CN115922674A

CN115922674A - 一种基于2upr-2rru机构的三自由度冗余并联末端力控执行器

Info

Publication number: CN115922674A
Application number: CN202310012064.2A
Authority: CN
Inventors: 李兵; 李志森; 徐鹏; 康熙; 杨晓钧
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种基于2UPR‑2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，包括定平台、动平台、末端工具、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；末端工具设置在动平台上；动平台经第一支链、第二支链、第三支链和第四支链与定平台连接在一起；第一支链和第三支链为UPR支链；第二支链和第四支链为RRU支链。本发明中的动平台相对于定平台由两转一移的三自由度运动输出，具有四条运动支链，冗余驱动有利于机构整体刚度的提高，具有结构紧凑、承载能力高和结构强度高的优点；同时，本发明末端力控执行器可以在动平台连接不同的末端工具，实现多种作业功能，具有良好的应用前景。

Description

一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器

技术领域

本发明属于接触作业领域，具体涉及一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器。

背景技术

针对接触作业领域的机器人力控末端执行器，例如浮动打磨设备，现有技术中多采用单自由度机构，不能满足复杂曲面高精度抛磨的需求；因此，实现两个转动一个移动的动作的三自由度并联末端力控执行器具有广泛的应用前景；三自由度并联机构或装置具有紧凑性好、承载能力高等优点，因此得到广泛研究。

另外，在这些具有两转动一平动的并联机构或装置中，相比于非冗余驱动并联机构，冗余驱动并联机构还具有消除奇异点、提高机构刚度和灵巧度等优点。然而现有技术中的并联机构或装置存在铰链数过多、结构较为复杂的缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，以解决现有技术中的不足。

为了实现上述主要目的，本发明提供了一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，包括定平台、动平台、末端工具、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；末端工具设置在动平台上；动平台经第一支链、第二支链、第三支链和第四支链与定平台连接在一起；

第一支链和第三支链为UPR支链；第二支链和第四支链为RRU支链；

第一支链具有第一U副、第一移动副和第一转动副；第一支链的一端通过第一U副与定平台相连接，第一支链的另一端通过第一转动副与动平台相连接；第一支链的中部形成第一移动副；

第二支链具有第二转动副、第三转动副和第二U副；第二支链的一端通过第二转动副与定平台相连接，第二支链的另一端通过第二U副与动平台相连接；第二支链的中部形成为第三转动副；

第三支链具有第三U副、第二移动副和第四转动副；第三支链的一端通过第三U副与定平台相连接，第三支链的另一端通过第四转动副与动平台相连接；第三支链的中部形成第二移动副；

第四支链具有第五转动副、第六转动副和第四U副；第四支链的一端通过第五转动副与定平台相连接，第二支链的另一端通过第四U副与动平台相连接；第四支链的中部形成为第六转动副；

第一U副包含转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂，转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂垂直相交；第三U副包含转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂；转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂垂直相交，转动轴线$₁₁和转动轴线$₃₁重合；转动轴线$₁₂和转动轴线$₃₂互相平行；

第一转动副的转动轴线$₁₄和转动轴线$₁₂互相平行；第四转动副的转动轴线$₃₄和转动轴线$₃₂互相平行；转动轴线$₃₄和转动轴线$₁₄互相平行；

第一移动副的移动轴线$₁₃通过转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂的交点，且与转动轴线$₁₂垂直；第二移动副移动轴线$₃₃通过转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂的交点，且与转动轴线$₃₂垂直；

第二转动副的转动轴线$₂₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行；第三转动副的转动轴线$₂₂与转动轴线$₂₁互相平行；第五转动副的转动轴线$₄₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行，第六转动副的转动轴线$₄₂与转动轴线$₄₁互相平行；

第二U副包含转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄，转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄垂直相交；第四U副包含转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄，转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄垂直相交；转动轴线$₂₃与转动轴线$₄₃共线；转动轴线$₂₄和转动轴线$₄₄互相平行，且相对于动平台对称布置。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动轴线$₁₁和转动轴线$₃₁穿过定平台的中心轴线；转动轴线$₂₃与转动轴线$₄₃穿过动平台的中心轴线。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一移动副和第二移动副采用贯穿式电机组件；

