刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构制造技术

技术编号:16140814 阅读:9 留言:0更新日期:2017-09-06 12:19
一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构,每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接;其中奇序号组支腿为刚性线性致动器,偶序号组支腿为柔性线性致动器,4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接,用于调整铰点位置。其通过刚柔混合以及冗余方式驱动,实现对机构刚度的大范围调整,并能通过低耦合可重构机制实现沿Z轴平动过程中始终解耦,其可以显著降低现有六自由度并联机构全域工作空间存在的自由度以及刚度的耦合,扩大高精度工作空间,刚度自适应并联机构与环境间的相互作用。

Reconfigurable redundant actuation generalized parallel mechanism with rigid flexible hybrid line decoupling variable stiffness

A rigid flexible mixed line decoupling variable stiffness of reconfigurable redundant drive generalized parallel mechanism, including the dynamic adjustment mechanism of platform, and on the 8, 8 lower hinge hinge, 8 legs and 4 sets of Hooke hinge hinge point, each leg ends are respectively connected with the odd or even number corresponding group the upper and lower hinge by a hinge ear; the odd number group leg rigid linear actuator, even number group legs for flexible linear actuator adjustment mechanism of 4 groups of Hooke hinge hinge point are respectively connected with the lower hinge even number group, used to adjust the pivot position. It is driven by a rigid flexible and redundant way, to achieve a wide range of stiffness adjustment, and through the low coupling of reconfigurable mechanism along the Z axis translation process has its decoupling, can significantly reduce the existing parallel mechanism with six degrees of freedom global workspace freedom and coupled stiffness, expand high precision work space stiffness, adaptive parallel mechanism and environment interaction.

【技术实现步骤摘要】
刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构
本专利技术涉及一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构。
技术介绍
六自由度并联机构以其刚度大、精度高、承载能力强等特点,广泛应用于国防、航天的运动模拟、力学环境模拟、隔振/减振、精密定位及指向等领域。对于这些应用,六自由度并联机构的刚度及动力学特性至关重要,尤其是耦合特性。典型的六自由度并联机构,如Gough-Stewart并联机构等,因其多结构参数、多变量及多约束,性能分析复杂,刚度调节范围小,全域低耦合设计与优化困难。理论上,并联机构解耦(或称为正交)能够在一定程度上降低运动学和动力学等非线性耦合影响。目前六自由度并联机构多采用局部优化或点优化设计方法,在解耦中心邻域的工作空间获取高精度、低耦合性能。当六自由度并联机构运动远离解耦中心时,耦合加剧、精度降低,限制了并联机构在宏观操作领域的应用。更为重要的是,当六自由度并联机构与应用环境相互作用时,影响机构性能的不仅仅是其动力学特性,所接触作用界面的非均质、非连续的物性参数变化与几何参数变化,以及多作用物理过程等导致系统出现非线性、强扰动、多耦合特性,给并联机构的位置跟踪、力控制及其应用带来了挑战。因此,复杂相互作用界面下六自由度并联机构若能较好地适应界面效应,则要求其能够准确地控制与环境的相互作用,规避局部刚度优化并联机构大范围工作空间内可能出现刚度奇变、刚度不稳定的缺陷。为解决以上问题,本专利技术提出一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,其通过刚柔混合以及冗余方式驱动,实现对机构刚度的大范围调整,并能通过低耦合可重构机制实现沿Z轴平动过程中始终解耦,其可以显著降低现有六自由度并联机构全域工作空间存在的自由度以及刚度的耦合,扩大高精度工作空间,刚度自适应并联机构与环境间的相互作用。为实现上述目的,本专利技术的采用的技术方案是:一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构,动平台为上平台,定平台为下平台,上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构,4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7,另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8,奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上,偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上;4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7,另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8,奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上,偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上;上、下奇数组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称;8根支腿也按照奇偶序号分组,每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接;其中奇序号组支腿为刚性线性致动器,偶序号组支腿为柔性线性致动器,4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接,用于调整铰点位置。本专利技术还具有如下技术特征:1、所述的机构的刚度能够调整,通过柔性支腿内力以及冗余驱动基于内力控制的刚度调整。2、选取中位作为工作点,按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为:选取中位作为工作点,按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为:(1)根据负载安装接口尺寸确定并联机构上平台半径ra1,将此分布圆作为本专利技术并联机构奇序号组支腿的分布圆;(2)根据负载六个自由度运动的范围、速度、加速度,以及负载质量特性,优化设计标准Stewart八腿并联机构具体结构;(3)进行工作空间、刚度的性能分析,以设计要求为准则确定优化设计结果,最终确定上平台半径ra1、下平台半径rb1、中位高度H;(4)根据优化设计结果奇序号组支腿的上下铰点坐标,并依据支腿驱动器参数要求进行选型;(5)根据奇序号组支腿铰点坐标,求取其分布的单叶双曲面方程;(6)定义喉部半径比工程设计时其取值范围为0.6~1.0,根据布置要求确定喉部半径比n取值,计算r2并依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程;(7)以标准Stewart八腿并联机构的中位结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面,即能够计算出偶序号组支腿的上下铰点;(8)检验设计的结构参数是否存在干涉,若存在,返回步骤2重新修改设计参数进行优化;(9)结束。4、如上所述的并联机构其解耦机制控制流程步骤如下:步骤1:在ti时刻,给定并联机构运动位姿指令将其映射为两条指令,其中指令用于八条驱动支腿运动伸长量的计算,指令pR=[00z000]T用于解耦重构的铰点调整指令;步骤2:根据解耦重构的铰点调整指令计算并联机构奇序号组支腿的上铰点坐标,求取其分布的单叶双曲面方程;步骤3:依据正交条件反求出偶序号组支腿的单叶双曲面方程;步骤4:以并联机构结构截取偶序号组支腿的单叶双曲面,即计算出偶序号组支腿的下铰点坐标,进而确定重构调整下铰点的调节量;步骤5:采用并联机构运动学反解算法,根据运动位姿指令计算八条驱动支腿运动的伸长量;步骤6:根据驱动支腿伸长量以及重构调整下铰点的调节量,通过驱动系统的闭环控制即能够实现相应动作;步骤7:调整运动的同时,并联机构的刚度可通过柔性支腿的刚度调节,以及调整各驱动支腿驱动力实现基于内力变刚度控制,重复以上步骤,即能通过动态调整偶序号组支腿的下铰点位置,实现机构的沿Z轴运动解耦。与现有的六自由度并联机构相比,本专利技术具有以下有益效果及优点:1.本专利技术与现有并联机构相比,将柔性驱动与传统刚性驱动相结合,提高了机构刚度的调节范围。2.针对并联机构自由度之间的耦合问题,将点解耦设计延伸为线解耦设计,扩大了高精度工作空间。3.可重构解耦机制与冗余驱动变刚度控制相结合,可保持沿Z轴平动运动过程始终刚度正交与刚度调整。4.与现有并联机构相比,本专利技术的并联机构主刚度变化范围大、线性度与对称度好,在与环境相互作用时具有更好的控制稳定性与鲁棒性。附图说明图1是本专利技术广义并联机构的结构示意图;图2是本专利技术广义并联机构柔性支腿的结构示意图;图3为本专利技术广义并联机构的可重构解耦与刚度调整框图;图4为本专利技术广义并联机构的控制流程框图。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、构造特征、所实现的目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详细说明。实施例1如图1所示,一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构,动平台为上平台,定平台为下平台,上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构,4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7,另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8,奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上,偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上;4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7,另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8,奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上,偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上;上、下奇序号组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称;8根支腿也按照奇偶序号分组,每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶本文档来自技高网
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刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构

