CN112172953B - 一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构及控制方法，属于机器人技术领域。本发明通过上滑轮组与下滑轮组组成滑轮组，将小型伺服电机驱动拉线轮所在传动绳索上产生的拉力进行放大，其放大倍数取决于上滑轮组与下滑轮组所包含的滑轮数量，该机构相比于传统的齿轮或丝杠减速机构，布置灵活，体积小、重量轻，减速比可根据吸附腔的负载进行调整。本发明中并联约束臂采用3RRS构型，可以提供平行于曲面切面方向的两个转动自由度和与曲面法相方向相同的平动，符合吸附腔曲面适应的需求；本发明采用小型伺服电机驱动，清洁、安静、便于控制，体积小、重量轻、输出力量大，解决了当前机器人小型化的需求。

Description

一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构及控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，更具体地，涉及一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构及控制方法。
背景技术
将爬壁机器人应用在大型复杂构件加工中是一个全新的思路，很好的解决了传统大型复杂构件加工方式的缺点。大型复杂构件表面为符合流体力学的变曲率曲面，例如风电叶片等。一般的爬壁机器人上所配备的吸附腔采用具备密封唇边的真空吸附腔，可以弥补一些吸附表面的缺陷，但没有针对曲面进行设计，缺乏曲面适应能力，例如，在论文《轮足混合驱动爬壁机器人及其关键技术的研究》中提到的爬壁机器人所采用的吸附腔仅能在平面上吸附，不具备曲面适应能力。
而吸附腔运行过程中，为保证爬壁机器人安全可靠运行，吸附力通常可达机器人自重的2～5倍甚至更高，这就既要求吸附腔调整机构输出力大，又要求吸附腔调整机构自身体积小、重量轻，降低爬壁机器人自重。
综上所述，目前缺少适用于大负载吸附腔三自由度调整的轻巧化机构。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构及控制方法，其目的在于提供一种适用于大负载吸附腔三自由度调整的轻巧化机构。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，包括：三个小型伺服电机、三个绳索驱动组件、三个并联约束臂、工作平台和安装底板；
小型伺服电机固定在安装底板上，用于根据接收到的位姿指令，利用动滑轮原理分别控制对应的绳索驱动组件长度，带动工作平台向靠近或远离安装底板方向运动，实现对工作平台位姿的调整；
并联约束臂两端分别固定在安装底板和工作平台上，用于限制工作平台自由度，保证工作平台仅有一个平动自由度和两个旋转自由度；
吸附腔固定在工作平台上，随工作平台一同运动。
进一步地，三个绳索驱动组件分别包括对应地拉线轮、上滑轮组、下滑轮组和传动绳索；
上滑轮组固定在安装底板上；下滑轮组固定在工作平台上；
传动绳索一端分别固定在对应的拉线轮上，并分别在对应的上滑轮组与下滑轮组之间缠绕；
拉线轮分别固定在对应的小型伺服电机的输出轴上，分别用于驱动对应的传动绳索。
进一步地，三个绳索驱动组件的工作原理相同；具体为，上滑轮组与下滑轮组组动滑轮组，将小型伺服电机驱动拉线轮所在传动绳索上产生的拉力进行放大，其放大倍数取决于上滑轮组与下滑轮组所包含的滑轮数量，根据工作平台的负载进行调整。
进一步地，三个并联约束臂均采用3RRS构型；
每个并联约束臂包括从左到右依次分布的两个转动副和一个球铰；左端与安装底板固连，右端与工作平台固连；中间的转动副上安装有弹簧，以在对应地传动绳索放松时恢复伸展状态。
进一步地，上滑轮组与下滑轮组均采用铝合金制成。
进一步地，小型伺服电机选用带有减速箱的小型伺服电机，可输出3.4N·m的扭矩。
进一步地，传动绳索(16，17，18)采用超高分子量聚乙烯绳索。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述爬壁机器人吸附腔位姿调整机构的控制方法，包括：
S1.三个小型伺服电机上电将对应地传动绳索完全收紧，建立系统参考点；
S2.分别在安装底板与工作平台中心点建立坐标系，得到第一坐标系A和第二坐标系B；
S3.输入工作平台的目标位姿：
(α，β，z)
则第一坐标系A和第二坐标系B的坐标变换公式为：
Figure BDA0002680861740000031
其中，α为工作平台绕X轴的倾斜角；β为工作平台绕Y轴的倾斜角；z为工作平台到安装底板的距离；
S4.对三个下滑轮组在B坐标系中的坐标PdB1、PdB2、PdB3，利用上述坐标变换公式进行变换，变换后的坐标分别为PdA1、PdA2、PdA3：
PdA1＝PdB1T
PdA2＝PdB2T
PdA3＝PdB3T
S5.根据坐标PdA1、PdA2、PdA3，与三个上滑轮组在坐标系A中的坐标PuA1、PuA2、PuA3，计算三个上滑轮组与对应地下滑轮组之间需求的中心距离PuA1PdA1、PuA2PdA2、PuA3PdA3；
S6.根据需求的中心距离和当前位姿下三个上滑轮组和对应地下滑轮组的中心距离，计算得到对应的小型伺服电机分别需要转动的角度θi为：
θi＝n·ΔLi/R
