含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构

本发明属于并联机器人，特别涉及一种含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构。

背景技术：

1、使用合适的少自由度并联机构可以降低加工制造、控制和维护等方面的成本，所以，少自由度并联机构已经成为学术界和工业界关注的热点和前沿，并且已经成功地应用于诸多领域。其中，具有两转动一移动(简称2r1t)的三自由度并联机构是少自由度并联机构最具代表性的一类，以2r1t并联机构作为高端制造装备主机构的成功范例有tricept、ecospeed和exechon等混联机器人，这些混联机器人在航空航天和汽车等领域被广泛应用，并且取得了良好的经济效益。2r1t三自由度并联机构具有两条转轴，这两条转轴的几何关系与这类机构的运动性能密切相关，但是，目前大部分的2r1t三自由度并联机构的两条转轴不是连续转轴，所以带来了机构运动学模型复杂，增加了轨迹规划、运动学参数标定和运动控制难度等问题。

2、并联机构相比于串联机构具有结构紧凑、刚度高、精度高、速度快、承载能力强、惯性小、稳定性好、逆运动学简单等优点，但是，并联机构的工作空间小、存在奇异位形等缺点也不能忽视。冗余驱动并联机构是指其机构驱动装置个数多于自由度数的并联机构，从运动学来讲，有一组或以上的驱动装置是多余的，将这些驱动装置去掉后并不影响运动特性，但在重载操作装备中，为了提高机构的承载能力，增加机构的刚度与稳定性，通常将驱动系统设计成冗余驱动。因此，冗余驱动具有使机构结构具有局部对称性、无奇异位形等特点，以此优化机构的刚度和承载力等性能。通过在原有机构的基础上添加冗余驱动支链的方法可以减少机构的奇异，增加其可用工作空间，还可以改善机构的一些性能，如增强机构刚度、增大机构承载能力、优化驱动的输入力、减低机构关节内力等。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有两条连续转轴、一条移动轴的两转动一移动的并联机构，第一支链与第三支链的运动平面垂直于第二支链与第四支链的运动平面，四个支链对称分布于动平台和定平台的正方形四个几何顶点，除具有两条连续的转动自由度轴线所形成的连续转轴外，还具有三条冗余支链，从而实现并联机构少关节超冗余驱动。

2、本发明采用的技术方案是一种含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构，其包括定平台、动平台以及设于所述定平台与动平台之间的六条运动支链，所述定平台和动平台均呈正方形，所述定平台与动平台之间设有六条运动支链；所述六条运动支链包括第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链以及第六支链，且每条所述运动支链中均包括驱动杆，所述第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链沿逆时针呈正方形对称布置于所述定平台与动平台的边角处，且所述第一支链和第三支链呈对角线设置，所述第一支链和第三支链均为upr支链，且所述第一支链和第三支链中驱动杆的下端分别通过第一万向铰和第三万向铰与所述定平台连接，所述第一支链和第三支链中驱动杆的上端分别通过第一转动副和第三转动副与所述动平台连接，且所述第一支链和第三支链中驱动杆上的上连杆、下连杆分别通过第一移动副和第三移动副连接，所述第二支链和第四支链呈对角线设置，所述第二支链和第四支链均为rpu支链，且所述第二支链和第四支链中驱动杆的下端分别通过第二转动副和第四转动副与所述定平台连接，所述第二支链和第四支链中驱动杆的上端分别通过第二万向铰和第四万向铰与所述动平台连接，且所述第二支链和第四支链中驱动杆上的上连杆、下连杆分别通过第二移动副和第四移动副连接；所述第五支链和第六支链设于所述第一支链以及第三支链的对角线上，所述第五支链和第六支链均为upr支链，且所述第五支链和第六支链中驱动杆的下端分别通过第五万向铰和第六万向铰与所述定平台连接，所述第五支链和第六支链中驱动杆的上端分别通过共用所述第一转动副和第三转动副与所述动平台连接，且所述第五支链和第六支链中驱动杆上的上连杆、下连杆分别通过第五移动副和第六移动副连接；所述第一支链中第一万向铰的外侧转动副轴线与所述第三支链中第三万向铰的外侧转动副轴线共线，且该轴线穿过所述定平台的几何中心，其轴线方向为超冗余驱动并联机构的第一转动方向，且所述第二支链中第二万向铰的外侧转动副轴线与所述第四支链中第四万向铰的外侧转动副轴线共线，且该轴线穿过所述动平台的几何中心，其轴线方向为超冗余驱动并联机构的第二转动方向，所述定平台的几何中心与所述动平台的几何中心连线方向为超冗余驱动并联机构的移动自由度方向，通过驱动所述各运动支链中驱动杆动作，能构实现超冗余驱动并联机构空间内的两维转动和一维移动。

3、进一步地，所述第一支链中第一万向铰的内侧转动副轴线与所述第一转动副轴线平行，且所述第一万向铰的内侧转动副轴线以及所述第一转动副的轴线均与所述第一移动副轴线垂直；所述第二支链中第二万向铰的内侧转动副轴线与所述第二转动副轴线平行，且所述第二万向铰的内侧转动副轴线以及所述第二转动副轴线均与所述第二移动副轴线垂直；所述第三支链中第三万向铰的内侧转动副轴线与所述第三转动副轴线平行，且所述第三万向铰的内侧转动副轴线以及所述第三转动副轴线均与所述第三移动副轴线垂直；所述第四支链中第四万向铰的内侧转动副轴线与所述第四转动副轴线平行，且所述第四万向铰的内侧转动副轴线以及所述第四转动副轴线均与所述第四移动副轴线垂直；所述第五支链中第五万向铰的内侧转动副轴线与所述第一转动副轴线平行，且所述第五万向铰的内侧转动副轴线以及所述第一转动副轴均与所述第五移动副轴线垂直；所述第六支链中第六万向铰的内侧转动副轴线与所述第三转动副轴线平行，且所述第六万向铰的内侧转动副轴线以及所述第三转动副轴均与所述第六移动副轴线垂直。

