CN103101050A - 一种新型平面两自由度冗余驱动并联移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型平面两自由度冗余驱动并联移动平台，属于机械制造技术领域。它包括动平台、平行导轨、三条等长支链、一条可伸缩支链以及滑动块；滑动块在对应导轨上的位置以及可伸缩支链的长度都是通过伺服电机进行驱动控制；动平台具有其所在平面内的两个平移自由度。由于采用了并联机构，该移动平台具有刚度高、动态性能好的优点。可伸缩支链作为冗余驱动支链，在其与动平台连接点附近安装有拉压传感器，通过力闭环控制可以在该点且沿着可伸缩支链方向，利用伺服电机给动平台施加预定的拉压力。通过优化冗余驱动支链施加载荷的大小及方向，可以进一步提高机构的刚度和动态性能。

Description

一种新型平面两自由度冗余驱动并联移动平台

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种新型平面两自由度冗余驱动并联移动平台。

背景技术

移动平台作为一种通用性较强的装置，可以用来承载、定位、搬运，在机床、汽车、航空、医疗等行业得到了广泛的应用。随着科技不断向着高速、高效、精密和自动化的方向发展，各相关行业对移动平台的快速性、定位准确性、承载能力等提出了越来越高的要求。

目前常见的平面移动平台主要是通过单自由度的直线进给***串联构成，传动的方式有滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、齿轮齿条传动等。单自由度直线***具有结构简单、控制容易、成本低廉等特点，因此使用较为广泛。但是，使用单自由度直线***串联而成的移动平台在应用中还是存在着不可避免的一些缺点。如使用滚珠丝杠传动的串联移动平台，在重载工况下，会因刚度不够而变形；在高速运行情况下，会由于滚珠丝杠弹性变形引起振动而影响其定位精度。使用蜗轮蜗杆传动的移动平台，动态特性较差，运行效率比较低，而且也很难达到较高的定位精度。

并联机构作为近几十年出现的新型机构，具有刚度高、动态性能好、模块化程度高等特点，因此得到了人们的广泛关注。冗余驱动并联机构作为一种特殊的并联机构，通过对冗余驱动支链的合理控制，可以进一步提高机构的刚度、动态性能、定位精度，因此可以使用冗余驱动并联机构设计移动平台，解决串联移动平台存在的问题。

发明内容

为了解决串联移动平台存在的问题，本发明提出了一种新型两自由度冗余驱动并联移动平台。

本发明所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台由非冗余并联机构和冗余驱动支链组成：

所述的非冗余并联机构的结构是：

在底板1的左侧一端布置有第一滑动块24的驱动机构；在底板1的右侧、和第一滑动块24的驱动机构的同一端布置有第二滑动块27的驱动机构；

其中，第一滑动块24的驱动机构的结构如下：

在所述的底板1的左侧一端固定有第一电机支撑座2；第一伺服电机3固定在所述的第一电机支撑座2上；第一滚珠丝杠4通过第一联轴器5与所述的第一伺服电机3的转轴连接；第一滚珠丝杠4在靠近所述的第一联轴器5的一端，通过固定在所述的第一电机支撑座2上的第一滚珠丝杠固定端6进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板1上的第一滚珠丝杠支撑端7进行支撑转动；在所述的第一滚珠丝杠4上套接了无法兰式的第一丝杠螺母8；在所述的第一滚珠丝杠4的两侧平行且等距地分别布置有第一直线导轨9和第二直线导轨10；在所述的第一直线导轨9和第二直线导轨10的同一横向位置分别安置有第一滑块11和第二滑块12；

第二滑动块27的驱动机构的结构为：

在所述的底板1的右侧、和第一伺服电机3同一端固定有第二电机支撑座13，第二伺服电机14固定在所述的第二电机支撑座13上；第二滚珠丝杠15通过第二联轴器16与所述的第二伺服电机14的转轴连接；第二滚珠丝杠15在靠近所述的第二联轴器16的一端，通过固定在所述的第二电机支撑座13上的第二滚珠丝杠固定端17进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板1上的第二滚珠丝杠支撑端18进行支撑转动；在所述的第二滚珠丝杠15上套接了无法兰式的第二丝杠螺母19；在所述的第二滚珠丝杠15的两侧平行且等距地分别布置有第三直线导轨20和第四直线导轨21，在所述的第三直线导轨20和第四直线导轨21的同一横向位置分别安置有第三滑块22和第四滑块23；

