一种误差补偿的冗余驱动组合并联机构的制作方法

本发明涉及一种可实现误差补偿的冗余驱动组合并联机构，适用于精密手术及微创手术等医疗用途机械产品以及其它需要小工作空间、高精度操作的场合。

背景技术：

精密操作机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃的方向之一，其发展前景非常看好。近年来,随着机器人技术、计算机图像技术、计算机控制技术和微创伤外科技术的发展，科研人员展开了遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训和解剖教学等。其中，高精度、多自由度机械手是其核心组成部分。通常情况下，该类型机器人均需要很高的精度和响应速度，并联机构是最合适的备选构型。

并联机构的精度和机构零部件加工制造误差、机器人装配误差以及机构传动误差等因素息息相关，如何能够在合理的条件下保证并联机构的精度是现在机构学研究的重要内容。目前，很多学者从运动学标定和控制系统等方面对机构的误差进行补偿，取得了比较好的结果，同时也增加了整体系统的复杂性。为了解决这个问题，本发明从机构本身出发，通过冗余驱动的方式对机构输出误差进行补偿。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种部分支链共用的冗余驱动并联机构，通过部分驱动运动副锁死和放开实现两组独立的运动输出，其中一组运动输出用于对机构输出进行误差补偿。

本发明利用3-RUU和3-PUU两种三自由度并联机构支链运动副组成相近的特点，将两种并联机构支链中的“UU”部分支链进行共用，设计了一种能够实现3-RUU和3-PUU两种输出的3P/RUU组合并联机构。当需要实现3-PUU并联机构的运动输出时，可以锁定三个支链中最下端和“P”副相连接的“R”副，该组合并联机构就成为3-PUU机构，其中“P”为驱动运动副。当需要对机构误差进行补偿而进行微小的运动输出操作时，可以锁定三个支链下端的“P”副，该组合并联机构就成为3-RUU机构，其中“R”为驱动运动副。

本发明是通过以下技术方案实现的:

本发明由主体部分、三自由度3-PUU并联机构、三自由度3-RUU并联机构、工作空间调节机构及七个主动驱动器构成。

主体部分的机架[34]和操作器动平台[1]由三条支链进行连接。每条支链结构完全相同，以一条支链为例，从机架[34]开始，通过第一球形摇块座[26]、第一球形摇块[23]、第一滑道[20]、第一滑块[17]、第一转动副[14]、第一下连杆[11]、第一下虎克铰[8]、第一上连杆[5]、第一上虎克铰[2]和操作器动平台[1]连接在一起，实现整个装置的功能。

三自由度3-PUU并联机构主要由机架[34]、第一滑道[20]、第二滑道[21]、第三滑道[22]、第一滑块[17]、第二滑块[18]、第三滑块[19]、第一下虎克铰[8]、第二下虎克铰[9]、第三下虎克铰[10]、第一上连杆[5]、第二上连杆[6]、第三上连杆[7]、第一上虎克铰[2]、第二上虎克铰[3]、第三上虎克铰[4]和操作器动平台[1]构成。此时，转动副[14][15][16]是锁定状态，调节螺母[32]和调节螺杆[31]之间没有相对运动，而第一滑块[17]、第二滑块[18]和第三滑块[19]为该机构的主动驱动器，此三自由度3PUU并联机构示意图如图2所示，可以实现三自由度平移运动输出。

三自由度3-RUU并联机构主要由机架[34]、第一转动副[14]、第二转动副[15]、第三转动副[16]、第一下虎克铰[8]、第二下虎克铰[9]、第三下虎克铰[10]、第一上连杆[5]、第二上连杆[6]、第三上连杆[7]、第一上虎克铰[2]、第二上虎克铰[3]、第三上虎克铰[4]和操作器动平台[1]构成。此时，滑道[20][21][22]和滑块[17][18][19]之间是锁定状态，调节螺母[32]和调节螺杆[31]之间没有相对运动，而第一转动副[14]、第二转动副[15]和第三转动副[16]为该机构的主动驱动器，此三自由度3-RUU并联机构示意图如图3所示，可以实现三自由度平移运动输出。