其中：n为传动绳索在上下滑轮组之间的缠绕次数；θi为小型伺服电机(1，2，3)需要转动的角度，i＝1,2,3；ΔLi为滑轮组中心距改变值；R为拉线轮的半径；
S7.控制三个小型伺服电机转动相应的角度，到达目标位姿。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明提供的线驱动-并联约束的吸附腔三自由度调整机构将并联约束臂与绳索驱动组件结合，利用动滑轮原理控制绳索驱动组件的长度，实现工作平台的位姿调整；利用并联约束臂实现工作平台的三自由度控制，实现了小体积、轻量化、高负载的能力。
(2)本发明通过上滑轮组与下滑轮组组成滑轮组，将小型伺服电机驱动拉线轮所在传动绳索上产生的拉力进行放大，其放大倍数取决于上滑轮组与下滑轮组所包含的滑轮数量，该机构相比于传统的齿轮或丝杠减速机构，布置灵活，体积小、重量轻，减速比可根据吸附腔的负载进行调整。
(3)本发明中并联约束臂采用3RRS构型，可以提供平行于曲面切面方向的两个转动自由度和与曲面法相方向相同的平动，符合吸附腔曲面适应的需求。
(4)本发明的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，采用小型伺服电机驱动，清洁、安静、便于控制，体积小、重量轻、输出力量大，解决了当前机器人小型化的需求。
附图说明
图1是本发明提供的爬壁机器人吸附腔位姿调整机构结构示意图，图中为了不遮挡部件，图中隐藏了安装底板；
图2是本发明提供的绳索驱动组件示意图；
图3是本发明提供的绳索驱动组件原理示意图；
图4是本发明提供的并联约束臂结构示意图；
图5是本发明提供的位姿调整机构控制流程图；
其中，1表示小型伺服电机一，2表示小型伺服电机二，3表示小型伺服电机三，4表示拉线轮一，5表示拉线轮二，6表示拉线轮三，7表示上滑轮组一，8表示上滑轮组二，9表示上滑轮组三，10表示下滑轮组一，11表示下滑轮组二，12表示下滑轮组三，13表示并联约束臂一，14表示并联约束臂二，15表示并联约束臂三，16表示传动绳索一，17表示传动绳索二，18表示传动绳索三，19表示吸附腔，20表示工作平台，21表示安装底板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，包括安装底板(21)、工作平台(20)、小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)、拉线轮一(4)、拉线轮二(5)、拉线轮三(6)、上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)、下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)，并联约束臂一(13)、并联约束臂二(14)、并联约束臂三(15)，传动绳索一(16)、传动绳索二(17)、传动绳索三(18)；小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)固定在安装底板(21)上；
如图2所示，上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)固定在安装底板(21)上；下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)固定在工作平台上；拉线轮一(4)、拉线轮二(5)、拉线轮三(6)分别固定在小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)的输出轴上，用于驱动传动绳索一(16)、传动绳索二(17)、传动绳索三(18)；传动绳索一(16)、传动绳索二(17)、传动绳索三(18)一端分别固定在拉线轮一(4)、拉线轮二(5)、拉线轮三(6)上，在上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)与下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)之间缠绕，分别组成绳索驱动组件一、绳索驱动组件二、绳索驱动组件三；并联约束臂一(13)、并联约束臂二(14)、并联约束臂三(15)两端分别固定在安装底板(21)、工作平台(20)上；
吸附腔(19)安装在工作平台(20)上，所述吸附腔(19)，由上下两部分组成，位于工作平台下部的为柔性密封唇边，用于提供和吸附表面的密封，上部为负压风机，用于提供吸附时所必要的真空度环境，随工作平台一同运动。工作平台输入指定位姿后，经位姿反解后，控制小型伺服电机进行运动，到达指定位姿。
绳索驱动组件一、绳索驱动组件二、绳索驱动组件三，其原理如图3所示，通过上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)与下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)组成滑动轮组，将小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)、驱动拉线轮一(4)、拉线轮二(5)、拉线轮三(6)所在传动绳索一(16)、传动绳索二(17)、传动绳索三(18)上产生的拉力进行放大，其放大倍数取决于上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)与下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)所包含的滑轮数量，该机构相比于传统的齿轮或丝杠减速机构，布置灵活，体积小、重量轻，减速比可根据吸附腔的负载进行调整。