第一移动副包含第一丝杆和与第一丝杆配合的第一电机；第一电机上设有第一电机固定架，第一电机固定架与第一U副沿转动轴线$₁₂进行旋转配合；

第二移动副包含第二丝杆和与第二丝杆配合的第二电机；第二电机上设有第二电机固定架，第二电机固定架与第三U副沿转动轴线$₃₂进行旋转配合。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一电机和第二电机均位于定平台远离动平台的一侧。

根据本发明的另一种具体实施方式，第二转动副作为第二支链运动的驱动副，第五转动副作为第四支链运动的驱动副；

第二支链包括第三电机、第一蜗杆和第一蜗轮；第一蜗杆设置在第三电机的输出端，第一蜗杆和第一蜗轮配合连接，第二转动副由第一蜗轮驱动；

第四支链包括第四电机、第二蜗杆和第二蜗轮；第二蜗杆设置在第四电机的输出端，第二蜗杆和第二蜗轮配合连接，第五转动副由第二蜗轮驱动。

根据本发明的另一种具体实施方式，第三电机和第四电机均位于定平台远离动平台的一侧。

本发明具备以下有益效果：

本发明中的动平台相对于定平台由两转一移的三自由度运动输出，具有四条运动支链，冗余驱动有利于机构整体刚度的提高，具有结构紧凑、承载能力高和结构强度高的优点；同时，本发明末端力控执行器可以在动平台连接不同的末端工具，实现多种作业功能，具有良好的应用前景。

另外，本发明中采用贯穿式电机与蜗杆蜗杆传动方式，结构更加紧凑，并具有自锁功能，有利于提升运动的稳定性和精确性。

为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的第一立体图；

图2是本发明实施例的第二立体图；

图3是本发明实施例中四条支链的分布图；

图4是本发明实施例中第一支链的结构图；

图5是本发明实施例中第二支链的结构图；

图6是本发明实施例中第三支链的结构图；

图7是本发明实施例中第四支链的结构图；

图8是本发明实施例中的六种不同类型运动的仿真图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明实施例提供一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，如图1-2所示，包括定平台10、动平台20、末端工具30、第一支链40、第二支链50、第三支链60以及第四支链70；末端工具30设置在动平台20上；动平台20经第一支链40、第二支链50、第三支链60和第四支链70与定平台10连接在一起。

如图3所示，第一支链40和第三支链60为UPR支链；第二支链50和第四支链70为RRU支链；其中，第一支链40和第三支链60对向分布在定平台10与动平台20的相对两侧，第二支链50和第四支链70对向分布在定平台10与动平台20的相对两侧。

如图4所示，第一支链40具有第一U副41、第一移动副42和第一转动副43；第一支链40的一端通过第一U副41与定平台10相连接，第一支链40的另一端通过第一转动副43与动平台20相连接；第一支链40的中部形成第一移动副42；

如图5所示，第二支链50具有第二转动副51、第三转动副52和第二U副53；第二支链50的一端通过第二转动副51与定平台10相连接，第二支链50的另一端通过第二U副53与动平台20相连接；第二支链50的中部形成为第三转动副52；

如图6所示，第三支链60具有第三U副61、第二移动副62和第四转动副63；第三支链60的一端通过第三U副61与定平台10相连接，第三支链60的另一端通过第四转动副63与动平台20相连接；第三支链60的中部形成第二移动副62；

如图7所示，第四支链70具有第五转动副71、第六转动副72和第四U副73；第四支链70的一端通过第五转动副71与定平台10相连接，第二支链50的另一端通过第四U副73与动平台20相连接；第四支链70的中部形成为第六转动副72；

如图3、图4、图6所示，第一U副41包含转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂，转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂垂直相交；第三U副61包含转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂；转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂垂直相交，转动轴线$₁₁和转动轴线$₃₁重合，且穿过定平台10的中心轴线；转动轴线$₁₂和转动轴线$₃₂互相平行；

