CN110545962A - 线缆驱动式并联操纵器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及线缆驱动式并联操纵器(10)，包括：支承结构；安装在支承结构上的线缆系统(30)；以及连接至线缆系统(30)的移动平台(20)，负载能够附接至移动平台；线缆系统由控制单元控制以对移动平台(20)进行定位并定向并且/或者在移动平台(20)上施加力旋量；并且线缆驱动式并联操纵器还包括：安装在移动平台(20)上的至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)；控制模块，控制模块配置成生成用以移动可移动装置(20)的指令以用于使移动平台、所述至少一个可移动装置以及负载中的所有项的总质心移位，使得在移动可移动装置(20)时，总质心位于预定区域(101)内。本发明还涉及用于使线缆驱动式并联操纵器(10)的负载稳定的方法。

Description

线缆驱动式并联操纵器

技术领域

本发明涉及操纵器的领域，并且更具体地涉及线缆驱动式并联操纵器，该线缆驱动式并联操纵器包括在本文件中被统称为“线缆”的多个长形且挠性的牵引元件。

背景技术

在本文中，术语“线缆”用于包括可以在本发明的上下文中使用的任何类型的挠性牵引元件，例如，线缆、系索(tendon)、绳索、线材、绳、链、带等。

线缆驱动式并联操纵器是其中刚性连杆由线缆代替的特殊类型的并联操纵器。具有不同长度的多个线缆将此处被称为移动平台的通常移动的物体连接至此处被称为基部支承件的总体固定的物体。

如在操纵器的所谓的力旋量(wrench)可行工作空间内的现有技术(例如，参见P.Bosscher等人，用于线缆驱动式机器人的力旋量可行工作空间的产生，IEEE机器人学学报，22(5)：890-902，2006；M.Gouttefarde等人，基于区间分析确定并联线缆驱动式机器人的力旋量可行工作空间，IEEE机器人学学报，27(1)：1-13，2011)中所公知的，对线缆长度和/或张力的适当控制允许移动平台定位并定向(根据需要在已知限度内)并且/或者允许移动平台处的力和力矩(即，力旋量)被平衡，同时保持线缆张力处于规定的界限内。(在力学中，力旋量是其中力和力矩平行的力和力矩系统。每个力和力矩系统都可以简化成力旋量。应指出的是，“扭矩”和“力偶(couple)”是“力矩(moment)”的同义词)。对线缆张力的这些界限包括最小容许张力和最大容许张力。线缆驱动式并联操纵器的每个线缆的张力一方面应大于最小容许张力，并且另一方面应小于最大容许张力。如果不满足对线缆张力的这种约束，操纵器的安全性和正常操作可能会受到损害。实际上，最小容许张力被设定为非负值，这表示每个线缆可以拉动但不可以推动(负的线缆张力将意味着线缆正在推动)的事实。最大容许张力由机械部件中、例如线缆中或布线滑轮中的最大容许应力设定，或者由操纵器致动器的最大扭矩设定。

本领域中公知的方法和装置允许在各种设置中对移动平台的所有期望的自由度的自动控制或手动控制，包括通过各种类型的控制器(PID、适应性的、鲁棒性的、...)和传感器(编码器、力传感器、...)实现的基于分散模型的控制和基于传感器的控制。如在现有技术中也公知的，存在各种方法和装置用以将线缆放出(pay out)和收起(take up)和/或保持线缆张紧、用以将线缆从绞盘布线至元件——线缆从该元件朝向移动平台延伸——(孔眼、旋转滑轮等)、用以选择适合的线缆附接件到该移动平台上、用以测量线缆张力、以及用以将起重机台车致动，其中，起重机台车可以与线缆驱动式并联操纵器结合使用。

线缆驱动式并联操纵器具有包括模块化、可伸缩性、可重构性、以及用以覆盖大尺寸工作空间(通常高达几十米)和用以处理重负载(通常，几百公斤)的能力的许多有利的特性。因此，线缆驱动式并联操纵器在涉及非常大的尺寸(10m至100m)和/或重负载(100kg至1000kg)的工业应用中的用途可能是相关的，并且线缆驱动式并联操纵器具有许多潜在的应用，包括需要控制和/或约束负载/工具的可能运动的应用。线缆驱动式并联操纵器主要与在该特定的应用领域的起重设备竞争，以提供抑制摇摆和抵抗所有方向的力和力矩的请求的优势，并因此提供了作为适当的机器人而自主操作的可能性。

大尺寸应用的示例是对大的金属结构、飞机、船、建筑物、水坝或(核)电站的建造、维护和/或拆除。目前，这些应用中的大多数应用是劳动密集型的且涉及许多不同的任务。如果这些应用需要由机器人系统完成，则需要运动能力、灵活性性能以及与机器人周围环境的直接物理相互作用性能的鲁棒性组合。

