CN110103203A - 模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法，可解决现有的可重构模块化混合驱动柔索并联机器人中柔索异常保护方面存在的技术不足问题，以达到在出现异常的情况下系统及时做出反应，避免导致整个机器人机构的失效的目的。提高模块化可重构柔索并联机器人工作的稳定性。在机器人系统出现异常时，保证柔索的张紧和固定的，以避免柔索松动脱落导致整个机器人机构的失效。

Description

模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及柔索机器人领域，具体是一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法。

背景技术

在模块化可重构柔索并联机器人研究领域中，柔索并联机器人系统的驱动问题是此领域的基本而且重要的问题。在实际应用中，柔索是传动和传力的主要载体，首先，必须避免回绳时产生乱缠现象，以达到柔索并联机器人工作的稳定性和精确性。其次，当驱动模块发生异常时，必须能及时检测出来并且采取相应的保护措施，来保证柔索的张紧和固定，以避免柔索松动脱落导致整个机器人机构的失效，造成人员伤亡和财产损失。

目前，中国专利公告号103831819A公布了一种模块化可重构柔索并联机构，其主要涉及柔索并联机构的结构问题，但是未细化考虑驱动模块的具体问题问题。中国专利公告号101602209公布了一种可重构柔索驱动并联机器人及其驱动装置，但是未考虑驱动模块的异常保护问题。中国专利公告号102302835B公布了一种柔索驱动单元，但是其只考虑了驱动问题并没有考虑柔索乱缠和系统异常保护问题。

发明内容 本发明的目的是提供一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法，以解决现有技术模块化可重构柔索并联机构存在的柔索驱动机构无法进行异常保护，并且在使用过程中容易出现柔索乱缠的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，包括底板，底板上设有伺服电机驱动的皮带传动系统，皮带传动系统包括驱动带轮、传动带、从动带轮，驱动带轮同轴固定于伺服电机的输出轴，驱动带轮通过传动带与从动带轮传动连接，其特征在于：底板上安装有呈前后相对的前支架、后支架，后支架的前侧设有轴向沿前后方向的套筒壳，套筒壳的轴向后端封闭并固定于后支架前侧面，套筒壳的轴向前端设为筒口，前、后支架之间设有轴向沿前后方向的丝杆轴，丝杆轴的轴向前端固定于前支架，丝杆轴同轴穿入套筒壳后，丝杆轴的轴向后端同轴穿过套筒壳的轴向后端并固定于后支架；

所述从动带轮具有中心通孔，从动带轮的轴向前端通过轴承转动连接于前支架，且从动带轮通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上并与丝杆轴相对转动配合，从动带轮的轴向后端向后水平连接有至少一个平行于丝杆轴的卷筒导轨；

还包括卷筒和异常保护装置，所述卷筒外缠绕有柔索，卷筒的筒腔腔壁成型有螺纹，卷筒中还设有至少一个平行于卷筒轴向的导轨穿孔，卷筒通过自身筒腔同轴装配在丝杆轴上，由卷筒和丝杆轴构成螺纹丝杆副，所述卷筒导轨一一对应穿过卷筒中的导轨穿孔，由卷筒导轨支撑卷筒在前后方向的滑动；

