两平移自由度并联调姿机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种两平移自由度并联调姿机构。

背景技术

在很多大形装备的重载调姿场合中，常需要其具有两到三个平移自由度的调姿能力。并联机构相比于串联机构具有承载能力高、刚度大、动力性能好等优点，而少自由度并联机构仅保留了任务空间需要的自由度，具有成本低、易于控制等优势，因此适用于重载调姿场合。

公开号CN115351771A所公开的一种两平移并联机器人，包括动平台、定平台、简单支链一和简单支链二，其运动副全部由转动副组成。该发明提供了一种单回路、两自由度驱动或单自由度驱动但仍能产生两平移运动的并联机构，且转动副数目最少，易满足高速度高精度需求。但该机构承载能力较差，刚度不强。

申请号CN202110807407.5所公开的一种高刚度三平移冗余，包括固定平台、动平台和四个支链单元，每个支链单元包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆。该并联机构通过四个支链单元中的共八个驱动副，以冗余驱动的方式实现空间三个方向的平移运动，具有较好的刚度。然而机构的运动控制较为复杂，且支链单元中包含被动的移动副，在承受较大的偏心转矩时，连接动平台的被动移动副容易出现运动卡滞现象。

申请号CN201811201091.X所公开的一种零耦合度的三平移并联机构操作手，包括固定平台、运动平台、第一混合支链和第二混合支链，其中第一混合支链由三个平行四边形子链构成，第二混合支链由两个共用球铰的支链组成。该并联机构耦合度为零，有解析的运动学正解，易于控制。但单个混合支链中的运动副数目较多，传力路径长，在动平台承受较大的偏心转矩时驱动副需要承受较大的关节约束反力，不利于重载场景的使用。

公开号CN110576426A所公开的一种三平移并联机构，包括动平台、定平台和三个运动支链，其中第二运动支链和第三运动支链相对于动平台对称设置，第一运动支链设置在第二运动支链和第三运行支链的中间位置。该机构具有运动副配置简单、运动耦合性低、运动学正反解求解容易、容易控制、刚性好等优势。但当动平台承受较大的偏心转矩时，驱动副需要承受较大的关节约束反力，在重载场景的使用时不利于发挥其性能。

综上，适用于大负载、大偏心的两平移并联调姿机构需要具备结构紧凑，调姿范围大，刚度高且承载能力强的优点，而目前少有适用于大负载、大偏心的两平移并联调姿机构的研究，因此亟需提出一种新的并联调姿机构。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种两平移自由度并联调姿机构，其具有两平移自由度，相对于现有的常规两自由度并联机构，该机构承载能力强，工作空间大，两平移运动完全解耦，控制算法简单。

具体地，本发明提供一种两平移自由度并联调姿机构，其包括定平台、动平台以及连接动平台和定平台之间的四条约束支链和四条驱动支链；所述动平台为圆形板，定平台为L形板且L形板的长板与所述动平台平行设置；

所述四条约束支链包括结构相同的第一约束支链、第二约束支链、第三约束支链以及第四约束支链，第一约束支链、第二约束支链、第三约束支链以及第四约束支链均包括连杆以及两端的虎克铰，连杆两端分别通过虎克铰与动平台和定平台连接，所述虎克铰的第一轴线平行于L形板的长板，所述虎克铰的第二轴线平行于L形板的短板；第一约束支链和第二约束支链两端虎克铰的第二轴线共线，第三约束支链和第四约束支链两端虎克铰的第二轴线共线；

所述四条驱动支链包括第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链以及第四驱动支链，所述第一驱动支链与第二驱动支链结构相同且为水平布置，所述第三驱动支链与第四驱动支链结构相同且为竖直布置；第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链以及第四驱动支链均包括第一连杆、第二连杆以及分别设置在第一连杆和第二连杆端部的虎克铰，所述第一连杆与第二连杆之间借助于圆柱副连接，第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链以及第四驱动支链的第一连杆的外端部借助于虎克铰与动平台连接，第一驱动支链和第二驱动支链的第二连杆的外端部通过虎克铰分别与定平台的L形板的长板连接，第三驱动支链和第四驱动支链的第二连杆的外端部通过虎克铰分别与定平台的L形板的短板连接；