因此，如果线缆驱动式并联操纵器要被用于这种应用，则线缆驱动式并联操纵器可能必须配备有提供所需局部灵活性的机载装置。线缆驱动式并联操纵器可以配备有这种装置的事实是与标准提升系统的一个主要区别，并因此是提升工业中对于线缆驱动式并联操纵器而言的主要区别点，其中，标准提升系统的摇摆行为不允许这种用途。这导致了如图1中所示的移动式操纵器系统那样的移动式操纵器系统，该移动式操纵器系统包括线缆驱动式并联操纵器1，该线缆驱动式并联操纵器1承载安装在线缆驱动式并联操纵器1的移动平台3上的常规机器人臂2。在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上安装主动机械装置的构思是已知的，如美国专利NO.4666362和NO.6566834中所示。然而，在机器人臂于线缆驱动式并联操纵器的移动平台上进行机载操作的这些示例中，机器人臂是较小的臂(相对于平台)，机器人臂不移动或者机器人臂缓慢移动，并且在臂末端执行器与臂末端执行器的环境之间没有机械相互作用或接触。因而，在存在较小的机器人臂的情况下，由较小的机器人臂在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上产生的力和力矩保持足够小以使机器人臂的动作能够忽略不计。因此，线缆驱动式并联操纵器的静力学和动力学基本上不会受到机载机器人臂的干扰，从而保持线缆驱动式并联操纵器的标称操作条件。

专利文献US 4710819描述了一种用于支承和输送比如相机之类的设备的悬挂系统。设备支承构件(移动平台)由挠性元件、例如线缆悬挂成具有三个平移自由度。另外，设备支承构件容纳有允许被输送的设备和设备支承构件能够相对于彼此旋转的装置(例如，借助于万向节)。这种相对旋转的目的是将被输送的设备与设备支承构件的角运动可控地隔开，特别是保持被输送的设备垂直于地面。被输送的设备可以具有其自己的对其取向进行改变和控制的装置。移动平台(设备支承构件)上机载的主动装置用于保持被输送设备的取向独立于移动平台的取向。移动平台上机载的可移动元件的运动是移动平台的取向改变的结果。

专利文献US 4883184涉及一种稳定的负载提升装置，该负载提升装置包括负载平台(移动平台)，负载平台通过三对线缆悬挂于托架。所有六个线缆的长度由一个独特的绞盘调节以使负载平台降低或升高，使得线缆的长度不被单独控制。可以修改所承载的负载相对于移动平台的位置和取向，以修改所承载的负载的质心相对于移动平台的位置。因此，质心的运动对线缆中的张力具有影响——因此线缆中的张力由可移动装置的运动控制——但对致动器的张力没有影响。

专利文献US 20080054836涉及用于借助于线缆驱动式并联操纵器沿着通常为相机的物体的三个自由度移位的装置。特别地，在一些实施方式中，相机固定在吊杆的端部处，吊杆在空间中的角度位置由配重件的位置设定。配重件可以通过吊杆的伸缩运动同步以在运动期间保持所述吊杆处于恒定取向。倾斜运动超出了线缆驱动式并联操纵器的可能性范围；此处配重件是致动这种自由度的装置，尽管线缆驱动式并联操纵器不能这样做。追溯既往，配重件的运动不会对线缆中的张力产生任何影响，所有线缆具有单个的致动器。

如上所述，线缆张力应保持在规定的容许界限内(最小容许张力和最大容许张力)，以确保线缆驱动式并联操纵器的安全性和正常运行。如本领域公知的，对线缆张力的这种约束获得了一组有界限的移动平台力旋量(力和力矩)，其中，线缆可以与保持在规定的容许界限内的张力平衡、即与容许的线缆张力平衡。因而，这组有界限的移动平台力旋量被称为可行力旋量组并且位于该组内的平台力旋量被称为可行力旋量。在现有的线缆驱动式并联操纵器中，对于给定的最小容许线缆张力和最大容许线缆张力，可行力旋量组仅由移动平台的姿态(位置和取向)改变，这是因为移动平台的姿态取决于线缆的在平台周围的配置。因此，对于给定的移动平台姿态，如果特定的平台力旋量在可行力旋量组之外，则该力旋量不能由具有容许的线缆张力的线缆产生。这种力旋量的不可行性通常是重要的问题，特别是在操作线缆驱动式操纵器移动平台上机载的机械操纵器时更是如此。实际上，对于机载操纵器的典型伸出姿态，施加到移动平台上的力矩可以导致力旋量在可行力旋量组之外。这种姿态尽管潜在有用，但是在不损害机器的安全性和正常运行的情况下也不能被许可。当涉及用线缆驱动式并联操纵器拾取和放置重的负载时，可能会出现同样的问题。在某些情况下，负载需要以偏移距离被拾取或者在平台的侧部被拾取，或者需要从竖向位置倾斜，从而可能导致产生力矩的偏心重力负载。在现有技术中，为了使所需力旋量可行而修改可行力旋量组的唯一方法是：改变线缆驱动式并联操纵器的姿态，或者因此增加线缆驱动式并联操纵器上机载的重量以避免线缆中的较小的张力。然而，只有在移动平台姿态被大致修改——这在大多数情况下不被要完成的任务所允许——时，可行力旋量组的尺寸和形状才会发生显著变化；另一方面，使装载的重量过大在某些复杂的情况下不能解决问题，同时就力量和尺寸与手头的任务相比而言，使装载的重量过大是非常不合适的。

