一種多自由度并聯隨行機構及其驅動方法
【專利摘要】本發明涉及一種多自由度并聯隨行機構及其驅動方法，屬于多自由度并聯隨行機構。支架和滑軌組件固定在試驗平臺上，上支撐板安裝在支架上，上板固定在上支撐板上，主運動組件和隨行運動組件通過虎克鉸安裝在上板上，圓柱滑軌組件中的滑塊與滑軌組件中的滑軌配合連接，并且其圓柱滑軌兩端通過轉動副與運動組件伸縮桿套筒上固定的連接件連接，兩運動組件內側的伸縮桿通過連桿連接，連桿兩端以轉動副將主運動組件和隨行運動組件的連接件連接；通過上位機驅動虎克鉸驅動電機和伸縮桿驅動電機，改變主動平臺的位姿，同時，使隨行運動組件同步完成運動。優點是結構新穎，能夠完成對主運動組件空間運動的隨行，增多了可隨行運動的自由度。
【專利說明】
一種多自由度并聯隨行機構及其驅動方法
技術領域
[0001] 本發明屬于機械工程領域，特別涉及一種多自由度并聯隨行機構，并提供一種該 機構的驅動方法。
【背景技術】
[0002] 隨行機構能夠完成對主運動部件運動的隨行。目前的隨行機構大多只能完成單自 由度的隨行，不能滿足對空間運動的隨行任務;并且，往往需要液壓、氣壓等系統的輔助，結 構較為復雜。例如一種隨行機構（專利號:CN203266227U)以伸縮機構為主體，利用液壓系統 實現控制，改變隨行部分桿件伸縮長度，可完成單自由度運動的隨行。所以，實現隨行機構 結構的簡單化、運動自由度的多樣化是十分有必要的。

【發明內容】

[0003] 本發明提供一種多自由度并聯隨行機構及其驅動方法，可以實現對主運動平臺運 動的運動隨行，并提供一種對其進行控制的方法。
[0004] 本發明采取的技術方案是:支架I、支架Π和滑軌組件固定在試驗平臺上，上支撐 板兩端安裝在支架上，上板固定在上支撐板上；主運動組件和隨行運動組件分別通過虎克 鉸安裝在上板下部，圓柱滑軌組件I和圓柱滑軌組件Π通過它們連接板上的滑塊與滑軌組 件縱向滑軌座上的滑軌配合連接，并且其圓柱滑軌兩端以轉動副與主運動組件和隨行運動 組件外側的兩對伸縮桿上的連接件和連接件連接;兩運動組件內側的伸縮桿通過連桿連 接，連桿兩端以轉動副與兩運動組件中的連接件連接。
[0005] 所述主運動組件的結構是:虎克鉸一驅動電機通過電機支架固定在上板，電機轉 軸與虎克鉸-h字軸橫軸配合安裝，虎克鉸一與伸縮桿推桿上端配合安裝;推桿下端為絲 杜螺母副，與滾珠絲杜配合安裝，滾珠絲杜下端與齒輪組中最右面的齒輪配合安裝;導向裝 置固定在推桿上，兩側的導向輪與伸縮桿套筒內壁凸臺滾動接觸;伸縮桿套筒與轉接架以 螺栓連接，并與推桿頂端配合;伸縮桿驅動電機安裝在轉接架上，轉軸與齒輪組最左面齒輪 配合安裝，齒輪組固定裝在轉接架上，連接件固定安裝在伸縮桿套筒上，轉接架通過球鉸鏈 固定在運動平臺上，另外兩組伸縮桿結構與此相同。
[0006] 所述隨行運動組件的結構是：伸縮桿上端通過虎克鉸二固定在上板上，下端通過 球鉸鏈固定在運動平臺上，連接件固定安裝在伸縮桿套筒壁上，另外兩組伸縮桿結構與此 相同。
[0007] 所述滑軌組件的結構是:滑軌I、滑軌π與縱向滑軌座固定連接，滑軌m、滑軌IV與 橫向滑軌座固定連接，縱向滑軌座下端與連接板相互固定，連接板下面固定有滑塊I、滑塊 π，并與橫向滑軌座上滑軌配合安裝，滑塊可沿滑軌直線運動，另一縱向滑軌座相關配合結 構與縱向滑軌座相同。
