[发明专利]6-PSS并联机构

摘要

本发明属于机器人技术领域，公开了一种6‑PSS并联机构及位置正逆解方法，设置有圆形轨道，轨道上有六个主动沿轨道精确运动的滑动模块；每个滑动模块通过球铰与固定长度的连杆下端相连接，每根连杆的上端通过球铰与运动平台相连。本发明可以实现运动平台的六自由度运动，其显著特征是运动平台绕竖直轴线可以实现任意角度旋转，提高了机构运动灵活性，扩大了姿态调整工作空间；可应用于轻型雷达天线座、射电望远镜馈源支撑平台、运动模拟器等多种场合。本发明操作简单，有效地改善了Stewart平台类传统六自由度并联机器人存在的工作空间受限问题；通过驱动六个并联的滑动模块实现运动平台的运动，提高了运动平台的运动速度。

主权项

1.一种6‑PSS并联机构，其特征在于，所述6‑PSS并联机构设置有：

六个沿圆形轨道滑动的滑动模块；

滑动模块由与圆形轨道外齿条啮合的小齿轮驱动；

所述滑动模块通过球铰与连杆下端连接；

所述连杆的上端通过球铰与运动平台相连。

2.如权利要求1所述的6‑PSS并联机构，其特征在于，所述6‑PSS并联机圆形轨道上设置有六个滑动模块；

每个滑动模块通过由伺服电机驱动的小齿轮与圆形轨道外齿条的啮合运动驱动；

每个滑动模块通过球铰与固定长度的连杆下端相连接，每根连杆的上端通过球铰与运动平台相连；

所述滑动模块包括伺服电机、与伺服电机相连接的减速机和小齿轮、U型固定板、两个滑块；

所述滑块通过螺钉与U型固定板连接；

所述伺服电机、减速机、小齿轮安装在U型固定板上；小齿轮与圆形轨道底座的外圆齿条啮合形成齿轮副，齿轮副由伺服电机和减速机驱动；

所述连杆两端通过球铰与运动平台和滑动模块连接。

3.一种如权利要求1所述6‑PSS并联机构的位置逆解方法，其特征在于，所述位置逆解方法包括：

并联机构的位置逆解是给定运动平台的位姿，求输入构件的位置；对本发明中的并联机构进行位置逆解求解是已知运动平台的位姿，求基座球铰的位置；

(1)求基座球铰的位置相当于求解基座球铰中心与全局坐标系原点连线和全局坐标系X轴形成的夹角；利用机构参数求得基座球铰位置如下：

式中，x_i、y_i、z_i为6个运动平台铰接点在全局坐标系中的坐标(i＝1,2,…,6)，R为基座铰接点中心所在圆的半径，L为连杆长度，atan2是四象限反正切函数；

(2)由上式可知每一个基座球铰对应的位置有两个值，这与机构的初始位置有关；在初始位姿时，上平台的坐标系O_P‑X_PY_PZ_P和固定坐标系O_B‑X_BY_BZ_B重合，铰接点B₁、B₃、B₅对应的夹角大于铰接点P₁、P₃、P₅在基座铰接点中心圆上的投影点对应的夹角，由此可得基座球铰位置如下：

同理得：

4.如权利要求1所述的6‑PSS并联机构的位置正解方法，其特征在于，所述位置正解方法包括：

与位置逆解相反，运动学正解是给定输入构件的位置，求运动平台的位姿；对本发明中的六自由度并联机构进行位置正解计算是给定基座球铰的位置θ_i，求解运动平台的位姿：P＝(x y z α β γ)^T；

通过运动学逆解方程求出雅克比矩阵J如下：

由雅克比矩阵的定义可知其是由输入构件传向输出构件的速度比：V_p＝JV_θ；式中，V_p为输出构件广义速度，V_θ为输入构件广义速度，J为关于输入构件的雅克比矩阵；

由上式求得输出构件广义速度和输出构件广义速度关系为：V_θ＝J^‑1V_p＝MV_p；式中M为雅克比矩阵J的逆矩阵；将等式两边同时乘以时间得：P＝Mθ，方程为位置正解方程；

给定运动平台的初始位姿P₀＝(x₀ y₀ z₀ α₀ β₀ γ₀)^T，根据位置逆解方程求出基座球铰中心与全局坐标系原点连线和全局坐标系X轴形成的夹角θ₀＝(θ_1,0 θ_2,0 θ_3,0 θ_4,0 θ_5,0 θ_6,0)^T，并将其设置为基座球铰的初始位置；

给出一组待求解基座球铰位置θ＝[θ₁ θ₂ θ₃ θ₄ θ₅ θ₆]^T，计算基座球铰位置变化量Δθ₀＝θ‑θ₀；给定位置误差ε＝10^‑10，判断位置误差Δθ₀的模值是否小于位置误差ε，若满足条件则输出运动平台位姿为P₀，若不满足条件则继续进行下一次迭代；由位置正解方程可得动平台位姿变化量为：ΔP₀＝M₀Δθ₀；P₁＝P₀+ΔP₀，将P₁代入位置逆解方程求得此位姿下输入机构位置θ₁，令Δθ₁＝θ‑θ₁，判断位置误差Δθ₁的模值是否满足条件，若满足条件则输出运动平台位姿为P₁，不满足条件则继续迭代，直至n次迭代后满足位置误差条件，输出此时运动平台的位姿P_n,完成位置正解计算。

5.一种如权利要求1所述6‑PSS并联机构的三自由度并联机构，其特征在于，所述三自由度并联机构安装有三组滑动机构和三个连杆。

6.一种如权利要求1所述6‑PSS并联机构的四自由度并联机构，其特征在于，所述四自由度并联机构安装有四组滑动机构和四个连杆。

7.