CN101530969B - 具备动态稳定性的冗余驱动机构 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人领域的具备动态稳定性的冗余驱动机构，包括固定平台、缸体、活塞杆、协调杆、末端执行器，缸体一端通过一个铰链设置在固定平台上，缸体另一端通过一个移动副与一个活塞杆的一端连接，活塞杆的另一端通过一个铰链与呈等腰三角形或空间多面体形状的协调杆底角处的铰链相连接，所述缸体和活塞杆一起组成驱动装置，缸体和活塞杆的数目相等，为两个或两个以上；协调杆的顶角则位于缸体、活塞杆一侧，末端执行器的一端通过一个铰链与协调杆的顶角处的铰链连接，末端执行器的另一端通过一个移动副设置在固定平台上。本发明结构稳定、刚度高、受力特性好、灵活性好，而且结构简单，控制容易，可靠性高，运动精度高，成本低。

Description

具备动态稳定性的冗余驱动机构

技术领域

本发明涉及的是一种工业机器人技术领域的驱动装置，具体地说，涉及的是一种具备动态稳定性的冗余驱动机构。

背景技术

冗余驱动系统是指的驱动装置个数大于自由度数的驱动系统。从运动学角度来讲，有一组或以上的驱动装置是多余的，将这些驱动装置去掉后并不影响机构的运动特性，而在重载操作装备中，为了提高重载操作装备的承载能力，改善构件的受力状况，增加机构的刚度与稳定性，通常将驱动系统设计成冗余驱动系统。

机械系统的正常工作状态往往对应于系统的某种特定运动，如平衡状态或某种周期运动。实际系统在工作过程中，难以避免外界的干扰，这种干扰会对正常运动产生影响，随着时间的推移，若受干扰系统的运动与不受干扰的运动相差很小，则正常运动是稳定的，否则称作不稳定的。一般冗余驱动系统各驱动装置受到干扰运动后，其机构本身不具有动态稳定性，只能依靠控制系统抑制干扰，若冗余驱动机构本身就具有动态稳定性，则可减少控制成本，增加系统可靠性。

经对现有技术的文献检索发现，现有的少自由度冗余机构，如“一种实现两维平动和一位转动的三自由度冗余并联机构”(参见中国发明专利，公开号CN1586807)，“一种用于并联机床的两转动一平动三自由度冗余并联机构”(参见中国发明专利，公开CN1586806)等，通过采用冗余并联机构扩大了工作空间，增加了机构的精度与刚度，但机构在运动学上不具有动态稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具备动态稳定性的冗余驱动机构，可以在各驱动装置的输入运动不协调，或者驱动装置上的驱动力分配不平衡的情况下，通过机械系统自身的动态稳定性而不依靠控制系统的作用，使各驱动装置的输入运动、驱动力趋于协调与平衡。该冗余驱动机构结构稳定、刚度高、受力特性好、灵活性好，而且结构简单，控制容易，可靠性高，运动精度高，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括固定平台、缸体、活塞杆、协调杆、末端执行器。缸体的一端通过一个铰链安装在固定平台上，缸体的另一端通过一个移动副与一个活塞杆的一端连接。活塞杆的另一端通过一个铰链与呈等腰三角形或空间多面体形状的协调杆底角处的铰链相连接。其中缸体和活塞杆一起组成本发明的驱动装置，称为活塞缸，缸体和活塞杆的数目相等，可以为两个或两个以上，从而构成两组或两组以上的驱动装置。协调杆的顶角则位于缸体、活塞杆一侧，末端执行器的一端通过一个铰链与协调杆的顶角处的铰链连接，末端执行器的另一端通过一个移动副安装在固定平台上，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器来实现。

所述铰链可以是转动副、球铰等常用部件。其中，当本发明具有两组活塞缸即缸体和活塞杆的组合时所述铰链为转动副，当本发明具有多组活塞缸时所述铰链为球铰。

所述的缸体与固定平台之间可以是固定连接。这时，缸体与活塞杆仍然用移动副连接，但是活塞杆的另一端与协调杆必须为关节轴承连接。

所述协调杆上与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈等腰三角形或空间多面锥体形状，三角形顶点处均为一个铰链，三角形顶角位于缸体、活塞杆一侧。

