CN107427999B - 平面运动装置 - Google Patents

Abstract

一种定位装置(1)，该定位装置(1)包括：平面表面(3)；移动平台(4，24，34)，其构造成沿着所述平面表面(3)滑动；以及线缆(6)，其用于定位所述移动平台(4，24，34)并使所述移动平台(4，24，34)沿着所述平面表面(3)移动。移动平台(4，24，34)包括平面支承系统(5，25，35)，该平面支承系统(5，25，35)位于构造成沿着平面表面(3)滑动的移动平台(4，24，34)的侧部处，所述平面支承系统(5，25，35)包括用于将移动平台(4，24，34)推靠在平面表面(3)上的装置和用于允许所述平面支承系统(5，25，35)相对于平面表面(3)滑动的装置。

Description

平面运动装置

技术领域

本发明涉及平面运动机构的领域，并且具体地涉及平面运动机构和基于平面运动机构的机器人装置，所述机器人装置允许对致动器、操纵器、工具或任何其他元件进行定位，进而用于生产、操纵、修改或检查的行为。

背景技术

无论是基于平行运动学还是基于串联运动学的目前的机器人均由一系列具有固定尺寸的机械致动器和结构形成，所述一系列机械致动器和结构将其工作空间的范围限制于其关节和结构所可以到达的最大限度。更大的工作空间要求涉及尺寸过大的执行器的更大、更重和更动态的结构，这最终使大型零部件的自动化变得困难。

为了消除这些缺点，机器人的结构的零部件已经被替换为与支撑表面组合的线缆。线缆重量轻并且可以在大的工作空间内延伸。张紧线缆可以用于施加拉力。这就是为什么在大多数基于线缆的平行平面机器人中，线缆负责致动的功能。为了实现平面约束，存在不同的解决方案。

德国专利DE102010015530-B4描述了一种具有竖向布置的基于线缆的平面运动机构，在该基于线缆的平面运动机构中，虚拟平面仅可以平行于重力。由竖向平面中的若干线缆致动的移动平台在虚拟竖向平面中抵抗重力而移动。因此，该机构对来自虚拟平面外侧的扰动而言具有非常差的抵抗力。

美国专利US7246445-B2涉及使用物理平面工作台的基于线缆的平面机构。移动平台位于该工作台上，并且若干线缆用于致动移动平台在与工作台平行的平面中的运动。该布置与DE 102010015530-B4的布置相比提供了更好的单边扰动，这是因为移动平台可以推靠工作台。尽管US7246445-B2指示工作台可以被水平地对准并且也可以沿对角线运行至水平位置，最终直到竖向位置为止，实际上没有提到用于在运动期间保持移动平台抵靠工作台的装置。因此，从其描述可以理解，只有重力的部分在移动平台的运动期间保持移动平台抵靠工作台。因而，当例如具有重力的大小的拉力被施加在移动平台上时，难以确保移动平台的平面运动。值得注意的是，在US7246445-B2中，工作台的所提出的实施方式中的一个实施方式被描述为具有位于座部下方的多个毛细孔，所述多个毛细孔可连接至部分真空源，以便能够在到达期望的最终位置之后将座部抵靠工作台抽吸到位。所提到的毛细孔在连接至真空源时具有在到达期望的最终位置之后固定座部的位置的唯一功能，因而不具有下述功能：在运动期间将力施加在座部上用于防止座部与工作台分离进而确保座部沿着工作台的高动态平面运动。

国际专利申请WO2011148004-A1通过提供一种基于线缆的平面运动机构部分地解决了上述问题，在该基于线缆的平面运动机构中，倾斜延伸的线缆保证移动平台抵靠支撑工作台的运动。因此，该机构可以以任何方向工作，这是因为工作台与倾斜的延伸线缆一起提供了双边限制，以保持移动平台在平面中的移动。由于平台与工作表面之间的吸引系统，因此该平台可以在倾斜表面甚至颠倒的表面上工作。该吸引系统由线缆力的垂直分量产生：由于线缆具有相对于工作表面的倾斜取向，因此在平台上产生不断地保持平台抵靠工作表面的力分量。然而，该执行方式需要线缆中的高张力。因此，致动器的功率消耗增加，从而与用以仅产生目标运动所需的致动器相比需要使用更大功率的致动器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种基于线缆的平面运动机构，该基于线缆的平面运动机构可以抵抗与这种平面垂直的强扰动力和/或与这种平面平行的强扰动力矩，使得与其他现有的基于线缆的平面运动机构相比，该平面机构可以在任何取向上、动态地并且以高精度和高有效负载的情况下正常地工作。

