CN212421283U - 一种自平衡式的通用吊装机器人 - Google Patents

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张永琴
王俊卿
全水峰
孙福佳
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Tianjin Aerospace Electromechanical Equipment Research Institute
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Abstract

本实用新型提供了一种自平衡式的通用吊装机器人，包括骨架和至少3个吊装单元，所述吊装单元均滑动连接在骨架的底部，吊装机器人还设有驱动吊装单元沿着骨架的圆周方向移动的齿轮驱动组件；所述吊装单元包括三分量力传感器、辅吊装组件和丝杠驱动组件，所述丝杠驱动组件用于驱动辅吊装组件沿着骨架的径向方向移动，所述三分量力传感器用于测量辅吊装组件的受力情况；吊装机器人还设有控制系统。本实用新型所述的吊装机器人吊点具有极径ρ方向的移动能力，且吊点随极轴组件能够转动任意角度θ；任意吊点可通过极坐标定位原理到达环形导轨内的任意位置。

Description

一种自平衡式的通用吊装机器人
技术领域
本实用新型属于吊装技术领域，尤其是涉及一种自平衡式的通用吊装机器人。
背景技术
航天器快速发射的需求持续增强，在其组装、测试以及空间机构进行模拟开展等各项性能试验的过程中，大量应用到专用吊装工装，来实现航天器的起吊转运、姿态变化或者辅助对接操作。
由于航天器结构差异，现有的大多数吊装工装多为专用吊装工装，不具备通用性，利用率低，维护成本高；而且由于被吊产品质心不确定的情况下，需要反复的调整和试吊，才能保证产品姿态的正确，使用效率低下。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种自平衡式的通用吊装机器人，以有效解决了吊装工装的通用性、效率低的问题。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种自平衡式的通用吊装机器人，包括骨架和至少3个吊装单元，所述吊装单元均滑动连接在骨架的底部，吊装机器人还设有驱动吊装单元沿着骨架的圆周方向移动的齿轮驱动组件；
所述吊装单元包括三分量力传感器、辅吊装组件和丝杠驱动组件，所述丝杠驱动组件用于驱动辅吊装组件沿着骨架的径向方向移动，所述三分量力传感器用于测量辅吊装组件的受力情况；
吊装机器人还设有控制系统，所述控制系统用于接收信号并控制电器元件的打开和关闭。
进一步的，所述吊装单元的数量为4个。
进一步的，所述骨架为圆环状结构，所述骨架上设有主吊环，所述主吊环转动连接至骨架的顶部，所述主吊环位于骨架的正中心。
进一步的，所述控制系统包括控制器和若干的放大器，所述三分量力传感器分别与和其相对应的放大器通过线路连接，所述放大器与控制器通过线路连接。
进一步的，所述骨架的底部安装有第一环形导轨、第二环形导轨和直线导轨，所述辅吊装组件包括滑座、吊环座和辅吊环，所述直线导轨的一端与第一环形导轨滑动连接，且直线导轨的另一端与第二环形导轨滑动连接，所述滑座与直线导轨滑动连接，所述吊环座位于滑座的下方，所述三分量力传感器安装在滑座与吊环座之间，所述辅吊环转动连接至吊环座的底部。
进一步的，所述骨架的底部安装有直尺内齿轮，所述齿轮驱动组件包括第一齿轮、第一伺服电机和第一伺服驱动器，所述第一伺服电机固定在所述直线导轨上，所述第一齿轮与第一伺服电机的输出轴固定连接，且第一齿轮与直尺内齿轮啮合，所述第一伺服电机与第一伺服驱动器通过线路连接，所述第一伺服驱动器与所述控制器通过线路连接。
进一步的，所述丝杠驱动组件包括丝杠本体、第二伺服电机和第二伺服驱动器，所述丝杠本体的两端均与所述直线导轨转动连接，所述滑座与丝杠本体螺纹连接，所述第二伺服电机安装在直线导轨的底部，所述丝杠本体的一端与第二伺服电机的输出轴固定连接，所述第二伺服电机与第二伺服驱动器通过线路连接，所述第二伺服驱动器与所述控制器通过线路连接。
一种自平衡式的通用吊装机器人的使用方法，操作步骤如下：
(1)第一阶段预起吊，判断三分量力传感器是否有X、Y向分力，并计算各个辅吊环在X、Y向的位移DX和DY：
