CN104690717B - 具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元 - Google Patents

Abstract

一种可以加强承载的并具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，包括：机构基座、带有载荷协调机构的动平台以及输出机构，机构基座与动平台相连，载荷协调机构设置于动平台内，输出机构的两端分别与载荷协调机构和机构基座活动连接；本发明可用于单方向的力的输出或承载，整个结构在子驱动单元的作用下可以使输出装置在与机构基座平面法线垂直的方向上进行力或者位置输出。载荷协调机构在工作过程中可以沿机构基座平面法线方向进行移动，也可以围绕协调铰链进行一个或者多个自由度的转动。

Description

具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元

技术领域

本发明涉及的是一种机械传动领域的技术，具体是一种具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元。

背景技术

并联机构由于其具有的高精度、高刚度、高承载等优点，目前逐渐被工业领域所广泛使用。但是在通常情况下，由于并联机构各驱动运动与末端平台自由度相互耦合、尤其对于冗余驱动(驱动数目多余工作空间自由度)机构而言，在机构的控制上具有很高的要求。目前绝大多数对并联机构尤其是冗余驱动并联机构的控制方式需要复杂的计算以及精密的控制装置实现，该控制方式提高了整个设备的成本，使***变得复杂，并可能出现工作不稳定的情况。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103231254A公开(公告)日2013.08.07，公开了一种具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，包括上下平台、机架以及四个独立可伸缩的调整分支；移动副均包括与导轨滑动配合的滑块；所述移动副的驱动装置是电机带动的丝杠机构，其中含有通过螺纹配合结构驱动滑块的丝杠，导轨轴线与丝杠轴线均垂直于地面。但该技术采用冗余驱动的机构，为保证机构运行的稳定及解决支链内力的问题，在控制***(控制算法与硬件***)上要求比较高，容易出现整个机构损坏的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，借鉴了冗余驱动并联机构的设计思路，通过增加局部自由度，解决内力协调问题，避免支链内力的产生；同时通过使用力学稳定性原理，改变动平台的几何尺寸，使机构能够对其本身进行稳定的控制，即使装置本身在发生偏载时能够自发地调整载荷的分配，从而减少了对外部控制的需求。该方式在保证了工作稳定性的同时减少了制造成本。该能力可以通过力学中的稳定性原理加以得证。

本发明通过解决冗余驱动并联机构存在的问题，将并联机构的优点引入到子驱动单元的设计中来。一般的冗余驱动机构，为避免支链内力的产生以及工作的稳定性，需要较为精密的算法以及外部控制手段，这样就增加了使用冗余驱动的难度。本发明通过增加机构动平台的自由度及适当改变其几何参数，使机构本身具有偏载自协调的能力，即保持工作稳定性的能力。在此基础上，将冗余驱动机构的设计思路引入到设计一种子驱动单元中来，该装置在保持并联机构优点的同时，解决了对并联机构控制需求上的问题。该发明既可以单独使用用于高承载的工况中，也可以将该装置整体作为一个单元代替传统驱动器作为力的输出装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：机构基座、带有载荷协调机构的动平台以及输出机构，其中：机构基座与动平台相连，载荷协调机构设置于动平台内，输出机构的两端分别与载荷协调机构和机构基座活动连接。

所述的机构基座与动平台之间通过至少两个子驱动单元相连。

所述的载荷协调机构包括：与动平台固定连接的连接架以及滑动设置于连接架内的协调铰链连接座，其中：协调铰链连接座与输出机构的一端通过协调铰链转动连接。

该机构的偏载自协调能力是通过协调铰链与动平台上球铰链中心构成的平面的位置关系实现的。即当载荷作用在末端输出机构并指向机构基座方向时，协调铰链的位置应该位于机构基座各铰链中心构成的平面与动平台各铰链中心构成的平面之间。当载荷作用方向背离机构基座时，协调铰链位置应位于动平台各铰链中心构成的平面的另一侧。当动平台在外界扰动作用下发生偏载时，在保证子驱动单元驱动力不变的情况下，动平台有能够自发地恢复到匀载状态的能力，即回到动平台的平衡位置。该偏载自协调能力的证明可以通过经典力学中的稳定性理论得到。

技术效果

与现有技术相比，本发明将冗余驱动并联机构的优点引入到驱动器设计中，并同时避免冗余驱动并联机构对外部控制的要求。本发明能构降低控制***的复杂程度，降低***开发成本并同时保证了子驱动单元稳定运行能力。可调节的多个周布的子驱动单元能显著提高机构整体的承载能力。整个机构也可当做驱动单元代替传统的直线驱动器使用，提高了单个直线驱动器的力学性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2、图3分别为载荷协调机构与协调铰链位置调整装置的整体示意图；

图中：1机构基座、2机构基座万向铰链、3子驱动单元、4连接杆、5球铰链、6动平台、7连接架、8协调铰链连接座、9局部移动滑块、10弹性装置、11协调铰链、12输出机构、13移动副、14限位结构。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、2、3所示，本实例包括：机构基座1、带有载荷协调机构的动平台6以及输出机构12，其中：机构基座1与动平台6相连，载荷协调机构设置于动平台6内，输出机构12的两端分别与载荷协调机构和机构基座1活动连接。

所述的机构基座1与动平台6之间通过至少两个子驱动单元3相连。

所述的子驱动单元3可以采用直线电缸或液压缸等常规直线驱动器实现，当进行位置输出时，子驱动单元3驱动动平台6进而带动输出机构12输出力或者位移，各个子驱动单元3输出相同的驱动力，即输出的位移与末端的位移相同。