根据本发明的方面，提供了一种定位装置，该定位装置包括：平面表面；移动平台，该移动平台构造成沿着所述平面表面滑动；以及线缆，该线缆用于定位所述移动平台并使所述移动平台沿着所述平面表面移动。移动平台包括平面支承系统，该平面支承系统位于构造成沿着平面表面滑动的移动平台的侧部处，所述平面支承系统包括用于将移动平台推靠在平面表面上的装置和用于允许所述平面支承系统相对于平面表面滑动的装置。

在特定实施方式中，用于将移动平台推靠在平面表面上的装置包括真空室。在优选实施方式中，用于将移动平台推靠在平面表面上的装置还包括密封装置。

在特定实施方式中，用于允许所述平面支承系统相对于平面表面滑动的装置包括至少一个脚轮球。

在替代性实施方式中，用于将移动平台推靠在平面表面上的装置包括磁系统。

在特定实施方式中，平面支承系统包括至少一个空气支承件。

在替代性实施方式中，平面支承系统包括至少一个真空预载空气支承件。

在特定实施方式中，装置还包括附接至所述移动平台的夹持装置。

在特定实施方式中，移动平台位于所述平面表面下方。

在本发明的另一方面，提供了一种将先前所描述的装置用作为拾取和放置机器人的用途。

本发明的附加的优点和特征将从接下来的详细描述中变得明显并且将在所附权利要求中具体指出。

附图说明

为了完成描述并为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图形成说明书的一体部分并且说明了本发明的实施方式，所述附图不应被解释为限制本发明的范围，而只是作为如何实现本发明的示例。附图包括以下图：

图1A、图1B和图1C示出了根据本发明的实施方式的定位装置的示意图。图1D示出了根据本发明的另一实施方式的定位装置的示意图。图1E示出了根据本发明的另一实施方式的定位装置的示意图。

图2A示出了根据本发明的特定实施方式的由真空预载空气支承件实现的平面支承系统的方案。图2B示出了真空预载空气支承件的示意图。

图3示出了根据本发明的特定实施方式的由真空系统和脚轮球实现的平面支承系统的方案。

图4示出了根据本发明的实施方式的由线缆控制的定位装置。

图5示出了根据本发明的替代性实施方式的由线缆控制的定位装置。

图6示出了根据本发明的替代性实施方式的由线缆控制的定位装置。

具体实施方式

在本文中，术语“包括(comprises)”及其派生词(比如“包括(comprising)”等)不应被理解为具有排除含义，即，这些术语不应被解释为排除了所描述和定义的内容可以包括另外的元件、步骤等的可能性。

在本发明的上下文中，术语“近似地(approximately)”及其同类的术语(比如“近似(approximate)”等)应当被理解为指示与附有上述术语的值非常接近的值。也就是说，应当接受相对于精确值的合理限度内的偏差，因为本领域技术人员将理解的是由于测量不准确等原因相对于所指示的值的这种偏差是不可避免的。这同样适用于术语“约(about)”和“大约(around)”和“大致(substantially)”。

以下描述不被认为是限制性的，而是仅出于描述本发明的广泛原理的目的而给出。将参照示出了根据本发明的装置和结果的上述附图通过示例的方式对本发明的接下来的各实施方式进行描述。

图1A、图1B和图1C示出了定位装置1的示意图。图1D和图1E示出了定位装置1的替代性实施方式。定位装置1包括框架2和移动平台4，其中，框架2支撑平面元件或平面表面3，移动平台4可以在由平面元件3限定的表面上滑动。移动平台4优选地定位或悬置在平面表面3下面。替代性地，移动平台4可以定位或悬置在平面表面3上方。该执行方式适于拾取和放置机器人，在所述拾取和放置机器人中，抓握元件附接至移动平台4。平面元件3(以及因此连接至该平面元件3的移动平台4)可以具有任何取向。平面元件3不一定平行于被认为是参考系的地板，而是可以相对于该地板倾斜或呈竖向(垂直)。然后，移动平台4以或者平行于地板或者相对地板呈倾斜取向或者垂直于(竖向平面)地板的方式在平面表面的移动平台4所在的面(该面根据其被构造而适用的应用而优选地为下部面但是替代性地可以是上部面)上滑动。换言之，移动平台4可以颠倒地工作。这意味着移动平台4能够在水平平面表面(如例如图1B中图示的，其示出了移动平台颠倒地工作)、竖向平面表面或倾斜平面表面上工作。图1A、图1D和图1E还示出了一些线缆6。线缆6的功能是控制移动平台4的允许运动。由于平面元件3和平面支承系统5(稍后对其进行详细说明)，因此移动平台4的允许运动为沿着平面元件3的运动，所述运动包括沿着与平面元件3平行的轴线的平移以及沿着与平面元件3垂直的轴线的旋转。通过调节线缆6中的至少一个线缆的长度和/或张力来对这种沿着平面元件3的允许运动进行控制。为了获得移动平台4的期望运动，线缆6有助于根据定位装置的设置和应用而克服在移动平台上的可能由各种原因引起的各种扰动。例如，这种扰动可以是重力、施加在移动平台上的其他外力、通过加速部件施加在移动平台上的反作用力等。