一般而言，由负载及其在移动平台上的拾取位置产生的力旋量可能被证明在用于给定设计的线缆驱动式并联操纵器的可行力旋量组之外。因此，在仅处理位于规定的界限内的线缆张力时，无法使所需力旋量可行：机载机械操纵器的可用姿态应受到(严格)限制，拾取和放置场景需要重新限定，或者平台需要进一步装载惰性重量，从而导致相对于手头任务而言过大的平台。

因此，需要具有超出当前标称物理约束的增加的能力的线缆驱动式并联操纵器，例如能够操作(平移、旋转、固定等)重且大的物体，或者能够平衡例如机载机械操纵器所需要的增加的力旋量的线缆驱动式并联操纵器。

发明内容

本发明提供了一种线缆驱动式并联操纵器，该线缆驱动式并联操纵器包括用于通过主动控制线缆驱动式并联操纵器的特定元件的质心的位置和运动而对总质心(在本文件中也被称为总CoM)的位置和运动进行主动控制的装置。这种用于对总CoM进行主动控制的附加装置包括机载地安置在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上的一个或多个可移动装置，可移动装置的位置由计算机控制成将总质心定位在适合的空间区域中。

因此，本发明涉及一种线缆驱动式并联操纵器，包括：

-支承结构；

-线缆系统，该线缆系统安装在支承结构上；

-移动平台，该移动平台连接至线缆系统，负载能够附接至该移动平台；

-该线缆系统由控制单元控制以对移动平台进行定位并定向并且/或者以在移动平台上施加力和/或力矩(即，力旋量)。

根据本发明的第一方面，线缆驱动式并联操纵器还包括：

-至少一个可移动装置，该可移动装置安装在移动平台上；以及

-控制模块，该控制模块配置成生成用以移动可移动装置的指令以用于使线缆驱动式并联操纵器的总CoM移位，使得在移动可移动装置时，总CoM保持在预定区域内，该预定区域是CoM可行区域；线缆驱动式并联操纵器的总CoM被计算作为移动平台(包括固定至移动平台的所有部件，比如传感器、固定装置等)、所述至少一个可移动装置以及负载中的所有项的质心。

这种对总CoM的位置的控制在将线缆张力保持于规定的容许界限中起着重要作用。实际上，应用于移动平台的水平处的牛顿第三定律表明，来自线缆的张力需要在一方面平衡任何外部力旋量的效用并且在另一方面平衡重力的效用。

在一些实施方式中，用以移动可移动装置的指令在可移动装置中产生下述运动：该运动在由线缆系统控制的移动平台的一组受控自由度中的至少一个自由度方面是冗余的。

特别地，可移动装置的运动在移动平台的受控运动方面是冗余的事实意味着总CoM沿着与通过使用线缆系统而移动的移动平台的DOF相同的DOF移位。该特征允许将张力传递至具有达到上限或下限的张力的一组致动器(该组致动器附接有第一组线缆)或者将张力从具有达到上限或下限的张力的一组致动器传递至具有远离界限的张力的另一组致动器(该另一组致动器附接有第二组线缆)。如果CoM的运动在移动平台的受控DOF方面是不冗余的，则CoM的位移对线缆系统的致动器中的力没有影响。因此，通过使可移动装置的运动在移动平台的受控运动方面是冗余的，所有线缆组中的张力尽可能远离限度：通过移动CoM，线缆中的张力分布发生变化，从而保持线缆组中的张力远离限度。

如前一部分中所述，在现有技术中，唯一可以改变的变量是线缆中的张力。外部的、由动力学诱导的或与任务相关的力旋量按照需求设定。重力作用在移动平台、负载、以及移动平台上机载的任何其他装置的重量上：重力是位于总CoM处的力，并且该力的力矩取决于总CoM的位置。因此，重力力旋量取决于总质量和总CoM的位置。通过命令所述至少一个可移动装置移动来控制总CoM的位置因此增加了线缆驱动式并联操纵器的力旋量能力，并因此增加了线缆驱动式并联操纵器处理重负载的能力和/或容忍机载地放置在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上的机械操纵器的大范围的可能姿态的能力，上述能力超出了现有技术的线缆驱动式并联操纵器的能力。对于给定的总质量，总CoM的针对固定的外部力旋量的与可行力旋量对应(即对应于允许的线缆张力)的一组位置形成有界限的区域空间。在本文件中，该预定的空间区域被称为CoM可行区域。当且仅当总CoM位于CoM可行区域内时，由移动平台、负载和机载地放置在移动平台上的任何其他装置构成的系统重量产生下述力旋量：该力旋量与外力相结合是可行的(即，可以在容许值内由来自线缆的力的总和抵消)。

