本發(fā)明涉及一種三自由度串聯(lián)裝置，屬于串聯(lián)機器人機構(gòu)學領(lǐng)域，特別涉及一種隨動剛度可調(diào)的三自由度串聯(lián)裝置。

背景技術(shù)：

月球探索是人類探索太空的第一步。在研究月球環(huán)境及其表面真實的狀態(tài)特性時，需要通過試驗以得到最真實可靠的月球表面土壤的采樣分析數(shù)據(jù)，因此需要進行地面模擬月球表面采樣試驗。

配合月球探索工程的實施，需開展月球表面環(huán)境模擬的采樣封裝專項試驗的研究，而姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)安裝其上的鉆機、表取機械臂組成了采樣封裝專項試驗系統(tǒng)。姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)為其上的設(shè)備提供各種在月球表面的著陸姿態(tài)，并為驗證采樣封裝相關(guān)設(shè)備安裝布局、工作運動等接口關(guān)系提供驗證條件。姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)處于模擬月球表面的模擬平臺上面，為采樣封裝設(shè)備提供較真實的工作對象與工作環(huán)境，檢驗采樣封裝設(shè)備和月球表面的坡度、表取模擬等狀態(tài)的相互配合關(guān)系。

調(diào)節(jié)姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的姿態(tài)就能模擬設(shè)備在月球表面的各種著陸姿態(tài)。在這些著陸姿態(tài)下能對設(shè)備進行各種仿真試驗，實時獲取表取、鉆取動作時的各種情況以及數(shù)據(jù)，并能檢查設(shè)備之間的干涉問題。姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計是整個采樣封裝試驗的一個關(guān)鍵功能部件的設(shè)計。其技術(shù)較為復雜、并能提供后期的理論方面的研究平臺。因此，設(shè)計一臺合理的姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)具有非常重要的意義。也為月球探索工程的采樣返回的順利實現(xiàn)提供了試驗驗證的基石。機構(gòu)剛度是指機構(gòu)在外力的作用下抵抗變形的能力，剛度是高速和高精度并聯(lián)機構(gòu)的重要特性之一。剛度包括了靜剛度和動剛度，剛度不僅與機器人機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與機構(gòu)的尺度參數(shù)和截面參數(shù)密切相關(guān)。靜剛度性能分析是基于靜剛度解析模型，站在整個工作空間的角度評價機構(gòu)的靜剛度性能，以便為機構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供參考，建立機構(gòu)整體靜剛度、柔度矩陣并分析其在整個工作空間內(nèi)靜剛度性能和6個主剛度指標及所在主方向。由于一般串聯(lián)機構(gòu)剛度較低，穩(wěn)定性較差，本發(fā)明提供一種隨動剛度可調(diào)的三自由度串聯(lián)裝置，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種提高本身的穩(wěn)定性和動態(tài)特性的隨動剛度可調(diào)的三自由度串聯(lián)裝置。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置，其中該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置包括一個基座、一個動平臺、三個支鏈、一個直線驅(qū)動單元以及兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元，該動平臺設(shè)置于該基座的上部，該直線驅(qū)動單元的下端部設(shè)置于該基座，并且該直線驅(qū)動單元的上端部通過一十字鉸連接于該動平臺，以通過該直線驅(qū)動單元驅(qū)動該動平臺在Z軸方向做相對于該基座的上下運動，各個該轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元分別設(shè)置于該十字鉸，以驅(qū)動該動平臺在X軸方向和Y軸方向做相對于該基座的轉(zhuǎn)動，各個該支鏈的上端部和下端部分別連接于該動平臺和該基座。

作為對本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的進一步優(yōu)選的實施例，各個該支鏈呈等腰三角形的形狀布置。

作為對本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的進一步優(yōu)選的實施例，該直線驅(qū)動單元是一液壓缸。

作為對本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的進一步優(yōu)選的實施例，該液壓缸是自鎖液壓缸。

