两转一移并联机构、其末端位姿确定方法及应用

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种两转一移三自由度并联机构及其末端位姿的确定方法。

背景技术：

并联机器人和串联机器人一起构成工业机器人的重要部分，并联机器人具有刚度高、速度快、柔性强、重量轻等优点，在食品、医药、电子等轻工业中应用最为广泛，在物料的搬运、包装、分拣等方面有着无可比拟的优势。随着并联机器人在市场中的应用日益广泛，已成为工业机器人需求增长的新生力量。

并联机器人与串联机器人不同，并联机器人是由动平台、静平台以及连接动平台和静平台的两个或两个以上独立运动支链组成的闭环系统，与传统串联机器人相比，并联机器人没有误差累积，运动精度高，驱动可以布置在静平台附近，运动惯量小，动态性好等优点。

目前，自由度少于6的并联机器人是国内外研究及应用的热点，具有两个转动和一个移动自由度的三自由度并联机器人又是少自由度并联机器人中的重要分类。3pps并联机器人是两转一移并联机器人中的典型，可应用在运动模拟器、末端执行器、矢量推进器、医疗器械等领域。但是，在实际制造3pps并联机器人的过程中，由于驱动移动副所采用的电动推杆、液压缸等直线驱动的本体较长，造成动平台与静平台间距大，动平台在负载的作用下，相对于静平台容易产生变形，系统整体刚度较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种两转一移并联机构，降低动平台与静平台之间的间距的同时提高系统刚度，同时，还提供一种两转一移并联机构的末端位姿确定方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种两转一移并联机构，所述两转一移并联机构包括：

动平台；

基座，所述基座包括静平台、冗余静平台及连接所述静平台和冗余静平台的多个连接件，所述冗余静平台位于所述动平台和静平台之间，且所述冗余静平台上设有三个通孔；

三个支链，连接于所述动平台和静平台之间，每个所述支链包括驱动移动副、第一被动移动副、第二被动移动副和球面副，每个驱动移动副的一端通过第一被动移动副与静平台可移动地连接，相对端穿过冗余静平台的一通孔后通过对应的球面副与动平台可转动地连接，且所述驱动移动副还通过第二被动移动副与冗余静平台可移动地连接。

优选地，所述第一被动移动副包括至少一个用于使驱动移动副导向移动的第一滑轨组件，所述第一滑轨组件包括第一滑块及供第一滑块导向移动的第一导轨，所述第一滑块滑动设于所述第一导轨上，所述第一滑块和第一导轨中的任意一个固定于静平台上，另一个与驱动移动副相连。

优选地，所述第二被动移动副包括至少一个用于使驱动移动副导向移动的第二滑轨组件，所述第二滑轨组件包括第二滑块及供第二滑块导向移动的第二导轨，所述第二滑块滑动设于所述第二导轨上，所述第二滑块和第二导轨中的任意一个固定于冗余静平台上，另一个与驱动移动副相连。

优选地，所述第二滑轨组件设于所述冗余静平台上，且位于所述冗余静平台和动平台之间；或者，所述第二滑轨组件设于所述冗余静平台上，且位于所述冗余静平台和静平台之间。

优选地，所述第二被动移动副包括两个第二滑轨组件，所述通孔的两侧设置一所述第二滑轨组件，且两个所述第二滑轨组件对称设置。

优选地，三个所述支链的一端在动平台的表面排布成正三角形，相对端在静平台上排布成正三角形。

优选地，所述动平台包括平台本体部和三个凸耳部，所述平台本体部的周侧面向外凸起延伸形成三个所述凸耳部，相邻两个所述凸耳部的中心线夹角为120度。

优选地，所述静平台包括第一本体部和三个第一延伸部，第一本体部的周侧面向外凸起延伸形成三个第一延伸部，相邻两个第一延伸部的中心线夹角为120度。

优选地，所述冗余静平台包括第二本体部和三个第二延伸部，第二本体部的周侧面向外凸起延伸形成三个第二延伸部，相邻两个第二延伸部的中心线夹角为120度。

本发明还揭示了一种两转一移并联机构的末端位姿确定方法，包括如下步骤：

获取每个支链的伸长量，并根据如下公式计算两转一移并联机构的末端位姿：

其中，、、分别为局部坐标系绕全局坐标系x、y、z轴旋转的角度，为三个球面副的几何中心、、构成的正三角的外接圆的半径，为正三角形的外接圆的圆心的坐标值。

本发明还揭示了一种少自由度并联机器人，其包括所述的两转一移并联机构。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

