CN105171741A - 一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构 - Google Patents

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邵珠峰
唐晓强
李煜琦
季益中
田斯慧
项程远
朱斌
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Abstract

一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构,该装置由结构支撑框架、驱动装置、运动装置和末端执行器组成,所述的支撑框架可由型材搭建而成,也可以依托于现有建筑物及承力结构;驱动装置由电机、联轴器、减速器和滚筒组成;运动装置由绳索、上定滑轮和下定滑轮组成;末端执行器可根据实际使用需求配置机械手或探测器等;本发明将该索并联机器人末端执行器的工作空间扩大为框架支撑跨度的2-3倍以上,实现了超跨度运动,为大范围往复运动的工况需求(例如搬运和探测)提供了一种新型的低成本解决方案。

Description

一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构
技术领域
[0001] 本发明属机械技术领域,特别涉及一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构。
背景技术
[0002] 并联机构具有结构紧凑、刚度高、承载能力大和动态响应性好等特点,近些年来受到越来越多的关注和应用。由绳索和并联机构结合而形成的索(驱动)并联机构具有自身的特点,由于绳索可以缠绕在卷筒之上,使得索并联机构的工作空间得以扩大,同时由于绳索质量较轻、载重比较大,索并联机构在天文观测、航空航天、医疗康复和风洞实验等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 基于索并联机构工作空间范围大的特点,可将其用于较大范围的物料搬运和仓储任务中,但是目前索并联机构的工作空间均小于出索支撑点连接而成的空间范围内,即无法超出支撑结构的几何范围。因此必须保证支撑结构的体积大于索并联机构的工作空间,增加了建造成本,限制了索并联机构在超大范围工况下的应用。
发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构,利用绳索代替刚性支链驱动,其工作空间可以超越支撑结构,达到支撑点跨度的2-3倍;在电机驱动下,通过合理的轨迹规划,可在支撑结构和建造成本不变的情况下,实现终端超出传统索并联机构力封闭工作空间外的运动,有效增大了工作空间和装置体积比,极大的扩展了机构的工作空间,实现超跨度运动。
[0005] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0006] —种平面两自由度超跨度索并联机器人结构,包括支撑框架、驱动装置、运动装置和末端执行器8,所述运动装置由两个上定滑轮1、两个下定滑轮2和两根绳索9组成,其中末端执行器8设置在两根绳索9的一端之间,由两根绳索9牵引运动,两根绳索9的另一端分别连接在一个对应的驱动装置上,由驱动装置控制其伸长和缩短,上定滑轮I为出索点,支撑并导引绳索9,下定滑轮2与绳索9不固定连,通过调整下定滑轮2和上定滑轮I竖直方向之间的距离,实现对该机器人的最优往复频率和往复频率范围的控制。下定滑轮2也可用于调整超跨度工作空间的极限尺寸。
[0007] 所述末端执行器8在运动过程中与下定滑轮2分离。
[0008] 所述机器人的一维规划即直线运动轨迹采用正弦周期函数运动轨迹或高次多项式轨迹,在运动起止端的速度为零,轨迹中间段的速度最大;并要求轨迹位置、速度、加速度和加加速度均连续平衡,以降低终端的振动。
[0009] 所述驱动装置有两个,每个驱动装置包括电机3,电机3输出依次连接联轴器4、减速器5和滚筒6,在减速器5上设置扭矩传感器7,所述两根绳索9的另一端分别连接在一个驱动装置的滚筒6上,通过电机3的工作带动滚筒6的转动,进而带动相应绳索9的伸长或缩短。
[0010] 所述两个上定滑轮I和两个下定滑轮2在空间上构成一个矩形结构,两根绳索9的一端连接在末端执行器8上,自该端起,分别依次绕过一个下定滑轮2和一个上定滑轮I后,另一端连接在驱动装置上。
[0011] 所述末端执行器8的运动范围在两个上定滑轮I和两个下定滑轮2连线构成的矩形范围内或范围外。
[0012] 为了实现对末端执行器8的轨迹规划以及对其速度、加速度控制的目的,绳索9在运动过程中进行实时的力监控,以使运动轨迹满足工作需求,并在运动平面各点达到设定的速度、加速度等设计参数。
[0013] 本发明采用平面两索结构实现末端执行器的运动,可进行经过轨迹规划的二维平面运动,可以在力封闭空间之外做大范围的超跨度运动。
[0014] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0015] (I)引入悬挂式索并联机构的动态工作空间,实现了索并联机构的大范围超跨度运动,突破了机构里封闭工作空间的局限性。
[0016] (2)通过引入下定滑轮,可以灵活的调整该机构的经济往复频率,提高了机构的适用性。
[0017] (3)该装置可以实现小支撑机构大运动范围的运动轨迹规划,节约了制造成本,降低了对于装置自身空间的需求,扩大了装置的应用范围。
[0018] (4)该种结构构型不仅可以实现一维直线运动,而且也可以实现复杂的二维轨迹规划运动,在物流搬运、喷涂和大型结构件表面探伤领域都可以有广泛的应用。
[0019] 综上,本发明将该索并联机器人末端执行器的工作空间扩大为框架支撑跨度的
2-3倍以上,实现了超跨度运动,为大范围往复运动的工况需求(例如搬运和探测)提供了一种新型的低成本解决方案。
附图说明
[0020] 图1为本发明一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构示意图。
[0021] 图2为本发明驱动装置结构示意图。
[0022] 图3为本发明装置超跨度一维运动示意图。
[0023] 图4为本发明装置超跨度二维运动示意图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0025] 如图1所示,本发明一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构,包括支撑框架、驱动装置、运动装置和末端执行器8。支撑框架由型材搭建而成,也可以直接借助现有建筑物及承力机构。
[0026] 运动装置由两个上定滑轮1、两个下定滑轮2和两根绳索9组成,其中末端执行器8设置在两根绳索9的一端之间,由两根绳索9牵引运动,两根绳索9的另一端分别连接在一个对应的驱动装置上,由驱动装置控制其伸长和缩短,上定滑轮I为出索点,支撑并导引绳索9,下定滑轮2与绳索9不固定连,通过调整下定滑轮2和上定滑轮I竖直方向之间的距离,实现对该机器人的最优往复频率和往复频率范围的控制。下定滑轮2也可用于调整超跨度工作空间的极限尺寸。
[0027] 如图2所示,驱动装置有两个,每个驱动装置由电机3驱动,电机3输出依次连接联轴器4、减速器5和滚筒6,在减速器5上设置扭矩传感器7,两根绳索9的另一端分别连接在一个驱动装置的滚筒6上,通过电机3的工作带动滚筒6的转动,进而带动相应绳索9的伸长或缩短。其中扭矩传感器7可实时反馈扭矩数值,用于对于绳索张紧力的实时控制
[0028] 图3所示为装置的一维运动示意图。电机3牵引绳索9做往复运动,控制末端执行器8按照设定好的轨迹和运动参数运动,在II位置处,末端执行器8位置处于力封闭空间内,两个下定滑轮2对绳索9起导引作用;在I和III位置处超出了索并联机构的力封闭空间,做超跨度运动,下定滑轮2与上定滑轮I的距离可以改变该超跨度机器人的经济往复频率,降低系统功耗,通过对绳索运动速度及绳索拉力的控制实现规定目标的运动。
[0029] 图4所示为装置的二维运动示意图。该平面两自由度超跨度索并联机器人不仅可以实现一维轨迹规划运动,也可以在二维平面内按照设计的轨迹及运动参数运动,图中所示为在力封闭空间内外交替运动的二维圆轨迹运动。

