本發(fā)明涉及一種著陸上升組合體姿態(tài)模擬試驗(yàn)，特別涉及一種隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置。

背景技術(shù)：

著陸上升組合體姿態(tài)模擬試驗(yàn)，是對(duì)著陸上升組合體在月球表面著陸的各種姿態(tài)進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)研究。開展著陸上升組合體姿態(tài)模擬試驗(yàn)，需要一套空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在滿足姿態(tài)模擬試驗(yàn)的功能和性能的基礎(chǔ)上，本發(fā)明創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種隨動(dòng)剛度可調(diào)的并聯(lián)裝置。

技術(shù)實(shí)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(dòng)態(tài)特性的隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置，其中該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置包括一個(gè)動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)靜平臺(tái)、一個(gè)中間立柱以及三個(gè)支鏈，該中間立柱的兩個(gè)端部分別連接于該動(dòng)平臺(tái)和該靜平臺(tái)，各個(gè)該支鏈和該動(dòng)平臺(tái)之間通過一球鉸連接的方式進(jìn)行連接，各個(gè)該支鏈和該靜平臺(tái)之間通過一胡克鉸的方式進(jìn)行連接，并且各個(gè)該支鏈中該球鉸和該胡克鉸采用移動(dòng)副。

作為對(duì)本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，三個(gè)該支鏈呈等腰三角形的形狀布置。

作為對(duì)本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置包括一隨動(dòng)支鏈，該隨動(dòng)支鏈分別連接于該動(dòng)平臺(tái)和該靜平臺(tái)，并且該隨動(dòng)支鏈和該中間立柱形成移動(dòng)副。

作為對(duì)本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，該動(dòng)平臺(tái)位于該靜平臺(tái)的上部。

作為對(duì)本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，該中間立柱和該動(dòng)平臺(tái)通過該胡克鉸的方式進(jìn)行連接，以形成pu支鏈。

本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的優(yōu)勢(shì)在于：

本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置包括一個(gè)動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)靜平臺(tái)、一個(gè)中間立柱以及三個(gè)支鏈，該中間立柱的兩端分別連接于該動(dòng)平臺(tái)和該靜平臺(tái)，各個(gè)該支鏈和該動(dòng)平臺(tái)之間的連接方式是球鉸，各個(gè)該支鏈和該靜平臺(tái)之間的連接方式是胡克鉸，并且各個(gè)該支鏈中該球鉸和該胡克鉸采用移動(dòng)副，在該中間立柱和各個(gè)該支鏈的限制下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置能夠進(jìn)行兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)自由度的移動(dòng)，并且該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度方向的單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)，而且還能夠耦合運(yùn)動(dòng)，并且無累積公差，從而確保該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的精度。

由于受到空間的限制，各個(gè)該支鏈呈等腰三角形的形狀布置，以使該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。另外，為了保證該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三自由度并聯(lián)裝置的運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，使其嚴(yán)格圍繞該動(dòng)平臺(tái)的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，在該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置中間增加了一隨動(dòng)支鏈，其中該隨動(dòng)支鏈和該中間立柱形成移動(dòng)副。該中間立柱和該動(dòng)平臺(tái)采用該胡克鉸的方式進(jìn)行連接，形成pu支鏈。在該隨動(dòng)支鏈的移動(dòng)副的三個(gè)鎖緊全部鎖緊、該胡克鉸十字軸軸端四個(gè)抱閘全部關(guān)閉以及三個(gè)驅(qū)動(dòng)拉伸狀態(tài)下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度最大，三個(gè)鎖緊全部松開、四個(gè)抱閘全部打開狀態(tài)下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度最小，在其他狀態(tài)下通過調(diào)節(jié)抱閘和鎖緊狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)。

另外，三個(gè)該支鏈采用等腰三角形布置，該隨動(dòng)支鏈布置于其中間，空間復(fù)用，使得整個(gè)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，增加了該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的承載能力，提高了該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的整體剛度。且該隨動(dòng)支鏈?zhǔn)沟迷撾S動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的自由度準(zhǔn)確可控，有效地保證該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的運(yùn)動(dòng)性。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)以上概述的本發(fā)明進(jìn)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(shí)施例，因此不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體和更詳細(xì)的說明和闡述。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的立體示意圖。