用以移动的指令被优选地触发以补偿移动平台处的一些不平衡。这种不平衡可以通过使外部力旋量作用在移动平台上来进行解释：该外部力旋量在与重力力旋量相加时导致总力旋量位于可行力旋量组之外(可行力旋量组是下述力旋量组：对于该力旋量组而言，在线缆不会松弛或者超过其最大张力的情况下存在至少一组线缆力来补偿该力旋量)。这种不平衡可能是由于若干原因比如移动平台的移位、负载的处理、外部作用(比如风)等引起的，并且这种不平衡可以被直接或间接地测得(使用传感器比如加速度计、力传感器等)，或者这种不平衡可以借助于整个线缆驱动式并联操纵器的模型和规划策略来预测和判定。在准静态操作的特定情况下，只有施加至总CoM处的重力适用：不平衡被理解为总CoM在线缆张力被容许的CoM可行区域之外或者具有离开该CoM可行区域的趋势，所述区域连结至可行力旋量组。

因此，所述至少一个可移动装置用于平衡或修改由于移动平台及其负载的静力学和动力学所引起的力和力矩(力旋量)，以及移动平台及其负载的任一者上的外部力和力矩，以将线缆张力保持在容许的界限内。因此，安装在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上的至少一个可移动装置的使用增加了操纵器的负载能力和工作空间的可用容积。

此外，如刚限定的借助于所述至少一个可移动装置提供对总CoM的控制的线缆驱动式并联操纵器能够在由低灵活性系统(线缆驱动式并联操纵器)提供的大工作空间内使用高灵活性且较小的工作空间系统(比如机器人臂)，从而使高灵活性且较小的工作空间系统的可能姿态和运动最大化。实际上，高灵活性系统机载地安置在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上，对总CoM的控制对于高灵活性系统的一组明显更大的可能姿态和运动允许线缆保持容许的张力。这样，线缆驱动式并联操纵器的操作能力在灵活性和可达到的操作容积方面可以朝向更复杂的任务扩展。

实际上，在本发明的一些实施方式中，线缆驱动式并联操纵器还包括固定至移动平台的这种装载的操纵器(比如，机器人臂或任何其他多自由度操纵器)。在这种情况下，控制模块还配置成生成指令，使得在移动所述至少一个可移动装置时，由装载的操纵器施加的任何力和/或力矩(力旋量)被至少部分地抵消，但是在所有情况下都使得相应的力旋量保持可行；因此，由装载的操纵器施加的任何力旋量都是通过将总CoM移位至与装载的操纵器的力旋量相关的预定区域内而被抵消的。

在线缆驱动式并联操纵器具有装载在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上的操纵器(比如机器人臂)的情况下，移动平台上机载的所述至少一个可移动装置的使用允许：

-线缆驱动式并联操纵器不必相对于装载的操纵器而尺寸过大，并且/或者

-装载的操纵器的姿态和运动不受严格限制。

在包括通常由控制器(控制器通常封装在某种柜或箱中)控制装载的操纵器的实施方式中，所述至少一个可移动装置包括这样的控制器柜或控制器柜的一部分。因此，不需要在线缆驱动式并联操纵器平台中增加任何附加的元件或质量：使装载的操纵器的控制器能够移动并且成为所述至少一个可移动装置的一部分。

根据由线缆系统的控制单元发送的与当前移动平台力旋量和/或当前线缆张力相关的实施数据控制所述至少一个可移动装置。在可移动装置的控制模块与线缆系统的控制单元之间存在的这种数据链路(这种数据链路可以是无线的)一方面对于确保所述至少一个可移动装置的移动部件的运动的一致性是重要的并且另一方面对于移动平台力旋量和/或线缆张力的时间演变是重要的。

通过该数据链路(数据链路也可以是同步的)传输的数据可以是(但不限于)所述至少一个可移动装置的位置、线缆相对于移动平台的取向、由每个线缆在移动平台上产生的力值和方向、或者对施加在移动平台上的力旋量的估算。在另一实施方式中，来自一组传感器比如(但不限于)加速度计、力传感器的数据输入用于估算移动平台处的力旋量。

这种同步的数据链路允许整个系统的实际运动接近期望的运动，期望的运动计划成确保平台力旋量的可行性。计划的示例包括将与期望的运动对应的外部力旋量和重力力旋量的总和保持成尽可能远离可行力旋量组的边界，这对应于针对未计划的力旋量的最有弹性(resilient)的情况。

根据线缆驱动式并联操纵器的应用及其可预见的运动，所述至少一个可移动装置可以以不同的方式移动。根据本发明的实际实现方式，这些可能的运动组合中的每个组合可以是有利的：