[0008] 所述圓柱滑軌組件I的結構是：圓柱滑軌和圓柱滑塊面接觸連接，圓柱滑塊固定安 裝在連接板上，連接板反面固定安裝滑塊一、安裝滑塊二，與滑軌組件縱向滑軌組件上的滑 軌配合安裝。
[0009]所述圓柱滑軌組件Π的結構與圓柱滑軌組件I相同。
[0010]本發明提供一種該多自由度并聯隨行機構的驅動方法，步驟如下：通過上位機控 制虎克鉸一驅動電機改變虎克鉸轉軸角度，通過控制伸縮桿驅動電機的轉動，由齒輪組進 行運動傳遞，由絲杠螺母機構將圓周運動變為直線運動，從而改變伸縮桿長度;伸縮桿長度 和虎克鉸轉軸角度的改變將改變主運動組件運動平臺位姿;通過滑軌組件和圓柱滑軌組件 的作用，使隨動運動組件運動平臺實現預期運動。
[0011] 本發明的優點是:結構新穎，將三桿并聯機構引入隨行機構，充分發揮其在空間中 運動范圍廣的優點，可以實現空間多自由度的運動隨行；結構簡單，通過滑軌組件、圓柱滑 軌組件及連桿的作用，產生隨行運動的組件無需通過額外的液壓、氣壓等系統提供動力，即 可實現對運動的精確隨行;用于機加工等領域時，可以實現雙工位加工，并省去一套驅動機 構，降低了成本;將主運動組件中電機控制部分除去，變換成普通的伸縮桿機構，也可以實 現對手動運動的隨行。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明的總體結構示意圖；
[0013] 圖2(a)是本發明主運動組件結構示意圖；
[0014] 圖2(b)是本發明主運動組件伸縮桿剖面示意圖；
[0015] 圖2(c)是本發明主運動組件伸縮桿套筒剖面示意圖；
[0016] 圖3是本發明隨行運動組件結構示意圖；
[0017] 圖4是本發明滑軌組件的示意圖；
[0018] 圖5是本發明圓柱滑軌組件示意圖；
[0019] 圖6是本發明多自由度運動隨行機構簡圖；
[0020] 其中：上板1，主運動組件2,支架13,試驗平臺4,隨行運動組件5,滑軌組件6,連桿 7，上支撐板8，圓柱滑軌組件19，圓柱滑軌組件Π 10，支架Π 11，電機支架201，虎克鉸一驅動 電機202，虎克鉸一 203，伸縮桿套筒204，連接件205，伸縮桿驅動電機206，轉接架207，球鉸 鏈208,運動平臺209,齒輪組210,推桿211，導向裝置212,滾珠絲杠213,虎克鉸二501，伸縮 桿502，連接件503，球鉸鏈504，運動平臺505，滑軌1601，縱向滑軌座602，滑軌Π 603，滑軌ΙΠ 604，滑軌IV605，連接板606，橫向滑軌座609，圓柱滑軌901，連接板902，滑塊一903，圓形滑 塊904,滑塊二905。
【具體實施方式】
[0021 ] 該運動隨行機構由上板1，主運動組件2，支架13，試驗平臺4，隨行運動組件5，滑軌 組件6，連桿7，上支撐板8，圓柱滑軌組件19，圓柱滑軌組件Π 10，支架Π 11組成;支架13、支 架Π 11和滑軌組件6固定在試驗平臺4上，上支撐板8兩端安裝在支架上，上板1固定在上支 撐板8上;主運動組件2和隨行運動組件5分別通過虎克鉸安裝在上板1下部，圓柱滑軌組件I 9和圓柱滑軌組件Π 10通過它們連接板上的滑塊與滑軌組件6縱向滑軌座上的滑軌配合連 接，并且其圓柱滑軌兩端以轉動副與主運動組件2和隨行運動組件5外側的兩對伸縮桿上的 連接件205和連接件503連接;兩運動組件內側的伸縮桿通過連桿7連接，連桿7兩端以轉動 副與兩運動組件中的連接件連接。
