CN114734428B - 一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，主要由气缸推进单元、六自由度并联机器人单元以及吊篮吸盘吸附单元三部分组成；吊篮吸盘吸附单元主要用于承载六自由度并联机器人，并在燃油加注装置即将接触箭体时将吊篮吸附于箭体上；气缸推进单元主要包含多组气缸，用以推动吊篮接近箭体；六自由度并联机器人单元由静平台、动平台、六组液压缸以及安装在动平台上的燃料加注装置组成。本发明通过吊篮与吸盘吸附方式，辅助实现高精度燃料自动加注，燃料加注装置与箭体油口对接时产生的冲击力可以被气缸内的气体以及吸盘吸收，达到缓冲、减少冲击力的作用。

Description

一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机 器人

技术领域

本发明属于六自由度并联机器人设计领域，具体涉及一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人。

背景技术

电液伺服六自由度并联机器人一般由动平台、静平台、液压缸和铰链等组成，各支链液压缸与动平台、静平台通过球铰或者万向节连接，静平台常固定于基座，通过控制六组液压缸的位移与速度，实现动平台的空间运动。电液伺服六自由度并联机器人具有刚度大、功重比大、承载能力强、反应快、平稳性好等特点，常用于运动模拟、并联机床、平台精密定位等领域。近年来，随着电液伺服控制精度的不断提高，电液伺服六自由度并联机器人在航空领域得到的普遍应用，例如在运载火箭燃料自动加注系统中，并联六自由度平台主要负责燃料加注装置与箭体注油口的自动对接，常常采用侧立悬挂方式，将并联机器人的静平台固连在脐带发射塔上，燃料加注装置安装在动平台上，通过控制六组液压缸的位移进而实现动平台的位置与姿态控制，实现加注装置与箭体注油口的自动对接。

目前火箭燃料自动加注系统中，加注装置安装在六自由度平台的动平台上，六自由度平台的静平台固连在发射塔上，通过控制六组液压油缸，进而控制动平台的空间位姿，最终实现燃料自动加注。但实际发射任务中，现有的自动对接方案主要有以下两方面隐患：1)在燃料加注以及箭体注油口对接过程中，箭体由于高空风力的存在，处于一种摇晃非静止的状态，此时燃料加注装置与箭体注油口对接实际是一种“动-动”对接，这给精确对接提高了非常大的难度。此外，由于没有缓冲装置，在对接接触瞬间往往会产生较大冲击。2)现有的六自由度并联机器人采用侧立悬挂方式，六自由度平台本身的质量以及加注装置负载的质量仅仅依靠液压缸来平衡，没有额外的重力补偿措施，液压缸受到较大的弯矩作用，一旦液压缸断裂或者动平台倾覆，将会对人员以及箭体造成巨大伤害与损失，因此一定要增加必要的安全防护装置。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的不足，提供一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人。本发明主要由气缸推进单元、六自由度并联机器人单元以及吊篮吸盘吸附单元三部分组成。吊篮吸盘吸附单元主要包含电动推杆、吊绳、吊篮及吸盘，主要用于承载六自由度并联机器人，并在燃油加注装置即将接触箭体时将吊篮吸附于箭体上；气缸推进单元主要包含四组气缸，用以推动吊篮接近箭体；六自由度并联机器人单元由静平台、动平台、六组液压缸以及安装在动平台上的燃料加注装置组成。

具体的，本发明的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其包括气缸推进单元、吊篮吸盘吸附单元、六自由度并联对接平台单元；

所述气缸推进单元包括气缸底座、多个气缸；所述气缸底座用于将气缸推进单元固定在外部塔架上；所述气缸一端通过球铰连接气缸底座，另一端通过球铰连接吊篮吸盘吸附单元；多个气缸同步运动能够带动吊篮吸盘吸附单元水平移动；

