CN110202547A - 六自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种六自由度并联机构，旨在解决现有技术中电驱动六自由度并联机构负载能力有限，不能兼顾高精度和大负载等问题。本发明六自由度并联机构包括：包括定平台、动平台、驱动单元和控制器，所述定平台和所述动平台之间通过六组相同的驱动单元相连，其中，所述六组驱动单元的控制端与所述控制器信号连接，以实现所述六组驱动单元的同步控制；所述驱动单元为冗余同步驱动单元，所述驱动单元可驱动所述动平台运动，并实现所述动平台的空间六自由度运动，本发明六自由度并联机构，可以在单个驱动单元负载能力受限的情况下，将六自由度并联机构的整体负载能力最大可以提高近1倍。

Description

六自由度并联机构
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种六自由度并联机构。
背景技术
目前，在工业、航天、航空、船舶、天文等领域中，经常使用六自由度并联机构作为位姿定位装置。在这些领域中的一些特殊应用场景中，不仅对六自由度并联机构的位姿精度有很高的要求，甚至是对负载能力提出了更高的要求。目前，大负载的六自由度并联机构一般是采用液压驱动，然而，液压驱动的六自由度并联机构的定位精度并不能满足特殊应用的需求。电驱动六自由度并联机构可以达到非常高的定位精度。然而，高精度的电驱动六自由度并联机构的负载能力有限，不能满足大负载应用的需求。在电驱动单元的负载能力不变的条件下提高六自由度并联机构的总体负载能力，对于解决兼顾六自由度并联机构的高精度和大负载的问题具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中电驱动六自由度并联机构负载能力有限，不能兼顾高精度和大负载的问题，本发明提供一种六自由度并联机构，所述六自由度并联机构包括定平台、动平台、驱动单元和控制器，所述定平台和所述动平台之间通过六组相同的驱动单元相连，其中；
所述定平台用以固定所述驱动单元并提供支撑；所述驱动单元设置于所述定平台上，用于为所述动平台提供驱动力，所述动平台由所述驱动单元支撑并驱动；所述六组驱动单元的控制端与所述控制器信号连接，以实现所述六组驱动单元的同步控制；所述驱动单元为冗余同步驱动单元，所述驱动单元可驱动所述动平台运动，并实现所述动平台的空间六自由度运动。
在一些优选实施例中，所述每组驱动单元包括至少两个相同的单驱动单元，所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元采用同步驱动控制。
在一些优选实施例中，所述每组驱动单元还包括第一连接件；所述第一连接件用于连接所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元两端。
在一些优选实施例中，所述每组驱动单元还包括两个第二连接件；所述两个第二连接件通过第一转动端分别固设于所述动平台和所述定平台上，所述驱动单元的两端通过所述第二连接件的第二转动端转动连接于所述定平台和所述动平台之间。
在一些优选实施例中，所述第一连接件可将多个单驱动单元两端进行刚性约束。
在一些优选实施例中，所述驱动单元还包括转动关节，所述转动关节第一端与固设于所述动平台上的第二连接件的第二连接端连接，所述转动关节第二端与所述第一连接件连接。
在一些优选实施例中，与所述定平台连接的第二连接件为定平台第二连接件，所述定平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成定平台支撑端，所述定平台支撑端沿所述定平台的周向均匀布置；与所述动平台连接的第二连接件为动平台第二连接件，所述动平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成动平台支撑端，所述动平台支撑端沿所述动平台的周向均匀布置。
在一些优选实施例中，所述定平台支撑端到所述定平台支撑端的分布中心的距离大于所述动平台支撑端到所述动平台支撑端的分布中心的距离。
在一些优选实施例中，所述控制器中的同步驱动控制可以为“位置-位置”控制方式或“位置-力”控制方式。
在一些优选实施例中，所述第二连接件为万向节或球铰。
本发明的有益效果：
本发明可以在单驱动单元的驱动能力受限的条件下，大幅度提高六自由度并联机构的整体的负载能力的上限，最优的情况下，可以将六自由度并联机构的整体负载能力提高近1倍。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种实施例的结构示意图；
图2是本发明一种实施例的冗余同步驱动单元的正视图；
图3是本发明一种实施例的冗余同步驱动单元的俯视图；
图4是本发明一种实施例中根据负载与动平台逆动力学为第i个冗余同步驱动单元分配负载力的第一种方式的示意图；