各个辅吊装组件的三分量力传感器将采集到的各向分力FX、FY、FZ均通过放大器传送给控制器，通过控制器计算得到各个辅吊环在X、Y向的位移分别为DX、DY，再由控制器通过控制第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动辅吊装组件沿着第一环形导轨移动、第二伺服驱动器驱动第二伺服电机带动辅吊环沿着直线导轨移动，各个辅吊环分别完成位移DX、DY，控制器判断各个三分量力传感器检测到的X、Y向分力不为0，则重复上述操作，直至各个三分量力传感器检测到X、Y向的分力均为0或X、Y向分力均不大于 Z向分力的5％；
(2)第二阶段预起吊，判断被吊物质心是否与主吊点重合，并计算各个辅吊环在X、Y向的位移(-X0，-Y0)：
起重设备通过吊装机器人再次对被吊物进行预起吊时，各个辅吊装组件的三分量力传感器分别采集到Z向分力更新覆盖掉之前的FZ1、FZ2、FZ3、FZ4数值，控制器通过各个辅吊装组件携带的第一伺服电机和第二伺服电机获得各个辅吊环的坐标(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)、(X4，Y4)，计算可得各个辅吊环在X、Y向的位移为(-X0，-Y0)，再由控制器通过控制第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动辅吊装组件沿着第一环形导轨移动、第二伺服驱动器驱动第二伺服电机带动辅吊环沿着直线导轨移动，各个辅吊环同时完成位移(-X0，-Y0)，控制器判断X0不为0或Y0不为0，则重复上述操作，直至X0＝0且Y0＝0，即被吊物质心与主吊点重合。
进一步的，所述步骤(1)中DX和DY的计算公式为：
Figure DEST_PATH_GDA0002806686530000031
Figure DEST_PATH_GDA0002806686530000032
式中：
L为吊带长度；
Fx为吊点的三分量力传感器X方向检测到的力；
FY为吊点的三分量力传感器Y方向检测到的力；
FZ为吊点的三分量力传感器Z方向检测到的力。
进一步的，所述步骤(2)中(X0，Y0)的计算公式为：
根据力的平衡关系可得出二元一次方程组：
FZ1(Y1-Y0)+FZ2(Y2-Y0)+FZ1(Y3-Y0)+FZ1(Y4-Y0)＝0；
FZ1(X1-X0)+FZ2(X2-X0)+FZ1(X3-X0)+FZ1(X4-X0)＝0；
解出(X0，Y0)，即各个辅吊环在X、Y向需移动的位移为(-X0，-Y0)；
式中：
(X1，Y1)为吊点1的坐标；
(X2，Y2)为吊点2的坐标；
(X3，Y3)为吊点3的坐标；
(X4，Y4)为吊点4的坐标；
FZ1为吊点1的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ2为吊点2的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ3为吊点3的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ4为吊点4的三分量力传感器Z方向检测到的力。
相对于现有技术，本实用新型所述的一种自平衡式的通用吊装机器人具有以下优势：
(1)本实用新型所述的吊装机器人吊点具有极径ρ方向的移动能力，且吊点随极轴组件能够转动任意角度θ；可选择使用三吊点或者四吊点，任意吊点可通过极坐标定位原理到达环形导轨内的任意位置，因此该吊装机器人具有很好的适用性和通用性。
(2)本实用新型所述的吊装机器人在吊装过程中，主体骨架始终保持平衡，吊装动作相对加快。
(3)本实用新型所述的吊装机器人可通过算法自动计算器材吊点的距离，并调整各吊点相对主吊点的位置，自动使吊装机器人达到平衡状态。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例所述的吊装机器人的结构示意图；
图2为本实用新型实施例所述的吊装机器人的另一视角结构示意图；
图3为本实用新型实施例所述的吊装机器人的A部放大图；
图4为本实用新型实施例所述的吊装机器人使用方法框图；
图5为本实用新型实施例所述的吊装机器人电连接结构图。
附图标记说明：
1、骨架；11、主吊环；12、第一环形导轨；13、第二环形导轨；14、直线导轨；15、直尺内齿轮；2、辅吊装组件；21、滑座；22、吊环座；23、辅吊环；3、三分量力传感器；4、丝杠驱动组件；41、丝杠本体；42、第二伺服电机；5、齿轮驱动组件；51、第一齿轮；52、第一伺服电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型的描述中，采用笛卡尔坐标系，X方向的力代表水平横向分力，Y方向的力代表水平纵向分力，Z方向的力代表竖直方向的分力。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1-5所示，一种自平衡式的通用吊装机器人，包括骨架1和至少3 个吊装单元，吊装单元均滑动连接在骨架1的底部，吊装机器人还设有驱动吊装单元沿着骨架1的圆周方向移动的齿轮驱动组件5；每个吊点设置一个吊装单元实现吊装功能。