在所述的第一丝杠螺母8上通过键连接的形式固定连接了第一滑动块24，所述的第一滑动块24同时固定在所述的第一滑块11和第二滑块12上；在所述的第一滑动块24上，通过铰接形式连接有第一连杆25和第二连杆26，且两个铰链点的连线与所述的第一滚珠丝杠4的轴线平行；

在所述的第二丝杠螺母19上通过键连接形式固定连接了第二滑动块27，所述的第二滑动块27同时固定在所述的第三滑块22和第四滑块23上；在所述的第二滑动块27上，通过铰接形式连接有第三连杆28；

所述的第一连杆25、第二连杆26和第三连杆28长度相等，且同时通过铰接的形式连接于动平台29的底面；在所述的动平台29上连接第一连杆25和第二连杆26的铰链点之间的距离与所述的第一滑动块24上的两个铰链点距离相等，从而第一滑动块24、第一连杆25、第二连杆26和动平台29形成了一个平行四边形机构，限制了动平台29的转动；

所述的冗余驱动支链的结构是：

在所述的底板1的右侧、和第二伺服电机14相对的另一端布置有第三滑动块41的驱动机构，所述的驱动机构的结构如下：

在所述的底板1的右侧、和第二伺服电机14相对的另一端固定有第三电机支撑座30，第三伺服电机31固定在所述的第三电机支撑座30上；第三滚珠丝杠32通过第三联轴器33与所述的第三伺服电机31的转轴连接；第三滚珠丝杠32在靠近所述的第三联轴器33的一端，通过固定在所述的第三电机支撑座30上的第三滚珠丝杠固定端34进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板1上的第三滚珠丝杠支撑端35进行支撑转动；在所述的第三滚珠丝杠32上套接了无法兰式的第三丝杠螺母36；在所述的第三滚珠丝杠32的两侧平行且等距地分别布置有第五直线导轨37和第六直线导轨38；在所述的第五直线导轨37和第六直线导轨38的同一横向位置分别安置有第五滑块39和第六滑块40；

在第三丝杠螺母36上通过键连接形式固定连接了第三滑动块41，所述的第三滑动块41同时固定在第五滑块39和第六滑块40上；在所述的第三滑动块41上通过铰接形式连接有支撑板42，在所述的支撑板42上布置有第四滑动块54的轴向驱动机构，所述的驱动机构的结构如下：

在所述的第三滑动块41上固定有第四电机支撑座43，第四伺服电机44固定在所述的第四电机支撑座43上；第四滚珠丝杠45通过第四联轴器46与所述的第四伺服电机44的转轴连接；第四滚珠丝杠45在靠近所述的第四联轴器46的一端，通过固定在所述的第四电机支撑座43上的第四滚珠丝杠固定端47进行支撑转动，另一端通过固定在所述的第三滑动块41上的第四滚珠丝杠支撑端48进行支撑转动；在所述的第四滚珠丝杠45上套接了无法兰式的第四丝杠螺母49；在所述的第四滚珠丝杠45的两侧平行且等距地分别布置有第七直线导轨50和第八直线导轨51；在所述的第七直线导轨50和第八直线导轨51的同一横向位置分别安置有第七滑块52和第八滑块53；

在所述的第四丝杠螺母49上通过键连接形式固定连接了第四滑动块54，所述的第四滑动块54同时固定在第七滑块52和第八滑块53上；第四连杆55的一端和所述的第四滑动块54固定连接，另一端和拉压传感器56相连；第五连杆57的一端和拉压传感器56相连，另一端通过铰接形式连接于所述的动平台29的上表面；所述的第四连杆55、拉压传感器56和第五连杆57处于同一轴线上，通过第四伺服电机44给所述的动平台29施加预定的拉压力。

本发明的有益效果为：

本发明提供的冗余驱动并联移动平台具有刚度高、动态性能好、运行精度高的特点；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精度；在冗余驱动支链上安装的拉压传感器，可以通过闭环控制实现对加载力大小的精确控制；整个机构的驱动装置均通过滚珠丝杠进行传动，传动精度较高。