图5是本发明一种实施例中根据负载与动平台逆动力学为第i个冗余同步驱动单元分配负载力的第二种方式的示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的一种六自由度并联机构，所述六自由度并联机构包括定平台、动平台、驱动单元和控制器，所述定平台和所述动平台之间通过六组相同的驱动单元相连，其中；
所述定平台用以固定所述驱动单元并提供支撑；所述驱动单元设置于所述定平台上，用于为所述动平台提供驱动力，所述动平台由所述驱动单元支撑并驱动；所述六组驱动单元的控制端与所述控制器信号连接，以实现所述六组驱动单元的同步控制；所述驱动单元为冗余同步驱动单元，所述驱动单元可驱动所述动平台运动，并实现所述动平台的空间六自由度运动。
本发明的一些实施例中，所述每组驱动单元包括至少两个相同的单驱动单元，所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元采用同步驱动控制。
本发明的一些实施例中，所述每组驱动单元还包括第一连接件；所述第一连接件用于连接所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元两端。
本发明的一些实施例中，所述每组驱动单元还包括两个第二连接件；所述两个第二连接件通过第一转动端分别固设于所述动平台和所述定平台上，所述驱动单元的两端通过所述第二连接件的第二转动端转动连接于所述定平台和所述动平台之间。
本发明的一些实施例中，所述第一连接件可将多个单驱动单元两端进行刚性约束。
本发明的一些实施例中，所述驱动单元还包括转动关节，所述转动关节第一端与固设于所述动平台上的第二连接件的第二连接端连接，所述转动关节第二端与所述第一连接件连接。
本发明的一些实施例中，与所述定平台连接的第二连接件为定平台第二连接件，所述定平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成定平台支撑端，所述定平台支撑端沿所述定平台的周向均匀布置；与所述动平台连接的第二连接件为动平台第二连接件，所述动平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成动平台支撑端，所述动平台支撑端沿所述动平台的周向均匀布置。
本发明的一些实施例中，所述定平台支撑端到所述定平台支撑端的分布中心的距离大于所述动平台支撑端到所述动平台支撑端的分布中心的距离。
本发明的一些实施例中，所述控制器中的同步驱动控制可以为“位置-位置”控制方式或“位置-力”控制方式。
本发明的一些实施例中，所述第二连接件为万向节或球铰。
为了更清晰地对本发明六自由度并联机构进行说明，下面结合图1-3对本发明一种优选实施例进行展开详述。
如图1所示，本发明一种六自由度并联机构实施例的结构示意图，包括定平台1、动平台2和6组相同的驱动单元和控制器，6组驱动单元的控制端与所述控制器信号连接，以实现所述六组驱动单元的同步控制；其中控制器为本领域技术人员所熟知的结构，因此未在图中示出。定平台1和动平台2之间通过6组相同的驱动单元相连接，本发明中驱动单元为冗余同步驱动单元，定平台1用于固定冗余同步驱动单元3并为其提供支撑，冗余同步驱动单元3设置于定平台1上，用于为动平台2提供驱动力，动平台2可承载负载，动平台2在6组冗余同步驱动单元3的驱动下可实现动态负载。本发明六自由度并联机构在静止非工作状态时，定平台1的所在平面与动平台2的所在平台平行；其中本发明定平台1和动平台2外轮廓均为正三角形，定平台1的中轴线与动平台2的轴线重合，且两平台中心点连线垂直于定平面1，定平台1的顶角的角平分线与动平台2的底边垂线正交，其中本实施例中定平台1和动平台2的顶角均设置为圆弧顶角，圆弧顶角方便本发明六自由度并联机构安装拆卸，同时减小本发明六自由度并联机构安装工作时发生磕碰时的损坏。
继续参阅图2，本发明实施例中冗余同步驱动单元3示意图，冗余同步驱动单元3包含两个相同的单驱动单元即301_1和301_2，其中单驱动单元为线性精密执行单元，单驱动单元可沿自身轴向伸缩，以实现动平台在空间灵活运动，两相同的单驱动单元即301_1和301_2采用同步驱动控制，由于每个冗余同步驱动单元3都采用了两个单驱动单元，所以最多可以使每个冗余同步驱动单元3的驱动能力比一个单驱动单元构成驱动单元提高一倍，本发明冗余同步驱动单元也可由三个及以上的相同单驱动单元构成，如采用了三个单驱动单元，最多可以使每个驱动单元的驱动能力提高2倍。考虑到采用三个单驱动单元一方面驱动单元在空间上布置不开，另一方面会使同步控制的难度加大，所以本实施例优选两个相同的单驱动单元作为本发明冗余同步驱动单元的结构，本领域技术人员可根据实际应用灵活设置单驱动单元个数，这种对单驱动单元个数的改变并不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。