第一驱动支链和第二驱动支链两端虎克铰的第一轴线共线且平行于L形板的长板；第三驱动支链和第四驱动支链两端虎克铰的第一轴线共线且平行于L形板的短板；四条驱动支链与动平台连接的虎克铰中心与四条约束支链与动平台连接的虎克铰中心共面，并且四条驱动支链与L形板连接的虎克铰中心和四条约束支链与L形板连接的虎克铰中心共面；第一驱动支链中心轴线平行于第一约束支链与第二约束支链组成的平面；第二驱动支链中心轴线平行于第三约束支链与第四约束支链组成的平面；第三驱动支链中心轴线平行于第二约束支链与第三约束支链组成的平面；第四驱动支链中心轴线平行于第一约束支链与第四约束支链组成的平面。

优选地，所述四条约束支链在定平台上的四个铰点呈长方形分布。

优选地，四条约束支链与四条驱动支链与动平台连接的所有虎克铰均位于同一平面。

优选地，四条约束支链与L形板连接的虎克铰以及第一驱动支链和二驱动支链与定平台L形板连接的虎克铰均位于同一平面上。

优选地，第三驱动支链和第四驱动支链与L形板连接的虎克铰位于同一平面上。

优选地，四条驱动支链的圆柱副上分别设置有移动驱动，用于实现动平台的纵移及横移两个自由度的调整。

优选地，第一驱动支链和第二驱动支链驱动x方向移动，第三驱动支链和第四驱动支链驱动y方向移动。

优选地，x方向与y方向移动量的求解方程如下所示：

式中，H表示约束支链的长度，a表示驱动支链在定平台的投影长度，l

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供一种两平移自由度并联调姿机构，其具有两平移自由度，相对于现有的常规两自由度并联机构，该机构承载能力强，工作空间大，两平移运动能够完全解耦，控制算法简单，使用时可以解耦后对两个方向的移动进行单独精确控制，降低了非完全解耦算法的冗余性且具有更好的承载能力及大空间工作能力，适用于多种工作场景。

(2)本发明的约束支链与驱动支链分离，约束支链的强弱会影响驱动支链的受力，从而能够避免实际过程中驱动支链承受较大的力和力矩。

(3)本发明的定平台设置为L形板，L形板的长板和短板分别连接两根驱动支链，从而是驱动支链一组为水平布置，一组为垂直布置，为完全解耦的移动量控制奠定了基础。

附图说明

图1a为本发明立体结构示意简图之一；

图1b为本发明立体结构示意简图之二；

图2为本发明第一驱动支链结构示意简图；

图3为本发明第二驱动支链结构示意简图；

图4为本发明第三驱动支链结构示意简图；

图5为本发明第四驱动支链结构示意简图；

图6为本发明第一约束支链结构示意简图；

图7为本发明第二约束支链结构示意简图；

图8为本发明第三约束支链结构示意简图；

图9为本发明第四约束支链结构示意简图；

图10为本发明调姿后的立体结构示意简图；

图11为本发明的机构简图；

图12为本发明机构的等效约束支链示意图；

图13为本发明的仿真模型数据示意图；

图14为本发明的机构发生纯X向移动时两驱动缸位移曲线示意图；

图15为本发明的机构发生纯Y向移动时两驱动缸位移曲线示意图；

图16a和图16b分别为不同驱动力下的本发明的机构动平台位移示意图；

图17为本发明的机构动平台正解Y方向位移示意图；

图18为本发明的机构动平台正解X方向位移示意图。

附图中的部分附图说明如下：

100-动平台、400-定平台；

210-第一驱动支链、220-第二驱动支链、230-第三驱动支链、240-第四驱动支链；

310-第一约束支链、320-第二约束支链、330-第三约束支链、340-第四约束支链；

211-第一虎克铰、214-第二虎克铰、221-第三虎克铰、224-第四虎克铰、231-第五虎克铰、234-第六虎克铰、241-第七虎克铰、244-第八虎克铰、311-第九虎克铰、313-第十虎克铰、321-第十一虎克铰、323-第十二虎克铰、331-第十三虎克铰、333-第十四虎克铰、341-第十五虎克铰、343-第十六虎克铰；