吊篮吸盘吸附单元包括多个电动推杆、吊绳、吊篮吊环、吊篮以及真空吸盘；所述电动推杆顶部用于连接外部塔架，每个电动推杆的底部均通过球铰连接一根吊绳，每根吊绳的下端军通过一个吊篮吊环与吊篮的顶部相连，吊篮的一个侧面与气缸推进单元相连，与该侧面相对的侧面上设置有所述真空吸盘；

六自由度并联对接平台单元设置在吊篮内，其包括静平台、六个液压油缸、动平台以及燃料加注装置；静平台与吊篮内壁面相连，静平台和动平台通过六个液压油缸相连，且液压油缸与静平台和动平台之间均采用万向铰连接；燃料加注装置固定在动平台上。

作为本发明的优选方案，所述吊篮呈方形。优选的，吊篮的各个面均不是密封的，以便于观察；优选的，所述真空吸盘设置在其所在侧面的周沿，及四条边上，且该侧面是完全敞口的，燃料加注装置通过该侧面与注油口的对接，敞口结构不会干扰对接任务。

作为本发明的优选方案，所述气缸推进单元内的气缸数量为4个，4个气缸分别与吊篮的一个侧面的四个角相连，其中，气缸通过气缸缸杆球铰与吊篮225相连，气缸通过气缸缸筒球铰与气缸底座相连。

作为本发明的优选方案，所述的电动推杆、吊绳、吊篮吊环的数量均为4个；4个吊篮吊环位于吊篮顶面的四个角上，4个吊篮吊环分别通过一根吊绳连接电动推杆底端的电动推杆球铰。

作为本发明的优选方案，吊篮吸盘吸附单元通过调节四组电动推杆的伸出长度，能够调节吊篮的初始高度以及水平状态。

作为本发明的优选方案，所述静平台与气缸连接在吊篮的同一个侧面上，其中静平台与该侧面的内壁面连接，气缸与该侧面的外壁面连接。

本发明还公开了一种基于上述的吊篮吸附式六自由度并联机器人的重载高精度对接方法，其包括如下步骤：

在燃料加注装置与箭体的注油口对接过程中，首先由吊篮吸盘吸附单元通过调节各组电动推杆的伸出长度，以调节吊篮的初始高度以及水平状态；当初始位置调节完毕后，气缸推进单元控制各组气缸向外伸出，从而推动吊篮缓慢向箭体靠近；由于吊篮由吊绳通过吊篮吊环在空中悬吊着，吊绳另一端则通过电动推杆球铰与电动推杆连接，所以气缸水平方向很小的作用力即可推动吊篮；当吊篮与箭体接触时，控制真空吸盘吸附在箭体上；由于气缸两端都是球铰连接，所以可以适应吊篮任意方向偏摆，确保真空吸盘能有效吸附柱箭体；由于气缸气体的可压缩性以及真空吸盘的缓冲性，在吊篮与箭体接触过程中，可以有效降低冲击力；真空吸盘吸附在箭体之后，固定于吊篮内的六自由度并联对接平台单元实现与箭体的相对静止，实现“动-动”对接到“动-静”对接的转换，有效降低燃料加注装置与注油口的对接难度；

当吊篮与箭体通过真空吸盘吸附完成之后，通过六自由度并联对接平台单元来实现燃料加注装置与注油口的精确对接；根据注油口与燃料加注装置的实时位置解析，外部规划器求解出六组液压缸的位移与速度，并联机器人的六组液压缸根据求解出来的位移与速度计算结果，各自开始伸出或缩回以控制动平台的位置与姿态，由于燃料加注装置是焊接在动平台上，所以燃料加注装置的位置与姿态也得到实时控制，最终实现燃料加注装置与注油口的精确对接。

本发明所提出的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，首先通过吊篮吸附方式辅助对接，可以实现燃料加注装置与注油口对接由动态对接转换为静态对接，大大降低了对接难度，提高了对接精度。其次，由于气缸的气体的可压缩性以及真空吸盘的缓冲性，可以大大降低重载情况下对接的冲击力，有效保护箭体。最后，由于整个燃料加注装置都安装于吊篮内，即使由于重载导致液压缸断裂，由于吊篮的保护，箭体以及人员不会受到安全威胁。综上所述，本发明所提出的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，大大提高重载工况下的对接精度，也为安全作业提供了巨大的保障。