由于单驱动单元为并联机构中常用结构，且为本领域技术人员所熟知，故在此不再为单驱动单元的内部结构进行详细说明。
参阅图1和图2，冗余同步驱动单元3还包括两个第一连接件303_1和303_2，两个第一连接件303_1和303_2分别用于连接并固定两相同的单驱动单元的两端，本发明第一连接件刚度较大，可实现将多个单驱动单元的两端进行刚性约束，以保证严格的位置同步，本领域技术人员可灵活设置第一连接件的结构，只要能固定多个单驱动单元的两端并保证多个单驱动单元的位置同步即可，本发明冗余同步驱动单元3还包括两个第二连接件，两个第二连接件分别设置于定平台1和动平台2上，冗余同步驱动单元3通过第二连接件转动连接于定平台1和动平台2之间，第二连接件为转动副，可以为万向节或球铰，两个第二连接件通过第一转动端分别固设于动平台2和定平台1上，驱动单元3两端通过第二连接件的第二转动端转动连接于定平台1和动平台2之间，固设于定平台上的第二连接件为定平台第二连接件，固设于动平台上的第二连接件为动平台第二连接件，定平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成定平台支撑端，定平台支撑端沿定平台1的周向均匀布置；动平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成动平台支撑端，所述动平台支撑端沿所述动平台的周向均匀布置，即冗余同步驱动单元3的连接端两两一组分为三组，且三组排列沿定平台1、动平台2周向均匀布置，以此保证动平台2受力平衡，定平台支撑端到定平台支撑端的分布中心的距离大于动平台支撑端到动平台支撑端的分布中心的距离，以保持本发明六自由度并联机构稳定，避免运行时发生侧倾。
本实施例优选万向节作为第二连接件，因为万向节相比于其他球铰类连接件可以提供更高的刚度和精度，保证本发明六自由度并联机构的工作高效可靠，运行平稳。本领域技术人员可根据实际应用灵活设置第二连接件结构，这种对第二连接件结构的改变并不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。
继续参阅图2和图3，冗余同步驱动单元3还包括转动关节304，转动关节304可为动平台2提供自由度，转动关节304第一端与固设于动平台2上的万向节302_2的第二连接端连接，转动关节304第二端与第一连接件303_2相连，即两相同的驱动单元通过两个第一连接件固定在一起，万向节302_1一端和第一连接件303_1固定，另一端和定平台1固定；转动关节304一端和万向节302_2固定，另一端和第一连接件303_2固定；万向节302_2一端和转动关节304固定，另一端和动平台2固定；以此完成冗余同步驱动单元3的固定。通过这样的设计可为动平台提供支撑力及自由度。
本发明仅适用于电驱动下的并联机构，在本实施例中，冗余同步驱动单元3控制方式的实施方案如下；
本发明冗余同步驱动单元3控制方式的第一种实施方案是单驱动单元301_1和301_2均采用位置控制方式，即“位置-位置”控制方式，此控制方式要求两单驱动单元的位置控制要求非常精确，第一连接件的刚度,足够大，可以保证两单驱动单元301_1和301_2的位置误差在容许的范围之内。本实施例中位置控制器采用经典的PID控制器，本领域技术人员也可以根据实际应用灵活选择其它的先进的控制器进行控制，譬如带模糊逻辑的PID控制等。两个单驱动单元的不同步因素一方面可通过单独设计补偿器(可以采用已有成熟的方法)克服，另一方面可由第一连接件提供的刚性约束克服。所述的补偿器可以采用经典的PID或者加入模糊逻辑、神经网络等来提高补偿器的控制效果。
本发明冗余同步驱动单元3控制方式的第二种实施方案是单驱动单元301_1采用位置控制，单驱动单元301_2采用力控制，即“位置-力”控制方式，由单驱动单元301_1的位置控制来保证冗余同步驱动单元3的长度，单驱动单元301_2的力输出按照期望规律跟踪单驱动单元301_1的力。同样的原理下，本发明冗余同步驱动单元3控制方式的第三种实施方案即单驱动单元301_2采用位置控制，单驱动单元301_1采用力控制，由单驱动单元301_2的位置控制来保证冗余同步驱动单元3的长度，单驱动单元301_1的力输出按照期望规律跟踪单驱动单元301_2的力。其中位置控制器采用常规的PID控制器，本领域技术人员也可以根据实际应用灵活选择其它的先进的控制器进行控制，譬如带模糊逻辑的PID控制器等。力控制器的控制是按照期望比例跟随位置控制的单驱动单元的驱动力的输出，使冗余同步驱动单元3的驱动效率达到最高。力控制器采用已有的成熟的力控制算法，优先采用经典的PID控制器，也可以采用其它力控制器，譬如带模糊逻辑的PID控制器、神经网络的PID控制器、滑模变结构控制器等，在此不再详细说明。