所述两个或多个缸体长度相等，活塞杆长度相等，缸体与活塞杆的安装位置可以互换。

所述缸体通过移动副与活塞杆连接，二者组合可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置等。

所述末端执行器上可增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等。

本发明具有两组或两组以上的驱动装置即缸体和活塞杆的组合，驱动装置分别驱动活塞杆在各自所在的缸体内部运动，从而通过协调杆带动末端执行器在固定平台上运动与施力。两套或多套驱动装置来驱动一个末端执行器，即为冗余驱动，一般来说两套或多套驱动装置的输入运动要求是相同的，并且驱动力也相等，但是本发明允许两套驱动装置的输入运动与驱动力有所差别，这种情况下，由于本发明的机械系统本身具有动态稳定性，在没有控制系统的情况下，运动快的驱动装置具有逐渐减缓的趋势，而运动慢的驱动装置具有逐渐加速的趋势，最后运动趋于一致，驱动力大的驱动装置驱动力逐渐减小，原驱动力小的驱动装置驱动力逐渐增大，最后驱动力趋于相等。

与现有技术相比，本发明在各驱动装置的输入运动不协调，或者驱动装置上的驱动力分配不平衡的情况下，通过自身机械装置的动态稳定作用，使各驱动装置的输入运动、驱动力趋于协调与平衡，这使得机构的受力特性好、灵活性好、控制更容易，而且可以提高运动精度，同时对制造精度的要求也可适当降低，从而降低加工成本。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图。

图2为本发明实施例2结构示意图。

图3为本发明实施例3结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例由以下部件组成：1为固定平台，2、3为缸体，4、5为活塞杆，6为协调杆，7为末端执行器。

缸体2和3一端分别通过转动副安装在固定平台1上，两转动副所在直线方向与末端执行器9运动方向在同一平面内且相互垂直，缸体2和3的另一端分别通过一个移动副与活塞杆4和5的一端连接，而活塞杆4和5的另一端分别通过一个转动副与呈等腰三角形形状的协调杆6底角处的两个转动副相连接，而协调杆6的顶角则位于缸体2和3、活塞杆4和5与协调杆6的内侧，末端执行器7的一端通过一个转动副与协调杆6的顶角处的一个转动副连接，末端执行器7的另一端通过一个移动副安装在固定平台1上，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器7来实现。

本实施例中，所述的两个缸体2和3长度相等，两个活塞杆4和5长度相等。缸体与活塞杆的安装位置可以互换。

所述协调杆6与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈等腰三角形形状，三角形顶点处均为一个转动副，三角形顶角位于缸体2和3、活塞杆4和5的一侧。

所述的末端执行器7上可增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等。

所述的缸体2和3分别通过移动副与活塞杆4和5连接，构成两组活塞缸，可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置，从而作为整个机构的驱动装置。两组驱动装置分别驱动活塞杆4和5在缸体2和3内部运动，从而通过协调杆6带动末端执行器7在固定平台1上运动与施力。

本实施例当两组驱动装置的输入运动与驱动力有所差别时，由于机构自身的动态稳定性，在没有控制系统的情况下，运动快的驱动装置具有逐渐减缓的趋势，而运动慢的驱动装置具有逐渐加速的趋势，最后运动趋于一致，驱动力大的驱动装置驱动力具有逐渐减小的趋势，运驱动力小的驱动装置驱动力具有逐渐增大的趋势，最后驱动力趋于相等。

实施例2

如图2所示，本实施例由以下部件组成：1为固定平台，2、3、4为缸体，5、6、7为活塞杆，8为协调杆，9为末端执行器。

缸体2、3、4分别通过球铰安装在固定平台1上，活塞杆5、6、7一端通过移动副与分别与缸体2、3、4连接，另一端通过球铰与协调杆8连接，末端执行器12通过球铰与协调杆连接。整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器9来实现。

本实施例中，所述的三个缸体2、3、4长度相等，三个活塞杆5、6、7长度相等。缸体与活塞杆的安装位置可以互换。

所述协调杆8上与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈空间四面锥体形状，三角形顶点处均为一个球铰，三角形顶角位于缸体2、3、4、活塞杆5、6、7的一侧。

