CN109707959B - 随动式微重力平衡卸载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种随动式微重力平衡卸载装置，包括基座、加力系统、随动系统、六自由度调姿系统、工作平台，基座设置于底层，加力系统安装在基座的下表面，包括加力电机、减速器、卷扬筒、加力吊绳，电机和卷扬筒分别与减速器的输入轴和输出轴相连；随动系统位于基座上表面，包括固定支架、位置调整电机、丝杠、移动支架、移动导轨、定滑轮组、动滑轮、起吊吊绳、工作平台支撑架；六自由度调姿系统由六个结构相同的调姿分支构成；工作平台下表面连接调姿分支和工作平台支撑架，利用重力平衡原理，对工件调姿、施加平衡力后跟随工件运动，实现微重力环境下操作，操作难度更低、安全性更高。

Description

随动式微重力平衡卸载装置

技术领域

本发明属于微重力平衡设备技术领域，特别涉及一种随动式微重力平衡卸载装置。

背景技术

随着空间技术的不断发展和机器人应用领域的扩展，逐渐出现了能够用于探索空间领域的大型设备以及极端条件下的对接工况，由于这些设备、工件只能在重力环境下进行移动、组装，但是在地面由于受重力影响很难进行和顺利完成相关活动，这就需要有一种安全可靠、工作稳定的重力抵消装置将工件所受重力部分抵消或完全抵消，以克服重力或重力矩对工件工作情况的影响，使得较小输出力、力矩的机构也能驱动较大重力的工件完成相关移动、调姿动作。

重力抵消装置或反重力系统是一项新技术，在美、日、德等发达国家已有部分应用，其中关键技术可参考信息无法获取。在我国工业生产中，这种装置在大型工件自动化对接设备中应用较广泛。发明专利:“一种重力抵消装置制造方法”(CN201410271349.9)，其工作方式为主要通过调节机架、平行四连杆以及弹簧刚度，通过提吊连杆对机械臂质心施加一个和机械臂重力相等、方向相反的提吊力，且该提吊力不随机械臂俯仰转角的变化而变化，但在实际工作过程中由于弹簧刚度调节较为困难、精度无法保证，无法满足高精度要求下重力平衡的需求。

目前，现有的重力抵消装置一般由气浮平台、吊丝机构或主动机构等部件实现，由于这些机构所涉及构件较多、系统复杂、普遍存在运动范围较小、自由度较少以及安全性较差等缺点，且工作过程中需要依据人工跟随操作，工人劳动强度大。除传统机构方式外，由于高压带电的电容器自身形成了一个人造重力场，这个重力场在抗衡地球重力，从而使电容器在没有动力的情况下移动，利用该原理可以设计出屏蔽一切重力的装置，建造可实现能够完全或部分平衡重力的反重力装置，但是由于该类设备会产生强大的电场和磁场，在一些对于电磁有着强烈要求的场所的应用受到限制。为提高装置的普适性和安全性，这种情况必须要加以改善，为此，本发明即提出一种应用于大质量工件移动、调姿、对接领域的随动式微重力平衡机构。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种随动式微重力平衡卸载装置，该装置利用重力平衡原理，通过对工件调姿、施加拉力平衡部分重力，制造微重力环境且在操作过程中式中跟随工件运动，实现在微重力环境下对工件进行操作，相比于重力环境操作，难度更低、安全性更高。

本发明提供一种随动式微重力平衡卸载装置，包括基座、加力单元、随动单元、多自由度调姿单元以及工作平台；

所述基座包括支撑腿以及基座平台，所述动力单元设置在所述基座平台的下表面，所述随动单元设置在所述基座平台的上表面；

所述加力单元包括加力电机、减速器、卷扬筒和加力吊绳，所述减速器安装在所述基座平台的下表面，所述电机和所述卷扬筒分别与减速器的输入轴和输出轴相连接；

所述随动单元包括固定支架、位置调整电机、丝杠、移动支架、移动导轨、定滑轮组、动滑轮、起吊吊绳和工作平台支撑架，所述固定支架安装在所述基座平台的上表面，所述位置调整电机安装在所述固定支架的顶部，所述位置调整电机输出轴与所述丝杠的第一端相连，所述丝杠的第二端与所述移动支架相连，所述移动支架通过所述移动导轨与所述固定支架相连，所述定滑轮组安装在所述移动支架上，所述动滑轮位于所述移动支架下方，所述工作平台支撑架与工作平台的下表面相连，所述工作平台支撑架的配置用于对工作平台进行支撑；