定位装置1包括至少三个张力元件或线缆6，如图1D中所描绘的，所述三个张力元件或线缆6中的每个张力元件或线缆在一个端部处连结至移动平台4并且在另一端部处连结至致动装置(示意性地称为7)。线缆的功能是控制平台的运动。如果有3个线缆，如同图1D的实施方案，移动平台的位置(x，y)被独立地控制(但是移动平台的取向不被独立地控制，因为移动平台的平衡取向取决于移动平台的位置)。如果有4个线缆，如同图1A的实施方案，不仅平台的位置而且平台的取向均被独立地控制。换言之，四个线缆控制三个独立的自由度：位置(x，y)和旋转(z)，其中，受控旋转是指沿着与平面元件3垂直的轴线的旋转。在优选实施方案中，如图1A中图示的，有四个线缆或张力元件6。张力元件6在移动平台4上施加力，从而允许移动平台4在平面表面3上的定位和移动。这四个张力元件或线缆6允许获得移动平台4的位置和受控旋转(或不旋转)。每个线缆6的连结至致动装置7的端部附接至线缆收集和释放机构，该线缆收集和释放机构控制对应线缆的长度和张力并且优选地保持固定在框架上。每个线缆6的另一端部锚固至移动平台4。线缆收集和释放机构的操作允许使移动平台4沿着整个平面表面3以受控的方式移位并且精确地定位移动平台4。线缆6的在移动平台4上的附接点可以停留在平面表面中或者以任何其他方式停留。

在图1E中，致动装置7——该致动装置7附接至控制对应线缆的长度和张力的线缆收集和释放机构——可以固定在移动平台4上。每个线缆6的另一端部被锚定至框架2。

移动平台4包括平面支承系统5，该平面支承系统5位于构造成沿着平面表面3滑动的移动平台4的侧部处。不管平面表面3的取向如何，平面支承系统5保持移动平台4支撑抵靠平面表面3并与任何外部或内部激发平衡。平面支承系统负责移动平台4至平面表面3的附接。平面支承系统5和平面表面3限制移动平台4的三个自由度：两个旋转和一个位移。线缆6允许控制关于与平面表面3垂直的轴的旋转(z)以及在表面的面上的两个移位(x，y)。如接下来所描述的，平面支承系统5包括：用于将移动平台4推靠在平面表面3上的装置，因而防止移动平台4与平面表面3分离或者防止移动平台4关于与平面表面3平行的轴线旋转；以及用于允许平面支承系统5相对于平面表面3滑动的装置。

该系统5允许移动平台4的沿着由平面表面3限定的平面的运动。值得注意的是，平面支承系统5允许所述运动，但不提供或阻止所述运动，这是因为是布线系统在控制运动。图1C图示了平面支承系统的作用原理，在图1C中，向上的箭头表示将平面支承系统推向平面表面的吸引力，而向下箭头表示阻止平面支承系统靠近或穿入平面支承表面的排斥力。在大多数情况下，这两个力同时存在于平面支承系统上。这两个力的合力有助于克服移动平台上的由各种因素(比如移动平台上的外力、由线缆产生的力或力矩、系统的与重力有关的安装方向等)引起的各种扰动力。

从运动学的观点来看，平面支承系统5具有限制移动平台4的三个自由度(沿着与平面元件3垂直的轴线的一个平移以及沿着与平面元件3平行的轴线的两个旋转)的功能。平面支承系统5保持移动平台4被推向平面表面3。平面支承系统5还允许移动平台在平面表面上滑动。平面支承系统5为移动平台4提供了对可能会引起移动平台4在平面(平面表面3)外的寄生运动的扰动力和力矩的抵抗。换言之，平面支承系统5可以提供移动平台与平面表面之间的一个吸引力(或附接力)或多个吸引力。不同于现有技术的定位装置，比如US7246445-B2中所描述的装置，该装置仅依赖于用于这种推动效果的重力，或者WO2011148004-A1中所描述的装置，该装置需要相对复杂的布线系统，原因在于移动平台与工作表面之间的吸引力完全依赖于线缆力的垂直分量，在本发明的定位装置1中，移动平台与工作表面之间的吸引力基于平面支承系统5。