圖2是本發(fā)明的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的概念示意圖。

具體實(shí)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(shí)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(shí)施方案、變形方案、改進(jìn)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和圖2所示，依本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置包括一個(gè)動(dòng)平臺(tái)10、一個(gè)靜平臺(tái)20、一個(gè)隨動(dòng)支鏈30以及三個(gè)主動(dòng)支鏈40，該隨動(dòng)支鏈30和各個(gè)該支鏈40的兩端分別連接于該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20。優(yōu)選地，該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20可以采用上下結(jié)構(gòu)，例如該動(dòng)平臺(tái)10位于該靜平臺(tái)20的上方，該隨動(dòng)支鏈30的上端部和各個(gè)該支鏈40的上端部分別連接于該動(dòng)平臺(tái)10，該中間立柱70的下端部和各個(gè)該支鏈40的下端部分別連接于該靜平臺(tái)20。該動(dòng)平臺(tái)10能夠被驅(qū)動(dòng)在x和y方向做相對(duì)于該靜平臺(tái)20的轉(zhuǎn)動(dòng)和在z方向做相對(duì)于該靜平臺(tái)20的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三自由度并聯(lián)裝置在三個(gè)自由度方向的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)或者耦合運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，各個(gè)該支鏈40和該動(dòng)平臺(tái)10之間通過一球鉸連接50的方式進(jìn)行連接，各個(gè)該支鏈40和該靜平臺(tái)20之間通過一胡克鉸60的方式進(jìn)行連接，并且各個(gè)該支鏈40中該球鉸50和該胡克鉸60采用移動(dòng)副。在該隨動(dòng)支鏈30和各個(gè)該支鏈40的限制下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置能夠進(jìn)行兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)自由度的移動(dòng)，并且該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度方向的單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)，而且還能夠耦合運(yùn)動(dòng)，并且無累積公差，從而確保該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的精度。

另外，三個(gè)該支鏈40呈等腰三角形的形狀布置，以使該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置包括一隨動(dòng)支鏈30，該隨動(dòng)支鏈30分別連接于該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20，并且該隨動(dòng)支鏈30和該中間立柱70形成移動(dòng)副，以保證該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三自由度并聯(lián)裝置的運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，使其嚴(yán)格圍繞該動(dòng)平臺(tái)10的中心轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)選地，該隨動(dòng)支鏈30和該動(dòng)平臺(tái)10采用該胡克鉸60的方式進(jìn)行連接，形成pu支鏈。在該隨動(dòng)支鏈30的移動(dòng)副的三個(gè)鎖緊全部鎖緊、該胡克鉸60十字軸軸端四個(gè)抱閘全部關(guān)閉以及三個(gè)驅(qū)動(dòng)拉伸狀態(tài)下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度最大，三個(gè)鎖緊全部松開、四個(gè)抱閘全部打開狀態(tài)下，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度最小，在其他狀態(tài)下通過調(diào)節(jié)抱閘和鎖緊狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)。

進(jìn)一步闡述該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置剛度特性，需先建立該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,求出該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的雅可比矩陣，然后基于守恒協(xié)調(diào)剛度矩陣推導(dǎo)出該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度矩陣的解析表達(dá)式。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)解析

如圖2所示，建立與該動(dòng)平臺(tái)10固結(jié)的動(dòng)坐標(biāo)系pxyz、與該靜平臺(tái)20固結(jié)的固定坐標(biāo)系oxyz，如圖2所示，坐標(biāo)系的原點(diǎn)p和o分別位于該隨動(dòng)支鏈30的該胡克鉸60中心在該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20所確定平面上的投影處，軸z和z分別垂直于該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20向上，軸x、y與x、y分別平行和垂直于動(dòng)該動(dòng)平臺(tái)10和該靜平臺(tái)20的邊a2a3與b2b3。在坐標(biāo)系oxyz中，該靜平臺(tái)20上的該胡克鉸60中心bi(i＝1,2,3)的坐標(biāo)為(bix,biy,biz)，該動(dòng)平臺(tái)10上的該球鉸50的中心ai(i＝1,2,3)的坐標(biāo)為(aix,aiy,aiz)。在動(dòng)坐標(biāo)系pxyz中，該動(dòng)平臺(tái)10上的該球鉸50的中心ai(i＝1,2,3)的坐標(biāo)為((^paix,^paiy,^paiz)。

