CN101844349A - 一种冗余并联机器人*** - Google Patents

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李铁民
刘辛军
唐晓强
徐博强
吴军
刘大炜
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Abstract

本发明涉及一种冗余并联机器人***，其特征在于：它包括一静平台，所述静平台上固定设置有四个驱动电机，四个所述驱动电机共同连接一控制器，每一所述驱动电机各固定连接一主动杆，每一所述主动杆各通过一旋转副连接一从动杆形成一支链，每一所述从动杆各固定连接一传感器，每一所述传感器各通过一旋转副共同连接一动平台。本发明结构简单，工作空间大，刚度好，动态性能优良，可以用于制作机械手、机床和研究力控制的实验平台等多种机械装备，因此，在机械加工、装配和机械动力学科学研究等领域有着广泛的应用前景和开发潜力。

Description

一种冗余并联机器人***
技术领域
本发明涉及一种机器人***，特别是关于一种冗余并联机器人***。
背景技术
并联机构作为一种新兴的机械结构，自其产生以来就展现出很强的生命力。由于其拥有许多相对于传统串联机构的优越性，因此已经被广泛应用于机床设计、虚拟现实及机械装备等众多领域。目前，机器人***中，3RRR(三支链)并联机构已经被国内外很多学者所广泛研究。虽然3RRR并联机构有很多优点，但其在实际应用中，被其本身固有的缺点所严重限制。在这些缺点中，强非线性导致的奇异位型众多尤为突出。它导致机器人在奇异位型附近刚度过低，甚至使整个机器人***因丧失自由度，而处于失控状态。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可克服机器人处于奇异位型附近刚度差和机构失控等缺点的冗余并联机器人***。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种冗余并联机器人***，其特征在于：它包括一静平台，所述静平台上固定设置有四个驱动电机，四个所述驱动电机共同连接一控制器，每一所述驱动电机各固定连接一主动杆，每一所述主动杆的另一端分别通过一旋转副连接一从动杆，形成一条支链，每一所述从动杆的另一端分别固定连接一传感器，每一所述传感器分别通过一旋转副共同连接一动平台。
所述四个驱动电机的位置连线呈正方形。
每一所述驱动电机具有位置控制和力控制两种模式。
四个所述主动杆和从动杆形成的四条支链处于同一水平面。
四个所述主动杆和从动杆形成的四条支链处于异面。
所述驱动电机为伺服电机和步进电机中的一中。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在3RRR并联机器人的基础上，再引入一条冗余支链，采用力冗余并联机器人为机构，通过冗余支链驱动，帮助避开机械运行轨迹的奇异位型，并帮助优化机床内力分布，克服了3RRR并联机构处于奇异位型附近刚度差和机构失控的缺点，同时还提高了机器人的运动速度、刚度以及定位精度，进而提高了设备的加工速度与运动速度。2、本发明由于设置四个驱动电机，每一电机驱动一主动杆，每一主动杆连接一从动杆，每一从动杆的另一端设置一用来测量从动杆内力的传感器，四个传感器共同连接一动平台，因此，在加工过程中，可通过传感器把杆件内力和振动信息实时反馈到控制器，从而，进一步优化了机器人的工作性能。3、本发明由于设置有一控制器，控制器可将驱动电机和传感器输出的信息进行运算，确定一系列控制策略，对冗余支链进行选择，从而实现了机器人工作的高精度、高速度和高实时性。本发明结构简单，工作空间大，刚度好，动态性能优良，可以用于制作机械手、机床和研究力控制的实验平台等多种机械装备，因此，在机械加工、装配和机械动力学科学研究等领域有着广泛的应用前景和开发潜力。
附图说明
图1是本发明***结构示意图
图2是本发明其中一条支链的结构示意图
图3是本发明的工作流程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明包括一静平台1，静平台1上固定设置有四个驱动电机2，每一驱动电机2各固定连接一主动杆3，每一主动杆3的另一端分别通过一旋转副连接一从动杆4，形成一条支链，每一从动杆4的另一端分别通过螺钉固定连接一传感器5，每一传感器5各通过一旋转副共同连接在一动平台6上。四个驱动电机2和四个传感器5电连接同一控制器(图中未示出)。每一驱动电机2都具有位置控制和力控制两种模式，并且可以向控制器输出各自的位置信号、角度信号和力矩信号，从而可以控制与其连接的主动杆3的角位移。传感器5可以测量与其连接的从动杆4的径向拉压力与振动信息。
上述实施例中，四个驱动电机2的位置连线可以是各种形状，优选正方形，因为当四个驱动电机2的位置连线呈正方形时，***呈对称分布，可以在一定程度上扩大无奇异的工作空间，控制简单方便。
上述实施例中，四条支链可以不在同一平面上，也可以在同一平面上，当四条支链处于同一水平面时，动平台6受力均匀，但是由于各支链中杆件的干涉，动平台6的工作空间会相对较小。当四条支链处于不同的平面，例如，对角的支链处于同一平面，而相邻的支链处于不同平面时，动平台6的工作空间会大幅增加，但是由于动平台6的作用力不在同一平面，会产生一个倾覆力矩，在有些情况下会导致动平台6略微倾斜，影响机床精度。
在对某一工件的加工过程中，将工件放置在动平台6上，通过控制四个驱动电机2的转动，从而控制动平台6的两自由度移动与一自由度转动。
如图3所示，本发明的具体控制流程如下：
1)首先对***进行初始化，通过控制器控制驱动电机2的转动，将动平台6定位到初始位置，设定其中三个驱动电机2采取位置控制的方式，一个驱动电机2采用力控制的方式。
2)控制器控制驱动电机2转动，进而带动主动杆3、从动杆4和动平台6动作，同时，驱动电机2输出的位置信息、速度信息和力矩信息等，以及传感器5输出的从动杆4的内力信息与位置信息等反馈到控制器。
3)控制器根据输入的信息，采用一系列算法运算出设备的运转位置、速度、加速度、内力、外部工件受力和振动信息等加工情况；并采取一定的控制策略，对驱动电机2进行位置控制、力控制，以及模式的切换，从而实时地优化了加工的精度，提高了加工速度。
上述实施例中，驱动电机2可以是伺服电机和步进电机等。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种冗余并联机器人***，其特征在于：它包括一静平台，所述静平台上固定设置有四个驱动电机，四个所述驱动电机共同连接一控制器，每一所述驱动电机各固定连接一主动杆，每一所述主动杆的另一端分别通过一旋转副连接一从动杆，形成一条支链，每一所述从动杆的另一端分别固定连接一传感器，每一所述传感器分别通过一旋转副共同连接一动平台。
2.如权利要求1所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：所述四个驱动电机的位置连线呈正方形。
3.如权利要求1所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：每一所述驱动电机具有位置控制和力控制两种模式。
4.如权利要求2所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：每一所述驱动电机具有位置控制和力控制两种模式。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：四个所述主动杆和从动杆形成的四条支链处于同一水平面。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：四个所述主动杆和从动杆形成的四条支链处于异面。
7.如权利要求1或2或3或4所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机和步进电机中的一中。
8.如权利要求5所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机和步进电机中的一中。
9.如权利要求6所述的一种冗余并联机器人***，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机和步进电机中的一中。
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