接下来，对平面支承系统的不同实施方式进行描述。平面支承系统5包括用于通过施加附接力(也称为吸引力)而被附接至(推向)平面表面3的装置，以及用于通过施加支撑力或推力而在平面表面3上滑动的装置。

图2A示出了包括平面支承系统25的移动平台24的可能实施方式。在该实施方式中，平面支承系统由至少一个空气支承件25形成。必要的空气支承件的数量取决于若干因素，比如支承件所应当抵抗的扭转(垂直力和平行力矩)、支承件的尺寸、支承件被构造用于承载的工具的尺寸和重量等。图2A的平面支承系统25由三个空气支承件形成。空气支承件25允许移动平台24沿着两个轴线x，y(也就是说，在与支撑表面3平行的平面上，图2A中未图示出)的非接触式滑动以及围绕垂直于平面表面的z轴线的旋转。支撑元件27A、27B、27C用作用于平面支承系统25以及用于移动平台24的其余元件的结构。用于线缆的附件26也在移动平台24中图示出。在示出的视图中，示出了总共四个附件中的仅两个附件26。线缆的作用还允许有限的旋转和平移。

夹持装置29已经连接至移动平台24的下端部。待使用的夹持元件或任何其他元件的选择取决于装置所用于的特定应用。在图2A中还示出了用于致动夹持装置29的致动装置28。在该实施方式中，致动装置是提供旋转和平移的独立运动的独立马达28。在图2A中，“z轴线”是指夹持装置29的平移轴线，而“θ轴线”是指夹持装置的旋转轴线。

图2B示出了真空预载空气支承件25的示意图，其中图示了真空预载支承件25的工作原理。真空预载空气支承件25接收两个相反的力254、255(在图1C中也用实线箭头图示出)。向上箭头255表示保持空气支承件抵靠平面表面的吸引力，而向下箭头254表示阻止空气支承件进一步朝向平面表面靠近的推力。图示的真空预载空气支承件使用高压空气产生排斥力254以及使用真空室产生吸引力255。在真空预载空气支承件25与移动平台滑动所在的平面23之间产生真空253。如图2B所示，真空预载空气支承件25相对于该表面23是非接触的。真空预载空气支承件25与表面23之间没有摩擦。真空253用作用于将预载空气支承件朝向表面推动的装置，但是由于排斥力254，因此空气支承件与表面之间没有建立物理接触。

图3示出了平面支承系统35(及包括平面支承系统35的移动平台34)的替代性实施方式。平面支承系统35由至少一个真空室351以及用于使移动平台34沿着与支撑表面(未图示出)平行的平面滑动的装置352形成。平面支承系统35在该图中呈圆形，但是其他形状也是可能的，比如椭圆形或伪圆形。密封件353(图3中的环形密封件)通过接触的方式将平面支承系统35柔性地连接至移动平台34滑动所沿着的平面。在可能的实施方式中，密封件353由组合物或橡胶和特氟隆(或任何预载的低摩擦气密复合物)制成。在图3的特定实施方式中，用于滑动的装置352是多个脚轮球。优选地，使用三个脚轮球352。在替代性实施方式中，用于滑动的装置352是至少一个磁性元件或至少一个摩擦盘表面或借助于空气的压力装置。脚轮球352(或替代性滑动装置)通过物理接触而允许移动平台34沿着与支撑表面平行的平面的滑动。球允许平台与表面之间的滑动。球与平面表面接触并在平面表面上滚动。真空系统向真空室351提供真空力，该真空室351用作用于将移动平台34附接至平面表面的装置。在图3中，球被容纳在真空室351内，但是球可以被安置在外部。

图3还示出了附接至移动平台34的夹持工具39。出于示例性目的，夹持工具39已经被包括在内，并且该夹持工具39不限于图3的平面支承系统的种类。结构和支撑元件位于箱体或套筒37内。该构型在卫生要求非常严格的食品工业中特别有用。在套筒37内还有附加的需要元件，比如电动阀、电传感器等。图示出四个线缆36及其对应附件。线缆的作用允许有限旋转。套筒37还隐藏用于致动夹持工具39所必需的致动装置。