本发明实施例中上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)和下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)分别设计有3个滑轮，均采用高强度铝合金制成，根据动滑轮原理，采用如图3所示方式缠绕时，可将力放大6倍，当然缠绕方式可根据吸附腔负载进行调整，以实现调节速度和输出力的平衡。
并联约束臂一(13)、并联约束臂二(14)、并联约束臂三(15)采用3RRS构型，如图4所示，左端和中间铰链为转动副，右端为球铰链，左端与安装底板固连，右端与工作平台固连，中间的旋转副的转轴上安装有弹簧，以使得绳索放松时并联臂可恢复伸展状态。每个并联约束臂两端分别固定在安装底板和工作平台上，其目的在于限制工作平台自由度，保证工作平台仅有一个平动自由度和两个旋转自由度。
本发明中小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)选用带有减速箱的小型伺服电机，可输出3.4N·m的扭矩；拉线绳索采用超高分子量聚乙烯绳索，重量轻，负载能力强。主动拉线轮的半径R为10mm，则根据公式：
Figure BDA0002680861740000071
其中：n为传动绳索(一、二、三)在上下滑轮组(一、二、三)之间的缠绕次数；η为传动效率，取0.8；T为小型伺服电机(一、二、三)的输出扭矩，为3.4N·m；R为主动拉线轮(一、二、三)的半径。可以得到，该机构重量轻(小于1kg)，输出力大(单个绳索驱动机构可达1.6KN，三套总共可达5.2KN)，性能优异。
上述机构的控制流程如下所示，可参考图5：
1、工作平台回原点，建立参考点：首先小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)带动拉线轮收线，使得工作平台向靠近安装底板方向运动，运动过程中实时检测小型伺服电机的电流，当工作平台到达并联约束臂(一、二、三)的工作空间边缘时，负载激增，导致小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)的电流激增，检测到小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)的电流变化之后，立即停止小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)，并记录下当前小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)的位置，作为系统的原点。
2、根据并联机器人的反解原理，计算目标位姿的绳索长度：设并联机器人目标位姿为：
(α，β，z)
式中：α为工作平台绕X轴的倾斜角；β为工作平台绕Y轴的倾斜角；z为工作平台到安装底板的距离。分别在安装底板与工作平台中心点建立坐标系，分别记为A，B；
则两坐标系下的坐标变换公式可表示为：
Figure BDA0002680861740000081
根据下滑轮组的安装位置，可假设滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)在B坐标系中的坐标分别记为PdB1、PdB2、PdB3(由下滑轮组安装位置决定)，利用上述的坐标变换公式，分别作用在这三个坐标上，变换后的坐标分别记为PdA1、PdA2、PdA3，变换公式为：
PdA1＝PdB1T
PdA2＝PdB2T
PdA3＝PdB3T
根据上滑轮组的安装位置，可假设上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)在坐标系A中的坐标分别记为PuA1、PuA2、PuA3(由上滑轮组安装位置决定)则可计算上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)与下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)之间的距离为PuA1PdA1、PuA2PdA2、PuA3PdA3，该距离为所需要的目标绳索长度，记为：
(L1,L2,L3)
3、根据目标位姿绳索长度，控制机构运动：根据步骤2中计算得到的上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)和下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)需求的中心距离和当前位姿下上滑轮组一(7)、上滑轮组二(8)、上滑轮组三(9)和下滑轮组一(10)、下滑轮组二(11)、下滑轮组三(12)的中心距离，可计算得到小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)分别需要转动的角度θi为：
θi＝n·ΔLi/R