[0022]所述主運動組件2的結構是:虎克鉸一驅動電機202通過電機支架201固定在上板， 電機轉軸與虎克鉸一 203十字軸橫軸配合安裝;虎克鉸一 203與伸縮桿推桿211上端配合安 裝;推桿211下端為絲杜螺母副，與滾珠絲杜213配合安裝，滾珠絲杜下端與齒輪組210中最 右面的齒輪配合安裝;導向裝置212固定在推桿211上，兩側的導向輪與伸縮桿套筒204內壁 凸臺滾動接觸;伸縮桿套筒204與轉接架207以螺栓連接，并與推桿頂端配合;伸縮桿驅動電 機206安裝在轉接架207上，轉軸與齒輪組最左面齒輪配合安裝;齒輪組固定裝在轉接架207 上;連接件205固定安裝在伸縮桿套筒204上;轉接架207通過球鉸鏈208固定在運動平臺209 上;另外2組伸縮桿結構與此相同。
[0023]所述隨行運動組件5的結構是：伸縮桿502上端通過虎克鉸二501固定在上板1上， 下端通過球鉸鏈504固定在運動平臺505上;連接件503固定安裝在伸縮桿套筒壁上；另外兩 組伸縮桿結構與此相同。
[0024] 所述滑軌組件6的結構是：滑軌1601、滑軌Π 603與縱向滑軌座602固定連接，滑軌 ΙΠ604、滑軌IV605與橫向滑軌座609固定連接;縱向滑軌座602下端與連接板606相互固定； 連接板606下面固定有滑塊1607、滑塊Π 608,并與橫向滑軌座609上滑軌配合安裝;滑塊可 沿滑軌直線運動。另一縱向滑軌座相關配合結構與縱向滑軌座602相同。
[0025] 所述圓柱滑軌組件19的結構是：圓柱滑軌901和圓柱滑塊904面接觸連接；圓柱滑 塊904固定安裝在連接板902上;連接板902反面固定安裝滑塊一 903、安裝滑塊二905,與滑 軌組件6縱向滑軌組件上的滑軌配合安裝。
[0026] 所述圓柱滑軌組件Π 10的結構與圓柱滑軌組件19相同。
[0027]本發明提供一種該隨行機構的驅動方法:通過伸縮桿驅動電機206帶動齒輪組210 的轉動，齒輪組210與滾珠絲杠213下端連接，發生轉動，通過推桿211下端絲杠螺母副，及導 向裝置212作用，使推桿211伸出長度發生變化;通過虎克鉸驅動電機201帶動虎克鉸轉軸轉 動，從而改變十字軸與靜平臺夾角，并影響伸縮桿方向；通過二者共同作用，使主運動組件 運動平臺位姿發生變化，通過滑軌組件6和圓柱滑軌組件19、Π 10的作用，使隨行運動組件5 產生隨行運動。
[0028] 首先，對運動組件的的驅動方式的選擇進行說明：
[0029] 如圖2所示，對結構進行簡化可知，可運動構件數目N = 7;移動副數目為3,每個移 動副限制空間的5個自由度;虎克鉸數目為3，每個限制空間4個自由度;球鉸數目為3，每個 限制空間3個自由度，故由空間自由度的計算公式可得：
[0030] /7 = 6Λ'-Σ".. = 6χ7-3x4-3χ5-3χ3 = 42 -36 = 6
[0031 ]由于機構的原動件數目與自由度數目相等時，機構才能有確定性的運動。所以，總 共選用6個電機來控制主運動機構的確定性運動。
[0032] 其次，對機構運動隨行的同步性進行說明：