所述的载荷协调机构包括：与动平台6固定连接的连接架7以及滑动设置于连接架7内的协调铰链连接座8，其中：协调铰链连接座8与输出机构12的一端通过协调铰链11转动连接。

所述的协调铰链连接座8通过导轨滑块机构9实现在连接架7内的滑动。

所述的协调铰链连接座8的连接架7之间设有弹性装置10。

所述的连接架7上设有限位机构14。

所述的输出机构12的另一端与设置于机构基座1上的移动副13相连接，该移动副13的方向与协调铰链11的中心构成的平面的法线方向平行，因此输出机构12实际只具有一个沿移动副13轴线方向的自由度。

通常情况下，多驱动机构、尤其是冗余驱动(驱动数目多余工作空间自由度)机构的控制需要复杂的计算以及精密的控制装置实现，提高了整个设备的成本，并使***变得复杂，并可能出现工作不稳定的情况。该机构主要作用是对多个驱动力进行输出。通常情况下，多子驱动单元的结构是多进一出的刚性机构，这就需要较为复杂的控制手段，否则会产生支链内力、偏载等问题。为解决该问题，该机构通过增加载荷协调机构围绕协调铰链转动的自由度，使机构本身能够具有协调偏载的能力，并且不会产生支链内力。同时该方法极大的弱化了对控制力的计算以及控制方面的需求，减少成本的同时提高了整个***的稳定性。

多个周布的子驱动单元可以提高整个机构的力输出能力或者承载能力，因此可用于高承载工况或者单个子驱动单元力学特性不满足工作要求的情况。

由于该机构可以稳定输出单方向的力，因此在特定场合下可以作为一个整体单元替代常规直线驱动器作为输出单元用以提高***的力学性能。

所述的载荷协调机构的具体工作过程如下描述：当子驱动单元处于非工作状态时，在弹簧10的调节作用下协调铰链11与动平台上球铰链5中心构成的平面共面。当外部载荷作用在输出机构并指向机构基座1时，协调铰链11由于受到外力作用而向机构基座方向移动，在移动到连接架限位处14时停止并保持稳定。此时的协调铰链11与动平台球铰链5的位置关系使载荷协调机构在该方向载荷的作用下具有偏载自协调的能力。若载荷方向背离机构基座1，则协调铰链11运动至背离机构基座的连接架限位处，此时载荷协调机构仍具有在该方向载荷作用下的偏载自协调能力。因此针对不同方向施加的载荷，该装置都具有偏载自协调能力。在该子驱动单元的设计中，协调铰链连接座8的运动范围不宜过长，如果移动范围过长，会影响机构输出精度并产生一定的滞后性。

整个装置根据具体构型的不同具有多种自由度，但是主要包含为以下两种：第一种为沿输出方向的运动，该自由度不依赖于具体的机构构型而一定存在；第二种为载荷协调机构绕协调铰链的转动，该自由度数目和具体构型有关，即与该装置的自由度数相关联。整个装置通过子驱动单元的作用使输出机构进行稳定的力或位置的输出。并且在保证子驱动单元输出力相同的前提下，即使整个机构在外部扰动作用下是动平台发生转动产生偏载，在载荷协调机构的作用下也能使机构逐渐回到匀载状态。该功能的实现依赖于力学中的稳定性原理。

本实施例所述装置在不同应用环境下可进行适应性的调整，比如机构基座上的铰链也可以使用球铰链，驱动的数目也可以增加或者减少，可根据环境做适当增减。载荷协调机构也可以根据具体工况确定，如果载荷始终方向相同，则协调铰链位置可以固定在动平台一侧，而不需要使用协调铰链位置调整装置。

Claims (7)

1.一种具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征在于，包括：机构基座、带有载荷协调机构的动平台以及输出机构，其中：机构基座与动平台相连，载荷协调机构设置于动平台内，输出机构的两端分别与载荷协调机构和机构基座活动连接；

所述的载荷协调机构包括：与动平台固定连接的连接架以及滑动设置于连接架内的协调铰链连接座，其中：协调铰链连接座与输出机构的一端通过协调铰链转动连接，当进行位置输出时，子驱动单元驱动动平台进而带动输出机构输出力或者位移，各个子驱动单元输出相同的驱动力，即输出的位移与末端的位移相同。

2.根据权利要求1所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的机构基座与动平台之间通过至少两个子驱动单元相连。

3.根据权利要求2所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的子驱动单元的个数为两个时，整个机构是平面机构，与子驱动单元相连接的布置在机构基座及载荷协调机构上的铰链为转动副；当子驱动单元的个数为三个以上时，整个机构为空间并联机构，与子驱动单元相连接的、机构基座上的铰链为万向铰链或者球铰链，载荷协调机构的动平台上为球铰链。

4.根据权利要求1所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的协调铰链连接座通过导轨滑块机构实现在连接架内的滑动。

5.根据权利要求1所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的协调铰链连接座的连接架之间设有弹性装置。

6.根据权利要求1所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的输出机构的另一端与设置于机构基座上的移动副相连接，该移动副的方向与协调铰链的中心构成的平面的法线方向平行，因此输出机构实际只具有一个沿移动副轴线方向的自由度。

7.根据权利要求1或4或5所述的具有偏载自协调能力的冗余子驱动单元，其特征是，所述的连接架上设有限位机构。