一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构

1.本发明属于复合式运动平台技术领域，具体涉及一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构。


背景技术：

2.众所周知并联机构在运动行程范围上小，精度高，累积误差小，串联机构结构笨重，末端不封闭，累积误差大，但运动范围大。而在光学系统中往往需要调节机构同时满足大行程和高精度要求，因此设计一种机构结合并联机构和串联机构的优点，实现大运动行程与高精度，和小累计误差与低空间占有率的优势，显得尤为重要。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构。该运动平台通过结构设计与控制方式来实现光学系统中的调整任务，具有宏微调控，空间适应性强，无耦合，静平衡稳定等特点。本发明集合并联机构和串联机构的优势，为复合型串并联机构提供新的思路和方法。
4.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构，包括第一平台、第二平台、第三平台，10条可伸缩的运动支链，10个虎克副，8个球副以及2个转动副。3个运动平台为第一平台、第二平台、第三平台，第二平台在第一平台、第三平台之间；第一平台通过第一虎克副与第一可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第一转动副与第二可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第二虎克副与第三可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第二转动副与第四可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第一球副与第五可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第二球副与第六可伸缩的运动支链连接，第一平台通过第三球副与第七可伸缩的运动支链连接，第一可伸缩的运动支链通过第五球副与第三平台连接，第二可伸缩的运动支链通过第三虎克副与第三平台连接，第三可伸缩的运动支链通过第八球副与第三平台连接，第四可伸缩的运动支链通过第四虎克副与第三平台连接，第二平台通过第八虎克副与第五可伸缩的运动支链连接，第二平台通过第九虎克副与第六可伸缩的运动支链连接，第二平台通过第七虎克副与第七可伸缩的运动支链连接，第二平台通过第五虎克副与第八可伸缩的运动支链连接，第二平台通过第六虎克副与第九可伸缩的运动支链连接，第二平台通过虎克副与第十可伸缩的运动支链连接，第八可伸缩的运动支链通过第四球副与第三平台连接，第九可伸缩的运动支链通过第六球副与第三平台连接，第十可伸缩的运动支链通过第七球副与第三平台连接，第二平台与第三平台为3-ups连接，与第一平为3-ups型并联连接，第一平台1、第三平台之间为2-rpu/2-ups连接。其工作状态为：
6.(1)第一平台固定：第二平台与第三平台为运动平台，第三平台与第一平台之间为2-rpu/2-ups型并联平台，当第三平台静止不动时，第三平台与第一平台视为一体，第二平台与第一平台之间为6-ups型并联平台；
7.(2)第二平台固定：第一平台与第三平台为运动平台，第一平台与第三平台之间为2-rpu/2-ups型并联平台，当第一平台相对于第三平台静止不动时，第一平台与第三平台视为一体，第二平台与第一平台、第三平台为6-ups型并联平台；
8.(3)第三平台固定：第一平台与第二平台为运动平台，第一平台与第三平台之间为2-rpu/2-ups型并联平台，当第一平台静止不动时，第一平台与第三平台视为一体，第二平台为6-ups型并联平台；
9.在6-ups型并联平台达到耦合位置或多种解析位置的情况下，通过调整2-rpu或2-ups型并联平台，改变2-rpu2-ups型并联平台的初始位置，从而改变可伸缩的运动支链的初始长度及方位状态，进而达到6-ups型并联平台唯一解的目的，且当运动平台在可伸缩的运动支链运动行程足够大的情况下，逐级将平台的运动行程累积扩大。
10.进一步地，将2-rpu 2-ups构型支链更换为其他支链构型n-xxx以此来构成连接两个平台间的满秩构型，组成6自由度动平台和满秩构型平台的串联，其中，n表示支链数目，xxx表示平台间采用运动副连接的支链形式；在应用到多级串并联机构中时，平台之间通过可伸缩的运动支链连接的规则为：上下串联平台间依次连接方式为3-ups并联连接，第一平台与第三平台间满秩或冗余构型连接，第一平台与第四平台间为3-ups连接，第一平台与第五平台间满秩或冗余构型连接
…
间隔性重复连接。
11.本发明和现有技术相比，具有如下优点：
12.1、本复合型串并联闭环式运动机构外环为满秩或冗余类型。与内环满秩或冗余类型相比较，不同之处在于此结构中间平台(第二平台)与外平台(第一平台与第三平台)为相互为不满秩连接，因此第一平台与第三平台之间相对位置不受中间动平台(第二平台)的位置影响，可独立运动，内环满秩或冗余类型则恰恰相反，中间平台与外平台其中一个为不满秩连接，其相对于另一平台的相对位置受限于中间平台。
13.2、由于本发明的运动机构为串并联运动机构，采用3-upu与3-ups组成结构形式，保留运动行程上作动范围大的优点，和并联连接结构紧凑，体积小，稳定性高，精度高的特点。且同样具备多级运动平台，可搭载多级光学器件或其他器件，提高空间利用率空间，实现逐级控制；
14.3、本运动机构平台具有多种固定情况，可根据实际情况选择一定的固定模式。