用于滑动的装置是诸如摩擦盘或脚轮球支承件或全向轮的机械滑动摩擦支承件、或压力空气装置或磁性装置、或能够沿着表面滑动的任何其他机构。

图4、图5和图6示出了根据本发明的由线缆控制的定位装置的不同实施方式。如可以观察到的那样，用于控制和致动线缆的元件的位置可以在不改变定位装置的正确功能的情况下改变。在图4中，四个致动器465(每个线缆46对应一个致动器)位于平面表面43的上方。移动平台沿着平面表面43的下部面移动。由四个滑轮467形成的滑轮系统可以用作有助于运动的导引装置。在强加了严格的卫生限制的应用中推荐使用用于致动装置的该构型。在图5中，四个致动器565(每个线缆对应一个致动器)位于地板上且靠近支撑定位装置的结构。图6示出了致动器655安装在移动平台的相同高度处，使得不需要比如图4和图5中的滑轮467来导引线缆布线的实施方式。诸如抓握元件之类的工具连接至定位装置1。可以根据使用机器人的应用程序——该机器人被构造成为该应用程序工作——的需要来安装任何其他端部执行器。

总之，已经描述了对在平面表面上滑动的移动平台的运动进行控制的系统。移动平台在平面表面上的平移运动和旋转运动借助于线缆激活。移动平台保持抵靠在平面表面上，该移动平台能够借助于平面支承系统而在该平面表面上滑动，该平面支承系统基于下述各种因素而根据需要产生或者用于连结或者用于分离的力，所述各种因素比如为滑动表面的安装方向(水平的、竖向的、翻转的或倾斜的)、通过使移动平面自身或位于移动平面上的部件加速而产生的反作用力/力矩(例如，移动平台上的由嵌入式z轴平移而引起的反作用力)、施加在移动平台上的外力或施加在安装于移动平台上的工具上的外力等。

该系统包括支撑表面和包括平面支承系统的移动平台。诸如负载、机械臂或夹持元件的任何元件可以附接至移动平台以执行复杂的任务。该系统可以另外包括至少一个控制单元以及诸如编码器和马达之类的其他元件，所有这些均不在本发明的范围内。

框架可以固定在地面、壁、用作主框架的另一框架、或移动基部上。

另一方面，本发明显然不限于本文中所描述的具体实施方式，而是包含在如权利要求中限定的本发明的一般范围内的且可以被本领域技术人员考虑的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、构型等的选择)。

Claims (10)

1.一种定位装置(1)，所述定位装置(1)包括：平面表面(3)；移动平台(4，24，34)，所述移动平台(4，24，34)构造成沿着所述平面表面(3)滑动；以及线缆(6)，所述线缆(6)用于定位所述移动平台(4，24，34)并使所述移动平台(4，24，34)沿着所述平面表面(3)移动，

其中，所述移动平台(4，24，34)包括平面支承系统(5，25，35)，所述平面支承系统(5，25，35)位于构造成沿着所述平面表面(3)滑动的所述移动平台(4，24，34)的侧部处，所述平面支承系统(5，25，35)包括用于将所述移动平台(4，24，34)推靠在所述平面表面(3)上的装置和用于允许所述平面支承系统(5，25，35)相对于所述平面表面(3)滑动的装置，所述平面支承系统保持所述移动平台被推向所述平面表面，同时允许所述移动平台在所述平面表面上滑动。

2.根据权利要求1所述的定位装置(1)，其中，所述用于将所述移动平台推靠在所述平面表面(3)上的装置包括真空室(351)。

3.根据权利要求1或2所述的定位装置(1)，其中，所述用于允许所述平面支承系统相对于所述平面表面(3)滑动的装置包括至少一个脚轮球(352)。

4.根据权利要求2所述的定位装置(1)，其中，所述用于将所述移动平台推靠在所述平面表面(3)上的装置还包括密封装置(353)。

5.根据权利要求1所述的定位装置(1)，其中，所述用于将所述移动平台推靠在所述平面表面(3)上的装置包括磁系统。

6.根据权利要求1或2所述的定位装置(1)，其中，所述平面支承系统包括至少一个空气支承件。

7.根据权利要求1所述的定位装置(1)，其中，所述平面支承系统包括至少一个真空预载空气支承件。

8.根据权利要求1所述的定位装置(1)，还包括附接至所述移动平台(4，24，34)的夹持装置。

9.根据权利要求1所述的定位装置(1)，其中，所述移动平台位于所述平面表面(3)下方。

10.一种将根据任一前述权利要求所述的定位装置(1)用作为拾取和放置机器人的用途。

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