所述多自由度调姿单元包括多个结构相同的调姿分支结构，所述调姿分支结构的第一端安装在所述基座平台上，所述调姿分支的第二端与所述工作平台相连接。

优选地，所述多自由度调姿单元为六自由度调姿单元。

优选地，所述多自由度调姿单元包括六个结构相同的调姿分支结构，所述调姿分支结构均包括胡克铰、移动关节以及旋转副。

优选地，所述固定支架包括固定支架弧形安装板、第一锥体式支撑板、限位板以及位置调整电机安装板，所述限位板与所述位置调整电机安装板分别位于所述固定支架的两侧且相互平行布置，所述第一锥体式支撑板设置有多个减重孔和加强筋板；所述固定支架弧形安装板与所述基座上表面通过螺栓相连。

优选地，所述工作平台支撑架包括工作平台支撑架弧形安装板、第二锥体式支撑板、锥口底板以及起吊环，所述锥口底板位于所述锥体式支撑板的底部收口处，所述起吊环位于所述锥口底板的上部并与所述起吊吊绳连接，所述工作平台支撑架弧形安装板与所述工作平台下表面通过螺栓相连。

优选地，所述起吊环与所述工作平台中心在竖直方向上与所述起吊吊绳处于同一条直线上。

优选地，所述第一锥体式支撑板和所述第二锥体式支撑板为板状结构，且均设有多个减重孔和加强筋板。

优选地，所述基座平台的上表面设有三组均布的安装孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可利用力平衡原理，通过加力电机、减速器和卷扬筒，将电机的转矩转化为起吊钢绳的拉力，通过调节电机输出转矩调节起吊钢绳中的拉力；

2、本发明的随动单元可通过位置调整电机、丝杠、移动支架以及固定在移动支架上的定滑轮组和动滑轮，将加力吊绳上向下的力转变为向上的力，通过由下向上施加与重力相平衡的拉力，为工作平台和工件竖直方向创造微重力环境，使得工作平台和工件作用到六自由度调姿单元上的重力基本为零；

3、本发明的六自由度调姿单元可通过六个调姿分支调节工作平台的位姿，配合加力单元和随动单元可实现工件水平、竖直移动以及水平转动过程中始终受到大小与自身重力相等、方向通过质心的自下而上的拉力，保证工件始终处于微重力状态下。

附图说明

下面对附图进行说明：

图1为本发明的立体示意简图；

图2为本发明的加力单元示意图；

图3为本发明的随动单元的示意简图；

图4为本发明的固定支架的结构及布置方式示意简图；以及

图5为本发明的工作平台支撑架的结构及布置方式示意简图。

附图标记：

基座1、加力单元2、随动单元3、六自由度调姿单元4、工作平台5；加力电机21、减速器22、卷扬筒23、加力吊绳24；固定支架31、位置调整电机32、丝杠33、移动支架34、移动导轨35、定滑轮组36、动滑轮37、起吊吊绳38、工作平台支撑架39；固定支架弧形安装板311、第一锥体式支撑板312、限位板313、位置调整电机安装板314；工作平台支撑架弧形安装板391、第二锥体式支撑板392、锥口底板393、起吊环394、支撑腿101以及基座平台102。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种随动式微重力平衡卸载装置，包括基座1、加力单元2、随动单元3、六自由度调姿单元4、工作平台5，加力单元2设置在基座1的下部，随动单元3设置在基座1的上部，六自由度调姿单元4设置在基座1和工作平台5之间。

如图1所示，基座1置于装置的底层，基座1包括支撑腿101以及基座平台102，基座平台102设置在支撑腿101上部。基座平台102的上表面设有三组均布的安装孔，安装孔的配置用于为其他部件提供安装工位和发挥支撑作用，加力单元2借助于螺栓等其他连接件安装在基座平台102的下表面。

本实施例中，如图中所示，支撑腿101设置有四个，四个支撑腿101分别设置在基座平台102的四个边角处，基座平台102设置在支撑腿101上部。

加力单元2设置于基座1的基座平台102的下表面，如图2所示，加力单元2包括加力电机21、减速器22、卷扬筒23以及加力吊绳24。

减速器22安装在基座平台102的下表面，加力电机21和卷扬筒23分别与减速器22的输入轴和输出轴相连接，加力电机21的输入轴和输出轴输出扭矩，并通过减速器22和卷扬筒23将加力电机21的输出扭矩转变为加力吊绳24中的拉力，通过调节加力电机21的输出扭矩调节加力吊绳24中的力。

随动单元3位于基座平台102的上表面，如图3所示，随动单元3包括固定支架31、位置调整电机32、丝杠33、移动支架34、移动导轨35、定滑轮组36、动滑轮37、起吊吊绳38和工作平台支撑架。