附图说明

图1为本发明的吊篮吸附式六自由度并联机器人的应用场景示意图；

图2为本发明的吊篮吸附式六自由度并联机器人的结构示意图；

图3为本发明的吊篮吸附式六自由度并联机器人的结构示意图；

图4为本发明的气缸推进单元的结构示意图；

图5为本发明的吊篮吸盘吸附单元的结构示意图；

图6为本发明的六自由度并联对接平台单元的结构示意图。

图中，1-塔架；2-吊篮吸附式电液伺服六自由度并联机器人；3-箭体；4-注油口；21-气缸推进单元；22-吊篮吸盘吸附单元；23-六自由度并联对接平台单元；211-气缸底座；212-气缸缸筒球铰；213-气缸；214-气缸缸杆球铰；221-电动推杆；222-电动推杆球铰；223-吊绳；224-吊篮吊环；225-吊篮；226-真空吸盘；231-静平台；232-万向铰底座；233-万向铰；234-液压油缸；235-动平台；236-燃料加注装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明实施例提供的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，主要用于运载火箭燃料自动加注系统，如图1所示，该应用场景内的设备包括塔架1、本发明的吊篮吸附式六自由度并联机器人2以及箭体3。图2和图3是用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人的总体结构图，主要包含气缸推进单元21、吊篮吸盘吸附单元22、六自由度并联对接平台单元23。如图3所示，气缸推进单元21主要由气缸底座211、气缸缸筒球铰212、气缸213以及气缸缸杆球铰214组成；所述气缸底座211用于将气缸推进单元21固定在外部塔架1上；所述气缸213一端通过气缸缸筒球铰212连接气缸底座211，另一端通过气缸缸杆球铰214连接吊篮吸盘吸附单元22；四个气缸213的运动可带动吊篮吸盘吸附单元22水平移动。如图4所示，吊篮吸盘吸附单元22主要由电动推杆221、电动推杆球铰222、吊绳223、吊篮吊环224、吊篮225以及真空吸盘226组成；所述电动推杆221顶部用于连接外部塔架1，每个电动推杆221的底部均通过球铰连接一根吊绳223，每根吊绳223的下端军通过一个吊篮吊环224与吊篮225的顶部相连，吊篮225的一个侧面与气缸推进单元21相连，与该侧面相对的侧面上设置有所述真空吸盘226。如图5所示，六自由度并联对接平台单元23主要由静平台231、万向铰底座232、万向铰2333、液压油缸234、动平台235以及燃料加注装置236等组成。六自由度并联对接平台单元23设置在吊篮225内，静平台231与吊篮225内壁面相连，静平台231和动平台235通过六个液压油缸234相连，液压油缸234与静平台231和动平台235之间均采用万向铰233和万向铰底座232连接；燃料加注装置236固定在动平台235上。

在燃料加注装置236与箭体3的注油口4对接过程中，首先由吊篮吸盘吸附单元22通过调节四组电动推杆221的伸出长度，以调节吊篮225的初始高度以及水平状态。当初始位置调节完毕后，气缸推进单元21控制四组气缸213向外伸出，从而推动吊篮225缓慢向箭体3靠近。由于吊篮225由四根吊绳223通过吊篮吊环224在空中悬吊着，吊绳223另一端则通过电动推杆球铰222与电动推杆221连接，所以气缸213水平方向很小的作用力即可推动吊篮225。当吊篮225与箭体3接触时，控制真空吸盘223吸附在箭体3上。由于气缸213两端都是球铰连接，所以可以适应吊篮225任意方向偏摆，确保真空吸盘226能有效吸附柱箭体3。除此之外，由于气缸气体的可压缩性以及真空吸盘的缓冲性，在吊篮225与箭体3接触过程中，可以有效降低冲击力。真空吸盘226吸附在箭体3之后，此时固定于吊篮225内的六自由度并联对接平台单元23实现与箭体3的相对静止，实现“动-动”对接到“动-静”对接的转换，有效降低燃料加注装置236与注油口4的对接难度。

