[發明專利]剛柔混合線解耦變剛度的可重構冗余驅動廣義并聯機構

在審

• 申請號: 201710397886.1
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN107127738A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 佟志忠;陳濤;彭磊;李崇慶;姜洪洲;何景峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務所有限責任公司23101
• 代理人: 吳振剛

技術領域

本發明涉及一種剛柔混合線解耦變剛度的可重構冗余驅動廣義并聯機構。

背景技術

六自由度并聯機構以其剛度大、精度高、承載能力強等特點，廣泛應用于國防、航天的運動模擬、力學環境模擬、隔振/減振、精密定位及指向等領域。對于這些應用，六自由度并聯機構的剛度及動力學特性至關重要，尤其是耦合特性。典型的六自由度并聯機構，如Gough-Stewart并聯機構等，因其多結構參數、多變量及多約束，性能分析復雜，剛度調節范圍小，全域低耦合設計與優化困難。理論上，并聯機構解耦(或稱為正交)能夠在一定程度上降低運動學和動力學等非線性耦合影響。目前六自由度并聯機構多采用局部優化或點優化設計方法，在解耦中心鄰域的工作空間獲取高精度、低耦合性能。當六自由度并聯機構運動遠離解耦中心時，耦合加劇、精度降低，限制了并聯機構在宏觀操作領域的應用。更為重要的是，當六自由度并聯機構與應用環境相互作用時，影響機構性能的不僅僅是其動力學特性，所接觸作用界面的非均質、非連續的物性參數變化與幾何參數變化，以及多作用物理過程等導致系統出現非線性、強擾動、多耦合特性，給并聯機構的位置跟蹤、力控制及其應用帶來了挑戰。因此，復雜相互作用界面下六自由度并聯機構若能較好地適應界面效應，則要求其能夠準確地控制與環境的相互作用，規避局部剛度優化并聯機構大范圍工作空間內可能出現剛度奇變、剛度不穩定的缺陷。為解決以上問題，本發明提出一種剛柔混合線解耦變剛度的可重構冗余驅動廣義并聯機構。

發明內容

本發明的目的是提供一種剛柔混合線解耦變剛度的可重構冗余驅動廣義并聯機構，其通過剛柔混合以及冗余方式驅動，實現對機構剛度的大范圍調整，并能通過低耦合可重構機制實現沿Z軸平動過程中始終解耦，其可以顯著降低現有六自由度并聯機構全域工作空間存在的自由度以及剛度的耦合，擴大高精度工作空間，剛度自適應并聯機構與環境間的相互作用。

為實現上述目的，本發明的采用的技術方案是：一種剛柔混合線解耦變剛度的可重構冗余驅動廣義并聯機構,包括動平臺、定平臺、8個上鉸、8個下鉸、8根支腿和4組虎克鉸鉸點調整機構，動平臺為上平臺，定平臺為下平臺，上下平臺之間通過八組支腿連接組成空間廣義并聯機構，4個上鉸點按奇序號分組為A1、A3、A5、A7，另外4個上鉸點按偶序號分組為A2、A4、A6、A8，奇序號組上鉸點按逆時針分布在上平臺的一圓周上，偶序號組上鉸點按逆時針分布在上平臺的另外一圓周上；4個下鉸點按奇序號分組為B1、B3、B5、B7，另外4個下鉸點按偶序號分組為B2、B4、 B6、B8，奇序號組下鉸點按逆時針分布在下平臺的一圓周上，偶序號組下鉸點按逆時針分布在下平臺的另外一圓周上；上、下奇數組或偶序號組的四個鉸點滿足90°旋轉對稱；8根支腿也按照奇偶序號分組，每根支腿的兩端通過鉸耳分別與對應的奇或偶序號組的上、下鉸連接；其中奇序號組支腿為剛性線性致動器，偶序號組支腿為柔性線性致動器，4組虎克鉸鉸點調整機構分別與偶序號組的下鉸連接，用于調整鉸點位置。

本發明還具有如下技術特征：

1、所述的機構的剛度能夠調整，通過柔性支腿內力以及冗余驅動基于內力控制的剛度調整。

2、選取中位作為工作點，按標準Stewart八腿并聯機構設計本機構的具體結構步驟為：

選取中位作為工作點，按標準Stewart八腿并聯機構設計本機構的具體結構步驟為：

(1)根據負載安裝接口尺寸確定并聯機構上平臺半徑r_a1，將此分布圓作為本發明并聯機構奇序號組支腿的分布圓；

(2)根據負載六個自由度運動的范圍、速度、加速度，以及負載質量特性，優化設計標準Stewart 八腿并聯機構具體結構；

(3)進行工作空間、剛度的性能分析，以設計要求為準則確定優化設計結果，最終確定上平臺半徑r_a1、下平臺半徑r_b1、中位高度H；

(4)根據優化設計結果奇序號組支腿的上下鉸點坐標，并依據支腿驅動器參數要求進行選型；

(5)根據奇序號組支腿鉸點坐標，求取其分布的單葉雙曲面方程；

(6)定義喉部半徑比工程設計時其取值范圍為0.6～1.0，根據布置要求確定喉部半徑比n取值，計算r₂并依據正交條件反求出偶序號組支腿的單葉雙曲面方程；

(7)以標準Stewart八腿并聯機構的中位結構截取偶序號組支腿的單葉雙曲面，即能夠計算出偶序號組支腿的上下鉸點；

(8)檢驗設計的結構參數是否存在干涉，若存在，返回步驟2重新修改設計參數進行優化；