CN107139165A - 混联的六自由度空间对接机构 - Google Patents

Abstract

一种六自由度的调整机构，包括自下而上的二维平移台、并联抬升机构和并联调整平台，二维移动平台提供X、Y方向上的移动自由度；所述的并联抬升机构为超静定结构，通过四条RPR支链实现Z方向的移动自由度，不仅增加机构的刚度和稳定性，而且能在一定程度上提高抬升的速度分辨率；所述的并联调整平台有沿X，Y，Z的旋转自由度，中间的球铰连接增加安装调整平台的承载能力，同时减轻其它四条驱动支链的负载。相比于传统的并联调整平台，本发明通过分层驱动策略将移动与转动完全解耦。经运动学分析和有限元分析，本发明的稳定性和刚性良好，系统控制相对简单，完全满足中型大型器件的安装调整的要求。

Description

混联的六自由度空间对接机构

技术领域

本发明涉及空间运动对接，特别是一种混联的六自由度空间对接机构。

背景技术

德国人Stewart于1965年在英国杂志ImechE上发表关于并联机构的著名文章《六自由度平台》，该平台包括三个运动支链，平台能作六自由度运动，文中Stewart将该六自由度运动平台应用于飞行模拟器。此后并联平台逐渐进入人们的视野，成为研究热点。基于该原理的新型加工设备不断涌现，因为其良好的动态特性，被广泛的应用于生产活动并主要应用于装配行业例如将Stewart机构应用于汽车装配生产线、自主行走机器人、机器人臂。由于该机构是高度耦合系统，求解运动学正解困难，运动学控制较困难。

调研近几年来的中国发明专利，燕山大学路懿等发明了一种3手抓的3SPR+3RPS型串并联机器人，两种三支链的并联机器人的串联，是一种六自由度的夹取机构。此类机构自由度冗余，但是刚度较差，且运动空间小。上海交通大学曹冲振等用三个相同的两驱动分支构成移动式六自由度混联机器人，实现动平台的六自由度移动所得各支链解耦性好，无积累误差。西北工业大学李西宁等通过将XY二维运动平台、Z轴转动台和3RHS并联平台串联构成六自由度混联机构，用于飞机中小部件的位姿调整。实现机构的部分解耦和六自由度灵活调整。安徽工业大学于晓流等发明一种基于串并联机构的六自由度机器人位姿检测装置，可兼顾检测精度与工作空间两方面要求，实现被测物体的位置姿态综合测量和实时显示，提高了检测线率。北京航空航天大学陈五一等公开了一种六自由度冗余并联机构，针对并联机构工作空间小，姿态空间小的缺点，通过支链两端分别于球铰、转动副的连接关系来改变动平台相对于环形导轨的运动关系，有效解决加工件在并联机构上奇异位姿的调整。

经过对上述机构综合分析发现，并联机构的优缺点非常明显，其运动空间小限制了并联机构在工业上的应用，且都是应用在小型零件的调整，机构无法承载大载荷，部分机构运动解耦不理想导致控制困难。因此兼顾机构空间行程、机构刚度、稳定性和易于控制的机构仍是待解决的难题。

发明内容

本发明提供一种六自由度的调整机构，该机构具有较大的工作空间、运行稳定和良好的结构刚性保证其能承载较大负载。针对大型装置模块化组件的洁净和精密调整安装、航空航天探测设备、地下开采设备、灾难救援设备等邻域，具有广泛的应用价值和开发前景。

本发明的技术解决方案如下：

一种六自由度调整机构，其特点在于：该机构包括自下而上的二维平移台、并联抬升机构和并联调整平台：

所述的二维平移台包括自下而上的底板、第一动板和第二动板；第一移动导轨和第二移动导轨相互平行并安装在所述的底板上的右左两侧，同时第一滑块和第二滑块分别对应地安装在所述的第一移动导轨、第二移动导轨上并与第一动板的下方连接；第三移动导轨和第四移动导轨相互平行安装在所述的第一动板上的后前两端，第三滑块和第四滑块分别对应地安装在所述的第三移动导轨、第四移动导轨上并与所述的第二动板的下方连接，所述的第一移动导轨、第二移动导轨与所述的第三移动导轨、第四移动导轨的方向相互垂直；第一支撑座、第二支撑座通过螺钉安装在所述的底板中间的两端供第一螺杆安装，第一螺杆的方向与所述的第二移动导轨平行并位于所述的第一移动导轨和第二移动导轨的中间，套设在第一螺杆上的第一螺母支架固定在所述的第一动板的下表面，第一电机安装在第一螺杆的一侧，所述的第一电机与第一丝杆组成第一动板的驱动模块；第三支撑座和第四支撑座通过螺钉安装在第一动板中间的左右两端供第二螺杆的安装，第二螺杆的方向与所述的第四移动导轨平行并位于所述的第三移动导轨和第四移动导轨的中间，套设在第二螺杆上的第二螺母支架固定在所述的第二动板的下表面，第二电机安装在第二螺杆的一侧，所述的第二电机与第二丝杆组成第二动板的驱动模块；