当吊篮225与箭体3通过真空吸盘226吸附完成之后，此时通过六自由度并联对接平台单元23来实现燃料加注装置236与注油口4的精确对接。六自由度并联对接平台单元23的静平台231固定于吊篮内壁上，静平台231与动平台235通过液压油缸234与万向铰底座232以及万向铰233连接，燃料加注装置236焊接于动平台235上。根据注油口4与燃料加注装置236的实时位置解析，并联机器人规划器求解出六组液压缸234的位移与速度，并联机器人六组液压缸根据求解出来的位移与速度计算结果，各自开始伸出或缩回以控制动平台235的位置与姿态，由于燃料加注装置236是焊接在动平台235上，所以燃料加注装置236的位置与姿态也得到实时控制，最终实现燃料加注装置236与注油口4的精确对接。

本发明提出的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，针对燃料加注装置与箭体注油口的“动-动”对接难度较大、精度较低的问题，通过吊篮与吸盘吸附方式，由“动-动”对接转换为“静-动”对接，辅助实现高精度燃料自动加注。在正式对接之前，气缸推进单元通过四组气缸将吊篮慢慢推向箭体，实现粗调。当吊篮距离箭体足够小距离时，此时使用电磁阀控制真空吸盘，将吊篮与箭体吸住。此时吊篮与箭体由相对运动变成相对静止，燃料加注装置与箭体注油口的对接实现由“动-动”转化成“静-动”对接，大大降低了对接难度，提高了对接精度。

本发明提出的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，针对燃料加注装置与箭体注油口对接接触击较大的问题，利用气缸推进单元气体的可压缩性、以及真空吸盘的缓冲性实现对接时刻的软接触，减少冲击力。四组气缸一端通过固定于发射塔上，另一端通固定于吊篮上，吊篮靠近箭体那一侧固定两排真空吸盘。当燃料加注装置与箭体油口对接时产生的冲击力可以被气缸内的气体以及吸盘吸收，达到缓冲、减少冲击力的作用。

本发明提出的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，针对六自由度并联机器人存在液压缸断裂以及动平台倾覆风险，利用吊篮系统保证对接装置处于安全防护之下，防止对人员和箭体造成伤害。六自由度并联机器人的静平台并非固定于发射塔上，而是固定于吊篮内，吊篮通过吊绳悬浮于空中。这样，即使液压缸断裂或者动平台倾覆，也能使装置始终处于吊篮之中，而不会砸向箭体或人员，大大减少了由于重载而发生的安全隐患。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，包括气缸推进单元（21）、吊篮吸盘吸附单元（22）、六自由度并联对接平台单元（23）；

所述气缸推进单元（21）包括气缸底座（211）、多个气缸（213）；所述气缸底座（211）用于将气缸推进单元（21）固定在外部塔架（1）上；所述气缸（213）一端通过球铰连接气缸底座（211），另一端通过球铰连接吊篮吸盘吸附单元（22）；多个气缸（213）同步运动能够带动吊篮吸盘吸附单元（22）水平移动；

吊篮吸盘吸附单元（22）包括多个电动推杆（221）、吊绳（223）、吊篮吊环（224）、吊篮（225）以及真空吸盘（226）；所述电动推杆（221）顶部用于连接外部塔架（1），每个电动推杆（221）的底部均通过球铰连接一根吊绳（223），每根吊绳（223）的下端均通过一个吊篮吊环（224）与吊篮（225）的顶部相连，吊篮（225）的一个侧面与气缸推进单元（21）相连，与该侧面相对的侧面上设置有所述真空吸盘（226）；