Claims (6)

1.一种平面两自由度超跨度索并联机器人结构,包括支撑框架、驱动装置、运动装置和末端执行器(8),其特征在于,所述运动装置由两个上定滑轮(I)、两个下定滑轮(2)和两根绳索(9)组成,其中末端执行器(8)设置在两根绳索(9)的一端之间,由两根绳索(9)牵引运动,两根绳索(9)的另一端分别连接在一个对应的驱动装置上,由驱动装置控制其伸长和缩短,上定滑轮⑴为出索点,支撑并导引绳索(9),下定滑轮⑵与绳索(9)不固定连,通过调整下定滑轮(2)和上定滑轮(I)竖直方向之间的距离,实现对该机器人的最优往复频率和往复频率范围的控制。
2.根据权利要求1所述平面两自由度超跨度索并联机器人结构,其特征在于,所述末端执行器(8)在运动过程中与下定滑轮(2)分离。
3.根据权利要求1所述平面两自由度超跨度索并联机器人结构,其特征在于,所述机器人的一维规划即直线运动轨迹采用正弦周期函数运动轨迹或高次多项式轨迹,在运动起止端的速度为零,轨迹中间段的速度最大;并要求轨迹位置、速度、加速度和加加速度均连续平衡,以降低终端的振动。
4.根据权利要求1所述平面两自由度超跨度索并联机器人结构,其特征在于,所述驱动装置有两个,每个驱动装置包括电机(3),电机(3)输出依次连接联轴器(4)、减速器(5)和滚筒¢),在减速器(5)上设置扭矩传感器(7),所述两根绳索(9)的另一端分别连接在一个驱动装置的滚筒(6)上,通过电机(3)的工作带动滚筒¢)的转动,进而带动相应绳索(9)的伸长或缩短。
5.根据权利要求1所述平面两自由度超跨度索并联机器人结构,其特征在于,所述两个上定滑轮(I)和两个下定滑轮(2)在空间上构成一个矩形结构,两根绳索(9)的一端连接在末端执行器(8)上,自该端起,分别依次绕过一个下定滑轮(2)和一个上定滑轮(I)后,另一端连接在驱动装置上。
6.根据权利要求1所述平面两自由度超跨度索并联机器人结构,其特征在于,所述末端执行器(8)的运动范围在两个上定滑轮(I)和两个下定滑轮(2)连线构成的矩形范围内或范围外。
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