所述的并联抬升机构包括一个基座、4个RPR支链和一个动平台，所述的基座固定在所述的第二动板上，四个RPR支链分别由下端转动副、中间移动副、上端转动副各串联构成一个直线驱动分支，每个RPR的下端转动副与所述的基座相连，上端转动副与所述的动平台相连，四条RPR支链的两端的运动副与所述的基座和动平台的连接均呈对称的十字形分布，构成4RPR机构；

所述的并联调整平台包括一个定平台、4条SPS支链、一根中心支链和一个动平台，所述的定平台固定在所述的并联抬升机构的动平台上，所述的中心支链的上端为上端球饺，下端是一个法兰盘，上端球铰与所述的动平台的中心相连，该中心支链的法兰盘通过连接架与所述的定平台固定连接，所述的中心支链穿过所述的连接架且中心支链的中心线与所述的连接架的中心线重合；

所述的4条SPS支链均由上球铰、移动副和下球铰串联构成，SPS支链的四个下球铰铰接在所述的定平台上的四角呈正方形分布，所述的四个上球铰铰接在所述的动平台的四角并呈矩形分布，所述的定平台位于所述的动平台的正下方，构成4SPS-S机构，所述的二维移动平台、定平台和动平台的中心在同一条竖直线上。

所述的并联抬升机构的4条支链分为驱动支链和从动支链各两条，从动支链和驱动支链各自对称分布。

本发明的优点是：

1、本发明六自由度调整机构的二维移动平台提供X、Y方向上的移动自由度；4RPR并联抬升机构为超静定结构，通过四条RPR支链实现Z方向的移动自由度，不仅增加了机构的刚度和稳定性，而且能在一定程度上提高抬升的速度分辨率；4-SPS-1S安装调整平台有沿X，Y，Z的旋转自由度，中心支链的球铰连接增加安装调整平台的承载能力，同时减轻其它四条驱动支链的负载。二维平移台和4RPR机构提供了X、Y、Z三个方向的大行程的移动，有较大的工作空间。超静定结构使该结构拥有较高的稳定性和良好的刚度，同时结构简单，能承载较大负载。所述的安装调平机构运用四点调平中心固定原理，机构刚度高、承载能力强、速度快、没有积累误差。

2、本发明六自由度调整机构在大型装置模块化组件的洁净和精密调整安装、航空航天探测设备、地下开采设备、灾难救援设备等邻域，具有广泛的应用价值和开发前景。

附图说明

图1是本发明六自由度调整机构的立体结构示意图；

图2是本发明二维平移台的组装图

图3是本发明二维平移台的组装的半剖视图；

图4是4RPR并联抬升机构模块的俯视图

图5是4RPR并联抬升机构模块立体示意图；

图6是4SPS-1S并联调整平台示意图；

图7是本发明六自由度调整机构的半剖示意图；

图8是本发明六自由度调整机构的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图8，由图可见，本发明六自由度调整机构，包括自下而上的二维平移台1、并联抬升机构2和并联调整平台3：

所述的二维平移台1包括自下而上的底板1-1、第一动板1-3和第二动板1-6；第一移动导轨1-11和第二移动导轨1-14相互平行并安装在所述的底板1-1上的右左两侧，同时第一滑块1-2和第二滑块1-15分别对应地安装在所述的第一移动导轨1-11、第二移动导轨1-14上并与第一动板1-3的下方连接；第三移动导轨1-5和第四移动导轨1-10相互平行安装在所述的第一动板1-3上的后前两端，第三滑块1-2和第四滑块1-9分别对应地安装在所述的第三移动导轨1-5、第四移动导轨1-10上并与所述的第二动板1-6的下方连接，所述的第一移动导轨1-11、第二移动导轨1-14与所述的第三移动导轨1-5、第四移动导轨1-10的方向相互垂直；第一支撑座1-13、第二支撑座1-17通过螺钉安装在所述的底板1-1中间的两端供第一螺杆1-12安装，第一螺杆1-12的方向与所述的第二移动导轨1-14平行并位于所述的第一移动导轨1-11和第二移动导轨1-14的中间，套设在第一螺杆1-12上的第一螺母支架1-16固定在所述的第一动板1-3的下表面，第一电机安装在第一螺杆1-12的一侧，所述的第一电机与第一丝杆组成第一动板1-3的驱动模块；第三支撑座1-7和第四支撑座1-19通过螺钉安装在第一动板1-3中间的左右两端供第二螺杆1-8的安装，第二螺杆1-8的方向与所述的第四移动导轨1-10平行并位于所述的第三移动导轨1-5和第四移动导轨1-10的中间，套设在第二螺杆1-8上的第二螺母支架1-18固定在所述的第二动板1-6的下表面，第二电机安装在第二螺杆1-8的一侧，所述的第二电机与第二丝杆组成第二动板1-6的驱动模块；