所述至少一个可移动装置优选地具有至少一个自由度。在一些实施方式中，该至少一个自由度在由线缆系统控制的移动平台的一组自由度中的至少一个自由度方面是冗余的。

所述至少一个可移动装置能够沿着三个相互正交的方向移动；或者能够沿着两个方向移动并且还能够至少围绕一个方向旋转；或者能够沿着一个方向移动并且还能够围绕两个方向旋转；或者能够沿着一个平移方向移动并且还能够围绕一个旋转方向旋转，平移方向和旋转方向是正交的；或者能够围绕两个正交方向旋转。所有这些布置结构允许沿着安置在可移动装置的梢端处的配重装置的三个空间平移方向的定位，配重装置可以具有一些联接件；在两个正交旋转的情况下，所述三个平移方向或者球面坐标允许产生移动平台、所述至少一个移动装置以及负载中的所有项的质心的移位。

所述至少一个可移动装置可以包括安装或安置在移动平台上的一个或更多个罐以及用于泵送这种罐中的液体的装置；在该实施方式中，控制模块生成用以泵送一个或更多个罐中的液体的指令，以使总CoM沿至少一个方向移位。

在一些实施方式中，移动平台保持大致竖向，并且所述至少一个可移动装置能够沿着两个水平正交方向移动；或者能够沿着一个水平方向移动并且还能够围绕一个竖向方向旋转。这种布置结构利用了重力总是竖向的优点；因此，所述至少一个可移动装置沿着竖向方向的任何平移运动都是无用的并且在该特定实施方式中可以被除去。

在一些实施方式中，移动平台大致围绕其自身参照框架的原始水平轴线中的仅一个轴线倾斜，并且所述至少一个可移动装置能够沿着与倾斜的原始水平轴线垂直的一个水平方向移动，或者能够围绕与可移动平台的倾斜的原始水平轴线平行的转动轴线旋转。这种特定的布置结构可以处理由附接至移动平台的负载上的重力在距平台的几何中心的竖向距离处由于倾斜产生的任何力矩。

所述至少一个可移动装置沿着球体的表面的移动实际上对于特定情况(偏心负载拾取、例如隐含的平台倾斜)而言可以是足够的。

如果操纵器机载地安置在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上，则所述至少一个可移动装置的前述自由度中的一些自由度可以与机载的操纵器的自由度共享，从而为所述至少一个可移动装置留有至少一个自己的自由度。在由于装载的操纵器的连杆的运动或位置造成不平衡的特定情况下，该不平衡主要与装载的操纵器的自由度有关。在操纵器与所述至少一个可移动装置之间共享自由度减小了在整个系统中构建的自由度的数目，同时保持系统平衡由机载的操纵器施加在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上的力旋量的能力。

本发明的另一方面涉及一种用于使线缆驱动式并联操纵器的负载稳定的方法，线缆驱动式操纵器包括：移动平台，该移动平台连接至线缆系统，负载能够附接至该移动平台；以及可移动装置，该可移动装置安装在移动平台上；该方法包括：

-计算出线缆驱动式并联操纵器的总质心作为移动平台、所述至少一个移动装置以及负载中的所有项的质心；以及

-生成用以移动可移动装置的指令以用于将总质心移位至预定区域内。

预定区域是可以被计算作为CoM可行区域的稳定区域，该CoM可行区域包括总质心的与可行力旋量对应的一组位置。

该方法还优选地包括：

-计算出施加在移动平台上的外部力旋量和重力力旋量；

-生成用以移动所述至少一个可移动装置的指令以用于将总CoM移位成使得总质心保持在与计算出的外部力旋量相关的预定区域(该预定区域优选为CoM可行区域)内。

如前所述，对安装在移动平台上的所述至少一个可移动装置的控制可以提高线缆驱动式并联操纵器的性能、比如操纵器的可用工作空间和负载能力。

实际上，对安装在移动平台上的所述至少一个可移动设置的运动的控制对线缆驱动式并联操纵器的线缆中的张力的分布有影响。比如稳定性的性能与线缆中的张力直接关联。因此，鉴于通过所述至少一个可移动装置的运动来优化线缆驱动式并联操纵器的性能，所提出的方法因此可以被视为优化线缆中的张力的方式。

在一些实施方式中，用以移动可移动装置的指令在可移动装置中产生下述运动：该运动在由线缆系统控制的移动平台的一组自由度中的至少一个自由度方面是冗余的。

该方法优选地包括将操纵器机载地装载在线缆驱动式并联操纵器的移动平台上。在这种情况下，用以移动所述至少一个可移动装置的指令还抵消了由装载的操纵器施加的任何力和/或力矩。

在一些实施方式中，该方法还包括在线缆系统的控制单元与所述至少一个可移动装置的控制模块之间建立数据链路，使得线缆系统的移动/操作与所述至少一个可移动装置的移动/操作被共享(优选地同步)，以防止线缆系统的任何线缆松弛或防止线缆系统的任何线缆具有大于规定的最大容许张力的张力。