吊装单元包括三分量力传感器3、辅吊装组件2和丝杠驱动组件4，丝杠驱动组件4用于驱动辅吊装组件2沿着骨架1的径向方向移动，三分量力传感器3用于测量辅吊装组件2的受力情况；利用三分量力传感器3实现吊装机器人自动识别被吊物吊点距离及质心位置，自动化程度高，使得吊装机器人具有通用性。
吊装机器人还设有控制系统，控制系统用于接收信号并控制电器元件的打开和关闭。通过控制系统实现自动控制，提高吊装效率。
吊装机器人的吊装单元还可以设置为3个或4个，甚至更多，可根据实际情况进行选择。
每个吊装单元的辅吊装组件2可以设置为一个、两个或者三个，甚至更多，可根据实际情况进行选择，且第二辅吊装组件位于第一辅吊装组件的外侧，第三辅吊装组件位于第二辅吊装组件的外侧，以此类推，使用时，各个吊装单元的第一辅吊装组件配套使用、第二辅吊装组件配套使用、第三辅吊装组件配套使用，进而避免吊装过程中互相干涉。丝杠驱动组件4与辅吊装组件2配套设置，用于驱动辅吊装组件2沿着直线导轨14移动。
骨架1为圆环状结构，骨架1上设有主吊环11，主吊环11转动连接至骨架1的顶部，主吊环11位于骨架1的正中心。主吊环11设置在主吊点处，通过在主吊点设置主吊环11使吊装机器人与起重设备相连。
控制系统包括控制器和若干的放大器，三分量力传感器3分别与和其相对应的放大器通过线路连接，放大器与控制器通过线路连接。控制器采用 PLC，可通过算法自动计算被吊物吊点的距离，并调整两个吊点相对主吊点的位置，自动修正吊装机器人达到平衡状态。
骨架1的底部安装有第一环形导轨12、第二环形导轨13和直线导轨14，辅吊装组件2包括滑座21、吊环座22和辅吊环23，直线导轨14的一端与第一环形导轨12滑动连接，且直线导轨14的另一端与第二环形导轨13滑动连接，滑座21与直线导轨14滑动连接，吊环座22位于滑座21的下方，三分量力传感器3安装在滑座21与吊环座22之间，辅吊环23转动连接至吊环座22的底部。任意吊点可通过极坐标定位原理到达环形导轨内的任意位置。因此该吊装机器人具有很好的适用性和通用性。
骨架1的底部安装有直尺内齿轮15，齿轮驱动组件5包括第一齿轮51、第一伺服电机52和第一伺服驱动器，第一伺服电机52固定在直线导轨14 上，第一齿轮51与第一伺服电机52的输出轴固定连接，且第一齿轮51与直尺内齿轮15啮合，第一伺服电机52与第一伺服驱动器通过线路连接，第一伺服驱动器与控制器通过线路连接。齿轮驱动组件5还设有用于调节第二伺服电机42转速的减速器，减速器的输入轴与第二伺服电机42的输出轴相连，减速器的输出轴与第一齿轮51的齿轮轴相连，减速器与直线导轨14通过电机支架进行连接。当吊点需要在极径法向进行运动，即完成角度θ的转动时，操作控制器通过第二伺服驱动器控制第二伺服电机42驱动第一齿轮 51转动，则吊装单元带动吊点完成角度θ的转动(极径法向的运动)。
丝杠驱动组件4包括丝杠本体41、第二伺服电机42和第二伺服驱动器，丝杠本体41的两端均与直线导轨14转动连接，滑座21与丝杠本体41螺纹连接，第二伺服电机42安装在直线导轨14的底部，丝杠本体41的一端与第二伺服电机42的输出轴固定连接，第二伺服电机42与第二伺服驱动器通过线路连接，第二伺服驱动器与控制器通过线路连接。直线导轨14的底部安装有若干的固定块，用以安装丝杠本体41，丝杠本体41的两端分别与和其相对应的固定块转动连接。吊点通过丝杠驱动组件4由第二伺服电机42 驱动，在直线导轨14上沿极径ρ方向进行运动(极径ρ方向的运动)。
控制器为PLC，型号为MITSUBISHI-Q00UJCPU-S8-SET，无需梯形图程序即可持续监控最小值和最大值，满足从模拟量到定位的各种控制需求。
放大器的型号为KISTLER-5073A，具有噪声低，功率高的特点。
三分量力传感器3的型号为KISTLER-9367C，精度高，耦合小，经久耐用。
第一伺服电机52与第二伺服电机42的型号均为PANASONIC- MSMJ022G1U，反应快速，机电时间常数小、线性度高。
第一伺服驱动器与第二伺服驱动器的型号均为PANASONIC- MADKT1507E，通过搭载双自由度控制方式，实现了流畅的高速响应及追踪性能，提高了控制精度。