[0033] 如圖5所示:運動機構動平臺和經平臺之間通過伸縮桿連接，伸縮桿和動靜平臺之 間為球鉸鏈接觸。伸縮桿8仍和也'？1'』必和出'？ 2'之間通過圓柱滑軌連接，每根圓柱滑軌 與兩個圓柱滑塊配合；伸縮桿B3P3和B 3 ' P3 '通過連桿連接。其中，' B2 ' B3 '為靜平 臺，？1?屮3和?1'？2'？ 3'為動平臺，81和&'（1 = 1，2,3)為靜平臺鉸點，？1和?^(1 = 1，2,3)為動 平臺鉸點。圓形滑軌組件中，由于滑塊與滑軌組件的約束關系有MM7/NN7/00'；并且，有以 下關系：〇〇'=ΜΜ'=ΝΝ'=ΚΚ'=1。
[0034] 以靜平臺BiB2B3的中心點0為坐標原點，建立靜坐標系0-ΧΥΖ;以動平臺中心 點〇為原點，建立動坐標系〇-xyz;以動平臺Pi 'P2 'P3 '的中心點〇 '為坐標原點，建立動坐標系 > > > 〇-χ y z 〇
[0035] 運動通過圓柱滑軌和連桿進行傳遞。在圖中，由于
[0036] MM'//NN'//00'
[0037] 所以，可以得到下面的結論
[0038] xM = xM'，yM = yM' + l，ZM=ZM，；
[0039] XN=XN'，yN=yN'+l， ZN=ZN' ；
[0040] 又由于靜平臺各鉸點坐標有以下關系
[0041] Bi'（xi'，yi'，Zi'）=Bi(Xi，yi，Zi) + (0，l，0)
[0042] 故，
[0043] RJVi = , ?^Ν= bTN'
[0044] 由于安裝后從轉動副到動平臺鉸點的距離相等，故
[0045] r ?^ρ2 =
[0046] 由此可知，這兩對伸縮桿在空間中的方向和長度是相同的，這也說明了他們運動 的同步性。下面只需證明剩下的一對伸縮桿B3P 3和B3'P3'運動的同步性即可。只需證明 κκ'//〇〇'即可。
[0047] 由靜平臺各鉸點連接線之間的關系，有
[0048] B2B3//B2'B3'，BiB3//Bi'B3'
[0049 ] XBiPi//Bi，Pi，,B2P2//B 2，P2，,
[0050]所以，面8283?2/7面82,83，？2，，面出83?1/7面出，83，卩1，；
[0051 ]而 B3p3 是面 B2B3P2 和面 交線，B3 ' p3 ' 是面 B2 ' B3 ' p2 ' 和面 ' B3 ' Pi ' 的交線，所 以有
[0052] B3P3//B3'P3'
[0053] 所以，四邊形B3B3'K'K是平行四邊形，
[0054] 所以，KK，//B3B3，//00，
[0055] 所以，
[0056] χκ = χκ' ,γκ = γκ'+1 ,ζκ = ζκ'；
[0057] = (6)
[0058] 這也說明了伸縮桿B3P3和B3 'P3 '的運動也是同步的。
[0059]綜上所述，本隨行機構可以完成對確定性多自由度運動的隨行。
[0060]具體操作過程如下：通過控制虎克鉸轉軸驅動電機202和伸縮桿驅動電機206,通 過主運動組件2伸縮桿的長度變化及各虎克鉸十字軸的轉動，使主運動組件動平臺位姿發 生預期變化，通過滑軌組件6、連桿7及圓柱滑軌組件19、Π 10的約束，使隨動運動組件5的動 平臺能夠完成對運動組件2運動的隨行。
【主權項】
