CN108501446B - 一种可重构的并联机构及其重构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可重构的并联机构，包括定平台、滑块、5R机构，定平台的相对应两侧面分别对称设置有转动副F1、F2，转动副F1、F2中心轴线与转动副D1、D2的中心轴线平行，定平台通过转动副F1、F2与5R机构相连。本发明还公开了一种可重构的并联机构的重构控制方法，首先根据折箱轨迹采取工作点转动副C的路径数据，再求得电机驱动角从而控制转动副C按照预定轨迹运动。本发明解决了现有5R平面并联机构无法重构的问题。

Description

一种可重构的并联机构及其重构控制方法

技术领域

本发明属于包装机械自动化设备领域，涉及一种可重构的并联机构及其重构控制方法。

背景技术

快递行业近年来发展速度迅猛，目前市场上对纸盒进行包装的机械设备一般为并联机构，这种并联机构多为定制流水线作业所用，不适合小型电商使用。在并联机构中，5R平面并联机构是最简单的并联机构之一。现有技术实现机构的可重构主要有以下一些方法：通过运动链的耦合，实现4R机构和5R机构之间的转换；通过把P副固定在3RRR过约束并联机构分支上的连杆，改变3PRS定平台的尺寸和位置，从而实现机构重构；通过使用螺旋副带动连接有三个连杆的平台运动，从而使Delta并联机构的动平台的尺寸和位置发生变化，实现机构的可重构；通过液压杆组合成为工作平台，液压杆的伸缩改变工作平台的尺寸，实现机构的可重构。大量的理论研究发现，机构的可重构，在增大机构工作空间、提高机构控制性能方面具有显著的作用。然而，目前现有的5R平面并联机构各个尺寸是固定的。尺寸固定的5R机构能实现机构某些方面的性能，但想得到综合性能好的5R平面并联机构并不容易。

发明内容

本发明的目的是提供一种可重构的并联机构，解决了现有5R平面并联机构无法重构的问题。

本发明的目的还在于提供一种可重构的并联机构的重构控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种可重构的并联机构，包括定平台、滑块、5R机构，定平台下表面固连机架，定平台上表面垂直固连多根对称分布的导轨，滑块穿过导轨在导轨上与定平台平行滑动，滑块与定平台上下对应处分别设置有螺纹孔、通孔一，

还包括螺旋杆，螺旋杆下部为光滑连轴，上部为螺纹段，螺旋杆下部穿过通孔一通过联轴器一与驱动电机一相连，螺旋杆上部与螺纹孔配合形成螺旋副使得滑块沿螺旋杆上下运动，

滑块沿其中心轴线方向在其相对应两侧面上分别对称设置有转动副D1、D2，滑块通过转动副D1、D2分别与连杆二、连杆三的一端相连，连杆二、连杆三的另一端分别与5R机构相连，定平台的相对应两侧面分别对称设置有转动副F1、F2，转动副F1、F2中心轴线与转动副D1、D2的中心轴线平行，定平台通过转动副F1、F2与5R机构相连，

5R机构包括由连杆四、连杆六、连杆八组成的第一支链，由连杆五、连杆七、连杆九组成的第二支链，以及驱动电机二、驱动电机三，连杆二、连杆三的另一端分别通过转动副E1、E2与第一支链的连杆四、第二支链的连杆五相连，连杆四、连杆五的一端通过转动副F1、F2分别与定平台相连，连杆四的另一端通过转动副A1与连杆六的一端相连，连杆六的另一端通过转动副B1与连杆八的一端相连，连杆五的另一端通过转动副A2与连杆七的一端相连，连杆七的另一端通过转动副B2与连杆九的一端相连，连杆八与连杆九的另一端通过转动副C相连，驱动电机二通过联轴器二与转动副A1相连，驱动电机三通过联轴器三与转动副A2相连，

定平台、滑块均为对称平台，包括环形平台、矩形平台。

本发明的其他特点还在于，

连杆二与连杆三的长度相等，连杆四与连杆五的长度相等，连杆六与连杆七的长度相等，连杆八与连杆九的长度相等。

通孔一位于多根导轨围绕的中心，多根导轨顶部设置有限位平台，限位平台与定平台平行，限位平台设有直径大于螺旋杆杆径的通孔二，螺旋杆穿过通孔二，限位平台限定滑块运动的最高高度。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种可重构的并联机构的重构控制方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1：确定纸箱在折箱成型过程中的动作轨迹