如果包括装载的操纵器，则与装载的操纵器的移动/操作的同步也包括在内。

本发明的前述限定的不同方面和实施方式可以彼此结合，只要它们能够彼此兼容即可。

本发明的附加优点和特征将从以下详细描述变得明显并且将在所附权利要求中特别指出。

附图说明

为了完成描述并且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图示了本发明的实施方式，实施方式不应被解释为限制本发明的范围，而只是作为如何实施本发明的示例。附图包括以下图：

图1是线缆驱动式并联操纵器的示意性立体图，其中，常规的机器人臂以机载的方式设置在移动平台上。

图2是根据本发明的示例性实施方式的线缆驱动式并联操纵器的示意性立体图。

图3是根据本发明的另一示例性实施方式的线缆驱动式并联操纵器的示意性立体图。

图4是Mx-My力矩平面的示意图，示出了坐标是围绕X和Y的力矩的图，示出了线缆驱动式并联操纵器可以如何处理超出其可实现的力旋量区域的外部力旋量。图4描绘了从外部力旋量和重力力旋量计算CoM可行区域的方式。

具体实施方式

以下描述不应以限制性意义理解，而是仅出于描述本发明的广泛原理的目的而给出。现在将参照示出根据本发明的元件和结果的上述附图通过示例的方式对本发明的实施方式进行描述。

如先前指出的，图1示出了线缆驱动式并联操纵器1，其中，常规机器人臂2安装在线缆驱动式并联操纵器1的移动平台3上；移动平台由一组线缆4支撑，线缆4由相应的绞盘(图中未示出)操作。

图2示出了线缆驱动式并联操纵器10的第一实现方式，线缆驱动式并联操纵器10具有连接至多个线缆30的移动平台20。控制线缆30的长度的效用是控制平台的六个自由度。具有六个自由度的机器人臂40被向下螺栓连接在线缆驱动式并联操纵器的移动平台20的下方。

如图2中所示，线缆驱动式操纵器还包括平衡机构50(可移动装置)。线缆驱动式操纵器10的移动平台20在大致恒定的取向上使用，这意味着线缆驱动式并联操纵器的产生旋转的能力仅用于承受力矩。因此，平衡机构50仅需要两个自由度来防止线缆系统的任何线缆松弛或防止线缆系统的任何线缆的张力大于规定的最大容许张力。考虑到线缆系统允许对平台在所有六个空间自由度上的位置进行控制，所述平衡机构50上产生的运动在由线缆系统控制的移动平台20的至少一个自由度方面是冗余的。

依循市场上机器人臂的常见结构，机器人臂40具有以下六个转动关节：首先，“竖向”转动关节；然后，具有平行旋转轴线并由第一连杆分开的两个“水平”转动关节；第四，与第二连杆成直线的转动关节，以及最后，两个转动关节；最后三个转动关节轴线在机器人腕中央点处相交。

由于这种结构，机器人臂的质心位于与第二转动关节轴线和第三转动关节轴线垂直的平面上或靠近与第二转动关节轴线和第三转动关节轴线垂直的平面。该平面随着第一关节旋转。因此，机器人臂的质心的位置的完全平衡或有效平衡可以通过使可移动装置50的质心在该相同平面中移动来实现。在本实施方式中，这是通过可移动装置50能够在为该相同平面与水平平面的交线(intersection)的轴线上移动而实现的；此处，这种运动通过一组滑动件51和丝杠螺母机构实现，其中，滑动件51固定至机器人臂40的位于第一关节与第二关节之间的部分，丝杠螺母机构由用于致动的马达驱动。因此，机器人臂的第一关节可以被认为是可移动装置50的关节中的一个关节。可移动装置50与机器人臂40一致地移动以保持机器人臂40始终平衡，并且可移动装置50可以实现为机器人臂的补充系统。

在该特定实现方式中，可移动装置50包括可移动质量块(mass)52，可移动质量块52是用于驱动和控制机器人臂40的电气设备，该电气设备可以由但不限于容纳各种马达的电子驱动器的控制器隔间构成。从移动平台至隔间以及之后从该隔间至可移动装置的马达和机器人臂的电气布线是使用线缆承载链实现的。

当机器人臂在特定负载下操作时，机器人臂的质心通常位于距腕点的固定距离处，并且机器人臂不能通过可移动装置50而被完全平衡。这并不被认为是关键性的，因为由机器人臂的平面外的负载或者腕轴线的动力学提供的不平衡是受机器人臂的所述腕轴线的力矩能力限制的，所述腕轴线的力矩能力通常低于线缆驱动式并联操纵器的力矩能力。

图3示出了本发明的第二实现方式。在这种情况下，移动平台20由提供对移动平台20的六个自由度的控制的相同布置的线缆30保持。移动平台20配备有具有七个自由度的机器人臂40’。机器人臂的控制器整合在臂的基部的内部。线缆驱动式操纵器可以在任何旋转位置使用，并且因此线缆驱动式操纵器设置有具有三个自由度的可移动装置50’以完全抵消由机器人臂40’产生的力和力矩。在这种情况下，可移动装置50’是使用三个滑动件51’构建而成的，所述三个滑动件51’沿相互正交的方向定向并且由相应的电动马达致动。因此，可移动装置50’的终端可移动质量块52’可以定位在任何位置以抵消来自机器人臂40’的力矩。考虑到线缆系统允许对平台在所有六个空间自由度上的位置进行控制，所述平衡机构50’的运动在移动平台20的至少一个受控自由度方面是冗余的。