附图说明
15.图1为本发明的一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构的三维图，其中，1为第一平台，2为虎克副，2-1为第一虎克副，2-2为第二虎克副，2-3为第三虎克副，2-4为第四虎克副，2-5为第五虎克副，2-6为第六虎克副，2-7为第七虎克副，2-8为第八虎克副，2-9为第九虎克副，2-10为第十虎克副，3为第二平台，4为可伸缩的运动支链，4-1为第一可伸缩的运动支链，4-2为第二可伸缩的运动支链，4-3为第三可伸缩的运动支链，4-4为第四可伸缩的运动支链，4-5为第五可伸缩的运动支链，4-6为第六可伸缩的运动支链，4-7为第七可伸缩的运动支链，4-8为第八可伸缩的运动支链，4-9为第九可伸缩的运动支链，4-10为第十可伸缩的运动支链，5为球副，5-1为第一球副，5-2为第二球副，5-3为第三球副，5-4为第四球副，5-5为第五球副，5-6为第六球副，5-7为第七球副，5-8为第八球副，6为第三平台，7为转动副，7-1为第一转动副，7-2为第二转动副；
16.图2为本发明的一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构的多级串并联示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.参见图1，本发明的一种外满秩、冗余多平台复合型串并联闭环式运动机构包括3个运动平台，分别为第一平台1、第二平台3、第三平台6，10条可伸缩的运动支链4，10个虎克副2、8个球副5以及2个转动副7。所述第二平台3在第一平台1、第三平台6之间；第一平台1通过第一虎克副2-1与第一可伸缩的运动支链4-1连接，第一平台1通过第一转动副7-1与第二可伸缩的运动支链4-2连接，第一平台1通过第二虎克副2-2与第三可伸缩的运动支链4-3连接，第一平台1通过第二转动副7-2与第四可伸缩的运动支链4-4连接，第一平台1通过第一球副5-1与第五可伸缩的运动支链4-5连接，第一平台1通过第二球副5-2与第六可伸缩的运动支链4-6连接，第一平台1通过第三球副5-3与第七可伸缩的运动支链4-7连接，第一可伸缩的运动支链4-1通过第五球副5-5与第三平台6连接，第二可伸缩的运动支链4-2通过第三虎克副2-3与第三平台6连接，第三可伸缩的运动支链4-3通过第八球副5-8与第三平台6连接，第四可伸缩的运动支链4-4通过第四虎克副2-4与第三平台6连接，第二平台3通过第八虎克副2-8与第五可伸缩的运动支链4-5连接，第二平台3通过第九虎克副2-9与第六可伸缩的运动支链4-6连接，第二平台3通过第七虎克副2-7与第七可伸缩的运动支链4-7连接，第二平台3通过第五虎克副2-5与第八可伸缩的运动支链4-8连接，第二平台3通过第六虎克副2-6与第九可伸缩的运动支链4-9连接，第二平台3通过虎克副与第十可伸缩的运动支链4-10连接，第八可伸缩的运动支链4-8通过第四球副5-4与第三平台6连接，第九可伸缩的运动支链4-9通过第六球副5-6与第三平台6连接，第十可伸缩的运动支链4-10通过第七球副5-7与第三平台6连接，第二平台3与第三平台6为3-ups连接，与第一平台1为3-ups型并联连接，第一平台1、第三平台6之间为2-rpu或2-ups连接。其中，连接方式以n-xxx表示，n代表平台间连接的支链数目，xxx代表支链连接类型，u代表虎克铰，p代表移动副，s代表球副，r代表转动副。其工作状态为：
19.(1)第一平台1固定：第二平台3与第三平台6为运动平台，第三平台6与第一平台1之间为2-rpu或2-ups型并联平台，当第三平台6静止不动时，第三平台6与第一平台1视为一体，第二平台6与第一平台1之间为6-ups型并联平台；
20.(2)第二平台3固定：第一平台1与第三平台6为运动平台，第一平台1与第三平台6之间为2-rpu或2-ups型并联平台，当第一平台1相对于第三平台静止不动时，第一平台1与第三平台6视为一体，第二平台3与第一平台1、第三平台6为6-ups型并联平台；
21.(3)第三平台6固定：第一平台1与第二平台3为运动平台，第一平台1与第三平台6之间为2-rpu或2-ups型并联平台，当第一平台1静止不动时，第一平台1与第三平台6视为一体，第二平台3为6-ups型并联平台；
22.本发明的运动机构在6-ups型并联平台达到耦合位置或多种解析位置的情况下，
可通过调整2-rpu2-ups型并联平台，改变2-rpu2-ups型并联平台的初始位置，从而改变可伸缩的运动支链的初始长度及方位状态，进而达到6-ups型并联平台唯一解的目的，且当运动平台在可伸缩的运动支链运动行程足够大的情况下，可逐级将平台的运动行程累积扩大。
23.此外，本发明的运动机构在设计上也可将2-rpu/2-ups构型支链更换为其他支链构型n-xxx，例如4-upu，6-ups等，以此来构成连接两个平台间的满秩构型，组成6自由度动平台和其他自由度动平台的串联。在应用到多级串并联机构中，参见图2。平台之间通过可伸缩的运动支链连接的规则应当遵循：以a、b、c、d、e
…
来表示各个串并联平台，平台a、b间，定义为0级串联，平台b、c间，定义为1级串联
…
，上下直接串联连接平台间连接方式均为3-ups并联连接(平台a与b间、b与c间，d与e间
…
)，平台a与c间满秩或冗余构型连接，平台a与d间为3-ups连接，平台a与e间满秩或冗余构型连接
…
间隔性重复连接，其中满秩或冗余型构型可为：4-upu或6-ups等。
24.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。