（1）本发明通过在静平台的基础上增加了与静平台相配合的冗余静平台，形成双层结构，以对支链中的驱动移动副进行双层冗余约束，能够有效降低动平台和静平之间的距离，显著提升系统刚度。

（2）本发明采用双层结构设计的基座，适用范围广，也即本发明所采用的设计方式扩大了3pps并联机构的基座范围，使得并联机构与其它设备的接口安装更加灵活，不仅可以垂直安装，还可以利用任意一个侧面水平安装。

（3）本发明还具有结构对称且紧凑、可靠性高、动态性能好、控制简单且精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一中两转一移并联机构的立体示意图；

图2是本发明实施例二中两转一移并联机构的立体示意图；

图3是本发明一典型实施例中两转一移并联机构的原理图。

附图标记：10、动平台，10a、平台本体部，10b、凸耳部，20、基座，21、静平台，21a、第一本体部，21b、第一延伸部，22、冗余静平台，22a、第二本体部，22b、第二延伸部，221、通孔，23、连接件，30、支链，31、驱动移动副，31a、直线驱动伸缩杆，31b、直线驱动本体，31c、直线驱动底座，32、第一被动移动副，32a、第一滑块，32b、第一导轨，33、第二被动移动副，33a、第二滑块，33b、第二导轨，34、球面副，40、法兰。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明以下实施例所揭示的一种两转一移并联机构，通过对支链中的驱动移动副进行双层冗余约束，即在静平台的基础上增加了与静平台相配合的冗余静平台，形成双层结构，能够有效降低动平台和静平台之间的距离，显著提升系统刚度。

以下以两个实施例对本发明所述的两转一移并联机构进行详细地说明：

实施例一：如图1所示，为本实施例所揭示的一种两转一移并联机构，该两转一移并联机构为3pps并联机构（p为移动副，p为驱动移动副，s为球面副），包括动平台10、基座20和三个支链30，三个支链30安装于基座20上并与动平台10相连，通过协同控制三个支链30的伸缩量，可使动平台10实现两转一移的位姿变换。具体地，基座20包括静平台21、冗余静平台22和多个连接件23，静平台21和冗余静平台22相对设置，冗余静平台22位于动平台10和静平台21之间，且冗余静平台22上设有三个通孔221，每个连接件23的一端与静平台21相连，相对端与冗余静平台22相连，最终形成双层结构；每个支链30连接于动平台10和静平台21之间，每个支链30包括驱动移动副31、第一被动移动副32、第二被动移动副33和球面副34，驱动移动副31的一端通过第一被动移动副32与静平台21可移动地连接，相对端穿过冗余静平台22上的通孔221后通过球面副34与动平台10可转动地连接，驱动移动副31还通过第二被动移动副33与静平台21可移动地连接。通过采用双层结构设计的基座20，也即采用由静平台21和冗余静平台22构成的双层结构，可对支链30中驱动移动副31进行双层冗余约束，可降低动平台10与静平台21间的间距，显著改善系统刚度，这里的间距指的是动平台10与冗余静平台22之间的距离。该双层冗余约束设计的基座20不仅仅适用于3pps并联机构，对于其他采用电动推杆、液压缸等直线驱动作为驱动移动副31的机构也适用，适用范围广。

本实施例中，通孔221优选矩形孔，当然，其他实施例中，也可根据实际需求设置通孔221的形状，如圆形等等。三个支链30围绕静平台的中心呈正三角形排布，也即支链30的一端在动平台10的表面排布成正三角形，相对端在静平台21上排布成正三角形，每个支链30的端部到各自中心的距离相同，且相邻两个支链30之间的夹角为120度，每个支链30中驱动移动副31为直线移动机构，包括直线驱动伸缩杆31a、直线驱动本体31b和直线驱动底座31c，直线驱动本体31b连接于直线驱动伸缩杆31a和直线驱动底座31c之间，直线驱动本体31b驱动直线伸缩杆实现伸缩。实施时，直线移动机构可选择电动推杆、液压缸等等。三个球面副34在动平台10上排布成正三角形，球面副34优选球轴承，球轴承具有轴承底座和与轴承底座相连并可相对轴承底座转动的连接柄，当然，在其他实施例中，可选择具有同种功能的机构，如关节球铰。