在SolidWorks2015环境下构建纸箱的模型，设定oxy平面坐标系，模拟工作点转动副C操作纸箱箱纸板运动，对工作点转动副C空间内的运动轨迹曲线为路径进行模拟抓取，采集工作点转动副C的路径数据(x_c，y_c)，(x_c，y_c)是转动副C在oxy平面坐标系中的横、纵坐标；

步骤2：利用式(1)计算转动副A1，转动副A2，转动副B1，转动副B2的位置

式中：R_f为定平台中心原点到定平台上转动副F1或F2的距离；R_r为定平台上转动副F1与转动副A1或转动副F2与转动副A2之间的距离；α为连杆四或连杆五与平面坐标系中的x轴正向的夹角；d₃为转动副D1或转动副D2与螺旋杆之间在平面坐标系中的x轴上的投影距离；d₁为定平台上连杆四或连杆五与定平台水平，即α＝0时，滑块与定平台在平面坐标系中的y轴上的距离；p为螺旋杆的节距；为螺旋杆以平面坐标系中的y轴为转轴

的转角；d₂为转动副D1或D2到转动副E1或转动副E2之间的直线距离，求解式(1)：

得到α的值：

其中k₁、k₂、k₃等于如下式子：

k₂＝2R_r(R_f-d₃)(4)

得转动副A1、转动副A2在平面坐标系中的坐标A₁、A₂，以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||：

A₁＝[-R_r·cosα-R_f，R_r·sin α]

A₂＝[R_r·cosα+R_f，R_r·sinα] (6)

||A₁A₂||＝||2(R_rcosα+R_f)|| (7)

可知转动副B1、转动副B2在平面坐标系中的坐标B₁、B₂：

B₁＝[A_1x+L₁cos q₁₀₁,A_1y+L₁sin q₁₀₁]

B₂＝[A_2x+L₁ cos q₂₀₁,A_2y+L₁ sin q₂₀₁] (8)

式(8)中A_1x、A_1y为转动副A1的横坐标、纵坐标，A_2x、A_2y为转动副A2的横坐标、纵坐标，q₁₀₁，q₂₀₁分别是转动副A1，A2相对于x轴正向的转角，即驱动角，L₁为连杆六或连杆七的杆长；

步骤三：根据步骤1得到的工作点转动副C在平面坐标系中的横纵坐标(x_c、y_c)，联立式(9)计算B_ix、B_iy，

||L₂||＝(B_ix-x_c)²+(B_iy-y_c)² (9)

式(9)中连杆八或连杆九的杆长用L₂表示，B_ix、B_iy为转动副B1或转动副B2在平面坐标系中的横坐标、纵坐标；

步骤四：根据步骤三得到B_ix、B_iy，将B_ix、B_iy数据代入式(8)计算驱动角q₁₀₁，q₂₀₁，据驱动角q₁₀₁，q₂₀₁以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||启动驱动电机一、驱动电机二、驱动电机三，使得工作点转动副C按照原先采集到的路径数据(x_c、y_c)即折箱动作轨迹运动。

本发明的有益效果是，一种可重构的并联机构及其重构控制方法，解决了现有5R平面并联机构无法重构的问题，本发明一种可重构的并联机构及其重构控制方法可以通过螺旋杆的旋转改变传统平面5R机构尺寸来实现机构的可重构，这一动态变换过程迅速便捷，能快速有效的提高5R机构的综合运动性能。这种可重构的并联机构在实现纸箱折箱作业时，可以适用于不同尺寸结构的纸箱的成型，提高了其在作业工程中的适应性。

附图说明

图1是本发明的一种可重构的并联机构的结构正视图；

图2是本发明的一种可重构的并联机构的结构侧视图；

图3是本发明的一种可重构的并联机构的结构俯视图；

图4是本发明的一种可重构的并联机构的等效结构简图。

图中，1.螺旋杆，2.连杆二，3.滑块，4.连杆四，5.连杆三，6.连杆六，7.连杆七，8.连杆八，9.连杆九，10.连杆五，11.定平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种可重构的并联机构，如1和图2所示，包括定平台11、滑块3、5R机构，定平台11下表面固连机架，机架承载定平台11，使得定平台11的位置固定不动，定平台11上表面垂直固连多根对称分布的导轨，滑块3穿过导轨在导轨上与定平台11平行滑动，滑块3与定平台11上下对应处分别设置有螺纹孔、通孔一，