所述异常保护装置包括分别为圆盘形的前压板、后压板，以及弹簧和电磁铁，前、后压板分别具有中心通孔，其中前压板通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上靠近套筒壳筒口位置，且前压板与丝杆轴相对转动配合，所述卷筒导轨从导轨穿孔穿过的后端固定连接于前压板的轴向前端面，由从动带轮、卷筒导轨、卷筒、前压板构成可相对丝杆轴转动的整体结构；所述后压板同轴安装在套筒壳内，同时后压板通过自身中心通孔同轴装配在丝杆轴上，且后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动，所述前压板的轴向后端面连接有多个球形柱塞，多个球形柱塞的轴向分别平行于丝杆轴，多个球形柱塞呈环向分布，所述后压板的轴向前端面设有多个环向排列的定位槽，定位槽的环向对应于球形柱塞构成的环向，且各个定位槽在环向上呈紧密相邻分布，所述弹簧同轴套于套筒壳内的丝杆轴外，弹簧的轴向前端固定连接于后压板的轴向后端，弹簧的轴向后端固定连接于套筒壳内的轴向后端，电磁铁固定于套筒壳内的轴向后端，且电磁铁在通电时吸附后压板，使后压板克服弹簧的弹力收纳于套筒壳内后部。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述从动带轮的轴向前端同轴连接有空心圆柱体，空心圆柱体内部与从动带轮的中心通孔连通以供丝杆轴穿过，空心圆柱体通过前轴承固定连接于前支架。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述卷筒的外壁成型有螺纹，螺纹的螺距与柔索截面直径相等。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述底板上靠近卷筒位置还连接有面向卷筒的柔索压板，柔索压板与卷筒之间间隙宽度等于柔索的截面直径，且柔索压板朝向卷筒的板面成型有螺纹。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述前压板的中心通孔中同轴装配有后轴承，后轴承同轴装配在丝杆轴上，由此实现前压板相对于丝杆轴的转动。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述后压板的轴向前端面设有环槽，环槽对应于各个球形柱塞构成的环向，各个定位槽分别设于环槽槽底。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述球形柱塞包括外壳，外壳轴向一端封闭、另一端为壳口，外壳的壳口中设有球头，外壳内同轴装配有弹簧，弹簧一端固定与外壳封闭端，弹簧另一端固定连接球头。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述套筒壳内壁设有多个滑轨，滑轨分别平行于套筒壳轴向，所述后压板外缘设有多个滑轨槽，套筒壳内壁的滑轨一一对应卡入后压板外缘的滑轨槽中，由套筒壳的滑轨和后压板的滑轨槽配合实现约束后压板的运动，使后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动。

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：还包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，伺服电机的驱动器、电磁铁的输入端分别通过总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括安装在伺服电机上的光电编码器，以及安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、柔索并联机器人正常运动时，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置通电，保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，前后压板不接触，前压板转动不受后压板约束，后压板随套筒壳固定在外部壳体支架上，使缠绕装置正常运行，安装在柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，测得的测量数据正常且稳定，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置继续通电，异常保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、当柔索并联机器人运动异常或机器人关机断电时，安装在柔索上的测力传感器将测得对应的数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，随后通过通讯系统输出信号将控制的电保护系统的电磁铁断电，失去对后压板的吸引作用，在弹簧的作用下后压板被向外推与前压板接触，使前压板的球头柱塞卡在后压板对应的定位槽内，以此限制了缠绕系统的转动，从而达到对整个柔索机器人系统的保护的目的。

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

安装在柔索上的测力传感器，将检测柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到柔索并联机器人的运动状态，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。

与现有技术相比，本发明优点为：

1、本发明所述的异常保护系统的异常保护装置采用球头柱塞，弹簧等柔性构件可以缓和冲击和吸收振动使系统运行更加稳定；可以简化系统的控制，使机构响应更快速，在断电或机构异常时对机构的保护更可靠。

2、本发明所述的异常保护系统采用采用由主控工控机、运动控制板卡和通信装置组成的控制模式，具有系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好等优点；

3、本发明所述的异常保护系统实现了机械、电子一体化，自动化程度高，具有结构紧凑和操作方便等特点显著的提高了工作效率。结构简单紧凑，安装在柔索并联机器人基座上，避免了与柔索并联机构其他模块的干涉，组装拆卸方便灵活。

附图说明

图1是本发明具有保护功能的模块化可重构柔索并联机器人的总装配图；

图2是本发明驱动模块的装配图；

图3是本发明驱动模块的装配爆炸图；

图4是本发明保护系统的装配爆炸图；

图5是本发明保护系统的球头柱塞的装配爆炸图；

图6是本发明保护系统的后压板的零件图；

图7是本发明保护系统的套筒壳的零件图；

图8是本发明控制系统原理框图;

