CN201009243Y

CN201009243Y - 一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构

Info

Publication number: CN201009243Y
Application number: CNU2007200312579U
Authority: CN
Inventors: 贺利乐
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2017-02-14

Abstract

本实用新型公开了一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，它包括运动平台(1)、固定平台(2)、和连接于固定平台与运动平台之间的支链(3、4、5)，每一条支链均分别由一个平面5杆闭链(A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂、A₃B₃C₃D₃E₃)组成，这三个平面5杆闭链分别通过球铰(A₁、A₂、A₃)与运动平台(1)相连，分别通过转动副(H₁、H₂、H₃)与固定平台(2)相连；每个平面5杆闭链下端分别设有回转副(B₁、C₁、D₁、E₁，B₂、C₂、D₂、E₂、B₃、C₃、D₃、E₃)，每两个回转副组成一组混合驱动副。本实用新型可实现运动平台的柔性输出，具有***功耗低，动力特性好，输出精度高，整个机构制造简单、运动分析和控制容易的特点。

Description

一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构

技术领域

本实用新型涉及一种混合驱动的并联机构。

背景技术

并联机构是一个集多领域新技术于一体的运动控制机构，由于其具有刚度重量比大、精度高、成本低和模块化等特点，因而其应用几乎涉及现代尖端技术的各个领域。如机器人、数控加工中心、运载工具模拟器、六维微调机构、空间位姿测量机、六维力矩测量器等。

六自由度的Stewart型平台是一种典型的并联机构，它是由动平台、固定平台和将这两个平台各个顶点通过球铰对应连接的六条由液压缸构成的可伸缩的“腿”组成。当驱动六条“腿”使其长度发生改变时，就可以使动平台完成六个自由度的运动。目前虽然应用的较多，但存在着运动分析困难、液压***复杂及控制难等问题。

近年来，在机构的支链结构中引入了闭环结构，或者以闭环结构为基础进行并联机构的设计，已成为并联机构构型综合设计的有效手段和研究方向。而目前在驱动综合方面选用混合驱动亦成为了一个重要的研究方向。混合驱动机构是指多自由度闭链机构的某些输入运动由计算机实时控制的伺服电机驱动，而另外一些输入运动由常速电机驱动，这种混合形式的输入运动经一个多自由度机构合成为所需要的输出运动，能实现高精度运动输出，完成复杂的运动规律。

据检索，与支链结构中含闭环机构相关的六自由度并联机构专利有三个。中国发明专利，申请号200510131357.4“双环三支链缩放式并联机构”，它包括下平台、上平台和连接与上下平台之间的三条支链，每一条支链由9个杆组成，构成三个双环机构，每个双环机构底部安装两个驱动电机。中国发明专利，申请号200310106458.7“用于虚拟轴数控机床与并联机器人的六自由度并联机构”，它由动平台、静平台及一条混合链腿与四条相同的简单开链腿组成。混合链腿由一平面闭路结构及一开链结构组成，简单开链腿由二个构件通过一球副连接组成。控制静平台上六个驱动关节的运动，就可以控制动平台实现三维平移及三维转动输出。中国发明专利，申请号200310106013.9“用于虚轴机床与机器人等的一类(三维平移及三维转动)并联机构”，它由动平台、静平台和结构相同的三条支路组成。每一条支路均由两个移动副和三个球面副组成的5杆回路再串联一个球面副组成，诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。这三个发明专利均未涉及用两种特性不同的电机构成混合驱动，并且它们的支链结构较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构。该混含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构能实现可编程的柔性输出。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

它包括运动平台(1)、固定平台(2)、和连接于固定平台与运动平台之间的支链(3、4、5)，每一条支链均分别由一个平面5杆闭链(A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂、A₃B₃C₃D₃E₃)组成，这三个平面5杆闭链分别通过球铰(A₁、A₂、A₃)与运动平台(1)相连，分别通过转动副(H₁、H₂、H₃)与固定平台(2)相连；每个平面5杆闭链下端分别设有回转副(B₁、C₁、D₁、E₁，B₂、C₂、D₂、E₂、B₃、C₃、D₃、E₃)，每两个回转副组成一组混合驱动副。

所述五杆闭链(A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂、A₃B₃C₃D₃E₃)结构完全相同。

每一条支链的平面5杆闭链的构件长度满足如下条件：

\begin{matrix} \{\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}}, \\ \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} \end{matrix} \\ \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} \end{matrix}, (i = 1,2,3)

所述驱动副中一个用常速电机作为主要驱动源，另一个用伺服电机作为辅助驱动源。

所述运动平台(1)为三角形或圆形。

本实用新型的有益效果是：

1、运动平台可柔性输出，工作空间对称，结构简单。由于采用几个运动链(包括杆件和运动副)完全相同的结构形式与混合驱动，因而可实现运动平台的柔性输出，具有对称的工作空间；整个机构制造简单、运动分析和控制容易。