如图1所示，每个第一被动移动副32包括设于静平台21上的至少一个第一滑轨组件，第一滑轨组件用于使驱动移动副31导向移动。具体地，第一滑轨组件包括第一滑块32a和第一导轨32b，第一滑块32a滑动设于第一导轨32b上，第一滑块32a与直线移动机构的直线驱动底座31c通过螺丝相连，第一导轨32b沿静平台21的径向方向延伸设置，用于供第一滑块32a导向移动。

本实施例中，三个第一导轨32b中，相邻两个第一导轨32b之间的夹角为120度，当然，在其他实施例中，可根据实际需求进行设置，也可将第一滑块32a设于静平台21上。

每个第二被动移动副33包括设于冗余静平台22上的至少一个第二滑轨组件，第二滑轨组件用于使驱动移动副31导向移动。具体地，第二滑轨组件包括第二滑块33a和第二导轨33b，第二滑块33a滑动设于第二导轨33b上，第二滑块33a通过法兰40与直线移动机构的直线驱动本体31b相连，第二导轨33b沿冗余静平台22的径向方向延伸设置，用于供第二滑块33a导向移动。

本实施例中，三个第二导轨33b中，相邻两个第二导轨33b之间的夹角为120度，当然，在其他实施例中，可根据实际需求进行设置，也可将第二滑块33a设于冗余静平台22上。另外，本实施例中，每个第二被动移动副33包括两个第二滑轨组件，每个通孔221的两侧设置对应的两个第二滑轨组件，并且两个第二滑轨组件对称设置。

如图1所示，第二被动移动副33中的第二滑轨组件在冗余静平台22上的位置可根据实际需求进行设置。具体地，冗余静平台22具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面朝向动平台10，第二端面朝向静平台21，本实施例中，每个第二被动移动副33中的第二滑轨组件设于冗余静平台22的第一端面上。如图所示，每个第二被动移动副33中的第二滑轨组件设于冗余静平台22的第一端面上，也即每个第二被动移动副33中的第二滑轨组件位于冗余静平台22和动平台10之间。通过合理设置第二被动移动副33的位置，也能够相应降低动平台10和静平台21之间的间距。

如图1所示，动平台10包括平台本体部10a和三个凸耳部10b，平台本体部10a整体圆柱形，其周侧面向外凸起延伸形成三个凸耳部10b，相邻两个凸耳部10b的中心线夹角为120度，也即三个凸耳部10b围绕本体部呈120度分布。每个凸耳部10b上安装一球面副34，每个驱动移动副31通过球面副34与一凸耳部10b固定连接。本实施例中，每个凸耳部10b上安装一球轴承，每个直线移动机构通过球轴承与一凸耳部10b固定连接，实施时，球轴承的轴承底座可通过螺丝与动平台10的凸耳部10b相固定连接，连接柄通过螺纹连接方式与直线移动机构中的直线驱动伸缩杆31a的端部相连。

如图1所示，静平台21整体呈y形，其包括第一本体部21a和三个第一延伸部21b，第一本体部21a的周侧面向外凸起延伸形成三个第一延伸部21b，相邻两个第一延伸部21b的中心线夹角为120度，也即三个第一延伸部21b围绕本体部呈120度分布。每个第一延伸部21b上安装第一被动移动副32，每个驱动移动副31通过第一被动移动副32与对应的第一延伸部21b可移动地连接。本实施例中，每个第一延伸部21b上安装第一滑轨组件，每个直线移动机构中的直线驱动底座31c通过第一滑轨组件与对应的第一延伸部21b可移动地连接，在第一滑轨组件的作用下，直线驱动底座31c可相对对应的第一延伸部21b移动，实施时，直线驱动底座31c通过螺丝与第一滑轨组件中的第一滑块32a相连，第一导轨通过螺丝与对应第一延伸部21b固定连接。

