專利名稱：具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)及解析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于6自由度并聯(lián)機器人或者6自由度并聯(lián)機床領(lǐng)域,具體為一種6自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)，它具有一根虛擬的驅(qū)動桿，簡明的、解析形式的運動學(xué)正解，明確的工作空間，其運動學(xué)運算效率高，通過驅(qū)動桿的伸縮可實現(xiàn)其動平臺的六維連續(xù)運動。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域包括運動模擬器、虛擬軸機床、微操作機器人、并聯(lián)力傳感器、空間飛行器的對接裝置、天文望遠鏡的姿態(tài)控制器等等。在所有這些應(yīng)用中，都離不開對并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)和工作空間的研究。運動學(xué)是機器人研究的基礎(chǔ)，而工作空間是衡量機器人性能的重要指標。所有并聯(lián)機器人都需要更為精準、快速、穩(wěn)定的運動學(xué)算法和更為精確和 詳盡的工作空間描述。并聯(lián)機構(gòu)的位置分析是運動分析的最基本的任務(wù)，其位姿正解的本質(zhì)是求解多元非線性方程組，該問題的深入研究，對于并聯(lián)機器人控制、零位置校對、誤差補償、故障恢復(fù)、工作空間分析、奇異位形分析、機構(gòu)綜合等問題都具有實際意義。由于并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動平臺運動位姿強耦合、非線性，使得其位姿正解極為困難，為此國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，從目前檢索到的文獻來看，求解此類機構(gòu)的正解計算效率都不高，計算時間較長，而在閉環(huán)控制中，在每一個插補周期內(nèi)，需要位姿正解，且實時性要求高，通常要在Ims內(nèi)完成，這不能形成并聯(lián)機構(gòu)全閉環(huán)控制是其中一個重要原因。另外，由于并聯(lián)機構(gòu)的奇異位置主要發(fā)生在工作空間內(nèi)部，這就造成整體工作空間可控運動的不連續(xù)，那么在故障恢復(fù)中能夠?qū)崟r的計算運動學(xué)正解就可以使機構(gòu)避免奇異位姿、超出運動空間以及構(gòu)件干涉所造成的破壞性損失。并聯(lián)機器人的工作空間是指其末端執(zhí)行器的工作區(qū)域，是衡量機器人性能的重要指標之一。并聯(lián)機器人工作空間的解析法求解是一個非常復(fù)雜的問題，它在很大程度依賴于機構(gòu)位置的研究結(jié)果，至今仍沒有完善的方法，對于比較簡單的平面并聯(lián)機器人和部分少自由度并聯(lián)機構(gòu)(如Delta機構(gòu))可以解析表達，而對于6自由度空間并聯(lián)機器人，對于其工作空間的描述本身就是一個難題，目前從檢索的文獻來看還只有數(shù)值解法。目前，對6自由度并聯(lián)機器人的運動學(xué)正解以及工作空間問題的解決思路主要有①改變并聯(lián)機構(gòu)的機構(gòu)形式來降低運動學(xué)模型的復(fù)雜程度；②優(yōu)化求解算法等。申請?zhí)枮?00910231545. 2的發(fā)明公開了一種含復(fù)合球鉸的冗余并聯(lián)機構(gòu)雖然具有封閉形式的運動學(xué)正解，但冗余支鏈屬于冗余輸入的一種，每個方向的冗余支鏈輸入不同，對每個支鏈的輸入要嚴格按照數(shù)學(xué)模型，這就需要提高各支鏈中的部件的制造、裝配精度，控制系統(tǒng)硬件的要求和控制算法的難度也隨之提高；申請?zhí)枮?01110105983. I的發(fā)明公開了一種橢圓形六自由度并聯(lián)機構(gòu)解決了驅(qū)動桿在某個方向上的大轉(zhuǎn)角問題，但其運動學(xué)正解的強耦合非線性方程難以求解并且仍有34組解。文獻《基于正交補的6-3Stewart并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)正解》使用正交補方法進行消元，最終可以將6-3SteWart并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)正解問題表達成一個一元八次方程，這可能是當前這類問題的最好結(jié)果，但該方法仍存在以下不足①作者所采用的方法只能稱為一種半解析法，求解結(jié)果仍有16組解；②其求解速率和解的正解選擇速率仍遠不能滿足用于實時控制的要求，消元方法普遍適用性差等。