第一转动副43的转动轴线$₁₄和转动轴线$₁₂互相平行；第四转动副63的转动轴线$₃₄和转动轴线$₃₂互相平行；转动轴线$₃₄和转动轴线$₁₄互相平行；

第一移动副42的移动轴线$₁₃通过转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂的交点，且与转动轴线$₁₂垂直；第二移动副62移动轴线$₃₃通过转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂的交点，且与转动轴线$₃₂垂直。

如图3、图5、图7所示，第二转动副51的转动轴线$₂₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行；第三转动副52的转动轴线$₂₂与转动轴线$₂₁互相平行；第五转动副71的转动轴线$₄₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行，第六转动副72的转动轴线$₄₂与转动轴线$₄₁互相平行；

第二U副53包含转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄，转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄垂直相交；第四U副73包含转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄，转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄垂直相交；转动轴线$₂₃与转动轴线$₄₃共线，且穿过动平台20的中心轴线；转动轴线$₂₄和转动轴线$₄₄互相平行，且相对于动平台20对称布置。

如图3所示，本发明实施例中的第一移动副42和第二移动副62采用贯穿式电机组件；如图4所示，第一移动副42包含第一丝杆421和与第一丝杆421配合的第一电机422；第一电机422上设有第一电机固定架423，第一电机固定架423与第一U副41沿转动轴线$₁₂进行旋转配合；如图6所示，第二移动副62包含第二丝杆621和与第二丝杆621配合的第二电机622；第二电机622上设有第二电机固定架623，第二电机固定架623与第三U副61沿转动轴线$₃₂进行旋转配合。

如图3所示，本发明实施例中第二转动副51作为第二支链50运动的驱动副，第五转动副71作为第四支链70运动的驱动副；如图5所示，第二支链50包括第三电机54、第一蜗杆55和第一蜗轮56；第一蜗杆55设置在第三电机54的输出端，第一蜗杆55和第一蜗轮56配合连接，第二转动副51由第一蜗轮56驱动；具体的，第三电机54固定在定平台10上，第一蜗轮56优选通过第一支架57可转动地设置在定平台10上。

如图7所示，第四支链70包括第四电机74、第二蜗杆75和第二蜗轮76；第二蜗杆75设置在第四电机74的输出端，第二蜗杆75和第二蜗轮76配合连接，第五转动副71由第二蜗轮76驱动；具体的，第四电机74固定在定平台10上，第二蜗轮76优选通过第二支架77可转动地设置在定平台10上。

其中，第一电机422、第二电机622、第三电机54和第四电机74均位于定平台10远离动平台20的一侧，以实现第一电机422、第二电机622、第三电机54和第四电机74的后置而不占用动平台20和定平台10之间的空间，另一方面使得整体结构更加紧凑。

本发明施例中的UPR支链(第一支链40和第三支链60)采用丝杆与贯穿式电机的方式，一方面第一电机422和第二电机622均位于定平台10远离动平台20的一侧，实现第一电机422和第二电机622的后置而不占用动平台20和定平台10之间的空间，另一方面使得整体结构更加紧凑。相应的，RRU支链对第三电机54和第四电机74布置方式也进行优化，实现驱动电机的后置而不占用动平台20和定平台10之间的空间；同时采用蜗轮蜗杆配合驱动的方式兼具有自锁功能，运动的稳定性和精确性更高。

本发明实施例中动平台20相对于定平台10进行两转一移的三自由度运动输出，满足执行不同类型任务的需求，如图8所示；同时，根据接触作业的种类不同，可更换不同类型的末端工具30，以实现多种作业功能，拓展应用范围。

虽然本发明以具体实施例揭露如上，但这些具体实施例并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的变化/修改，即凡是依照本发明所做的同等变化/修改，应为本发明的保护范围所涵盖。

Claims

1.一种基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，包括定平台、动平台、末端工具、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；所述末端工具设置在所述动平台上；所述动平台经所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链与所述定平台连接在一起；

所述第一支链和所述第三支链为UPR支链；所述第二支链和所述第四支链为RRU支链；

所述第一支链具有第一U副、第一移动副和第一转动副；所述第一支链的一端通过所述第一U副与所述定平台相连接，所述第一支链的另一端通过所述第一转动副与所述动平台相连接；所述第一支链的中部形成所述第一移动副；