本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的優(yōu)勢在于：

本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置包括一個基座、一個動平臺、三個支鏈、一個直線驅(qū)動單元以及兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元，該動平臺設(shè)置于該基座的上部，該直線驅(qū)動單元的下端部設(shè)置于該基座，并且該直線驅(qū)動單元的上端部通過一十字鉸連接于該動平臺，以通過該直線驅(qū)動單元驅(qū)動該動平臺在Z軸方向做相對于該基座的上下運動，各個該轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元分別設(shè)置于該十字鉸，以驅(qū)動該動平臺在X軸方向和Y軸方向做相對于該基座的轉(zhuǎn)動，各個該支鏈的上端部和下端部分別連接于該動平臺和該基座，各個該支鏈增加了該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的整體性能，該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置具有驅(qū)動簡單、工作空間大等優(yōu)點。該直線驅(qū)動單元具有自鎖功能，當該直線驅(qū)動單元驅(qū)動該動平臺的高度調(diào)整完畢后，該直線驅(qū)動單元能夠通過自鎖鎖定高度。

優(yōu)選地，各個該支鏈采用等腰三角形的形狀進行布置，這樣，能夠使得該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置運動平穩(wěn)，受力均勻，并且提高了該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的整體剛度，以保證該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的可靠性。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點和特點，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實施例對以上概述的本發(fā)明進行更具體的說明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對本發(fā)明進行更具體和更詳細的說明和闡述。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的立體示意圖。

圖2是本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的概念示意圖。

圖3是本發(fā)明的該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1至圖3所示，依本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置，該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置包括一個基座1、一個動平臺3、三個支鏈2、一個直線驅(qū)動單元4以及兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元5。

該動平臺3設(shè)置于該基座1的上部，該直線驅(qū)動單元4的下端部設(shè)置于該基座1，并且該直線驅(qū)動單元4的上端部通過一十字鉸連接于該動平臺3，以通過該直線驅(qū)動單元4驅(qū)動該動平臺3在Z軸方向做相對于該基座1的上下運動，各個該轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元5分別設(shè)置于該十字鉸，以驅(qū)動該動平臺3在X軸方向和Y軸方向做相對于該基座1的轉(zhuǎn)動，各個該支鏈2的上端部和下端部分別連接于該動平臺3和該基座1。

優(yōu)選地，該直線驅(qū)動單元4是一個液壓缸，以通過電動的方式驅(qū)動該動平臺3豎直上下運動。更優(yōu)選地，該液壓缸是一個自鎖液壓缸，即該液壓缸具有自鎖功能，從而當該液壓缸將該動平臺3調(diào)整到預(yù)設(shè)高度之后，該液壓缸能夠自鎖，以使該動平臺3保持在該預(yù)設(shè)高度。

進一步地，如圖1，各個該支鏈2呈等腰三角形的形狀布置，這樣，能夠使得該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置運動平穩(wěn)，受力均勻，并且提高了該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的整體剛度，以保證該動態(tài)特性可調(diào)的解偶單支鏈驅(qū)動的三自由度裝置的可靠性。

使用兩個該弧線驅(qū)動單元5來驅(qū)動該十字絞的兩根軸來實現(xiàn)動平臺繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動，一個該直線驅(qū)動單元4來實現(xiàn)沿Z軸的移動。同時，在該基座1沿圓周布置三個該支鏈2來保證該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的穩(wěn)定性，同時該支鏈2也具有自鎖功能，在調(diào)整完俯仰和側(cè)傾角后，該支鏈2能夠自鎖以輔助限制角度的變化，從而消除了各運動關(guān)節(jié)的間隙，提高了該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的剛度、穩(wěn)定性及安全性。

機構(gòu)運動學解析

基于虛功原理建立樣機受力和變形間的關(guān)系，然后分析樣機全局剛度矩陣與各結(jié)構(gòu)部件彈性變形間的關(guān)系，并對不同姿態(tài)空間下樣機的全局剛度特性進行數(shù)值分析。

對樣機模型進行適當?shù)暮喕?/p>

1)假設(shè)球副S、該動平臺3、該基座1(定平臺)以及胡克鉸U為理想剛體，僅考慮驅(qū)動副P和連桿為彈性體；

2)將三個該支鏈2看作3個分支，并將分支下端看作通過6維力[F_i，R_i，P_i，M_fi，M_ri，M_pi]^T(i＝1，2，3)與該基座1相連，三個該支鏈2支撐作用；

3)不考慮各個部件的重力；

4)將驅(qū)動分支上連桿、下連桿等效成具有相同直徑的均質(zhì)桿；

5)忽略液壓缸中油液質(zhì)量的影響。

對分支各部件剛度求解

1)伸縮桿的軸向拉壓剛度k_e

驅(qū)動分支PU其上端與上平臺相連，下端與下連桿相連，受到驅(qū)動力P₄的作用，設(shè)其沿支鏈軸線方向發(fā)生拉壓彈性變形δ_e，根據(jù)力與變形的關(guān)系，可以得到驅(qū)動分支驅(qū)動力和伸縮桿軸向拉壓彈性變形δ_Le之間的關(guān)系式：