需要说明的是，在本发明中，冗余同步驱动单元3的控制方式并不局限于上述方式，本领域技术人员也可以采用其它更为先进的控制方式或控制算法，只要是能够达到同步控制的目的即可。
在本发明中，可以考虑六自由度的动力学通过提高整个机构的驱动效率来提高六自由度并联机构的负载能力。其中第一种实施方式的原理为，根据动平台及其上的负载的逆动力学，求算每个冗余同步驱动单元分配的负载力，根据分配的负载力设计采用位置控制的单驱动单元的位置控制器和/或采用力控制的单驱动单元的力控制器，参阅图4，Fi为逆动力学为第i个冗余同步驱动单元分配的负载力，第i个冗余同步驱动单元根据其自身的单驱动单元控制器由力分配器计算为每个单驱动单元分配的负载力Fi1和Fi2。第二种及第三种实施方式的原理为，根据动平台及其上的负载的逆动力学，求算每个冗余同步驱动单元分配的负载力，将该负载力的一半作为采用力控制的单驱动单元的期望力值来设计力控制器，参阅图5，Fi为逆动力学为第i个冗余同步驱动单元分配的负载力，每个单驱动单元分配的力分别为Fi的0.5倍，即第i个冗余同步驱动单元的单驱动单元301_1分配的负载力为Fi1＝0.5Fi，第i个同步驱动单元的单驱动单元301_2分配的负载力为Fi2＝0.5Fi。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本申请实施例可以在单驱动单元的驱动能力受限的条件下，大幅度提高六自由度并联机构的整体的负载能力的上限。最优的情况下，可以将六自由度并联机构的整体负载能力提高近1倍。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度并联机构，其特征在于，包括定平台、动平台、驱动单元和控制器，所述定平台和所述动平台之间通过六组相同的驱动单元相连，其中：
所述定平台用以固定所述驱动单元并提供支撑；
所述驱动单元设置于所述定平台上，用于为所述动平台提供驱动力；
所述动平台由所述驱动单元支撑并驱动；
所述六组驱动单元的控制端与所述控制器信号连接，以实现所述六组驱动单元的同步控制；所述驱动单元为冗余同步驱动单元，所述驱动单元可驱动所述动平台运动，并实现所述动平台的空间六自由度运动。
2.根据权利要求1所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述每组驱动单元包括至少两个相同的单驱动单元，所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元采用同步驱动控制。
3.根据权利要求2所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述每组驱动单元还包括第一连接件；所述第一连接件用于连接所述每组驱动单元内的所述至少两个相同的单驱动单元两端。
4.根据权利要求3所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述每组驱动单元还包括两个第二连接件；所述两个第二连接件通过第一转动端分别固设于所述动平台和所述定平台上，所述驱动单元的两端通过所述第二连接件的第二转动端转动连接于所述定平台和所述动平台之间。
5.根据权利要求4所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述第一连接件可将多个单驱动单元两端进行刚性约束。
6.根据权利要求5所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述驱动单元还包括转动关节，所述转动关节第一端与固设于所述动平台上的第二连接件的第二连接端连接，所述转动关节第二端与所述第一连接件连接。
7.根据权利要求6所述的六自由度并联机构，其特征在于，
与所述定平台连接的第二连接件为定平台第二连接件，所述定平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成定平台支撑端，所述定平台支撑端沿所述定平台的周向均匀布置；
与所述动平台连接的第二连接件为动平台第二连接件，所述动平台第二连接件的第一转动端两两靠近设置以形成动平台支撑端，所述动平台支撑端沿所述动平台的周向均匀布置。
8.根据权利要求7所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述定平台支撑端到所述定平台支撑端的分布中心的距离大于所述动平台支撑端到所述动平台支撑端的分布中心的距离。
9.根据权利要求1所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述控制器中的同步驱动控制可以为“位置-位置”控制方式或“位置-力”控制方式。
10.根据权利要求4所述的六自由度并联机构，其特征在于，所述第二连接件为万向节或球铰。
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