所述第二支链具有第二转动副、第三转动副和第二U副；所述第二支链的一端通过所述第二转动副与所述定平台相连接，所述第二支链的另一端通过所述第二U副与所述动平台相连接；所述第二支链的中部形成为所述第三转动副；

所述第三支链具有第三U副、第二移动副和第四转动副；所述第三支链的一端通过所述第三U副与所述定平台相连接，所述第三支链的另一端通过所述第四转动副与所述动平台相连接；所述第三支链的中部形成所述第二移动副；

所述第四支链具有第五转动副、第六转动副和第四U副；所述第四支链的一端通过所述第五转动副与所述定平台相连接，所述第二支链的另一端通过所述第四U副与所述动平台相连接；所述第四支链的中部形成为所述第六转动副；

所述第一U副包含转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂，转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂垂直相交；所述第三U副包含转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂；转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂垂直相交，转动轴线$₁₁和转动轴线$₃₁重合；转动轴线$₁₂和转动轴线$₃₂互相平行；

所述第一转动副的转动轴线$₁₄和转动轴线$₁₂互相平行；所述第四转动副的转动轴线$₃₄和转动轴线$₃₂互相平行；转动轴线$₃₄和转动轴线$₁₄互相平行；

所述第一移动副的移动轴线$₁₃通过转动轴线$₁₁和转动轴线$₁₂的交点，且与转动轴线$₁₂垂直；所述第二移动副移动轴线$₃₃通过转动轴线$₃₁和转动轴线$₃₂的交点，且与转动轴线$₃₂垂直；

所述第二转动副的转动轴线$₂₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行；所述第三转动副的转动轴线$₂₂与转动轴线$₂₁互相平行；所述第五转动副的转动轴线$₄₁与转动轴线$₁₁、转动轴线$₃₁互相平行，所述第六转动副的转动轴线$₄₂与转动轴线$₄₁互相平行；

所述第二U副包含转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄，转动轴线$₂₃和转动轴线$₂₄垂直相交；所述第四U副包含转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄，转动轴线$₄₃和转动轴线$₄₄垂直相交；转动轴线$₂₃与转动轴线$₄₃共线；转动轴线$₂₄和转动轴线$₄₄互相平行，且相对于所述动平台对称布置。

2.如权利要求1所述的基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，其特征在于：转动轴线$₁₁和转动轴线$₃₁穿过所述定平台的中心轴线；转动轴线$₂₃与转动轴线$₄₃穿过所述动平台的中心轴线。

3.如权利要求1所述的基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，其特征在于：所述第一移动副和所述第二移动副采用贯穿式电机组件；

所述第一移动副包含第一丝杆和与所述第一丝杆配合的第一电机；所述第一电机上设有第一电机固定架，所述第一电机固定架与所述第一U副沿转动轴线$₁₂进行旋转配合；

所述第二移动副包含第二丝杆和与所述第二丝杆配合的第二电机；所述第二电机上设有第二电机固定架，所述第二电机固定架与所述第三U副沿转动轴线$₃₂进行旋转配合。

4.如权利要求3所述的基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，其特征在于：所述第一电机和所述第二电机均位于所述定平台远离所述动平台的一侧。

5.如权利要求1所述的基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，其特征在于：所述第二转动副作为所述第二支链运动的驱动副，所述第五转动副作为所述第四支链运动的驱动副；

所述第二支链包括第三电机、第一蜗杆和第一蜗轮；所述第一蜗杆设置在所述第三电机的输出端，所述第一蜗杆和所述第一蜗轮配合连接，所述第二转动副由所述第一蜗轮驱动；

所述第四支链包括第四电机、第二蜗杆和第二蜗轮；所述第二蜗杆设置在所述第四电机的输出端，所述第二蜗杆和所述第二蜗轮配合连接，所述第五转动副由所述第二蜗轮驱动。

6.如权利要求5所述的基于2UPR-2RRU机构的三自由度冗余并联末端力控执行器，其特征在于：所述第三电机和所述第四电机均位于所述定平台远离所述动平台的一侧。