所述的末端执行器9上可增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等。

所述的缸体2、3、4分别通过移动副与活塞杆5、6、7连接，三组活塞缸可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置。

本实施例驱动装置可是液压缸、柱塞缸、电动缸、气动缸等。驱动装置可以是两组或多组，协调杆上的运动副个数应该与驱动装置的数目相等。

实施例3

如图3所示，本实施实例由以下部件组成：1为固定平台，2、3为缸体，4、5为活塞杆，6为协调杆，7为末端执行器。

缸体2和3一端分别固定在固定平台1上，缸体2和3的另一端分别通过1个移动副与活塞杆4和5的一端连接，而活塞杆4和5的另一端分别通过1个关节轴承与呈等腰三角形形状的协调杆6底角处的转动副相连接，而协调杆6的顶角则位于缸体2和3、活塞杆4和5与协调杆6的内侧，末端执行器7的一端通过1个转动副与协调杆6的顶角处的1个转动副连接，末端执行器7的另一端通过1个移动副安装在固定平台1上，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器7来实现。

本实施实例中，所述的两个缸体2和3长度相等，两个活塞杆4和5长度相等。缸体与活塞杆的安装位置可以互换。

所述协调杆6与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈等腰三角形形状，三角形顶点处均为1个转动副，三角形顶角位于缸体2和3、活塞杆4和5的一侧。

所述的末端执行器7上可增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等。

所述的缸体2和3分别通过移动副与活塞杆4和5连接，构成两组活塞缸，可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置，从而作为整个机构的驱动装置。两组驱动装置分别驱动活塞杆4和5在缸体2和3内部运动，从而通过协调杆6带动末端执行器7在固定平台1上运动与施力。

本实施例当两组驱动装置的输入运动与驱动力有所差别时，由于机构自身的动态稳定性，在没有控制系统的情况下，运动快的驱动装置具有逐渐减缓的趋势，而运动慢的驱动装置具有逐渐加速的趋势，最后运动趋于一致，驱动力大的驱动装置驱动力具有逐渐减小的趋势，运驱动力小的驱动装置驱动力具有逐渐增大的趋势，最后驱动力趋于相等。

由以上实施例可以看出，本发明结合了冗余驱动与动态稳定原理，使最终的具备动态稳定性的冗余驱动机构可以在各原动件的输入运动不协调，或者原动件上的驱动力分配不平衡的情况下，通过自身的动态稳定作用而不借助控制系统，使各原动件的输入运动、驱动力趋于协调与平衡。该冗余驱动机构结构稳定、刚度高、受力特性好、灵活性好，而且结构简单，控制容易，可靠性高，运动精度高，成本低。

Claims (3)

1.一种具备动态稳定性的冗余驱动机构，包括固定平台、缸体、活塞杆、协调杆、末端执行器，其特征在于：所述缸体的一端通过一个铰链设置在固定平台上，缸体的另一端通过一个移动副与一个活塞杆的一端连接，活塞杆的另一端通过一个铰链与呈等腰三角形或空间多面锥体形状的协调杆底角处的铰链相连接，所述缸体和活塞杆一起组成驱动装置，缸体和活塞杆的数目相等，为两个或两个以上；协调杆的顶角则位于缸体、活塞杆一侧，末端执行器的一端通过一个铰链与协调杆的顶角处的铰链连接，末端执行器的另一端通过一个移动副设置在固定平台上，缸体和活塞杆为两组时，协调杆上与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈等腰三角形，铰链均为转动副；缸体和活塞杆为两组以上时，协调杆上与活塞杆及末端执行器连接的铰链在相对位置上呈空间多面锥体形状，铰链均为球铰，协调杆底角处的铰链个数与驱动装置的数目相等。

2.根据权利要求1所述的具备动态稳定性的冗余驱动机构，其特征是，所述缸体长度相等，活塞杆长度相等。

3.根据权利要求1所述的具备动态稳定性的冗余驱动机构，其特征是，所述末端执行器上设置缓冲装置、力传感器或位移传感器。

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