图9是本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，使用本发明的模块化可重构柔索并联机器人，其包括沿环向导轨2分布的柔索驱动系统4，由柔索驱动系统4驱动柔索绕过对应液压驱动系统3支撑的定滑轮1后，再向下挂连末端执行器6，环向导轨2由导轨驱动系统5驱动。上述结构中除了柔索驱动系统4为本发明涉及部分外，其余部分与现有技术的模块化可重构柔索并联机构相同。

如图2,图7所示，本发明包括底板4_1，底板4_1上设有伺服电机4_16驱动的皮带传动系统，皮带传动系统包括驱动带轮、传动带4_4、从动带轮4_5，驱动带轮同轴固定于伺服电机4_16的输出轴，驱动带轮通过传动带4_4与从动带轮4_5传动连接，底板4_1上安装有呈前后相对的前支架4_2、后支架4_14，后支架4_14的前侧设有轴向沿前后方向的套筒壳4_13，套筒壳4_13的轴向后端封闭并固定于后支架4_14前侧面，套筒壳4_13的轴向前端设为筒口，前、后支架4_2、4_14之间设有轴向沿前后方向的丝杆轴4_6，丝杆轴4_6的轴向前端固定于前支架4_2，丝杆轴4_6同轴穿入套筒壳4_13后，丝杆轴4_6的轴向后端同轴穿过套筒壳4_13的轴向后端并固定于后支架4_14；

从动带轮4_5具有中心通孔，从动带轮4_5的轴向前端通过轴承转动连接于前支架4_2，且从动带轮4_5通过中心通孔同轴装配在丝杆轴4_6上并与丝杆轴4_6相对转动配合，从动带轮4_5的轴向后端向后水平连接有至少一个平行于丝杆轴4_6的卷筒导轨4_7；

还包括卷筒4_8和异常保护装置，卷筒4_8外缠绕有柔索，卷筒4_8的筒腔腔壁成型有螺纹，卷筒4_8中还设有至少一个平行于卷筒4_8轴向的导轨穿孔，卷筒4_8通过自身筒腔同轴装配在丝杆轴4_6上，由卷筒4_8和丝杆轴4_6构成螺纹丝杆副，卷筒导轨4_7一一对应穿过卷筒4_8中的导轨穿孔，由卷筒导轨4_7支撑卷筒4_8在前后方向的滑动；

异常保护装置包括分别为圆盘形的前压板4_10、后压板4_11，以及弹簧4_12和电磁铁4_18，前、后压板4_10、4_11分别具有中心通孔，其中前压板4_10通过中心通孔同轴装配在丝杆轴4_6上靠近套筒壳4_13筒口位置，且前压板4_10与丝杆轴4_6相对转动配合，卷筒导轨4_7从导轨穿孔穿过的后端固定连接于前压板4_10的轴向前端面，由从动带轮4_5、卷筒导轨4_7、卷筒4_8、前压板4_10构成可相对丝杆轴转动的整体结构；后压板4_11同轴安装在套筒壳4_13内，同时后压板4_11通过自身中心通孔4_11_2同轴装配在丝杆轴4_6上，且后压板4_11无法相对套筒壳4_13和丝杆轴4_6转动，后压板4_11仅能在套筒壳4_13内沿前后方向滑动，前压板4_10的轴向后端面连接有多个球形柱塞4_19，多个球形柱塞4_19的轴向分别平行于丝杆轴4_6，多个球形柱塞4_19呈环向分布，后压板4_11的轴向前端面设有多个环向排列的定位槽4_11_1，定位槽4_11_1的环向对应于球形柱塞4_19构成的环向，且各个定位槽4_11_1在环向上呈紧密相邻分布，弹簧4_12同轴套于套筒壳4_13内的丝杆轴4_6外，弹簧4_12的轴向前端固定连接于后压板4_11的轴向后端，弹簧4_12的轴向后端固定连接于套筒壳4_13内的轴向后端，电磁铁4_18固定于套筒壳4_13内的轴向后端，且电磁铁4_18在通电时吸附后压板4_11，使后压板4_11克服弹簧4_12的弹力收纳于套筒壳4_13内后部。