还包括螺旋杆1，螺旋杆1下部为光滑连轴，上部为螺纹段，螺旋杆1下部穿过通孔一通过联轴器一与驱动电机一相连，螺旋杆1上部与螺纹孔配合形成螺旋副使得滑块3沿螺旋杆1上下运动，滑块3和螺旋杆1螺纹连接，螺旋杆1转动，滑块3由于导轨约束了旋转自由度从而滑块3沿着螺旋杆1的轴向进行直线运动，

滑块3沿其中心轴线方向在其相对应两侧面上分别对称设置有转动副D1、D2，滑块3通过转动副D1、D2分别与连杆二2、连杆三5的一端相连，连杆二2、连杆三5的另一端分别与5R机构相连，定平台11的相对应两侧面分别对称设置有转动副F1、F2，转动副F1、F2中心轴线与转动副D1、D2的中心轴线平行，保证机构做平面运动，定平台11通过转动副F1、F2与5R机构相连，

5R机构包括由连杆四4、连杆六6、连杆八8组成的第一支链，由连杆五10、连杆七7、连杆九9组成的第二支链，以及驱动电机二、驱动电机三，连杆二2、连杆三5的另一端分别通过转动副E1、E2与第一支链的连杆四4、第二支链的连杆五10相连，连杆四4、连杆五10的一端通过转动副F1、F2分别与定平台11相连，连杆四4的另一端通过转动副A1与连杆六6的一端相连，连杆六6的另一端通过转动副B1与连杆八8的一端相连，连杆五10的另一端通过转动副A2与连杆七7的一端相连，连杆七7的另一端通过转动副B2与连杆九9的一端相连，连杆八8与连杆九9的另一端通过转动副C相连，驱动电机二通过联轴器二与转动副A1相连，驱动电机三通过联轴器三与转动副A2相连，

定平台11、滑块3均为对称平台，包括环形平台、矩形平台，保证转动副D1、转动副D2位置对称，转动副F1、F2位置对称。

连杆二2与连杆三5的长度相等，连杆四4与连杆五10的长度相等，连杆六6与连杆七7的长度相等，连杆八8与连杆九9的长度相等，保证各个连杆之间的转动副A1、A2、B1、B2中心轴线平行，使得机构做平面运动。

如图3所示，通孔一位于多根导轨围绕的中心，多根导轨顶部设置有限位平台，限位平台与定平台11平行，限位平台设有直径大于螺旋杆1杆径的通孔二，螺旋杆1穿过通孔二，限位平台限定滑块3运动的最高高度。

本发明的一种可重构的并联机构，针对现有5R平面并联机构无法重构的问题，可以实现机构的可重构，本发明与传统的5R并联机构相比，定平台、滑块、螺旋杆、连杆二、连杆三组成的机构模块等效于传统5R机构的定平台，即机架，在此模块中螺旋副由驱动电机一驱动，使得滑块实现沿y轴的上下移动，滑块与连杆二、连杆三通过转动副D1、D2连接，连杆二、连杆三通过转动副E1、E2连接连杆四、连杆五。当滑块沿y轴移动时，连杆四、连杆五绕转动副F1、F2转轴转动，从而改变转动副A1、A2的位置，等效于改变传动5R机构的定平台尺寸，螺旋副、转动副A1、转动副A2分别连接有驱动电机一、驱动电机二、驱动电机三，相当于驱动副，分别与转动副A1、转动副A2连接的第一支链、第二支链运动最终改变转动副C的位置，转动副C即相当于传统5R等效于改变传统平面5R机构的动平台(操作手)。

本发明一种采用如上所述的一种可重构的并联机构的重构控制方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1：确定纸箱在折箱成型过程中的动作轨迹

在SolidWorks2015环境下构建纸箱的模型，设定oxy平面坐标系，模拟工作点转动副C操作纸箱箱纸板运动，对工作点转动副C空间内的运动轨迹曲线为路径进行模拟抓取，采集工作点转动副C的路径数据(x_c，y_c)，(x_c，y_c)是转动副C在oxy平面坐标系中的横、纵坐标；