随动单元3可通过位置调整电机、丝杠、移动支架以及固定在移动支架上的定滑轮组和动滑轮，将加力吊绳上向下的力转变为向上的力，通过由下向上施加与重力相平衡的拉力，为工作平台和工件竖直方向创造微重力环境，使得工作平台和工件作用到六自由度调姿单元上的重力基本为零。

固定支架31安装在基座1的上表面，位置调整电机32安装在固定支架31顶部，位置调整电机32输出轴与丝杠33的第一端相连，丝杠33的第二端与移动支架34相连，移动支架34通过移动导轨35与固定支架31相连，定滑轮组36安装在移动支架34上，动滑轮37位于移动支架34的下方，工作平台支撑架位于工作平台5的下表面，工作平台支撑架与工作平台5相连。

固定支架31整体为一个半圆锥形。移动导轨35安装在固定支架31的上部，移动支架34设置在移动导轨35上，丝杠33的第一端与位置调整电机32连接，丝杠33的第二端与移动支架34相连。位置调整电机32为步进电机或变频电机，其能够驱动丝杆，从而带动滑轮移动。

加力吊绳24的第一端部固定在卷扬筒23上，加力吊绳24依次通过定滑轮组36和动滑轮37，加力吊绳24的第二端部与移动支架34相连。

起吊吊绳38的第一端部与动滑轮37连接，起吊吊绳38的第一端部与起吊环394相连，起吊吊绳38所在直线穿过起吊环394和工作平台5的中心点。

通过移动支架34沿着移动导轨35移动，移动支架34牵引着加力吊绳24和起吊吊绳38移动从而间接改变绳索长度，实现安装于工作平台支撑架上的动滑轮相对于安装于基座平台支撑架上的定滑轮升降移动，使工作平台受竖直向上的力，从而平衡工作平台及承载设备的部分重力，实现被安装设备及工作平台重力卸载功能，从而制造出微重力环境且在操作过程中该卸载机构跟随工件运动。

本发明通过移动支架34、定滑轮组36和动滑轮37，将加力吊绳24由上向下的力转变为起吊吊绳38中由下而上的力，通过这种方式施加与工作平台5的重力相平衡的拉力，为工作平台5在竖直方向创造微重力环境，使得工作平台5作用到六自由度调姿单元4上的力基本为零。

六自由度调姿单元4包括六个结构完全相同的调姿分支结构，调姿分支结构的第一端安装在基座1上，调姿分支结构的第二端与工作平台5相连接，六个调姿分支结构均为UPS机构，其中U为胡克铰，P为移动关节，S为球铰，通过调姿分支结构的调节可实现工作平台5实现空间内的转动和移动。

在具体实施例的使用过程中，借助于六个结构完全相同的调姿分支结构能够实现六个自由度的调整，从而使工作平台5能够在空间内进行上下左右前后的转动和移动。

工作平台5位于调姿分支结构的上部，工作平台5的下表面与工作平台支撑架相连，且工作平台5的中心与起吊环394中心的连线所在的直线垂直于工作平台5。

如图4所示，固定支架31包括固定支架弧形安装板311、第一锥体式支撑板312、限位板313和位置调整电机安装板314，限位板313与位置调整电机安装板314分别位于两侧，限位板313与位置调整电机安装板314相互平行布置。

其中第一锥体式支撑板312设置有多个减重孔和加强筋板，起到加强支撑的作用。固定支架弧形安装板311与第一锥体式支撑板312相连。固定支架弧形安装板311与基座1上表面相连，工作过程中随基座1运动。

工作平台支撑架包括工作平台支撑架弧形安装板391、第二锥体式支撑板392、锥口底板393和起吊环394，起吊环394设置在锥口底板393上。工作平台支撑架弧形安装板391与固定支架弧形安装板311的结构相互配合。第二锥体式支撑板392与第一锥体式支撑板312相互配合形成一个锥体式结构。

第二锥体式支撑板392为锥形板状结构，且设有多个减重孔和加强筋板。锥口底板393位于第二锥体式支撑板392的收口侧即横截面积较小的一个端部。起吊环394位于锥口底板393的上部，起吊环394上部设置有环形件。工作平台支撑架弧形安装板391与工作平台5下表面相连，工作过程中跟随工作平台5运动。

下面对本发明的工作原理做进一步解释：

通过移动支架34、定滑轮组36和动滑轮37，将加力吊绳24由上向下的力转变为起吊吊绳38中由下而上的力，通过这种方式施加与工作平台5的重力相平衡的拉力，为工作平台5在竖直方向创造微重力环境，使得工作平台5作用到六自由度调姿单元4上的力基本为零。