从动带轮4_5的轴向前端同轴连接有空心圆柱体，空心圆柱体内部与从动带轮4_5的中心通孔连通以供丝杆轴4_6穿过，空心圆柱体通过前轴承4_3固定连接于前支架4_2。

卷筒4_8的外壁成型有螺纹，螺纹的螺距与柔索截面直径相等。

底板4_1上靠近卷筒4_8位置还连接有面向卷筒的柔索压板4_15，柔索压板4_15与卷筒4_8之间间隙宽度等于柔索的截面直径，且柔索压板4_15朝向卷筒4_8的板面成型有螺纹。

前压板4_10的中心通孔中同轴装配有后轴承4_9，后轴承4_9同轴装配在丝杆轴4_6上，由此实现前压板4_10相对于丝杆轴4_6的转动。

如图6所示，后压板4_11的轴向前端面设有环槽，环槽对应于各个球形柱塞4_19构成的环向，各个定位槽4_11_1分别设于环槽槽底。

如图5所示，球形柱塞4_19包括外壳4_19_1，外壳4_19_1轴向一端封闭、另一端为壳口，外壳4_19_1的壳口中设有球头4_19_3，外壳4_19_1内同轴装配有弹簧4_19_2，弹簧4_19_2一端固定与外壳4_19_1封闭端，弹簧4_19_2另一端固定连接球头4_19_3。

如图6、图7所示，套筒壳4_13内壁设有多个滑轨4_13_1，滑轨4_13_1分别平行于套筒壳4_13轴向，后压板4_11外缘设有多个滑轨槽4_11_3，套筒壳4_13内壁的滑轨4_13_1一一对应卡入后压板4_11外缘的滑轨槽4_11_3中，由套筒壳4_13的滑轨4_13_1和后压板4_11的滑轨槽4_11_3配合实现约束后压板4_11的运动，使后压板4_11无法相对套筒壳4_13和丝杆轴4_6转动，后压板4_11仅能在套筒壳4_13内沿前后方向滑动。

如图8所示，本发明还包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，伺服电机的驱动器、电磁铁的输入端分别通过总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括安装在伺服电机上的光电编码器，以及安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

本发明中，在底板4_1上加工有伺服电机支架4_17，用于支撑伺服电机4_16和驱动带轮。

前支架4_2中间位置经加工有槽，为前轴承4_3提供支撑和定位，前支架4_14中间的槽内底部通过平键与丝杆轴4_6轴向前端相连，起到定位和限制丝杆轴4_6转动的作用。

后支架4_14的中间位置经加工有与异常保护系统相连的孔，孔的结构为带有槽的圆孔，通过平键与异常保护装置的套筒壳4_13轴向后端相连，达到将异常保护装置固定的目的，从而通过异常保护装置将整个驱动模块固定达到异常保护的目的。

伺服电机4_16：采用交流伺服电机，伺服电机可使控制速度，位置精度准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机4_16固定安装在伺服电机支架4_17，通过伺服电机支架4_17固定在底板4_1上。伺服电机4_16输出轴通过平键与皮带传动系统的驱动带轮链接，（伺服电机4_16尾部安装有光电编码器，通过光电编码器可以检测到电机的角速度和角位移，进而通过转换可以得到柔索的线速度和伸长量。）

皮带传动系统：包括驱动带轮，传动带4_4，从动带轮4_5。

驱动带轮是空心圆柱体结构，其内表面经加工有键槽，通过平键与伺服电机4_16输出轴相连接，使其可以随伺服电机4_16输出轴进行同步转动，将动力传递到传动系统最后到柔索缠绕系统。驱动带轮的外缘两侧分别加工有环形凸台，保证与传动带接触时不会发生传动带脱落的现象。