P₄＝k_eδ_e

式中E_L——伸縮桿彈性模量，采用鋼材，取200GPa；

A_Le——伸縮桿橫截面積，

d_Le——伸縮桿的直徑(mm)。

2)液壓缸液壓油的剛度k_h

驅(qū)動分支PU由液壓缸驅(qū)動，由于液壓油的可壓縮性，必然產(chǎn)生彈性變形。液壓缸內(nèi)兩端液柱形變位移量相同，故可以將其等效為一個并聯(lián)彈簧系統(tǒng)。而液壓柱傳力于活塞桿，產(chǎn)生驅(qū)動力P₂，其彈性變形為δ_Lh。則驅(qū)動分支驅(qū)動力和液壓油的軸向彈性變形的關(guān)系為：

P₂＝k_hδ_h k_h＝k_h1+k_h2

式中k_h1——各分支液壓缸有桿腔的剛度(N/mm)；

k_h2——各分支液壓缸無桿腔的剛度(N/mm)；

E_h——液壓油的彈性模量，取2.0GPa；

A_h2——各分支液壓缸無桿腔的有效橫截面積，

A_h1——各分支液壓缸有桿腔的有效橫截面積，

l_h1——各分支液壓缸有桿腔的長度(mm)；

l_h2——各分支液壓缸無桿腔的長度(mm)；

d_Lh——各分支液壓缸無桿腔的橫截直徑(mm)。

3)底端定長桿的軸向拉壓剛度k_f

驅(qū)動分支PU的底端定長桿受到驅(qū)動力P₂的反作用力P′₂的作用，且沿支鏈軸線方向發(fā)生拉壓彈性變形δ_f則驅(qū)動分支驅(qū)動力的反作用力和底端定長桿軸向拉壓彈性變形δ_f之間的關(guān)系為：

P′₂＝k_fδ_f

式中A_Lf——底端定長桿橫截面積，

d_Lf——底端定長桿的等效直徑(mm)；

l_f——底端定長桿的桿長(mm)。

4)驅(qū)動分支的彎曲剛度k_cf、k_cr

F’₀＝k_cfδ_cf

R’₀＝k_crδ_cr

式中E_c——支撐分支彈性模量，采用鋼材，取200GPa；

I——支撐分支的極慣性矩，

d_c——支撐分支的直徑(mm)；

因此，如圖3描述了該機構(gòu)樣機的剛度模型，周圍均布的3個UPS支撐分支分別變換為具有2個等效線性彈簧的彈性分支，中間的驅(qū)動分支變換為具有3個等效線性彈簧和2個等效彎曲彈簧的彈性分支，該動平臺3和該基座1通過這些彈性分支相互連接，從而建立起該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的剛度模型。

將驅(qū)動分支上各元件受力作用而引起的彈性變形合成為：

δ_p＝δ_e+δ_h+δ_f+δ_cf+δ_cr

另根據(jù)力和變形之間的相互關(guān)系，可以得到PU驅(qū)動分支的軸向剛度k_p為：

各UPS隨動支撐分支的軸向剛度為：

因此，將各UPS隨動分支軸向剛度整合成矩陣的形式為：

K_c＝diag[k_q1 k_q2 k_q3]

中間驅(qū)動分支受力的作用，前兩項引起支撐分支的彎曲彈性變形為δ_cf，δ_cr，后一項引起支撐分支的拉伸彈性變形為δ_pp，則有：

K_a＝diag[k_pp k_cf kcr]

通過分析，可以得到動平臺廣義合外力F與其微位姿的關(guān)系式為：

F′＝Kδ_t

K為并聯(lián)機構(gòu)樣機的6χ6的全局剛度矩陣，其表達式為：

K＝[G]^T·diag[K_aK_c]·[G]

式中，G為全局雅可比矩陣的逆矩陣。

由以上剛度矩陣的解析式可知：剛度矩陣主要與該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的位姿和所受外力有關(guān)，故可以通過改變該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的直線驅(qū)動鎖緊的狀態(tài)來實現(xiàn)該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的位姿調(diào)整以及所受力的改變，從而實現(xiàn)該隨動剛度可調(diào)的三自由度裝置的剛度可調(diào)。

以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。