所述的并联抬升机构2包括一个基座2-1、4个RPR支链和一个动平台2-2，所述的基座2-1固定在所述的第二动板1-6上，四个RPR支链分别由下端转动副2-4、2-5、2-8、2-10、中间移动副2-3、2-6、2-7、2-9、上端转动副2-15、2-16、2-17、2-18各串联构成一个直线驱动分支，每个RPR的下端转动副与所述的基座2-1相连，上端转动副与所述的动平台2-2相连，四条RPR支链的两端的运动副与所述的基座2-1和动平台2-2的连接均呈对称的十字形分布；

所述的并联调整平台3包括一个定平台3-17、4条SPS支链、一根中心支链3-6和一个动平台3-8，所述的定平台3-17固定在所述的并联抬升机构的动平台2-2上，所述的中心支链3-6的上端为上端球饺3-11，下端是一个法兰盘3-18，上端球铰3-11与所述的动平台3-8的中心相连，该中心支链的下端的法兰盘3-18通过连接架3-3与所述的定平台3-17固定连接，所述的中心支链3-6穿过所述的连接架3-3且中心支链(3-6)的中心线与所述的连接架3-3的中心线重合；所述的4条SPS支链3-2、3-5、3-13、3-15均由上球铰3-1、3-4、3-14、3-16、移动副3-2、3-5、3-13、3-15和下球铰3-7、3-9、3-10、3-12串联构成，SPS支链的四个下球铰3-7、3-9、3-10、3-12铰接在所述的定平台3-17上的四角呈正方形分布，所述的四个上球铰3-1、3-4、3-14、3-16铰接在所述的动平台3-8的四角并呈矩形分布，所述的定平台3-4位于所述的动平台3-8的正下方，构成4SPS-1S机构，所述的二维移动平台1、定平台3-4和动平台3-8的中心在同一条竖直线上。

所述的并联抬升机构2的4条支链分为驱动支链和从动支链各两条，从动支链和驱动支链各自对称分布。

所述的二维移动平台1的驱动输入是两根互相垂直的第二丝杠1-8、第一丝杠1-12，4RPR的驱动输入是两根互相对称的支链2-3、2-7，4SPS-1S的驱动输入是四根支链3-2、3-5、3-13、3-15，整个系统为八驱动输入1-8、1-12、2-3、2-7、3-2、3-5、3-13、3-15、六输出，前四个输入控制三维(X、Y、Z)移动分量，4SPS-1S四输入为三轴旋转分量的控制输入，实现平移与旋转的解耦。实现模块的六自由度的调整对接。

实验表明，本发明六自由度调整机构的二维移动平台提供X、Y方向上的移动自由度；4RPR并联抬升机构为超静定结构，通过四条RPR支链实现Z方向的移动自由度，不仅增加了机构的刚度和稳定性，而且能在一定程度上提高抬升的速度分辨率；4-SPS-1S安装调整平台有沿X，Y，Z的旋转自由度，中心支链的球铰连接增加安装调整平台的承载能力，同时减轻其它四条驱动支链的负载。二维平移台和4RPR机构提供了X、Y、Z三个方向的大行程的移动，有较大的工作空间。超静定结构使该结构拥有较高的稳定性和良好的刚度，同时结构简单，能承载较大负载。所述的安装调平机构运用四点调平中心固定原理，机构刚度高、承载能力强、速度快、没有积累误差。

本发明六自由度调整机构在大型装置模块化组件的洁净和精密调整安装、航空航天探测设备、地下开采设备、灾难救援设备等邻域，具有广泛的应用价值和开发前景。

Claims (2)