六自由度并联对接平台单元（23）设置在吊篮（225）内，其包括静平台（231）、六个液压油缸（234）、动平台（235）以及燃料加注装置（236）； 静平台（231）与吊篮（225）内壁面相连，静平台（231）和动平台（235）通过六个液压油缸（234）相连，且液压油缸（234）与静平台（231）和动平台（235）之间均采用万向铰连接；燃料加注装置（236）固定在动平台（235）上。

2.根据权利要求1所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，所述吊篮（225）呈方形。

3.根据权利要求1所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，所述气缸推进单元（21）内的气缸（213）数量为4个，4个气缸（213）分别与吊篮（225）的一个侧面的四个角相连，其中，气缸（213）通过气缸缸杆球铰（214）与吊篮（225）相连，气缸（213）通过气缸缸筒球铰（212）与气缸底座（211）相连。

4.根据权利要求1所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，所述的电动推杆（221）、吊绳（223）、吊篮吊环（224）的数量均为4个；4个吊篮吊环（224）位于吊篮（225）顶面的四个角上，4个吊篮吊环（224）分别通过一根吊绳（223）连接电动推杆（221）底端的电动推杆球铰（222）。

5.根据权利要求4所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，吊篮吸盘吸附单元（22）通过调节四组电动推杆（221）的伸出长度，能够调节吊篮（225）的初始高度以及水平状态。

6.根据权利要求1所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，所述静平台（231）与气缸（213）连接在吊篮的同一个侧面上，其中静平台（231）与该侧面的内壁面连接，气缸（213）与该侧面的外壁面连接。

7.根据权利要求1所述的用于重载高精度对接任务的吊篮吸附式六自由度并联机器人，其特征在于，所述真空吸盘（226）设置在其所在侧面的周沿，该侧面是敞口的。

8.一种基于权利要求1所述的吊篮吸附式六自由度并联机器人的重载高精度对接方法，其特征在于包括如下步骤：

在燃料加注装置（236）与箭体（3）的注油口（4）对接过程中，首先由吊篮吸盘吸附单元（22）通过调节各组电动推杆（221）的伸出长度，以调节吊篮（225）的初始高度以及水平状态；当初始位置调节完毕后，气缸推进单元（21）控制各组气缸（213）向外伸出，从而推动吊篮（223）缓慢向箭体（3）靠近；由于吊篮（225）由吊绳（223）通过吊篮吊环（224）在空中悬吊着，吊绳（223）另一端则通过电动推杆球铰（222）与电动推杆（221）连接，所以气缸（213）水平方向很小的作用力即可推动吊篮（225）；当吊篮（223）与箭体（3）接触时，控制真空吸盘（223）吸附在箭体（3）上；由于气缸（213）两端都是球铰连接，所以可以适应吊篮（225）任意方向偏摆，确保真空吸盘（226）能有效吸附柱箭体（3）；由于气缸气体的可压缩性以及真空吸盘的缓冲性，在吊篮（225）与箭体（3）接触过程中，可以有效降低冲击力；真空吸盘（226）吸附在箭体（3）之后，固定于吊篮（225）内的六自由度并联对接平台单元（23）实现与箭体（3）的相对静止，实现“动-动”对接到“动-静”对接的转换，有效降低燃料加注装置（236）与注油口（4）的对接难度；

当吊篮（225）与箭体（3）通过真空吸盘（226）吸附完成之后，通过六自由度并联对接平台单元（23）来实现燃料加注装置（236）与注油口（4）的精确对接；根据注油口（4）与燃料加注装置（236）的实时位置解析，外部规划器求解出六组液压缸（234）的位移与速度，并联机器人的六组液压缸根据求解出来的位移与速度计算结果，各自开始伸出或缩回以控制动平台（235）的位置与姿态，由于燃料加注装置（236）是焊接在动平台（235）上，所以燃料加注装置（236）的位置与姿态也得到实时控制，最终实现燃料加注装置（236）与注油口（4）的精确对接。

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