本發(fā)明屬于并聯(lián)機構(gòu)，特別涉及一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)及其構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、六自由度并聯(lián)機構(gòu)被廣泛應(yīng)用于汽車、艦船、飛機、宇航設(shè)備等領(lǐng)域，然而這類機構(gòu)的耦合性較強，強耦合性會增加其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并降低機構(gòu)的運動精度，制約機構(gòu)的應(yīng)用。相比強耦合機構(gòu)，弱耦合機構(gòu)具有運動精度高、動力學(xué)建模容易和控制簡單等優(yōu)勢。在高精度機器人領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

2、大多數(shù)情況下，重力方向的承載、剛度特性對機構(gòu)的工作性能影響較大，通過解耦重力方向的自由度，能提高機構(gòu)重力方向的輸出精度，但傳統(tǒng)的弱耦合并聯(lián)機構(gòu)分支中含有閉環(huán)單元，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且解耦自由度方向的剛度和承載能力較差，可應(yīng)用于大承載場合的六自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)還很缺乏。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)及其構(gòu)建方法，綜合出一種2ppps-2cps-pprpu六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，能夠兼具承載能力與解耦特性，具有結(jié)構(gòu)更緊湊，輸出精度更高等特點，并基于螺旋理論，采用將整體機構(gòu)拆分為平面子機構(gòu)與空間子機構(gòu)分別設(shè)計的方式，提出一種具有多自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)綜合新方法，簡化了機構(gòu)綜合設(shè)計方法及流程。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其包括動平臺、定平臺以及設(shè)于所述動平臺與定平臺之間的兩條ppps支鏈、兩條cps支鏈和一條pprpu支鏈，所述動平臺和定平臺均呈直角三角形結(jié)構(gòu)狀，所述動平臺和定平臺之間設(shè)有第一ppps支鏈、第一cps支鏈、pprpu支鏈、第二cps支鏈以及第二ppps支鏈；所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈分別設(shè)于所述動平臺和定平臺中兩個銳角的頂點處，且所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈結(jié)構(gòu)相同，所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈均包括第一滑軌、第二滑塊、第二滑軌、第二滑塊、第一移動副和第一球副，所述第一滑軌固定設(shè)于所述定平臺上，且所述第二滑塊的第一端與所述第一滑軌移動副連接，所述第二滑塊的第二端設(shè)有所述第二滑軌，且所述第二滑塊的第一端與所述第二滑軌移動副連接，所述第二滑塊的第二端與所述第一移動副的第一端連接，且所述第一移動副的第二端通過所述第一球副與所述動平臺連接；所述第一cps支鏈和第二cps支鏈分別設(shè)于所述動平臺和定平臺中的兩個直角邊上，且所述第一cps支鏈和第二cps支鏈結(jié)構(gòu)相同，所述第一cps支鏈和第二cps支鏈均包括第三滑軌、第三滑塊、第一轉(zhuǎn)動副、第二移動副和第二球副，所述第三滑軌固定設(shè)于所述定平臺上，所述第三滑塊的第一端和第二端分別與所述第三滑軌以及所述第一轉(zhuǎn)動副的固定部相連，并于所述第三滑軌共同構(gòu)成圓柱副，所述第一轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動部與所述第二移動副的第一端連接，且所述第二移動副的第二端通過所述第二球副與所述動平臺連接；所述pprpu支鏈設(shè)于所述動平臺和定平臺中的直角頂點處，且所述pprpu支鏈包括第四滑軌、第四滑塊、第五滑軌、轉(zhuǎn)動平臺、第三移動副和虎克鉸，所述第四滑軌固定設(shè)于所述定平臺上，且所述第四滑塊的第一端與所述第四滑軌移動副連接，所述第四滑塊的第二端與所述第五滑軌移動副連接，且所述第三移動副的第一端通過所述轉(zhuǎn)動平臺與所述第五滑軌連接，所述第三移動副的第二端通過所述虎克鉸與所述動平臺連接。

3、進(jìn)一步地，六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)的第一驅(qū)動設(shè)于所述第一ppps支鏈中的第一移動副處，第二驅(qū)動設(shè)于所述第一cps支鏈中的第二移動副處，第三驅(qū)動設(shè)于所述pprpu支鏈中的轉(zhuǎn)動平臺處，第四驅(qū)動設(shè)于所述pprpu支鏈中的第三移動副處，第五驅(qū)動設(shè)于所述第二ppps支鏈中的第一移動副處，第六驅(qū)動設(shè)于所述第二cps支鏈中的第二移動副處。

4、優(yōu)選地，所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中的第一滑軌分別與相對應(yīng)支鏈中的第二滑軌垂直，且所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中的第一滑軌分別與所述定平臺7的直角邊平行，所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中第一移動副的軸線分別與相對應(yīng)支鏈中的第一滑軌和第二滑軌垂直。

5、優(yōu)選地，所述第一cps支鏈和第二cps支鏈中的第二移動副分別與相對應(yīng)支鏈中的第三滑軌垂直，且所述第一cps支鏈和第二cps支鏈中的第三滑軌分別與所述定平臺的直角邊平行。

6、優(yōu)選地，所述pprpu支鏈中的第四滑軌與第五滑軌相互垂直，且所述轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動方向垂直于所述第四滑軌和第五滑軌，所述第三移動副的軸線與所述轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動方向同向，且所述虎克鉸中的第一轉(zhuǎn)動軸線與所述第四滑軌相互平行，所述虎克鉸中的第二轉(zhuǎn)動軸線與所述第五滑軌相互平行。