传动带4_4与驱动带轮和从动带轮4_5相连，起到传递动力的作用。

从动带轮4_5可以分为三个部分，其前半部分是一个空心圆柱体结构，通过前轴承4_3与前支架4_2转动相连，使得从动带轮4_5可以在传动带4_4的带动下发生转动；从动带轮4_5中间部分是外缘两侧带有环形凸台的空心圆柱体结构，与传动带相连，带动整个机构的转动；从动带轮4_5后半部分是底部均匀分布三个圆孔的空心圆柱体结构，三个孔可以与三根卷筒导轨4_7相连，形成卷筒4_8的导轨。

以上驱动带轮，传动带4_4，从动带轮4_5共同构成传动系统，传动带轮通过平键与伺服电机的输出轴相连，由伺服电机驱动比相对于外部课题转动，并将动力由传动带传递到从动带轮，从动带轮通过轴承与前支架配合安装，在从动带的带动下发生转动，其边缘安装了圆柱卷筒导轨，并将动力传递到柔索缠绕系统。

本发明中，卷筒4_8为外表面带有螺纹内有孔的圆柱体结构，外表面的螺纹螺距跟柔索截面直径相等，柔索缠绕在其上可以有效避免柔索回绳时的乱缠现象。卷筒4_8通过导轨穿孔滑动安装在卷筒导轨4_7上，并可沿卷筒导轨4_7在前后方向上滑动。卷筒的筒腔经加工有螺纹，可以跟丝杆轴4_6配合构成螺纹丝杆副。卷筒4_8在卷筒导轨4_7和丝杆轴4_6的共同作用下做螺旋运动，可以实现自动排线的功能。

丝杆轴4_6为中间部分带有螺纹的轴型结构，其两端固定在前、后支架上，因此丝杆轴固定不动。丝杆轴4_6中间部分的螺纹与卷筒4_8配合形成螺旋副，使卷筒4_8可以做螺旋运动。

卷筒导轨4_7为细杆型结构，三根卷筒导轨4_7均匀固定在从动带轮4_5和前压板4_10之间，为卷筒4_8形成稳定的导轨，使卷筒4_8可以在其上自由光滑的滑动。

柔索压板4_15是为避免回绳时产生的乱绳，乱缠现象而设计的，柔索压板4_15固定在底板4_1上，柔索压板4_15与卷筒4_8之间形成的间隙恰好为柔索的截面直径，柔索压板4_15的内表面也有相对应的螺纹，起到疏导柔索的作用。在卷筒4_8和柔索压板4_15的共同作用下，可以实现自动，稳定的排线运动。

异常保护装置包括前压板4_10，后压板4_11，球头柱塞4_19，弹簧4_12，电磁铁4_18。

前压板4_10为圆盘形结构，前压板4_10轴向前端加工有与卷筒导轨4_7相配合的孔，使得卷筒导轨4_7后端可以固定在此形成导轨结构；前压板4_10轴向后端加工有可以装进球头柱塞4_19的槽，球头柱塞4_19装配在此形成异常保护装置的前半部分。

后压板4_11为圆盘形结构，后压板4_11轴向前端经加工有与球头柱塞4_19相配合的定位槽4_11_1，每一个定位槽4_11_1都可以为一个球形柱塞4_19提供固定的位置，使缠绕系统在断电在任意位置时，球形柱塞4_19卡入定位槽4_11_1中可以固定位置，避免断电时出现倒转现象。后压板4_11边缘位置加工有四个滑轨槽4_11_3，滑轨槽4_11_3与套筒壳4_13内部的滑轨4_13_1配合形成滑动副，使后压板4_11可以在套筒壳4_13内滑动且不会随前压板4_10发生转动。后压板4_11轴向后端加工有与弹簧4_11配合的凸台，给弹簧4_11提供定位。