如图1所示，冗余静平台22整体呈y形，其包括第二本体部22a和三个第二延伸部22b，第二本体部22a的周侧面向外凸起延伸形成三个第二延伸部22b，相邻两个第二延伸部22b的中心线夹角为120度，也即三个第二延伸部22b围绕本体部呈120度分布。每个第二延伸部22b上安装第二被动移动副33，每个驱动移动副31通过第二被动移动副33与对应的第二延伸部22b可移动地连接。本实施例中，每个第二延伸部22b设置所述供直线驱动本体31b穿过的通孔221，通孔221的两侧设置均设置一个第二滑轨组件，每个直线移动机构中的直线驱动本体31b通过第二滑轨组件与对应的第二延伸部22b可移动地连接，在第二滑轨组件的作用下，直线驱动本体31b可相对对应的第二延伸部22b移动，实施时，直线驱动本体31b通过法兰40与第二滑轨组件中的第二滑块33a相连，第二导轨通过螺丝与对应第二延伸部22b固定连接。

本发明中动平台10、静平台21及冗余静平台22均为减重优化设计结构，当然，在其他实施例中，也可采用其他形状结构，如圆形结构、三角形结构、正方形结构等等。

实施例二：如图2所示，为本实施例所揭示的一种两转一移并联机构，包括动平台10、基座20和三个支链30，三个支链30安装于基座20上并与动平台10相连，通过协同控制三个支链30的伸缩量，可使动平台10实现两转一移的位姿变换。与实施例一不同的是，本实施例中，在每个支链30中，每个第二被动移动副33中的第二滑轨组件设于冗余静平台22的第二端面上，也即每个第二被动移动副33中的第二滑轨组件位于静平台21和动平台10之间。

结合图1~图3所示，本发明还揭示了上述两个实施例所提供的两转一移并联机构的末端位姿确定方法，包括如下步骤：

获取每个支链30的伸长量，并根据如下公式计算两转一移并联机构的末端位姿：

其中，、、分别为局部坐标系绕全局坐标系x、y、z轴旋转的角度，为三个球面副34的几何中心、、构成的正三角形的外接圆的半径，为正三角形的外接圆的圆心的坐标值。

具体地，如图3所示，上述公式可以通过如下步骤获得：三个球面副34的几何中心、、构成一个正三角形，该正三角形的外接圆半径为，以正三角形的外接圆圆心p为原点建立局部坐标系，其中与共线且轴的正方向与同向，与平行且的正方向与同向，的方向根据右手定则确定。以静平台21的几何中心为原点建立全局坐标系，全局坐标系坐标轴的方向与局部坐标系一致。该图3中，q1、q2、q3是三个驱动移动副的伸长量，b1、b2、b3是三个驱动移动副与静平台的交点，d1、d2、d3是b1、b2、b3与底部三角形中心的距离，该底部三角形是b1、b2、b3构成的三角形。

进一步地，局部坐标系中的点通过如下姿态转换矩阵转换到全局坐标系：

其中，、、分别为局部坐标系绕全局坐标系x、y、z轴旋转的角度。

进一步地，由于3pps并联机构绕z轴零扭转，故=0，则姿态转换矩阵可简化为：

进一步地，动平台10上三个球面副34几何中心、、相对于全局坐标系的位置矢量可表示为：

其中，为点在局部坐标系的位置矢量，为p点在全局坐标系的位置矢量。

上式写为齐次变换的表达形式为：

其中，，，，；

进一步地，由于3pps并联机构本身的几何约束关系，只能在平面内运动，则

联立以上各式，可求出：

，，

进一步地，由，可得：

本发明通过在静平台21的基础上增加了与静平台21相配合的冗余静平台22，形成双层结构，以对支链30中的驱动移动副31进行双层冗余约束，能够有效降低动平台10和静平台21之间的距离，显著提升系统刚度。另外，采用双层结构设计的基座20，适用范围广，也即本发明所采用的设计方式扩大了3pps并联机构的基座20范围，使得并联机构与其它设备的接口安装更加灵活，不仅可以垂直安装，还可以利用任意一个侧面水平安装。本发明所述的两转一移并联机构还具有结构对称且紧凑、可靠性高、动态性能好、控制简单且精度高的优点。

进一步的，本发明还提供了一种少自由度并联机器人，其为3pps并联机器人，并且具有前述的任一种两转一移并联机构。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。