该装置通过移动支架沿着导轨移动，移动支架牵引着吊绳移动从而间接改变绳索长度，实现安装于工作平台支撑架上的动滑轮相对于安装于基座平台支撑架上的定滑轮升降移动，使工作平台受竖直向上的力，从而平衡工作平台及承载设备的部分重力，实现被安装设备及工作平台重力卸载功能，从而制造出微重力环境且在操作过程中该卸载机构跟随工件运动，使得工作平台承载设备后，并联机构的六个分支在微小驱动力下即可实现工作平台位置及姿态调整。

此外，该过程中驱动装置可以实时调整伺服电机驱动力矩，间接改变绳索的拉力大小，从而实现卸载力与重力间的动态平衡，使得承载设备在微重力条件下进行位姿调整，相比于重力环境操作，难度更低、安全性更高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可利用力平衡原理，通过加力电机、减速器和卷扬筒，将电机的转矩转化为起吊钢绳的拉力，通过调节电机输出转矩调节起吊钢绳中的拉力；

2、本发明的随动单元可通过位置调整电机、丝杠、移动支架以及固定在移动支架上的定滑轮组和动滑轮，将加力吊绳上向下的力转变为向上的力，通过由下向上施加与重力相平衡的拉力，为工作平台和工件竖直方向创造微重力环境，使得工作平台和工件作用到六自由度调姿单元上的重力基本为零；

3、本发明的六自由度调姿单元可通过六个调姿分支调节工作平台的位姿，配合加力单元和随动单元可实现工件水平、竖直移动以及水平转动过程中始终受到大小与自身重力相等、方向通过质心的自下而上的拉力，保证工件始终处于微重力状态下。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：包括基座、加力单元、随动单元、多自由度调姿单元以及工作平台；

所述基座包括支撑腿以及基座平台，所述加力单元设置在所述基座平台的下表面，所述随动单元设置在所述基座平台的上表面；

所述加力单元包括加力电机、减速器、卷扬筒和加力吊绳，所述减速器安装在所述基座平台的下表面，所述加力电机和所述卷扬筒分别与减速器的输入轴和输出轴相连接；

所述随动单元包括固定支架、位置调整电机、丝杠、移动支架、移动导轨、定滑轮组、动滑轮、起吊吊绳和工作平台支撑架，所述固定支架安装在所述基座平台的上表面，所述位置调整电机安装在所述固定支架的顶部，所述位置调整电机的输出轴与所述丝杠的第一端相连，所述丝杠的第二端与所述移动支架相连，所述移动支架通过所述移动导轨与所述固定支架相连，所述定滑轮组安装在所述移动支架上，所述动滑轮位于所述移动支架下方，所述起吊吊绳的第一端部与动滑轮连接，所述工作平台支撑架与工作平台的下表面相连，所述工作平台支撑架的配置用于对工作平台进行支撑；

所述多自由度调姿单元包括多个结构相同的调姿分支结构，所述调姿分支结构的第一端安装在所述基座平台上，所述调姿分支结 构的第二端与所述工作平台相连接。

2.根据权利要求1所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述多自由度调姿单元为六自由度调姿单元。

3.根据权利要求2所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述多自由度调姿单元包括六个结构相同的调姿分支结构，所述调姿分支结构均包括胡克铰、移动关节以及旋转副。

4.根据权利要求1所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述固定支架包括固定支架弧形安装板、第一锥体式支撑板、限位板以及位置调整电机安装板，所述限位板与所述位置调整电机安装板分别位于所述固定支架的两侧且相互平行布置，所述第一锥体式支撑板设置有多个减重孔和加强筋板；所述固定支架弧形安装板与所述基座上表面通过螺栓相连。

5.根据权利要求4所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述工作平台支撑架包括工作平台支撑架弧形安装板、第二锥体式支撑板、锥口底板以及起吊环，所述锥口底板位于所述第二锥体式支撑板的底部收口处，所述起吊环位于所述锥口底板的上部并与所述起吊吊绳连接，所述工作平台支撑架弧形安装板与所述工作平台下表面通过螺栓相连。

6.根据权利要求5所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述起吊环与所述工作平台中心在竖直方向上与所述起吊吊绳处于同一条直线上。

7.根据权利要求5所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述第一锥体式支撑板和所述第二锥体式支撑板为板状结构，且均设有多个减重孔和加强筋板。

8.根据权利要求1所述的随动式微重力平衡卸载装置，其特征在于：所述基座平台的上表面设有三组均匀分布的安装孔。