【技术保护点】
一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构,动平台为上平台,定平台为下平台,上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构,其特征在于,4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7,另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8,奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上,偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上;4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7,另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8,奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上,偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上;上、下奇数组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称;8根支腿也按照奇偶序号分组,每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接;其中奇序号组支腿为刚性线性致动器,偶序号组支腿为柔性线性致动器,4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接,用于调整铰点位置。

【技术特征摘要】
1.一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,包括动平台、定平台、8个上铰、8个下铰、8根支腿和4组虎克铰铰点调整机构,动平台为上平台,定平台为下平台,上下平台之间通过八组支腿连接组成空间广义并联机构,其特征在于,4个上铰点按奇序号分组为A1、A3、A5、A7,另外4个上铰点按偶序号分组为A2、A4、A6、A8,奇序号组上铰点按逆时针分布在上平台的一圆周上,偶序号组上铰点按逆时针分布在上平台的另外一圆周上;4个下铰点按奇序号分组为B1、B3、B5、B7,另外4个下铰点按偶序号分组为B2、B4、B6、B8,奇序号组下铰点按逆时针分布在下平台的一圆周上,偶序号组下铰点按逆时针分布在下平台的另外一圆周上;上、下奇数组或偶序号组的四个铰点满足90°旋转对称;8根支腿也按照奇偶序号分组,每根支腿的两端通过铰耳分别与对应的奇或偶序号组的上、下铰连接;其中奇序号组支腿为刚性线性致动器,偶序号组支腿为柔性线性致动器,4组虎克铰铰点调整机构分别与偶序号组的下铰连接,用于调整铰点位置。2.根据权利要求1所述的一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,其特征在于:所述的机构的刚度能够调整,通过柔性支腿内力以及冗余驱动基于内力控制的刚度调整。3.根据权利要求1所述的一种刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构,其特征在于,选取中位作为工作点,按标准Stewart八腿并联机构设计本机构的具体结构步骤为:(1)根据负载安装接口尺寸确定并联机构上平台半径ra1,将此分布圆作为本发明并联机构奇序号组支腿的分布圆;(2)根据负载六个自由度运动的范围、速度、加速度,以及负载质量特性,优化设计标准Stewart八腿并联机构具体结构;(3)进行工作空间、刚度的性能分析,以设计要求为准则...

【专利技术属性】
技术研发人员:佟志忠陈涛彭磊李崇庆姜洪洲何景峰
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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