文獻《A 3-2-1 Kinematic Configurationof a Stewart Platform and its Application to Six Degree of Freedom PoseMeasurements))提出一種6自由度并聯(lián)機構(gòu),但該機構(gòu)不能實現(xiàn)豎直方向上的大轉(zhuǎn)角靈活運動，并且機構(gòu)奇異位形空間大。因此，如何通過改變并聯(lián)機構(gòu)的機構(gòu)形式來降低運動學(xué)模型和動力學(xué)模型的復(fù)雜度；實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)的工作空間綜合；研究簡單、快速、適用性強的位置正解求解方法等是未來并聯(lián)機構(gòu)研究的幾個重要內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有6自由度并聯(lián)機構(gòu)存在的運動學(xué)正解求解難度大，求解實時性差，工作空間難以解析表達等不足，提出一種6自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)，它具有一個虛擬驅(qū)動桿，簡明的、解析形式的運動學(xué)正解，明確的工作空間，運動學(xué)求解效率高等優(yōu)點。 一種具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于該六自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)包括靜平臺、動平臺、及連接兩者的第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿、第三驅(qū)動桿、第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿及第六驅(qū)動桿，其中靜平臺和動平臺為一組相似三角平臺；靜平臺上存在球鉸鏈點A1、A2、A3、A4和A5，其中A2、A4、A5分別處于三角靜平臺的三個頂點，Al位于A2和A5的連線上，A3位于A2和A4的連線上；動平臺上存在鉸鏈點B2、B3、B4和B5，其中B2、B4和B5分別處于三角動平臺的三個頂點，B3位于B4和B5的連線上；
上述第一驅(qū)動桿(I )、第二驅(qū)動桿(II)和第三驅(qū)動桿(III)的下肢一端分別鉸接于靜平臺的Al，A2和A3點，上肢一端通過三重復(fù)合鉸鏈鉸接于動平臺的B2點；第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的下肢一端通過二重復(fù)合鉸鏈鉸接于靜平臺的A4點，上肢一端分別鉸接于動平臺的B4和B3點，第六驅(qū)動桿的下肢一端鉸接于靜平臺的A5點，上肢一端鉸接于動平臺的B5點。根據(jù)所述的具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的解析方法，其特征在于包括以下步驟(I)、在所述六自由度并聯(lián)機構(gòu)中，鉸鏈點Al、A2、A3、B2兩兩連接構(gòu)成四面體，其中A1、A2、A3點的坐標，靜平臺設(shè)計參數(shù)以及第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿、第三驅(qū)動桿長度為已知，在四面體B2-A1A2A3中便可以解析得到鉸鏈點B2的空間坐標；(2)、由機構(gòu)設(shè)計的固有屬性，第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿始終共面，此外鉸鏈點B5位于B4B3的延長線上，則已知第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的長度便可解析得到虛擬第七驅(qū)動桿A4B5的長度；(3)、在鉸鏈點B5、B2、A4、A5兩兩連接所構(gòu)成的四面體中，已知B2、A4、A5點的坐標，已知動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)，已知第六驅(qū)動桿和虛擬第七驅(qū)動桿的長度便可解析得到鉸鏈點B5的空間坐標；(4)、在鉸鏈點B4、B2、A4、B5構(gòu)成的四面體中，已知B2、A4、B5的坐標，第四驅(qū)動桿的長度及動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)便可解析得到B4點的空間坐標；(5)、由以上計算得到了動平臺上不共線的三個鉸鏈點的空間坐標，即可求得動平臺的空間位置和姿態(tài)，即解得了該六自由度并聯(lián)機構(gòu)位姿正解的封閉解；若給定靜平臺、動平臺的幾何參數(shù)，驅(qū)動桿長、運動副轉(zhuǎn)角、驅(qū)動桿干涉以及驅(qū)動桿速度條件即可解析求出該六自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)的速度、加速度特性以及工作空間。以上特征大大降低了該并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)正解和工作空間求解難度，提高了其運動學(xué)求解效率。