1. 一種多自由度并聯隨行機構，其特征在于:支架I、支架Π 和滑軌組件固定在試驗平 臺上，上支撐板兩端安裝在支架上，上板固定在上支撐板上;主運動組件和隨行運動組件分 別通過虎克鉸安裝在上板下部，圓柱滑軌組件I和圓柱滑軌組件π通過它們連接板上的滑 塊與滑軌組件縱向滑軌座上的滑軌配合連接，并且其圓柱滑軌兩端以轉動副與主運動組件 和隨行運動組件外側的兩對伸縮桿上的連接件和連接件連接;兩運動組件內側的伸縮桿通 過連桿連接，連桿兩端以轉動副與兩運動組件中的連接件連接。2. 根據權利要求1所述的一種多自由度并聯隨行機構，其特征在于:所述主運動組件的 結構是:虎克鉸一驅動電機通過電機支架固定在上板，電機轉軸與虎克鉸一^h字軸橫軸配 合安裝，虎克鉸一與伸縮桿推桿上端配合安裝;推桿下端為絲杠螺母副，與滾珠絲杠配合安 裝，滾珠絲杠下端與齒輪組中最右面的齒輪配合安裝;導向裝置固定在推桿上，兩側的導向 輪與伸縮桿套筒內壁凸臺滾動接觸;伸縮桿套筒與轉接架以螺栓連接，并與推桿頂端配合； 伸縮桿驅動電機安裝在轉接架上，轉軸與齒輪組最左面齒輪配合安裝，齒輪組固定裝在轉 接架上，連接件固定安裝在伸縮桿套筒上，轉接架通過球鉸鏈固定在運動平臺上，另外兩組 伸縮桿結構與此相同。3. 根據權利要求1所述的一種多自由度并聯隨行機構，其特征在于:所述隨行運動組件 的結構是:伸縮桿上端通過虎克鉸二固定在上板上，下端通過球鉸鏈固定在運動平臺上，連 接件固定安裝在伸縮桿套筒壁上，另外兩組伸縮桿結構與此相同。4. 根據權利要求1所述的一種多自由度并聯隨行機構，其特征在于:所述滑軌組件的結 構是：滑軌I、滑軌π與縱向滑軌座固定連接，滑軌m、滑軌IV與橫向滑軌座固定連接，縱向 滑軌座下端與連接板相互固定，連接板下面固定有滑塊I、滑塊Π ，并與橫向滑軌座上滑軌 配合安裝，滑塊可沿滑軌直線運動，另一縱向滑軌座相關配合結構與縱向滑軌座相同。5. 根據權利要求1所述的一種多自由度并聯隨行機構，其特征在于:所述圓柱滑軌組件 I的結構是：圓柱滑軌和圓柱滑塊面接觸連接，圓柱滑塊固定安裝在連接板上，連接板反面 固定安裝滑塊一、安裝滑塊二，與滑軌組件縱向滑軌組件上的滑軌配合安裝。6. 如權利要求1所述的一種多自由度并聯隨行機構的驅動方法，其特征在于：步驟如 下:通過上位機控制虎克鉸一驅動電機改變虎克鉸轉軸角度，通過控制伸縮桿驅動電機的 轉動，由齒輪組進行運動傳遞，由絲杠螺母機構將圓周運動變為直線運動，從而改變伸縮桿 長度;伸縮桿長度和虎克鉸轉軸角度的改變將改變主運動組件運動平臺位姿;通過滑軌組 件和圓柱滑軌組件的作用，使隨動運動組件運動平臺實現預期運動。
【文檔編號】B25J9/00GK106078698SQ201610662288
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月14日 公開號201610662288.8, CN 106078698 A, CN 106078698A, CN 201610662288, CN-A-106078698, CN106078698 A, CN106078698A, CN201610662288, CN201610662288.8
【發明人】冀世軍, 任勇聰, 趙繼, 張劉, 李建鋒, 閆俊杰, 張炳偉
【申請人】吉林大學