球头柱塞为复合结构：包括外壳4_19_1、弹簧4_19_2、球头4_19_3。弹簧4_19_2和球头4_19_3分别装配在外壳4_19_1内，球头4_19_3与外壳4_19_1内部形成移动副，在弹簧4_19_2的作用下可以使钢珠球4_19_3保持在某一位置。

套筒壳4_13内轴向后端设有多个电磁铁支架4_13_2，用于固定电磁铁4_18。套筒壳4_13轴向后端外侧连接有多个连接耳4_13_3，用于与后支架4_14固定连接，

柔索缠绕装置断电的情况下，在球头柱塞4_19和后压板4_11的共同作用下，可以使机构固定在某一位置。

以上前压板4_10，后压板4_11，球头柱塞4_19，套筒壳4_13，弹簧4_12，电磁铁4_18共同构成异常保护装置。在通电状态下前盘随缠绕装置一同绕轴线进行转动，后压板4_11在电磁铁4_18的通电吸引下压缩弹簧4_12沿套筒壳4_13内的滑轨运动并与前压板4_10分离，前后压板不接触，前压板4_10转动不受后压板4_11约束，后压板4_11随套筒壳4_13固定在后支架4_14上；在断电的状态下柔索缠绕装置停止转动，而且需要约束防止在末端重物的重力作用下发生的转动。此时电磁铁4_18断电，失去对后压板4_11的吸引作用，在弹簧4_12的作用下后压板4_11被向外推与前压板4_10接触，使前压板4_10的球头柱塞4_19卡在后压板4_11对应的定位槽4_11_1内，以此限制了缠绕系统的转动，避免在重物的重力的作用下发生回转现象。

如图9所示，一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统的控制方法，包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、柔索并联机器人正常运动时，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置通电，保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，前后压板不接触，前压板转动不受后压板约束，后压板随套筒壳固定在外部壳体支架上，使缠绕装置正常运行，安装在柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，测得的测量数据正常且稳定，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置继续通电，异常保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、当柔索并联机器人运动异常或机器人关机断电时，安装在柔索上的测力传感器将测得对应的数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，随后通过通讯系统输出信号将控制的电保护系统的电磁铁断电，失去对后压板的吸引作用，在弹簧的作用下后压板被向外推与前压板接触，使前压板的球头柱塞卡在后压板对应的定位槽内，以此限制了缠绕系统的转动，从而达到对整个柔索机器人系统的保护的目的。

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

安装在柔索上的测力传感器，将检测柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到柔索并联机器人的运动状态，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。

Claims (10)

1.模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，包括底板，底板上设有伺服电机驱动的皮带传动系统，皮带传动系统包括驱动带轮、传动带、从动带轮，驱动带轮同轴固定于伺服电机的输出轴，驱动带轮通过传动带与从动带轮传动连接，其特征在于：底板上安装有呈前后相对的前支架、后支架，后支架的前侧设有轴向沿前后方向的套筒壳，套筒壳的轴向后端封闭并固定于后支架前侧面，套筒壳的轴向前端设为筒口，前、后支架之间设有轴向沿前后方向的丝杆轴，丝杆轴的轴向前端固定于前支架，丝杆轴同轴穿入套筒壳后，丝杆轴的轴向后端同轴穿过套筒壳的轴向后端并固定于后支架；

所述从动带轮具有中心通孔，从动带轮的轴向前端通过轴承转动连接于前支架，且从动带轮通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上并与丝杆轴相对转动配合，从动带轮的轴向后端向后水平连接有至少一个平行于丝杆轴的卷筒导轨；