本發(fā)明與現(xiàn)有的6自由度并聯(lián)機構(gòu)相比，其優(yōu)點為
(1)第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿平面布置，使得鉸鏈點A4和B5之間第七虛擬驅(qū)動桿的存在，從而大大降低了該并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)的復(fù)雜程度，使得該并聯(lián)機構(gòu)具有簡明的、解析形式的運動學(xué)正解，運動學(xué)正解求解速率可達0. Ims甚至更快，有助于形成該6自由度并聯(lián)機構(gòu)的全閉環(huán)控制；
(2)該6自由度并聯(lián)機構(gòu)具有明確的工作空間，奇異位形空間小，有助于對該6自由度并聯(lián)機構(gòu)的尺度綜合；
(3)采用了較少的復(fù)合鉸鏈和驅(qū)動桿，工程易實現(xiàn)，有效的降低了加工難度和加工成本。



圖I是所發(fā)明具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是所發(fā)明具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的三重復(fù)合鉸鏈連接示意
圖3是所發(fā)明具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的二重復(fù)合鉸鏈連接示意
圖中標號名稱1、靜平臺2、驅(qū)動桿下肢3、驅(qū)動桿上肢4、三重復(fù)合球鉸鏈 5、動平臺6、上球鉸鏈7、二重復(fù)合球鉸鏈 8、下球鉸鏈 I、第一驅(qū)動桿II、第二驅(qū)動桿III、第三驅(qū)動桿IV、第四驅(qū)動桿 V、第五驅(qū)動桿VI、第六驅(qū)動桿VII、第七虛擬驅(qū)動桿A1、A2、A3、A4和A5為靜平臺鉸鏈點B2、B3、B4和B5為動平臺鉸鏈點。
具體實施例方式本發(fā)明公開一種6自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)包括靜平臺I、動平臺5、及連接兩者的6組驅(qū)動桿(I、II、III、IV、V、VI，每組各由一個下肢2和上肢3構(gòu)成)結(jié)構(gòu)、其中靜平臺和動平臺屬于相似三角平臺。靜平臺上存在球鉸鏈點Al、A2、A3、A4和A5，其中A2、A4、A5分別處于三角平臺的三個頂點，Al位于A2和A5的連線上，A3位于A2和A4的連線上；在八1、A2、A3和A5處各布置一個球鉸鏈8，A4處布置二重復(fù)合球鉸鏈7。動平臺上存在鉸鏈點B2、B3、B4和B5，其中B2、B4和B5分別處于三角平臺的三個頂點，B3位于B4和B5的連線上；B2處布置三重復(fù)合球鉸鏈4，B3、B4和B5處各自布置一個球鉸鏈6。上述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿的下肢一端分別與靜平臺鉸接于Al，A2和A3點，上肢一端均與動平臺通過三重復(fù)合鉸鏈4鉸鏈于B2點；第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的下肢一端通過二重復(fù)合鉸鏈7鏈接于靜平臺的A4點，上肢一端分別鉸接于動平臺的B4和B3點，第六驅(qū)動桿的下肢一端鉸接于靜平臺的A5點，上肢一端鉸接于動平臺的B5點。即構(gòu)成了所述具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖1，其運動學(xué)正解解算方案如下
(1)在所述六自由度并聯(lián)機構(gòu)中，鉸鏈點Al、A2、A3、B2兩兩連接構(gòu)成四面體，其中Al、A2、A3點的坐標，靜平臺設(shè)計參數(shù)以及第一、第二、第三驅(qū)動桿長度為已知，在四面體B2-A1A2A3中便可以解析得到鉸鏈點B2的空間坐標；
(2)由機構(gòu)設(shè)計的固有屬性，第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿始終共面，此外鉸鏈點B5位于B4B3的延長線上，則已知第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的長度便可解析得到虛擬第七驅(qū)動桿A4B5的長度；
(3)在鉸鏈點85、8244、45兩兩連接所構(gòu)成的四面體中，已知8244、么5點的坐標，動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)，第六驅(qū)動桿和虛擬第七驅(qū)動桿的長度便可解析得到鉸鏈點B5的空間坐標；
(4)在鉸鏈點84、8244、85構(gòu)成的四面體中，已知8244、85的坐標，第四驅(qū)動桿的長度及動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)便可解析得到B4點的空間坐標；