分析機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，可建立該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程如下：

(aix-bix)²+(aiy-biy)²+(aiz-biz)²＝li²,i＝1,2,3(1)

其中：

給出z‐y‐x型3個(gè)歐拉角(γ,β,α)，由于中間的該隨動(dòng)支鏈30對(duì)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的運(yùn)動(dòng)性的限制，γ＝0，動(dòng)坐標(biāo)系最終的姿態(tài)矩陣為

其中cα＝cosα，sα＝sinα。

將式(1)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得：

結(jié)合式(1)和(2)可得：

其中ωx，ωy，ωz為該動(dòng)平臺(tái)10分別繞定坐標(biāo)系x，y，z軸旋轉(zhuǎn)的角速度，而ci，di，ei為系數(shù)，且與旋轉(zhuǎn)矩陣t有關(guān)。由于ωz＝0，故上式可化簡(jiǎn)為：

令ai1＝aix-bix,ai2＝aiy-biy,ai3＝aiz-biz，則

系數(shù)

ci＝ai1(^paiycβcα-^paizsβsα)+ai2(-^paiysα-^paizcα)+ai3(^paiycβcα-^paizcβsα)

di＝ai1(-^paixsβ+^paiycβsα+^paizcβcα)+ai3(-^paixcβ-^paiysβ-^paizsβcα)

其中

aix＝x+^paixcβ+^paiysβsα+^paizsβcα

aiy＝y(tǒng)+^paiycα-^paizsα

aiz＝z-^paixsβ+^paiycβsα+^paizcβcα

將式(4)寫成矩陣的形式：

令

則式(4)可記為：

雅克比矩陣的求解

由式(4)和(5)可得并聯(lián)機(jī)構(gòu)的雅克比矩陣為：

j＝b^-1a(9)

求解得：

建立剛度矩陣模型

設(shè)關(guān)節(jié)剛度矩陣為：

其中kii通常取為常量。

由式(10)可知，對(duì)于機(jī)構(gòu)雅克比矩陣有：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的守恒協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換剛度矩陣具有如下形式：

kc＝kg+j^tkjj＝kg+sj(12)

式中：kg為外力作用影響產(chǎn)生的剛度，sj為機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)位形剛度。

式中t＝[t1t2t3]^t代表驅(qū)動(dòng)力(驅(qū)動(dòng)力矩)，它與動(dòng)平臺(tái)作用與外界的力(或力偶矩)f＝[f,mn]^t之間的關(guān)系用下式表示：

f＝j(luò)^tt(14)

kg和sj矩陣的元素gi1、gi2、gi3和j1i、j2i、j3i分別如下：

剛度矩陣在z，α，β方向的分量kcz，kcα，kcβ，經(jīng)過計(jì)算得:

δα＝ai1(-^paiysβsα-^paizsβcα)+ai2(-^paiycα+^paizsα)+ai3(-^paiycβsα-^paizcβcα)(18)

δβ＝ai1(-^paixcβ-^paiysβsα-^paizsβcα)+ai3(^paixsβ-^paiycβ-^paizcβcα)(19)

由以上剛度矩陣的解析式可知：剛度矩陣主要與該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的位姿和所受外力(力矩)有關(guān)，故可以通過改變?cè)撾S動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的三個(gè)鎖緊和四個(gè)抱閘的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的位姿調(diào)整以及所受力(力矩)的改變，從而實(shí)現(xiàn)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度可調(diào)。

下面是改變?cè)撾S動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的三個(gè)鎖緊和四個(gè)抱閘的狀態(tài)，通過傳感器測(cè)出的該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置位姿以及所受力(力矩)的數(shù)值。

從上表中可知通過改變?nèi)齻€(gè)鎖緊和四個(gè)抱閘的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置位姿的改變，該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置所需的驅(qū)動(dòng)力也隨之改變，因此該隨動(dòng)剛度可調(diào)的三支鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三自由度裝置的剛度實(shí)現(xiàn)可調(diào)。

以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。