如前所述，对于特定线缆驱动式并联操纵器的给定姿态，可行力旋量组是线缆系统可以抵消的一组可移动平台力旋量(力和力矩)，使得线缆系统的每个线缆中的张力保持在规定的容许界限内。

线缆驱动式并联操纵器的可行力旋量组100在图4中表示在Mx-My力矩平面——即，其X轴和Y轴分别表示围绕水平轴X和Y的力矩(Mx和My)的平面——中。该二维平面表示是对作为六维对象的实际可行力旋量组的简化，这种简化旨在简化六维对象的表示。此外，围绕X和Y(水平轴)的力矩可以由至少一个可移动装置的总CoM的水平位移产生。图4中所示的可行力旋量的点C被设定为力矩Mx和My等于0的点。区域100还对应于现有技术的线缆驱动式并联操纵器的等同状态的可行力旋量组。在区域100之外的力旋量不可以像在现有线缆驱动式并联操纵器中所做的那样由所述操纵器仅通过对线缆中的力进行作用来平衡。

引入标称力旋量：该标称力旋量是在所述至少一个可移动装置处于中性位置从而意味着所述至少一个可移动装置不会产生围绕X和Y的任何力矩时线缆张力必须抵消的力旋量。标称力旋量可以是如上限定的外部力旋量、或偏心负载、或机载机器人臂的动作(比如但不限于在准静态情况下由于一姿态而产生的力矩和力)、或这些动作的总和。区域101是这样的用于总CoM的力旋量组：该力旋量组等于标称力旋量和由所述至少一个可移动装置在所有可能坐标组中产生的可能的力旋量的总和。因此，区域101中的每个点都连结至所述至少一个可移动装置的坐标集。

引入区域102：区域102是区域100与101之间的交叉区。作为100的一部分，该区域内的任何力旋量都属于可行力旋量组。另一方面，作为区域101的一部分，区域102可以与用于总CoM的空间区域相关联。与区域102相关联的该空间区域是CoM可行区域。因此，在总CoM位于该CoM可行区域内的情况下，存在一组容许的线缆张力，对于该组容许的线缆张力而言，来自线缆的力旋量、来自重力的作用的力旋量和标称力旋量的总和等于零。如果区域100与区域101之间没有交叉区，这意味着所考虑的标称力旋量不能通过所提出的线缆驱动式并联操纵器来平衡。

因此，图4示出了：可以利用所公开的发明来增加负载，特别是利用重力与围绕X和Y的力矩有关地增加负载。也可以使用可移动装置的动力学来增加其他力旋量方向(Fx、Fy、Fz、Tz)上的负载。因此，线缆驱动式并联操纵器的能力增加，这是因为超出原始可行力旋量组(等同于现有技术线缆驱动式并联操纵器的可行力旋量组)的力旋量可以利用这种方法平衡。还可以例如通过在区域102上映射性能指数并选择最佳力旋量点而选择区域102中在线缆驱动式并联操纵器的性能指数方面的最佳力旋量点。

实际上，总CoM的通过平衡机构进行的移位在力旋量部件的6D空间中产生位移，所述位移方向和振幅是总CoM的借助于所述至少一个可移动装置的实际位移的函数：对于应用在移动平台处的计算出的力旋量，可以确定用于定位以下各项中的所有项的质心的区域：移动平台、所述至少一个可移动装置以及负载。因此，使总质心移动的能力允许初始不在可行力旋量组中的力旋量被平衡。所述力旋量可以源自：

·对其质心与几何中心点不竖向对齐的负载的拾取，从而产生力矩；

·负载围绕水平轴线倾斜，负载的质心在静止时位于距几何中心点的一竖向距离处；

·由可移动平台上机载的装置、比如用于保持负载的操纵装置产生的力；·由于可移动平台或固定在可移动平台上的操纵装置与环境之间的相互作用而产生的外力和力矩。

图2和图3中所示的两个实施方式反映了具有装载的操纵器40、40’的线缆驱动式并联操纵器。然而，在线缆驱动式并联操纵器未配备有提供另外的局部灵活性的机载装置时，线缆张力仍然高度依赖于包括移动平台及其负载的设置的总CoM的位置。在各种情况下，负载可能偏离中心或者负载的质量分布可能不均匀。因此，为了能够在线缆张力保持在容许界限中的情况下处理各种负载，特别是在负载不能相对于移动平台适当放置的情况下，可能必须修改总CoM的位置以将线缆张力保持在容许界限中，这在本发明中借助于平衡机构50、50’是可以实现的。

在本文中，术语“包括”及其派生词(比如“包括有”等)不应被理解为排除意义，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述和所定义的内容可以包括其他元件、步骤等的可能性。