(5)由以上計算得到了動平臺上不共線的三個鉸鏈點的空間坐標，不難求得動平臺的空間位置和姿態(tài)，即解得了該六自由度并聯(lián)機構(gòu)位姿正解的封閉解； 若已知靜平臺，動平臺的幾何參數(shù)，驅(qū)動桿長限制、運動副轉(zhuǎn)角的限制、驅(qū)動桿干涉限制等條件即可解析求出該六自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)的運動特性以及工作空間。
權(quán)利要求
1.一種具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于 該六自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)包括靜平臺(I)、動平臺(5)、及連接兩者的第一驅(qū)動桿(I)、第二驅(qū)動桿(II )、第三驅(qū)動桿(III)、第四驅(qū)動桿(IV)、第五驅(qū)動桿(V)及第六驅(qū)動桿(VI)，其中靜平臺(I)和動平臺(5)為一組相似三角平臺；靜平臺(I)上存在球鉸鏈點Al、A2、A3、A4和A5，其中A2、A4、A5分別處于三角靜平臺的三個頂點，Al位于A2和A5的連線上，A3位于A2和A4的連線上；動平臺(5)上存在鉸鏈點B2、B3、B4和B5，其中B2、B4和B5分別處于三角動平臺的三個頂點，B3位于B4和B5的連線上； 上述第一驅(qū)動桿(I )、第二驅(qū)動桿(II)和第三驅(qū)動桿(III)的下肢一端分別鉸接于靜平臺的Al，A2和A3點，上肢一端通過三重復(fù)合鉸鏈鉸接于動平臺的B2點；第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的下肢一端通過二重復(fù)合鉸鏈鉸接于靜平臺的A4點，上肢一端分別鉸接于動平臺的B4和B3點，第六驅(qū)動桿的下肢一端鉸接于靜平臺的A5點，上肢一端鉸接于動平臺的B5點。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的解析方法，其特征在于包括以下步驟 (1)在所述六自由度并聯(lián)機構(gòu)中，鉸鏈點A1、A2、A3、B2兩兩連接構(gòu)成四面體，其中Al、A2、A3點的坐標，靜平臺設(shè)計參數(shù)以及第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿、第三驅(qū)動桿長度為已知，在四面體B2-A1A2A3中便可以解析得到鉸鏈點B2的空間坐標； (2)由機構(gòu)設(shè)計的固有屬性，第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿始終共面，此外鉸鏈點B5位于B4B3的延長線上，則已知第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿的長度便可解析得到虛擬第七驅(qū)動桿A4B5的長度； (3)在鉸鏈點B5、B2、A4、A5兩兩連接所構(gòu)成的四面體中，已知B2、A4、A5點的坐標，已知動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)，已知第六驅(qū)動桿和虛擬第七驅(qū)動桿的長度便可解析得到鉸鏈點B5的空間坐標； (4)在鉸鏈點B4、B2、A4、B5構(gòu)成的四面體中，已知B2、A4、B5的坐標，第四驅(qū)動桿的長度及動平臺的設(shè)計尺度參數(shù)便可解析得到B4點的空間坐標； (5)由以上計算得到了動平臺上不共線的三個鉸鏈點的空間坐標，即可求得動平臺的空間位置和姿態(tài)，即解得了該六自由度并聯(lián)機構(gòu)位姿正解的封閉解；若給定靜平臺、動平臺的幾何參數(shù)，驅(qū)動桿長、運動副轉(zhuǎn)角、驅(qū)動桿干涉以及驅(qū)動桿速度條件即可解析求出該六自由度解耦并聯(lián)機構(gòu)的速度、加速度特性以及工作空間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有封閉式運動學(xué)正解的六自由度并聯(lián)機構(gòu)及其解析方法，此機構(gòu)包括靜平臺、動平臺、6組驅(qū)動桿和球鉸鏈，其中動平臺和靜平臺屬于相似三角平臺，三重復(fù)合球鉸鏈布置于動平臺的一個頂點，二重復(fù)合鉸鏈布置于靜平臺的一個頂點上，其余鉸鏈沿三角平臺的邊線布置，通過驅(qū)動桿將動、靜平臺相連。該六自由度并聯(lián)機構(gòu)具有一組虛擬的驅(qū)動桿，簡明的、解析形式的運動學(xué)正解，明確的工作空間，其運動學(xué)運算效率高，有助于機構(gòu)實現(xiàn)全閉環(huán)控制，通過驅(qū)動桿的伸縮可實現(xiàn)其動平臺的六維連續(xù)運動，屬并聯(lián)機器人和并聯(lián)機床領(lǐng)域。
文檔編號B23Q1/50GK102962838SQ20121045780
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者李成剛, 夏玉輝, 尤晶晶, 吳洪濤 申請人:南京航空航天大學(xué)