7、本發(fā)明的另一方面，提供一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)建方法，其包括以下步驟：

8、s1、確定并聯(lián)機構(gòu)的期望運動自由度；

9、s2、根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)的期望運動自由度，將期望運動自由度按自由度性質(zhì)進(jìn)行劃分，分為平面自由度和空間自由度，并將整體并聯(lián)結(jié)構(gòu)分為平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)；

10、s3、基于螺旋理論，力旋量與運動旋量的互易積為力旋量對運動旋量產(chǎn)生的瞬時功率，分別根據(jù)平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)自由度和弱耦合要求，得到平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)分支傳遞力螺旋矩陣與輸出運動螺旋矩陣的互易積為三角陣的條件，求出平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)運動分支的傳遞力螺旋形式；

11、s4、根據(jù)解耦分支只有驅(qū)動螺旋對輸出運動做功，即傳遞力螺旋與驅(qū)動螺旋互易積不為零，確定平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)分支中驅(qū)動螺旋的形式；

12、s5、根據(jù)解耦分支非驅(qū)動螺旋對輸出運動不做功，即傳遞力螺旋與非驅(qū)動螺旋互易積恒為零，確定平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)分支中非驅(qū)動螺旋的形式；

13、s6、將步驟s4和步驟s5中得到的驅(qū)動螺旋與非驅(qū)動螺旋進(jìn)行排列組合，得到具有特定自由度與解耦特性的平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)的各分支；

14、s7、對平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)中的各分支自由度進(jìn)行補充，使其滿足整體機構(gòu)運動自由度；

15、s8、將所設(shè)計的平面子并聯(lián)機構(gòu)與空間子并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行組合，并布置支鏈的位置，得到所期望的多自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)；

16、s9、計算并驗證所設(shè)計并聯(lián)機構(gòu)的自由度與解耦特性，完成具有弱耦合特性的并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)建工作。

17、本發(fā)明的特點和有益效果是：

18、1、本發(fā)明提供的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)及其構(gòu)建方法，基于螺旋理論，提出了一種多自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)綜合新方法，根據(jù)自由度的運動特性將整體并聯(lián)機構(gòu)拆分為多個子并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并以六自由度為例，將復(fù)雜的六自由弱耦合并聯(lián)機構(gòu)的綜合過程，轉(zhuǎn)化為較為容易的三自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行綜合，通過分別綜合兩個子并聯(lián)機構(gòu)而后組合而成整體并聯(lián)構(gòu)。

19、2、本發(fā)明提供的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)及其構(gòu)建方法，綜合出一種2ppps-2cps-pprpu六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，能夠兼具承載能力與解耦特性，具有結(jié)構(gòu)更緊湊，輸出精度更高，適用性更廣等特點。

技術(shù)特征：

1.一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，其包括動平臺、定平臺以及設(shè)于所述動平臺與定平臺之間的兩條ppps支鏈、兩條cps支鏈和一條pprpu支鏈，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)的第一驅(qū)動設(shè)于所述第一ppps支鏈中的第一移動副處，第二驅(qū)動設(shè)于所述第一cps支鏈中的第二移動副處，第三驅(qū)動設(shè)于所述pprpu支鏈中的轉(zhuǎn)動平臺處，第四驅(qū)動設(shè)于所述pprpu支鏈中的第三移動副處，第五驅(qū)動設(shè)于所述第二ppps支鏈中的第一移動副處，第六驅(qū)動設(shè)于所述第二cps支鏈中的第二移動副處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中的第一滑軌分別與相對應(yīng)支鏈中的第二滑軌垂直，且所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中的第一滑軌分別與所述定平臺7的直角邊平行，所述第一ppps支鏈和第二ppps支鏈中第一移動副的軸線分別與相對應(yīng)支鏈中的第一滑軌和第二滑軌垂直。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第一cps支鏈和第二cps支鏈中的第二移動副分別與相對應(yīng)支鏈中的第三滑軌垂直，且所述第一cps支鏈和第二cps支鏈中的第三滑軌分別與所述定平臺的直角邊平行。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述pprpu支鏈中的第四滑軌與第五滑軌相互垂直，且所述轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動方向垂直于所述第四滑軌和第五滑軌，所述第三移動副的軸線與所述轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動方向同向，且所述虎克鉸中的第一轉(zhuǎn)動軸線與所述第四滑軌相互平行，所述虎克鉸中的第二轉(zhuǎn)動軸線與所述第五滑軌相互平行。

6.一種根據(jù)權(quán)利要求1～5之一所述的六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，其包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)及其綜合方法，其包括動平臺、定平臺以及多條支鏈，動平臺和定平臺之間設(shè)有多條支鏈，第一PPPS支鏈和第二PPPS支鏈分別設(shè)于動平臺和定平臺中兩個銳角的頂點處，第一CPS支鏈和第二CPS支鏈分別設(shè)于動平臺和定平臺中的兩個直角邊上，PPRPU支鏈設(shè)于動平臺和定平臺中的直角頂點處。本發(fā)明提出一種2PPPS?2CPS?PPRPU六自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)，兼具承載能力與解耦特性，具有結(jié)構(gòu)更緊湊，輸出精度更高等特點，并基于螺旋理論，采用將整體機構(gòu)拆分為平面子機構(gòu)與空間子機構(gòu)分別設(shè)計的方式，提出一種具有多自由度弱耦合并聯(lián)機構(gòu)綜合方法，簡化了弱耦合并聯(lián)機構(gòu)綜合設(shè)計的方法及流程。

技術(shù)研發(fā)人員：李仕華,韓雪艷,徐宏宇,王森
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10