2、***功耗低，动力特性好，输出精度高。由于伺服电机为***提供主要的动力，常速电机起运动调节作用。而伺服电机可通过计算机预先编程或者加实时反馈对机构的运动进行调节，补偿机构的结构误差。***具有部分柔性，既满足了工作的要求，又可降低成本而提高较大的动力。另外，由于混合驱动装置的安装位置很靠近机架，减小了机构的惯性，改善了机构的动力特性。

3、响应速度快，结构紧凑，应用范围广。本发明可用作并联机床及并联机器人，用作模拟舰船、飞行器的运动平台，此外还可由于制造游戏、娱乐设备等。

附图说明

图1是本实用新型运动平台(1)为三角形结构示意图；

图2是本实用新型运动平台(1)为圆形结构示意图；

图3是本发明的应用实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示(运动平台的形状为等边三角形)，由运动平台(1)、固定平台(2)和结构完全相同的三条支链(3、4、5)组成。五杆闭链A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂和A₃B₃C₃D₃E₃结构完全相同，其中B₁、C₁、D₁、E₁，B₂、C₂、D₂、E₂和B₃、C₃、D₃、E₃均为回转副，支链3通过球铰A₁与运动平台相连，通过转动副H₁与固定平台相连；支链4通过球铰A₃与运动平台相连，通过转动副H₃与固定平台相连；支链5通过球铰A₂与运动平台相连，通过转动副H₂与固定平台相连；C₁、D₁；C₂、D₂；C₃、D₃为每个支链的两个驱动副。

在本发明中，三条支链的结构相同、安装位置对称，每一条支链的平面5杆闭链的构件长度既满足混合驱动的要求，又满足不出现奇异位置的无条件双曲柄构型要求。即满足如下条件：

\begin{matrix} \{\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} \\ \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} \end{matrix} \\ \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} \end{matrix}, (i = 1,2,3)

每条支链的两个驱动副都采用混合驱动，即两个驱动副中一个用常速电机作为主驱动源，另一个用伺服电机作为辅助驱动源，用于速度调节。

本发明的动作原理是：通过控制混合驱动装置的回转，即通过控制3个常速电机和3个伺服电机的输入运动，可控制每个支链输出端的位置，从而可控制运动平台在空间的6个位姿变化。

如图2所示(运动平台的形状为等边圆形)，它同样为一种三条支链含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构。它由运动平台(1)、固定平台(2)和结构完全相同的三条支链(3、4、5)组成。其三条支链的结构组成、安装特点、驱动副配置以及工作原理均与前述附图1说明相同。与附图1不同的是运动平台(1)的形状为圆形。

本发明的性能特点：

①每一条支链的平面5杆闭链的构件长度既满足混合驱动的要求，又满足不出现奇异位置的无条件双曲柄构型要求。

②一条支链有一组混合驱动单元，即两个驱动副中一个用常速电机作为主要驱动源，另一个用伺服电机作为辅助驱动源，用于速度调节。

③三条支链的结构相同、安装位置对称，

④每条支链的两个驱动副都采用混合驱动，整个并联平台有三组相同的混合驱动单元。此种混合驱动构型不仅能实现可编程的输出运动，并且具有较高的运动速度、承载能力和能效。

本发明的动作原理：通过混合驱动装置的回转，可改变每个支链输出端的位置，从而使活动平台在空间的6个位姿发生相应的变化。

实施例：

如图3所示，其具体结构、驱动副配置已如前述附图1说明。在运动平台(1)上安装动力头(6)，当机构各构件尺度参数确定后，通过控制3个常速电机和3个伺服电机的输入运动，可控制每个支链输出端的位置，从而可控制运动平台上的动力头(6)在空间的位姿，从而可完成对工件的加工。

Claims

1.一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，它包括运动平台(1)、固定平台(2)、和连接于固定平台与运动平台之间的支链(3、4、5)，其特征是：每一条支链均分别由一个平面5杆闭链(A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂、A₃B₃C₃D₃E₃)组成，这三个平面5杆闭链分别通过球铰(A₁、A₂、A₃)与运动平台(1)相连，分别通过转动副(H₁、H₂、H₃)与固定平台(2)相连；每个平面5杆闭链下端分别设有回转副(B₁、C₁、D₁、E₁，B₂、C₂、D₂、E₂、B₃、C₃、D₃、E₃)，每两个回转副组成一组混合驱动副。

2.根据权利要求1所述的一种含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，其特征是：所述五杆闭链(A₁B₁C₁D₁E₁、A₂B₂C₂D₂E₂、A₃B₃C₃D₃E₃)结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，其特征是：每一条支链的平面5杆闭链的构件长度满足如下条件：

\{\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} \\ \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} + \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} \\ \overset{&OverBar;}{A_{i} E_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} B_{i}} + \overset{&OverBar;}{D_{i} E_{i}} < \overset{&OverBar;}{B_{i} A_{i}} + \overset{&OverBar;}{C_{i} D_{i}} \end{matrix}, (i = 1,2,3)

4.根据权利要求1所述的含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，其特征是：所述驱动副中一个用常速电机作为主要驱动源，另一个用伺服电机作为辅助驱动源。

5.根据权利要求1所述的含平面5杆闭链的混合驱动6自由度并联机构，其特征是：所述运动平台(1)为三角形或圆形。