丝杠驱动组件4的型号为MISUMI-BSS2020_1100，传动精度较高，性价比高。
直线导轨14的型号为MISUMI-SXWL33G_1400，移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球，同时可以承担一定的扭矩负载，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
第一环形导轨12的型号为THK-HCR65A1SS452000RBPT181，第二环形导轨13组件的型号为THK-HCR65A1SS601000RBPT181，负载能力强，传动精度高。
一种自平衡式的通用吊装机器人的使用方法，操作步骤如下：
(1)第一阶段预起吊，判断三分量力传感器是否有X、Y向分力，并计算各个辅吊环在X、Y向的位移DX和DY：
各个辅吊装组件的三分量力传感器将采集到的各向分力FX、FY、FZ均通过放大器传送给控制器，通过控制器计算得到各个辅吊环在X、Y向的位移分别为DX、DY，再由控制器通过控制第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动辅吊装组件沿着第一环形导轨移动、第二伺服驱动器驱动第二伺服电机带动辅吊环沿着直线导轨移动，各个辅吊环分别完成位移DX、DY，控制器判断各个三分量力传感器检测到的X、Y向分力不为0，则重复上述操作，直至各个三分量力传感器检测到X、Y向的分力均为0或X、Y向分力均不大于 Z向分力的5％；
在吊点移动后，获得每个吊点新的极坐标值。即可得每个吊点的相对位置和距离；
其中：
Figure DEST_PATH_GDA0002806686530000091
Figure DEST_PATH_GDA0002806686530000092
L为吊带长度；
Fx为吊点的三分量力传感器X方向检测到的力；
FY为吊点的三分量力传感器Y方向检测到的力；
FZ为吊点的三分量力传感器Z方向检测到的力。
(2)第二阶段预起吊，判断被吊物质心是否与主吊点重合，并计算各个辅吊环在X、Y向的位移(-X0，-Y0)：
起重设备通过吊装机器人再次对被吊物进行预起吊时，各个辅吊装组件的三分量力传感器分别采集到Z向分力更新覆盖掉之前的FZ1、FZ2、FZ3、FZ4数值，控制器通过各个辅吊装组件携带的第一伺服电机和第二伺服电机获得各个辅吊环的极坐标位置(ρ，θ)，为便于计算，可将极坐标点转化为平面直角坐标系(ρcosθ，ρsinθ)，这里我们简化成(X，Y)表示，即各个辅吊环的坐标为(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)、(X4，Y4)，计算可得各个辅吊环在X、Y向的位移为(-X0，-Y0)，再由控制器通过控制第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动辅吊装组件沿着第一环形导轨移动、第二伺服驱动器驱动第二伺服电机带动辅吊环沿着直线导轨移动，各个辅吊环同时完成位移(-X0，-Y0)，控制器判断X0不为0或Y0不为0，则重复上述操作，直至X0＝0且Y0＝0，即被吊物质心与主吊点重合；
根据力的平衡关系可得出二元一次方程组：
FZ1(Y1-Y0)+FZ2(Y2-Y0)+FZ1(Y3-Y0)+FZ1(Y4-Y0)＝0；
FZ1(X1-X0)+FZ2(X2-X0)+FZ1(X3-X0)+FZ1(X4-X0)＝0；
解出(X0，Y0)，
式中：
(X1，Y1)为吊点1的坐标；
(X2，Y2)为吊点2的坐标；
(X3，Y3)为吊点3的坐标；
(X4，Y4)为吊点4的坐标；
FZ1为吊点1的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ2为吊点2的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ3为吊点3的三分量力传感器Z方向检测到的力；
FZ4为吊点4的三分量力传感器Z方向检测到的力；
在各吊点相对位置不变的情况下，调整各吊点位置，使得平衡力的位置与主吊点重合，即各个辅吊环在X、Y向需移动的位移为(-X0，-Y0)，则此时吊装机器人达到平衡状态。
以第一个吊点为例，第一个吊点平衡状态的标位应为(X1-X0，Y1-Y0)，该平面直角坐标系内的坐标点则对应极坐标内的坐标点为
Figure DEST_PATH_GDA0002806686530000111