步骤2：利用式(1)计算转动副A1，转动副A2，转动副B1，转动副B2的位置

式中：R_f为定平台11中心原点到定平台11上转动副F1或F2的距离；R_r为定平台11上转动副F1与转动副A1或转动副F2与转动副A2之间的距离；α为连杆四4或连杆五5与平面坐标系中的x轴正向的夹角；d₃为转动副D1或转动副D2与螺旋杆1之间在平面坐标系中的x轴上的投影距离；d₁为定平台11上连杆四4或连杆五5与定平台11水平，即α＝0时，滑块3与定平台11在平面坐标系中的y轴上的距离；p为螺旋杆1的节距；为螺旋杆1以平面坐标系中的y轴为转轴的转角；d₂为转动副D1或D2到转动副E1或转动副E2之间的直线距离，求解式(1)：

得到α的值：

其中k₁、k₂、k₃等于如下式子：

k₂＝2R_r(R_f-d₃)(4)

得转动副A1、转动副A2在平面坐标系中的坐标A₁、A₂，以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||：

A₁＝[-R_r·cosα-R_f，R_r·sinα]

A₂＝[R_r·cosα+R_f，R_r·sinα] (6)

||A₁ A₂||＝||2(R_r cosα+R_f)|| (7)

可知转动副B1、转动副B2在平面坐标系中的坐标B₁、B₂：

B₁＝[A_1x+L₁ cos q₁₀₁,A_1y+L₁ sin q₁₀₁]

B₂＝[A_2x+L₁ cos q₂₀₁,A_2y+L₁ sin q₂₀₁] (8)

式(8)中A_1x、A_1y为转动副A1的横坐标、纵坐标，A_2x、A_2y为转动副A2的横坐标、纵坐标，q₁₀₁，q₂₀₁分别是转动副A1，A2相对于x轴正向的转角，即驱动角，L₁为连杆六6或连杆七7的杆长；

步骤三：根据步骤1得到的工作点转动副C在平面坐标系中的横纵坐标(x_c、y_c)，联立式(9)计算B_ix、B_iy，

||L₂||＝(B_ix-x_c)²+(B_iy-y_c)² (9)

式(9)中连杆八8或连杆九9的杆长用L₂表示，B_ix、B_iy为转动副B1或转动副B2在平面坐标系中的横坐标、纵坐标；

步骤四：根据步骤三得到B_ix、B_iy，将B_ix、B_iy数据代入式(8)计算驱动角q₁₀₁，q₂₀₁，据驱动角q₁₀₁，q₂₀₁以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||启动驱动电机一、驱动电机二、驱动电机三，使得工作点转动副C按照原先采集到的路径数据(x_c、y_c)即折箱动作轨迹运动。

本发明的一种可重构的并联机构的重构控制方法，根据折箱的动作轨迹得到转动副C的路径轨迹，从而求得驱动角控制驱动电机二、驱动电机三使得工作点转动副C按照预定轨迹运动，这一动态变换过程迅速便捷，能快速有效的提高5R机构的综合运动性能，使得在实现纸箱折箱作业时，可以适用于不同尺寸结构的纸箱的成型，提高了其在作业工程中的适应性。

Claims (4)

1.一种可重构的并联机构，其特征在于，包括定平台(11)、滑块(3)、5R机构，所述定平台(11)下表面固连机架，所述定平台(11)上表面垂直固连多根对称分布的导轨，所述滑块(3)穿过导轨在导轨上与所述定平台(11)垂直滑动，所述滑块(3)与所述定平台(11)上下对应处分别设置有螺纹孔、通孔一，

还包括螺旋杆(1)，所述螺旋杆(1)下部为光滑连轴，上部为螺纹段，所述螺旋杆(1)下部穿过通孔一通过联轴器一与驱动电机一相连，所述螺旋杆(1)上部与螺纹孔配合形成螺旋副使得滑块(3)沿螺旋杆(1)上下运动，

所述滑块(3)沿其中心轴线方向在其相对应两侧面上分别对称设置有转动副D1、D2，所述滑块(3)通过转动副D1、D2分别与连杆二(2)、连杆三(5)的一端相连，所述连杆二(2)、连杆三(5)的另一端分别与所述5R机构相连，所述定平台(11)的相对应两侧面分别对称设置有转动副F1、F2，所述转动副F1、F2中心轴线与所述转动副D1、D2的中心轴线平行，所述定平台(11)通过所述转动副F1、F2与所述5R机构相连，