本发明显然不限于本文所描述的具体实施方式，而是还包括在如权利要求中限定的本发明的总体范围内本领域技术人员可以考虑到的任何变型(例如，关于对材料、尺寸、部件、构型等的选择)。

Claims (17)

1.一种线缆驱动式并联操纵器(10)，包括：

-支承结构；

-线缆系统(30)，所述线缆系统(30)安装在所述支承结构上；以及

-移动平台(20)，所述移动平台(20)连接至所述线缆系统(30)，负载能够附接至所述移动平台(20)；

-所述线缆系统由控制单元控制以对所述移动平台(20)进行定位并定向并且/或者以在所述移动平台(20)上施加力和/或力矩；其特征在于，所述线缆驱动式并联操纵器还包括：

-至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)，所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)安装在所述移动平台(20)上；

-控制模块，所述控制模块配置成生成用以移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)的指令以用于使所述移动平台(20)、所述至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)以及所述负载中的所有项的总质心移位，使得在移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)时，所述总质心位于预定区域(101)内。

2.根据权利要求1所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，用以移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)的所述指令在所述可移动装置中产生这样的运动：所述运动在由所述线缆系统(30)控制的所述移动平台(20)的一组自由度中的至少一个自由度方面是冗余的。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述移动平台还包括固定至所述移动平台(20)的装载的操纵器(40；40’)。

4.根据权利要求3所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述控制模块配置成生成所述指令，使得在移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)时，由所述装载的操纵器(40；40’)施加的任何力和/或力矩通过将所述总质心移位至所述预定区域(101)内而被抵消。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，还包括位于所述线缆系统(30)的所述控制单元与所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)的所述控制模块之间的数据链路，所述至少一个可移动装置的所述控制模块配置成获取来自所述线缆系统的所述控制单元的实施数据作为输入。

6.根据权利要求3至5中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述装载的操纵器(40；40’)具有与所述至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)共享的自由度。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)能够沿着三个相互正交的方向移动；或者能够沿着两个方向移动并且还能够至少围绕一个方向旋转；或者能够沿着一个平移方向移动并且还能够围绕两个方向旋转；或者能够沿着一个平移方向移动并且还能够围绕一个旋转方向旋转，所述平移方向和所述旋转方向是正交的。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述至少一个可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)包括一个或更多个罐，其中，流体能够泵入所述一个或更多个罐中以及从所述一个或更多个罐中泵出。

9.根据权利要求3至8中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)，其中，所述可移动装置(50、51、52)包括所述装载的操纵器(40)的控制器柜(52)。

10.一种用于使线缆驱动式并联操纵器(10)的负载稳定的方法，所述线缆驱动式并联操纵器包括移动平台(20)，所述移动平台(20)连接至线缆系统，所述负载能够附接至所述移动平台(20)，所述线缆驱动式并联操纵器还包括可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)，所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)安装在所述移动平台(20)上；所述方法包括：

-计算出所述线缆驱动式并联操纵器的总质心作为所述移动平台、所述至少一个移动装置以及所述负载中的所有项的质心；

-生成用以移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)的指令以用于将所述总质心移位至预定区域(101)内。

11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还优选地包括：

-计算出施加在所述移动平台(20)上的外部力旋量和重力力旋量；

-生成用以移动所述至少一个可移动装置的指令以用于将所述总质心移位成使得所述总质心保持在与计算出的所述外部力旋量相关的所述预定区域(101)内。

12.根据权利要求10至11中的任一项所述的方法，其中，用以移动所述可移动装置(50、51、52；50’、51’、52’)的所述指令在所述可移动装置中产生这样的运动：所述运动在由所述线缆系统(30)控制的所述移动平台(20)的一组自由度中的至少一个自由度方面是冗余的。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，所述线缆驱动式并联操纵器包括至所述移动平台(20)的装载的操纵器(40；40’)，其中，生成用以移动所述可移动装置的指令的步骤包括抵消由所述装载的操纵器(40’)施加的任何力和/或力矩。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，产生用以移动所述可移动装置的指令的步骤包括：将由所述线缆系统的控制单元提供的更新数据输入到所述可移动装置的控制模块中以计算出所述预定区域。

15.根据从属于权利要求13时的权利要求14所述的方法，所述方法还包括：将由所述装载的操纵器(40)提供的更新数据输入到所述可移动装置的控制模块中。

16.根据权利要求10至15中的任一项所述的方法，其中，生成用以移动所述可移动装置的指令的步骤包括：从测量所述线缆驱动式并联操纵器中的任何不平衡的传感器预先接收数据以计算出所述预定区域。

17.根据权利要求1至9中的任一项所述的线缆驱动式并联操纵器(10)或者根据权利要求10至16中的任一项所述的方法，其中，所述预定区域是计算作为所述质心CoM可行区域的稳定区域，所述质心CoM可行区域包括所述总质心的与可行力旋量对应的一组位置。