括固定平台、运动平台以及四条连接动/定平台的UPU运动支链。运动支链由上至下依次为万向副、移动副、万向副。该机构具有沿X、Y、Z向的纯平动行程，通过冗余驱动支链的使用，可以实现工作空间内部无奇异的目的。四条运动支链的结构相同，呈长方形顶点区域布置。动/定平台采用非传统刚性结构，加入中心转动副，使对侧运动支链所组成平面的角度可改变。上下中心转动副的驱动参数完全相同，即对侧运动支链上下端万向副中心连线相互平行。本发明提出的具有变工作空间特性的冗余驱动并联机构具有灵活性高、奇异特性好、刚度高的特点，能够适用于工、农业生产线箱体分拣，3D打印等多任务要求环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变工作空间并联机构，具体涉及一种具有冗余驱动支链的无奇异4UPU-R并联机构。该机构可用于工、农业生产线多种类箱体分拣运输，多任务3D打印执行机构等。

背景技术

在对并联机器人的传统研究中，机构通常拥有固定的工作模式和工作空间。但随着并联机器人应用背景日益广泛，尤其是在工、农业生产领域，机构的安装位置固定，而通常需要同时满足零件安装、果箱分拣、转移运输等不同任务需求。这类机构的工作空间利用率一般较低，所需的一项或几项任务集中在机构工作空间的一部分区域时，其余工作空间无法得到有效利用，且会因此加快机构驱动关节在某一特定行程区域的磨损速度，降低机构使用寿命。由此衍生出了一些可根据不同的工作任务重构自身结构，以变工作空间的形式实现多工作空间叠加，间接增大工作空间体积的机构。重构方式包括改变驱动关节方向、调节支链与基座连接位置的方式、加入了被动支链和轮系等结构、锁定和释放相应关节等。虽然以上方法均达到了重构自身结构，实现工作空间变化的目的，但也会使机构的驱动器质量增加，一些复合运动副和锁闭关节的使用会显著增大关节的转动惯量，增加控制难度，降低实际使用的可靠性。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种具可变工作空间、含冗余驱动的4UPU-R并联机构。

本发明的技术方案如下：

本发明包括固定平台、运动平台和连接动/定平台的四条UPU运动支链。各运动支链由上至下为万向副、移动副、万向副，且结构尺寸相同，每条运动支链两端分别由万向副与固定平台、运动平台相连。

所述固定平台为两长矩形板交叉状，两矩形板大小形状完全相同，且在中心部位开孔，通过中心孔以转动副连接两矩形板，并命名该转动副为固定平台中心转动副。在每个长矩形板两侧边长中心位置安装万向副，万向副与矩形板连接的转动副轴线位于矩形板平面内，并垂直于所在长矩形板两万向副中心的连线；万向副与运动支链连接的转动副轴线垂直于该运动支链的移动副轴线。

所述运动平台为两圆形板叠放状，两圆形板大小形状完全相同，且在中心部位开孔，通过中心孔以转动副连接两圆形板，并命名该转动副为运动平台中心转动副。在每个圆形板任一直径与圆周相交的位置安装万向副，万向副与圆形板连接的转动副轴线位于圆形板平面内，并垂直于所在圆形板两万向副中心的连线；万向副与运动支链连接的转动副轴线垂直于该运动支链的移动副轴线。

所述UPU运动支链两端与固定平台、运动平台上的万向副相连接。运动支链中的移动副采用移动电动缸结构，驱动运动平台完成既定任务。

所述固定平台中心转动副与运动平台转动副加装电机。在机构开始工作任务前，驱动动/定平台中心转动副转动角度到合适值后，锁死中心转动副关节，机构开始执行工作任务。在完成工作任务后，调整中心转动副角度，执行下一任务。在调整中心转动副过程中，上下中心转动副电机的驱动参数完全相同。即保持对侧运动支链的上万向副中心连线与下万向副中心连线平行。

本发明提出的具可变工作空间的冗余驱动4UPU-R并联机构，其特征在于：调整中心转动副角度可根据任务需要，实现机构工作空间的适应性变化。动平台可实现三平动的运动性质，采用四条运动支链在提高刚度的同时，避免了机构奇异现象的发生：在机构生产制造阶段，保持上下平台对侧万向副中心连线长度不同，即可实现机构工作空间为无奇异工作空间。

本发明提出的具可变工作空间的冗余驱动4UPU-R并联机构有如下优点：

1、结构对称、简单，易于装配，加工成本较低，易于实现模块化生产。

2、中心转动副电机远离驱动支链，降低支链惯性力，使机构具有良好的运动和动力学性能。

3、具有冗余驱动特性，极大提升了机构的刚度，并使工作空间内部无奇异区域。

4、可根据任务需要，改变机构结构参数，实现工作空间的变化，具有多任务适应性。

附图说明

图1是本发明的结构示意简图图

图中：1-固定平台、2-运动平台、α₁-固定平台中心转动副角度、α₂-运动平台中心转动副角度、O-固定平台中心点、O’-运动平台中心点、A_x-第x条运动支链下万向副中心点、B_x-第x条运动支链上万向副中心点、r_x1-第x条运动支链下万向副与固定平台连接的转动副轴线、r_x2-第x条运动支链下万向副与运动支链连接的转动副轴线、r_x3-第x条运动支链上万向副与运动平台连接的转动副轴线、r_x4-第x条运动支链上万向副与运动支链连接的转动副轴线，其中x＝1-4。

具体实施方式

在图1所示的4UPU-R并联机床中，第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链分别通过万向副A₁、A₂、A₃、A₄与固定平台相连，并通过万向副B₁、B₂、B₃、B₄与运动平台相连。其中，对侧运动支链万向副与动/定平台相连的转动副轴线相互平行，且均垂直于各自万向副中心连线，即r₁₁∥r₃₁⊥A₁A₃，r₂₁∥r₄₁⊥A₂A₄，r₁₃∥r₃₃⊥B₁B₃，r₂₃∥r₄₃⊥B₂B₄；上下万向副与所在运动支链相连的转动副轴线互相平行，且与所在运动支链的移动副轴线垂直，即r₁₂∥r₁₄⊥A₁B₁，r₂₂∥r₂₄⊥A₂B₂，r₃₂∥r₃₄⊥A₃B₃，r₄₂∥r₄₄⊥A₄B₄；固定平台两长矩形板，以及运动平台两圆形板大小形状相同，上下中心转动副位于动/定平台位置中心，即A₁A₃＝A₂A₄＝2*A₁O＝2*A₂O＝2*A₃O＝2*A₄O，B₁B₃＝B₂B₄＝2*A₁O＝2*A₂O＝2*A₃O＝2*A₄O；中心转动副电机驱动参数相同，即对侧运动支链上万向副中心连线与下万向副中心连线平行：α₁＝α₂或A₁A₃∥B₁B₃，A₂A₄∥B₂B₄。本发明在使用时，将固定平台底部安装在固定支架上，相应装置安装在运动平台上部，调整中心转动副角度后，可以完成多任务、高精度的加工搬运等任务。