所述5R机构包括由连杆四(4)、连杆六(6)、连杆八(8)组成的第一支链，由连杆五(10)、连杆七(7)、连杆九(9)组成的第二支链，以及驱动电机二、驱动电机三，所述连杆二(2)、连杆三(5)的另一端分别通过转动副E1、E2与第一支链的连杆四(4)、第二支链的连杆五(10)相连，所述连杆四(4)、连杆五(10)的一端通过转动副F1、F2分别与所述定平台(11)相连，所述连杆四(4)的另一端通过转动副A1与连杆六(6)的一端相连，所述连杆六(6)的另一端通过转动副B1与连杆八(8)的一端相连，所述连杆五(10)的另一端通过转动副A2与连杆七(7)的一端相连，所述连杆七(7)的另一端通过转动副B2与连杆九(9)的一端相连，所述连杆八(8)与连杆九(9)的另一端通过工作点转动副C相连，所述驱动电机二通过联轴器二与转动副A1相连，所述驱动电机三通过联轴器三与转动副A2相连，

所述定平台(11)、滑块(3)均为对称平台。

2.如权利要求1所述的一种可重构的并联机构，其特征在于，所述连杆二(2)与连杆三(5)的长度相等，所述连杆四(4)与连杆五(10)的长度相等，所述连杆六(6)与连杆七(7)的长度相等，所述连杆八(8)与连杆九(9)的长度相等。

3.如权利要求1所述的一种可重构的并联机构，其特征在于，所述通孔一位于多根导轨围绕的中心，多根所述导轨顶部设置有限位平台，所述限位平台与定平台(11)平行，所述限位平台设有直径大于所述螺旋杆(1)杆径的通孔二，螺旋杆(1)穿过所述通孔二，所述限位平台限定所述滑块(3)运动的最高高度。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的可重构的并联机构的重构控制方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1：确定纸箱在折箱成型过程中的动作轨迹

在SolidWorks2015环境下构建纸箱的模型，设定oxy平面坐标系，模拟工作点转动副C操作纸箱箱纸板运动，对工作点转动副C空间内的运动轨迹曲线为路径进行模拟抓取，采集工作点转动副C的路径数据(x_c，y_c)，(x_c，y_c)是工作点转动副C在oxy平面坐标系中的横、纵坐标；

步骤2：利用式(1)计算转动副A1，转动副A2，转动副B1，转动副B2的位置

式中：R_f为定平台(11)中心原点到定平台(11)上转动副F1或F2的距离；R_r为定平台(11)上转动副F1与转动副A1或转动副F2与转动副A2之间的距离；α为连杆四(4)或连杆五(5)与平面坐标系中的x轴正向的夹角；d₃为转动副D1或转动副D2与螺旋杆(1)之间在平面坐标系中的x轴上的投影距离；d₁为定平台(11)上连杆四(4)或连杆五(5)与定平台(11)水平，即α＝0时，滑块(3)与定平台(11)在平面坐标系中的y轴上的距离；p为螺旋杆(1)的节距；为螺旋杆(1)以平面坐标系中的y轴为转轴的转角；d₂为转动副D1或D2到转动副E1或转动副E2之间的直线距离，求解式(1)：

得到α的值：

其中k₁、k₂、k₃等于如下式子：

得转动副A1、转动副A2在平面坐标系中的坐标A₁、A₂，以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||：

||A₁A₂||＝||2 (R_rcosα+R_f)|| (7)

可知转动副B1、转动副B2在平面坐标系中的坐标B₁、B₂：

式(8)中A_1x、A_1y为转动副A1的横坐标、纵坐标，A_2x、A_2y为转动副A2的横坐标、纵坐标，q₁₀₁，q₂₀₁分别是转动副A1，A2相对于x轴正向的转角，即驱动角，L₁为连杆六(6)或连杆七(7)的杆长；

步骤三：根据步骤1得到的工作点转动副C在平面坐标系中的横纵坐标(x_c、y_c)，联立式(9)计算B_ix、B_iy，

式(9)中连杆八(8)或连杆九(9)的杆长用L₂表示，B_ix、B_iy为转动副B1或转动副B2在平面坐标系中的横坐标、纵坐标；

步骤四：根据步骤三得到B_ix、B_iy，将B_ix、B_iy数据代入式(8)计算驱动角q₁₀₁，q₂₀₁，据驱动角q₁₀₁，q₂₀₁以及转动副A1和转动副A2之间的距离||A₁A₂||启动驱动电机一、驱动电机二、驱动电机三，使得工作点转动副C按照原先采集到的路径数据(x_c、y_c)即折箱动作轨迹运动。