312-第一连杆、322-第二连杆、332-第三连杆、342-第四连杆。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明提供一种两平移自由度并联调姿机构，在图1a及图1b中所示的重载对接二自由度并联调姿机构结构示意图中，动平台100为圆形板，定平台400为L形板，动平台100与定平台400通过四条约束支链即第一约束支链310、第二约束支链320、第三约束支链330以及第四约束支链340和四条驱动支链即第一驱动支链210、第二驱动支链220、第三驱动支链230和第四驱动支链240连接。四条约束支链中的第一约束支链310、第二约束支链320、第三条约束支链330和第四条约束支链340结构均相同。

第一约束支链310、第二约束支链320、第三约束支链330以及第四约束支链340均包括连杆以及两端的虎克铰，连杆两端分别通过虎克铰与动平台100和定平台400连接，虎克铰的第一轴线平行于L形板的长板，虎克铰的第二轴线平行于L形板的短板；第一约束支链和第二约束支链两端虎克铰的第二轴线共线，第三约束支链和第四约束支链两端虎克铰的第二轴线共线。

四条驱动支链包括第一驱动支链210、第二驱动支链220、第三驱动支链230以及第四驱动支链240，第一驱动支链210与第二驱动支链220结构相同且为水平布置，第三驱动支链230与第四驱动支链240结构相同且为竖直布置。第一驱动支链210、第二驱动支链220、第三驱动支链230以及第四驱动支链240均包括第一连杆、第二连杆以及分别设置在第一连杆和第二连杆端部的虎克铰，第一连杆与第二连杆之间借助于圆柱副连接，第一驱动支链210、第二驱动支链220、第三驱动支链230以及第四驱动支链240的第一连杆的外端部借助于虎克铰与动平台100连接，第一驱动支链210和第二驱动支链220的第二连杆的外端部通过虎克铰分别与定平台的L形板的长板连接，第三驱动支链230和第四驱动支链240的第二连杆的外端部通过虎克铰分别与定平台400的L形板的短板连接。

下面将结合附图对第一驱动支链210、第二驱动支链220、第三驱动支链230、第四驱动支链240、第一约束支链310、第二约束支链320、第三约束支链330以及第四约束支链340的具体结构进行详细说明。如图2所示，第一驱动支链210的第二连杆213与定平台400通过第二虎克铰214连接，第一连杆212与第二连杆213通过圆柱副连接，第一连杆212与动平台100通过第一虎克铰211连接。

如图3所示，第二驱动支链220的第二连杆223与定平台400通过第四虎克铰224连接，第一连杆222与第二连杆223通过圆柱副连接，第一连杆222与动平台100通过第三虎克铰221连接。

如图4所示，第三驱动支链230的第二连杆233与定平台400通过第六虎克铰234连接，第一连杆232与第二连杆233通过圆柱副连接，第一连杆232与动平台100通过第五虎克铰231连接。

如图5所示，第四驱动支链240的第二连杆243与定平台400通过第八虎克铰244连接，第一连杆242与第二连杆243通过圆柱副连接，第一连杆242与动平台100通过第七虎克铰241连接。