工作空间调节机构主要由机架[34]、第一球形摇块座[26]、第二球形摇块座[27]、第三球形摇块座[28]、第一球形摇块[23]、第二球形摇块[24]、第三球形摇块[25]、第一滑道[20]、第二滑道[21]、第三滑道[22]、滑道支撑架[30]、螺杆连接头[29]、调节螺杆[31]、调节螺母[32]和中心盘[33]构成,调节螺母[32]和调节螺杆[31]通过螺纹连接在一起，调节螺母[32]可以自由转动。此时，在误差补偿的冗余驱动组合并联机构中，调节螺母[32]为该机构的主动驱动器，该机构通过调节螺母[32]的旋转带动调节螺杆[31]上下运动，同时滑道支撑架[30]也上下运动，改变滑道[20][21][22]与机架[34]之间的夹角，实现整个机构工作空间的调节功能。

七个主动驱动器包括调节螺母[32]驱动电机、三个滑块[17][18][19]驱动电机、三个转动副[14][15][16]驱动装置。

本发明所具有的有益效果：利用并联机构的多自由度运动特性和组合机构原理，提供了一种可以实现三自由度平移运动和三自由度误差补偿的组合运动输出机构，该机构还具有工作空间可调的功能。能够用于精密手术及微创手术等医疗用途机械产品以及其它需要小工作空间、高精度操作的场合。本机构主要由移动和转动两种简单运动副构成，易于装配和控制。

附图说明

图1组合并联机构总装配示意图；

图2 3PUU并联机构示意图；

图3 3RUU并联机构示意图。

图中标号分别为：操作器动平台[1]、第一上虎克铰[2]、第二上虎克铰[3]、第三上虎克铰[4]、第一上连杆[5]、第二上连杆[6]、第三上连杆[7]、第一下虎克铰[8]、第二下虎克铰[9]、第三下虎克铰[10]、第一下连杆[11]、第二下连杆[12]、第三下连杆[13]、第一转动副[14]、第二转动副[15]、第三转动副[16]、第一滑块[17]、第二滑块[18]、第三滑块[19]、第一滑道[20]、第二滑道[21]、第三滑道[22]、第一球形摇块[23]、第二球形摇块[24]、第三球形摇块[25]、第一球形摇块座[26]、第二球形摇块座[27]、第三球形摇块座[28]、螺杆连接头[29]、滑道支撑架[30]、调节螺杆[31]、调节螺母[32]、中心盘[33]、机架[34]。

具体实施方式

结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

本发明利用独特的组合结构设计，解决了一种并联机构运动输出和误差补偿的难题，并增加了机构的微动调节环节，扩大了该类型并联机构的应用场合。该机构可实现3-PUU机构和3-RUU机构的组合运动输出，其驱动方式主要有三套。

要实现三自由度3-PUU并联机构运动输出时，锁死转动副[14][15][16]，如图2所示，第一滑块[17]、第二滑块[18]和第三滑块[19]为该机构的驱动装置，通过滚珠丝杠的方式实现直线驱动方式输入；要实现三自由度3-RUU并联机构误差补偿输出时，锁死滑块[17][18][19]，如图3所示，第一转动副[14]、第二转动副[15]和第三转动副[16]为该机构的驱动装置，通过减速伺服电机的方式实现转动驱动方式输入；要实现工作空间调节机构的功能时，锁死滑块[17][18][19]和转动副[14][15][16]，调节螺母[32]为该机构的驱动装置，通过减速伺服电机实现转动驱动方式输入。

应用时，机架[34]连接在固定的底座上，然后将操作机械手连接在操作器动平台[1]上，通过控制系统控制七个主动驱动器实现预定运动输出。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改造，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。