1.一种六自由度调整机构，其特征在于：该机构包括自下而上的二维平移台(1)、并联抬升机构(2)和并联调整平台(3)：

所述的二维平移台(1)包括自下而上的底板(1-1)、第一动板(1-3)和第二动板(1-6)；第一移动导轨(1-11)和第二移动导轨(1-14)相互平行并安装在所述的底板(1-1)上的右左两侧，同时第一滑块(1-2)和第二滑块(1-15)分别对应地安装在所述的第一移动导轨(1-11)、第二移动导轨(1-14)上并与第一动板(1-3)的下方连接；第三移动导轨(1-5)和第四移动导轨(1-10)相互平行安装在所述的第一动板(1-3)上的后前两端，第三滑块(1-2)和第四滑块(1-9)分别对应地安装在所述的第三移动导轨(1-5)、第四移动导轨(1-10)上并与所述的第二动板(1-6)的下方连接，所述的第一移动导轨(1-11)、第二移动导轨(1-14)与所述的第三移动导轨(1-5)、第四移动导轨(1-10)的方向相互垂直；第一支撑座(1-13)、第二支撑座(1-17)通过螺钉安装在所述的底板(1-1)中间的两端供第一螺杆(1-12)安装，第一螺杆(1-12)的方向与所述的第二移动导轨(1-14)平行并位于所述的第一移动导轨(1-11)和第二移动导轨(1-14)的中间，套设在第一螺杆(1-12)上的第一螺母支架(1-16)固定在所述的第一动板(1-3)的下表面，第一电机安装在第一螺杆(1-12)的一侧，所述的第一电机与第一丝杆组成第一动板(1-3)的驱动模块；第三支撑座(1-7)和第四支撑座(1-19)通过螺钉安装在第一动板(1-3)中间的左右两端供第二螺杆(1-8)的安装，第二螺杆(1-8)的方向与所述的第四移动导轨(1-10)平行并位于所述的第三移动导轨(1-5)和第四移动导轨(1-10)的中间，套设在第二螺杆(1-8)上的第二螺母支架(1-18)固定在所述的第二动板(1-6)的下表面，第二电机安装在第二螺杆(1-8)的一侧，所述的第二电机与第二丝杆组成第二动板(1-6)的驱动模块；

所述的并联抬升机构(2)包括一个基座(2-1)、4个RPR支链和一个动平台(2-2)，所述的基座(2-1)固定在所述的第二动板(1-6)上，四个RPR支链分别由下端转动副(2-4、2-5、2-8、2-10)、中间移动副(2-3、2-6、2-7、2-9)、上端转动副(2-15、2-16、2-17、2-18)各串联构成一个直线驱动分支，每个RPR的下端转动副与所述的基座(2-1)相连，上端转动副与所述的动平台(2-2)相连，四条RPR支链的两端的运动副与所述的基座(2-1)和动平台(2-2)的连接均呈对称的十字形分布，构成4RPR机构；

所述的并联调整平台(3)包括一个定平台(3-17)、4条SPS支链、一根中心支链(3-6)和一个动平台(3-8)，所述的定平台(3-17)固定在所述的并联抬升机构的动平台(2-2)上，所述的中心支链(3-6)的上端为上端球饺(3-11)，下端是一个法兰盘(3-18)，上端球铰(3-11)与所述的动平台(3-8)的中心相连，该中心支链的下端的法兰盘(3-18)通过连接架(3-3)与所述的定平台(3-17)固定连接，所述的中心支链(3-6)穿过所述的连接架(3-3)且中心支链(3-6)的中心线与所述的连接架(3-3)的中心线重合；

所述的4条SPS支链(3-2、3-5、3-13、3-15)均由上球铰(3-1、3-4、3-14、3-16)、移动副(3-2、3-5、3-13、3-15)和下球铰(3-7、3-9、3-10、3-12)串联构成，SPS支链的下球铰(3-7、3-9、3-10、3-12)铰接在所述的定平台(3-17)上的四角呈正方形分布，所述的上球铰(3-1、3-4、3-14、3-16)铰接在所述的动平台(3-8)的四角并呈矩形分布，所述的定平台(3-4)位于所述的动平台(3-8)的正下方，构成4SPS-1S机构，所述的二维移动平台(1)、定平台(3-4)和动平台(3-8)的中心在同一条竖直线上。

2.根据权利要求1所述的六自由度调整机构，其特征在于所述的并联抬升机构(2)的4条支链分为驱动支链和从动支链各两条，从动支链和驱动支链各自对称分布。