附图说明

图1是本发明所述的移动平台的整体结构示意图；

图2是本发明所述的移动平台的驱动机构的结构示意图；

图3是本发明所述的移动平台的冗余驱动支链的轴向驱动结构示意图。

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：

本发明所述的平面两自由度冗余驱动并联移动平台的工作过程详述如下：

如图1所示，该冗余驱动并联移动平台所需控制的是动平台29的位置，在给定其位置后，通过机构的位置逆解，可以分别获得第一滑动块24和第二滑动块27在相应的第一滚珠丝杠4和第二滚珠丝杠15上的位置，利用驱动机构对第一滑动块24和第二滑动块27的位置进行控制，从而可以获得所需的动平台29的位置。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能够获得该支链施加于动平台29上的最优加载力大小和方向，进一步可以确定第三滑动块41在第三滚珠丝杠32上的位置，以及沿着第四连杆55的轴向方向所需施加的拉压力大小，从而可以利用第三伺服电机31和第四伺服电机44进行控制，以提高机构的动态运行性能。

如图2所示，第一滑动块24、第二滑动块27和第三滑动块41的位置是通过相应的驱动机构来控制的，工作过程都是一样的；这里以第一滑动块24的驱动机构为例详细说明其工作过程：通过机构位置逆解获得第一滑动块24的位置后，将该位置转换为第一伺服电机3的位置控制指令，第一伺服电机3根据位置控制指令值驱动电机轴旋转，通过第一联轴器5带动第一滚珠丝杠4旋转，第一滚珠丝杠4的旋转转换为第一丝杠螺母8的轴向移动，从而可以带着固接于其上的第一滑动块24移动到所需的位置；第一伺服电机3可以通过自身的编码器实现对位置的半闭环控制，或者通过外部与第一滑动块24相连的直线位移测量装置实现位置的全闭环控制。

如图1和图3所示，冗余驱动支链对动平台29的加载力大小是通过第四伺服电机44进行控制的，在获得了冗余驱动支链沿着第四连杆55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第四滑动块54的位置，同时还需要根据该拉压力大小对动平台29进行加载，因此对第四伺服电机44采用力-位混合控制。第四伺服电机44的位置控制过程与第一滑动块24的驱动机构控制过程类似，其力控制过程为：第四伺服电机44根据所需施加的拉压力值对动平台29进行加载，压力传感器56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，从而形成加载力的闭环控制。伺服电机的控制灵活方便，且运行精度高，因此可以根据需求对动平台施加精确、可控的拉压力载荷。

Claims (6)

1.一种新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台由非冗余并联机构和冗余驱动支链组成。

2.根据权利要求1所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的非冗余并联机构的结构是：

在底板（1）的左侧一端布置有第一滑动块（24）的驱动机构；在底板（1）的右侧、和第一滑动块（24）的驱动机构的同一端布置有第二滑动块（27）的驱动机构。

3.根据权利要求2所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的第一滑动块（24）的驱动机构的结构如下：

在所述的底板（1）的左侧一端固定有第一电机支撑座（2）；第一伺服电机（3）固定在所述的第一电机支撑座（2）上；第一滚珠丝杠（4）通过第一联轴器（5）与所述的第一伺服电机（3）的转轴连接；第一滚珠丝杠（4）在靠近所述的第一联轴器（5）的一端，通过固定在所述的第一电机支撑座（2）上的第一滚珠丝杠固定端（6）进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板（1）上的第一滚珠丝杠支撑端（7）进行支撑转动；在所述的第一滚珠丝杠（4）上套接了无法兰式的第一丝杠螺母（8）；在所述的第一滚珠丝杠（4）的两侧平行且等距地分别布置有第一直线导轨（9）和第二直线导轨（10）；在所述的第一直线导轨（9）和第二直线导轨（10）的同一横向位置分别安置有第一滑块（11）和第二滑块（12）；

所述的第二滑动块（27）的驱动机构的结构为：

在所述的底板（1）的右侧、和第一伺服电机（3）同一端固定有第二电机支撑座（13），第二伺服电机（14）固定在所述的第二电机支撑座（13）上；第二滚珠丝杠（15）通过第二联轴器（16）与所述的第二伺服电机（14）的转轴连接；第二滚珠丝杠（15）在靠近所述的第二联轴器（16）的一端，通过固定在所述的第二电机支撑座（13）上的第二滚珠丝杠固定端（17）进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板（1）上的第二滚珠丝杠支撑端（18）进行支撑转动；在所述的第二滚珠丝杠（15）上套接了无法兰式的第二丝杠螺母（19）；在所述的第二滚珠丝杠（15）的两侧平行且等距地分别布置有第三直线导轨（20）和第四直线导轨（21），在所述的第三直线导轨（20）和第四直线导轨（21）的同一横向位置分别安置有第三滑块（22）和第四滑块（23）；