如图6所示，第一约束支链310的连杆312与定平台400通过第十虎克铰313连接，连杆312与动平台100通过第九虎克铰311连接。

如图7所示，第二约束支链320的连杆322与定平台400通过第十二虎克铰323连接，连杆322与动平台100通过第十一虎克铰321连接。

如图8所示，第三约束支链330的连杆332与定平台400通过第十四虎克铰333连接，连杆332与动平台100通过第十三虎克铰331连接。

如图9所示，第四约束支链340的连杆342与定平台400通过第十六虎克铰343连接，连杆342与动平台100通过第十五虎克铰341连接。

如图10所示，在图一的基础上动平台向上平移后的形态。

第一约束支链310、第二约束支链320、第三约束支链330和第四约束支链340中的第九虎克铰311、第十虎克铰313、第十一虎克铰321、第十二虎克铰323、第十三虎克铰331、第十四虎克铰333、第十五虎克铰341、第十六虎克铰343，上述虎克铰第一转轴的轴线也称为第一轴线都平行于定平台400的长板，上述虎克铰第二转轴的轴线也称为第二轴线都平行于定平台400的短板。第一约束支链310的第九虎克铰311和第十虎克铰313的第一转轴的轴线分别与第四约束支链340的第十五虎克铰341和第十六虎克铰343的第一转轴的轴线共线。第二约束支链320的第十一虎克铰321和第十二虎克铰323的第一转轴的轴线分别与第三约束支链330的第十三虎克铰331和第十四虎克铰333的第一转轴的轴线共线。第一约束支链310的第九虎克铰311和第十虎克铰313的第二转轴的轴线分别与第二约束支链320的第十一虎克铰321和第十二虎克铰323的第二转轴的轴线共线。第四约束支链340的第十五虎克铰341和第十六虎克铰343的第二转轴的轴线分别与第三约束支链330的第十三虎克铰331和第十四虎克铰333的第二转轴的轴线共线。第一驱动支链210的第一虎克铰211和第二虎克铰214的第一转轴的轴线分别与第二驱动支链220的第三虎克铰221和第四虎克铰224的第一转轴的轴线共线，且都平行于定平台400的长板。第一驱动支链210中的第一虎克铰211和第二虎克铰214的中心连线平行于第一约束支链310与第二约束支链320组成的平面。第二驱动支链220中的第三虎克铰221和第四虎克铰224的中心连线平行于第三约束支链330与第四约束支链340组成的平面。第三驱动支链230的第五虎克铰231和第六虎克铰234的第一转轴的轴线分别与第四驱动支链240的第七虎克铰241和第八虎克铰244的第一转轴的轴线共线，且都平行于定平台400的短板。第三驱动支链230中的第五虎克铰231和第六虎克铰234的中心连线平行于第三约束支链330与第二约束支链320组成的平面。第四驱动支链240中的第七虎克铰241和第八虎克铰244的中心连线平行于第一约束支链310与第四约束支链340组成的平面。第一约束支链310的第九虎克铰311、第二约束支链320的第十一虎克铰321、第三约束支链330的第十三虎克铰331、第四约束支链340的第十五虎克铰341、第一驱动支链210的第一虎克铰211、第二驱动支链220的第三虎克铰221、第三驱动支链230的第五虎克铰231和第四驱动支链240的第七虎克铰241，其中心分布在一个平面内且该平面平行于动平台100。第一约束支链310的第十虎克铰313、第二约束支链320的第十二虎克铰323、第三约束支链330的第十四虎克铰333、第四约束支链340的第十六虎克铰343、第一驱动支链210的第二虎克铰214、第二驱动支链220的第四虎克铰224、第三驱动支链230的第六虎克铰234和第四驱动支链240的第八虎克铰244，其中心分布在一个平面内且该平面平行于定平台400的长板。

下面结合机构示意图对本发明的工作原理做进一步解释：

该机构可实现两个自由度的运动：在四条驱动支链的中间移动副即圆柱副上添加四个驱动，且竖直方向(第三驱动支链230、第四驱动支链240)和水平方向(第一驱动支链210、第二驱动支链220)的两个驱动支链分别同步驱动，从而实现动平台的横移、纵移两个自由度。

如图11所示，两自由度解耦机构由动平台、定平台以及四个约束支链A

驱动支链A

通过Adams建立机构等效线框模型，该模型数据如图13所示，其中B

给定驱动缸A

由图2所示几何关系求得机构正解表达式为：

式中，l

综上可以看出，本发明提供一种两平移自由度并联调姿机构，其具有两平移自由度，相对于现有的常规两自由度并联机构，该机构承载能力强，工作空间大，两平移运动完全解耦，控制算法简单。约束支链与驱动支链分离，约束支链的强弱不会影响驱动支链的受力。避免了实际对接过程中需要承受较大的力和力矩，从而需要靠约束支链承受相应的对接力的缺陷，能够适用于大负载、大偏心的机构的对接。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。