还包括卷筒和异常保护装置，所述卷筒外缠绕有柔索，卷筒的筒腔腔壁成型有螺纹，卷筒中还设有至少一个平行于卷筒轴向的导轨穿孔，卷筒通过自身筒腔同轴装配在丝杆轴上，由卷筒和丝杆轴构成螺纹丝杆副，所述卷筒导轨一一对应穿过卷筒中的导轨穿孔，由卷筒导轨支撑卷筒在前后方向的滑动；

所述异常保护装置包括分别为圆盘形的前压板、后压板，以及弹簧和电磁铁，前、后压板分别具有中心通孔，其中前压板通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上靠近套筒壳筒口位置，且前压板与丝杆轴相对转动配合，所述卷筒导轨从导轨穿孔穿过的后端固定连接于前压板的轴向前端面，由从动带轮、卷筒导轨、卷筒、前压板构成可相对丝杆轴转动的整体结构；所述后压板同轴安装在套筒壳内，同时后压板通过自身中心通孔同轴装配在丝杆轴上，且后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动，所述前压板的轴向后端面连接有多个球形柱塞，多个球形柱塞的轴向分别平行于丝杆轴，多个球形柱塞呈环向分布，所述后压板的轴向前端面设有多个环向排列的定位槽，定位槽的环向对应于球形柱塞构成的环向，且各个定位槽在环向上呈紧密相邻分布，所述弹簧同轴套于套筒壳内的丝杆轴外，弹簧的轴向前端固定连接于后压板的轴向后端，弹簧的轴向后端固定连接于套筒壳内的轴向后端，电磁铁固定于套筒壳内的轴向后端，且电磁铁在通电时吸附后压板，使后压板克服弹簧的弹力收纳于套筒壳内后部。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述从动带轮的轴向前端同轴连接有空心圆柱体，空心圆柱体内部与从动带轮的中心通孔连通以供丝杆轴穿过，空心圆柱体通过前轴承固定连接于前支架。

3.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述卷筒的外壁成型有螺纹，螺纹的螺距与柔索截面直径相等。

4.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述底板上靠近卷筒位置还连接有面向卷筒的柔索压板，柔索压板与卷筒之间间隙宽度等于柔索的截面直径，且柔索压板朝向卷筒的板面成型有螺纹。

5.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述前压板的中心通孔中同轴装配有后轴承，后轴承同轴装配在丝杆轴上，由此实现前压板相对于丝杆轴的转动。

6.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述后压板的轴向前端面设有环槽，环槽对应于各个球形柱塞构成的环向，各个定位槽分别设于环槽槽底。

7.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述球形柱塞包括外壳，外壳轴向一端封闭、另一端为壳口，外壳的壳口中设有球头，外壳内同轴装配有弹簧，弹簧一端固定与外壳封闭端，弹簧另一端固定连接球头。

8.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：所述套筒壳内壁设有多个滑轨，滑轨分别平行于套筒壳轴向，所述后压板外缘设有多个滑轨槽，套筒壳内壁的滑轨一一对应卡入后压板外缘的滑轨槽中，由套筒壳的滑轨和后压板的滑轨槽配合实现约束后压板的运动，使后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动。

9.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：还包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，伺服电机的驱动器、电磁铁的输入端分别通过总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括安装在伺服电机上的光电编码器，以及安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

10.一种模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、柔索并联机器人正常运动时，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置通电，保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，前后压板不接触，前压板转动不受后压板约束，后压板随套筒壳固定在外部壳体支架上，使缠绕装置正常运行，安装在柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，测得的测量数据正常且稳定，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置继续通电，异常保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、当柔索并联机器人运动异常或机器人关机断电时，安装在柔索上的测力传感器将测得对应的数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，随后通过通讯系统输出信号将控制的电保护系统的电磁铁断电，失去对后压板的吸引作用，在弹簧的作用下后压板被向外推与前压板接触，使前压板的球头柱塞卡在后压板对应的定位槽内，以此限制了缠绕系统的转动，从而达到对整个柔索机器人系统的保护的目的；

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

安装在柔索上的测力传感器，将检测柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到柔索并联机器人的运动状态，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。