在所述的第一丝杠螺母（8）上通过键连接的形式固定连接了第一滑动块（24），所述的第一滑动块（24）同时固定在第一滑块（11）和第二滑块（12）上；在所述的第一滑动块（24）上，通过铰接形式连接有第一连杆（25）和第二连杆（26），且两个铰链点的连线与所述的第一滚珠丝杠（4）的轴线平行；

在所述的第二丝杠螺母（19）上通过键连接形式固定连接了第二滑动块（27），所述的第二滑动块（27）同时固定在所述的第三滑块（22）和第四滑块（23）上；在所述的第二滑动块（27）上，通过铰接形式连接有第三连杆（28）；

所述的第一连杆（25）、第二连杆（26）和第三连杆（28）长度相等，且同时通过铰接的形式连接于动平台（29）的底面；在所述的动平台（29）上连接第一连杆（25）和第二连杆（26）的铰链点之间的距离与所述的第一滑动块（24）上的两个铰链点距离相等，从而第一滑动块（24）、第一连杆（25）、第二连杆（26）和动平台（29）形成了一个平行四边形机构。

4.根据权利要求1所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的冗余驱动支链的结构是：

在底板（1）的右侧、和第二伺服电机（14）相对的另一端布置有第三滑动块（41）的驱动机构；在所述的第三滑动块（41）的驱动机构上布置有第四滑动块（54）的轴向驱动机构。

5.根据权利要求4所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的第三滑动块（41）的驱动机构的结构如下：

在所述的底板（1）的右侧、和第二伺服电机（14）相对的另一端固定有第三电机支撑座（30），第三伺服电机（31）固定在所述的第三电机支撑座（30）上；第三滚珠丝杠（32）通过第三联轴器（33）与所述的第三伺服电机（31）的转轴连接；第三滚珠丝杠（32）在靠近所述的第三联轴器（33）的一端，通过固定在所述的第三电机支撑座（30）上的第三滚珠丝杠固定端（34）进行支撑转动，另一端通过固定在所述的底板（1）上的第三滚珠丝杠支撑端（35）进行支撑转动；在所述的第三滚珠丝杠（32）上套接了无法兰式的第三丝杠螺母（36）；在所述的第三滚珠丝杠（32）的两侧平行且等距地分别布置有第五直线导轨（37）和第六直线导轨（38）；在所述的第五直线导轨（37）和第六直线导轨（38）的同一横向位置分别安置有第五滑块（39）和第六滑块（40）；在第三丝杠螺母（36）上通过键连接形式固定连接了第三滑动块（41），所述的第三滑动块（41）同时固定在第五滑块（39）和第六滑块（40）上；在所述的第三滑动块（41）上通过铰接形式连接有支撑板（42），在所述的支撑板（42）上布置有第四滑动块（54）的轴向驱动机构。

6.根据权利要求4或5所述的新型两自由度冗余驱动并联移动平台，其特征在于，所述的第四滑动块（54）的轴向驱动机构的结构如下：

在所述的第三滑动块（41）上固定有第四电机支撑座（43），第四伺服电机（44）固定在所述的第四电机支撑座（43）上；第四滚珠丝杠（45）通过第四联轴器（46）与所述的第四伺服电机（44）的转轴连接；第四滚珠丝杠（45）在靠近所述的第四联轴器（46）的一端，通过固定在所述的第四电机支撑座（43）上的第四滚珠丝杠固定端（47）进行支撑转动，另一端通过固定在所述的第三滑动块（41）上的第四滚珠丝杠支撑端（48）进行支撑转动；在所述的第四滚珠丝杠（45）上套接了无法兰式的第四丝杠螺母（49）；在所述的第四滚珠丝杠（45）的两侧平行且等距地分别布置有第七直线导轨（50）和第八直线导轨（51）；在所述的第七直线导轨（50）和第八直线导轨（51）的同一横向位置分别安置有第七滑块（52）和第八滑块（53）；

在所述的第四丝杠螺母（49）上通过键连接形式固定连接了第四滑动块（54），所述的第四滑动块（54）同时固定在第七滑块（52）和第八滑块（53）上；第四连杆（55）的一端和所述的第四滑动块（54）固定连接，另一端和拉压传感器（56）相连；第五连杆（57）的一端和拉压传感器（56）相连，另一端通过铰接形式连接于所述的动平台（29）的上表面；所述的第四连杆（55）、拉压传感器（56）和第五连杆（57）处于同一轴线上，通过第四伺服电机（44）给所述的动平台（29）施加预定的拉压力。

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