4、优选地，所述第一万向铰、第三万向铰、第五万向铰以及第六万向铰的外侧转动副分别与所述定平台相连，且所述第一万向铰、第三万向铰、第五万向铰以及第六万向铰的内侧转动副分别与对应驱动杆中的下连杆相连，所述第二万向铰和第四万向铰的外侧转动副分别与所述动平台相连，且所述第二万向铰和第四万向铰的内侧转动副分别与对应驱动杆中的上连杆相连。

5、优选地，所述第二转动副轴线与所述第四转动副轴线相平行，且所述第四转动副与所述第一万向铰、第三万向铰、第五万向铰以及第六万向铰的外侧转动副轴线相平行，所述第二转动副轴线的中心点和第四转动副轴线的中心点与所述定平台的几何中心均在同一条直线上，且所述第一万向铰、第三万向铰、第五万向铰以及第六万向铰的外侧转动副轴线的中心点与所述定平台的几何中心均在同一条直线上。

6、优选地，所述第一转动副轴线与所述第三转动副轴线相平行，且所述第三转动副轴线与所述第二万向铰以及第四万向铰的外侧转动副轴线相平行，所述第一转动副轴线的中心点与所述第三转动副轴线的中心点与所述动平台的几何中心均在同一条直线上，且所述第二万向铰以及第四万向铰的外侧转动副轴线的中心点与所述动平台的几何中心均在同一条直线上。

7、优选地，与所述定平台相连的所述第一万向铰的外侧转动副轴线、第三万向铰的外侧转动副轴线、第五万向铰的外侧转动副轴线以及第六万向铰的外侧转动副轴线均与所述动平台相连的所述第一转动副轴线、第三转动副轴线相平行；与所述定平台相连的所述第一万向铰的内侧转动副轴线、第三万向铰的内侧转动副轴线均与所述动平台相连的所述第一转动副轴线、第三转动副轴线、第二万向铰的外侧转动副轴线以及第四万向铰的外侧转动副轴线相平行；所述第二万向铰的外侧转动副轴线与所述第四万向铰的外侧转动副轴线共线，且过所述动平台的几何中心点；所述第一万向铰的外侧转动副轴线与所述第三万向铰的外侧转动副轴线共线，且过所述定平台的几何中心点。

8、进一步地，当所述定平台与所述动平台平行时，所述第五支链中第一转动副在所述定平台上的投影为所述第一万向铰外侧转动副的中心点至所述第五万向铰外侧转动副的中心点之间连线的中点，且所述第五万向铰的外侧转动副轴线、所述第一万向铰的外侧转动副轴线以及所述第三万向铰的外侧转动副轴线相互平行，且所述第五万向铰的外侧转动副轴线的中心点、第一万向铰的外侧转动副轴线的中心点以及所述第三万向铰的外侧转动副轴线的中心点共线，且均在所述定平台的对角线上；当所述定平台与所述动平台平行时，所述第六支链中第三转动副在所述定平台上的投影为所述第三万向铰外侧转动副的中心点至所述第六万向铰外侧转动副的中心点之间连线的中点，且所述第六万向铰的外侧转动副轴线、所述第一万向铰外侧转动副轴线以及所述第三万向铰外侧转动副轴线相互平行，且所述第六万向铰的外侧转动副轴线的中心点、所述第一万向铰外侧转动副轴线的中心点以及所述第三万向铰外侧转动副轴线的中心点共线，且均在所述定平台的对角线上。

9、进一步地，连接所述定平台的所述第一万向铰的外侧转动副、第三万向铰的外侧转动副、第五万向铰的外侧转动副、第六万向铰的外侧转动副、第二转动副以及第四转动副的轴线空间异面且垂直于连接所述动平台的所述第一转动副、第三转动副、第二万向铰的外侧转动副以及第四万向铰的外侧转动副轴线。

10、本发明的特点和有益效果是：

11、1、本发明提供的含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构，具有两条连续转轴，运动解耦性好，有更强的实用性。

12、2、本发明提供的含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构，具有结构合理、机构整体结构刚度高、运动精度高、控制容易等优点，适用于高精度，高刚度，高负载，高硬度材料的加工等场合。

13、3、本发明提供的含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构，第一支链与第三支链的运动平面重合，第二支链与第四支链的运动平面重合，第一支链与第三支链的运动平面垂直于第二支链与第四支链的运动平面，四个支链对称分布于动、定平台的正方形四个几何顶点，运动学分析得到简化，便于实时控制。

14、4、本发明提供的含复合型转动副的两转动一移动超冗余驱动并联机构，通过超冗余驱动支链或关节调节机构的运动精度与受力状态，建立超冗余驱动并联机构的变形协调模型与受力协调模型，分享支链变形与超冗余驱动并联机构的受力分配间的映射关系，可实现超冗余驱动并联机构力学特性可调；同时，通过合理分配冗余分支个数，实现超冗余驱动并联机构冗余特性可变，具有力学可控性更好的优点。