其中：n为传动绳索(一、二、三)在上下滑轮组(一、二、三)之间的缠绕次数；θi为小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)需要转动的角度；ΔLi为滑轮组中心距改变值；R为主动拉线轮(一、二、三)的半径。然后控制小型伺服电机一(1)、小型伺服电机二(2)、小型伺服电机三(3)转动相应的角度，到达指定位姿。
采用本发明的一种绳索驱动-并联约束的大负载吸附腔三自由度姿态调整机构，采用小型伺服电机驱动，清洁、安静、便于控制，体积小、重量轻、输出力量大。解决了当前机器人小型化的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，包括：三个小型伺服电机(1，2，3)、三个绳索驱动组件、三个并联约束臂(13，14，15)、工作平台(20)和安装底板(21)；
小型伺服电机(1，2，3)固定在安装底板上，用于根据接收到的位姿指令，利用动滑轮原理分别控制对应的绳索驱动组件长度，带动工作平台(20)向靠近或远离安装底板(21)方向运动，实现对工作平台(20)位姿的调整；
并联约束臂(13，14，15)两端分别固定在安装底板(21)和工作平台(20)上，用于限制工作平台(20)自由度，保证工作平台(20)仅有一个平动自由度和两个旋转自由度；具体地，并联约束臂(13，14，15)均采用3RRS构型；
每个并联约束臂包括从左到右依次分布的两个转动副和一个球铰；左端与安装底板(21)固连，右端与工作平台(20)固连；中间的转动副上安装有弹簧，以在对应地传动绳索放松时恢复伸展状态；
吸附腔固定在工作平台(20)上，随工作平台(20)一同运动。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，
三个绳索驱动组件分别包括对应地拉线轮(4，5，6)、上滑轮组(7，8，9)、下滑轮组(10，11，12)和传动绳索(16，17，18)；
上滑轮组(7，8，9)固定在安装底板(21)上；下滑轮组(10，11，12)固定在工作平台(20)上；
传动绳索(16，17，18)一端分别固定在对应的拉线轮(4，5，6)上，并分别在对应的上滑轮组(7，8，9)与下滑轮组(10，11，12)之间缠绕；
拉线轮(4，5，6)分别固定在对应的小型伺服电机(1，2，3)的输出轴上，分别用于驱动对应的传动绳索(16，17，18)。
3.根据权利要求2所述的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，三个绳索驱动组件的工作原理相同；具体为，上滑轮组(7，8，9)与下滑轮组(10，11，12)组动滑轮组，将小型伺服电机(1，2，3)驱动拉线轮(4，5，6)所在传动绳索(16，17，18)上产生的拉力进行放大，其放大倍数取决于上滑轮组(7，8，9)与下滑轮组(10，11，12)所包含的滑轮数量，根据工作平台的负载进行调整。
4.根据权利要求3所述的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，上滑轮组(7，8，9)与下滑轮组(10，11，12)均采用铝合金制成。
5.根据权利要求3所述的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，小型伺服电机(1，2，3)选用带有减速箱的小型伺服电机，可输出3.4N·m的扭矩。
6.根据权利要求3所述的一种爬壁机器人吸附腔位姿调整机构，其特征在于，传动绳索(16，17，18)采用超高分子量聚乙烯绳索。
7.一种权利要求1-6任一项所述爬壁机器人吸附腔位姿调整机构的控制方法，其特征在于，包括：
S1.小型伺服电机(1，2，3)上电将对应地传动绳索(16，17，18)完全收紧，建立系统参考点；
S2.分别在安装底板与工作平台中心点建立坐标系，得到第一坐标系A和第二坐标系B；
S3.输入工作平台的目标位姿：
(α，β，z)
则第一坐标系A和第二坐标系B的坐标变换公式为：
Figure FDA0003305848280000031
其中，α为工作平台绕X轴的倾斜角；β为工作平台绕Y轴的倾斜角；z为工作平台到安装底板的距离；
S4.对下滑轮组(10，11，12)在B坐标系中的坐标PdB1、PdB2、PdB3，利用上述坐标变换公式进行变换，变换后的坐标分别为PdA1、PdA2、PdA3：
PdA1＝PdB1T
PdA2＝PdB2T
PdA3＝PdB3T
S5.根据坐标PdA1、PdA2、PdA3，与上滑轮组(7，8，9)在坐标系A中的坐标PuA1、PuA2、PuA3，计算上滑轮组(7，8，9)与下滑轮组(10，11，12)之间需求的中心距离PuA1PdA1、PuA2PdA2、PuA3PdA3；
S6.根据需求的中心距离和当前位姿下上滑轮组(7，8，9)和下滑轮组(10，11，12)的中心距离，计算得到小型伺服电机(1，2，3)分别需要转动的角度θi为：
θi＝n·ΔLi/R
其中：n为传动绳索在上下滑轮组之间的缠绕次数；θi为小型伺服电机(1，2，3)需要转动的角度，i＝1，2，3；ΔLi为滑轮组中心距改变值；R为拉线轮的半径；
S7.控制小型伺服电机(1，2，3)转动相应的角度，到达目标位姿。
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