控制器通过控制第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动辅吊装组件沿着第一环形导轨移动、第二伺服驱动器驱动第二伺服电机带动辅吊环沿着直线导轨移动只需将第一个吊点移送至该位置即可。
在被吊物由预起吊到完全起吊的过程中，吊装机器人可按照如上原理实现姿态的不断修正。
第一阶段预起吊，吊装机器人上的每个吊点具有极径ρ方向的移动能力，且吊点随吊装单元能够转动任意角度θ。因此，当已知吊带长度时，通过三分量力传感器获得X、Y、Z三个方向的力，即可计算得到吊带竖直状态下的理论极坐标点，进而求得极径ρ方向的移动距离和极角θ的转动角度。
第二阶段预起吊，被吊物再次进入预起吊状态，此时吊带都处于竖直状态，通过各吊点分力传感器Z方向上的力及各吊点的极坐标位置，可计算出被吊器材质心的极坐标位置。此时各吊点同时调整位置，使得质心与吊装机器人上主吊点位置重合，则整个吊装机器人处于平衡状态。直到器材完全起吊之前，机器人可按上述原理持续自动调整吊点位置。
在对器材起吊之前，操作者也可提前输入器材多吊点的距离，这时机器人可跳过求解器材吊点距离这一步，直接进入步骤(2)进行后续修正。
吊装机器人吊点具有极径ρ方向的移动能力，且吊点随极轴组件能够转动任意角度θ。可选择使用三吊点或者四吊点。任意吊点可通过极坐标定位原理到达环形导轨内的任意位置。因此该吊装机器人具有很好的适用性和通用性。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：包括骨架和至少3个吊装单元，所述吊装单元均滑动连接在骨架的底部，吊装机器人还设有驱动吊装单元沿着骨架的圆周方向移动的齿轮驱动组件；
所述吊装单元包括三分量力传感器、辅吊装组件和丝杠驱动组件，所述丝杠驱动组件用于驱动辅吊装组件沿着骨架的径向方向移动，三分量力传感器用于测量辅吊装组件的受力情况；
吊装机器人还设有控制系统，所述控制系统用于接收信号并控制电器元件的打开和关闭。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：所述吊装单元的数量为4个。
3.根据权利要求2所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：所述骨架为圆环状结构，所述骨架上设有主吊环，所述主吊环转动连接至骨架的顶部，所述主吊环位于骨架的正中心。
4.根据权利要求3所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：所述控制系统包括控制器和若干的放大器，所述三分量力传感器分别与和其相对应的放大器通过线路连接，所述放大器与控制器通过线路连接。
5.根据权利要求4所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：骨架的底部安装有第一环形导轨、第二环形导轨和直线导轨，辅吊装组件包括滑座、吊环座和辅吊环，所述直线导轨的一端与第一环形导轨滑动连接，且直线导轨的另一端与第二环形导轨滑动连接，所述滑座与直线导轨滑动连接，所述吊环座位于滑座的下方，所述三分量力传感器安装在滑座与吊环座之间，所述辅吊环转动连接至吊环座的底部。
6.根据权利要求5所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：所述骨架的底部安装有直尺内齿轮，所述齿轮驱动组件包括第一齿轮、第一伺服电机和第一伺服驱动器，所述第一伺服电机固定在所述直线导轨上，所述第一齿轮与第一伺服电机的输出轴固定连接，且第一齿轮与直尺内齿轮啮合，所述第一伺服电机与第一伺服驱动器通过线路连接，所述第一伺服驱动器与所述控制器通过线路连接。
7.根据权利要求6所述的一种自平衡式的通用吊装机器人，其特征在于：所述丝杠驱动组件包括丝杠本体、第二伺服电机和第二伺服驱动器，所述丝杠本体的两端均与所述直线导轨转动连接，所述滑座与丝杠本体螺纹连接，所述第二伺服电机安装在直线导轨的底部，所述丝杠本体的一端与第二伺服电机的输出轴固定连接，所述第二伺服电机与第二伺服驱动器通过线路连接，所述第二伺服驱动器与所述控制器通过线路连接。
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CN111267068A (zh) * 2020-03-27 2020-06-12 天津航天机电设备研究所 一种自平衡式的通用吊装机器人及使用方法
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