CN102114632B - 一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人 - Google Patents

Abstract

一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，它是由机器人本体机架(1)、驱动模块(2)、柔绳(3)、动平台(4)、换向装置(5)和输出装置(6)组成；驱动模块(2)通过其驱动模块底板(14)固定在本体机架(1)的下端；换向装置(5)通过其换向装置底板(24)固定在本体机架(1)的下端；输出装置(6)通过其输出模块底板(32)固定在本体机架(1)上；动平台(4)通过柔绳(3)、换向装置(5)、输出装置(6)和驱动模块(2)的绕线轮(11)连接；本发明中将驱动模块和绳索与静平台的连接点分离，机器人能够根据任务需求快速地进行构型重构，具有良好的适应性。它在机器人技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人

一、技术领域：

本发明涉及绳驱动并联机器人机构，具体地说是涉及一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，属于机器人技术领域。

二、技术背景：

绳驱动并联机器人具有结构简单、工作空间大和运动速度快等优点，在触觉交互、飞行器风洞试验等领域中得到广泛应用。绳驱动并联机器人一般由静平台、末端执行器、驱动模块及柔绳几部分组成。柔绳是在静平台和末端执行器之间的通过铰链点连接，这些铰链点类似于球副。

实际运用中，绳驱动并联机构的柔绳必须规则的缠绕在线轮上，在断电的情况下，柔绳需保持张紧的状态，以避免柔绳从线轮上脱落的情况。在不同的任务下，机器人的构型及操作末端执行器可能需要更改，如何能快速的实现机器人构型的更改和末端执行器(操作工具)的更换也是需要解决的问题。

三、发明内容：

1、目的：本发明的目的是解决技术背景中提及的绳驱动并联机器人存在的问题，提供一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，它能够实现快速的构型变换和工具更换，满足不同的任务需求。驱动模块能够保证柔绳在线轮上有序的缠绕，同时在断电时不会出现柔绳松弛的情况。驱动模块采用模块化设计，便于加工制作；柔绳与机架的连接点与驱动模块分离，使构型更换方便快捷。

2、技术方案：本发明一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，其特征在于：它是由机器人本体机架1、驱动模块2、柔绳3、动平台4、换向装置5和输出装置6组成；其之间的位置连接关系是：驱动模块2通过其驱动模块底板14固定在本体机架1的下端；换向装置5通过其换向装置底板24固定在本体机架1的下端；输出装置6通过其输出模块底板32固定在本体机架1上；动平台4通过柔绳3、换向装置5、输出装置6和驱动模块2的绕线轮11连接。

所述本体机架1，是由型材17相互连接而组成的立体方形金属框架。

所述驱动模块2，是由编码器7、法兰8、电机9、电机支撑架10、绕线轮11、制动器支撑架12、制动器13和驱动模块底板14构成；其之间的位置连接关系是：编码器7通过法兰8与电机9尾部连接；绕线轮11的一端与电机9的输出轴连接，另一端与制动器13连接；电机9固定于电机支撑架10上，制动器13固定于制动器支撑架12上，电机支撑架10和制动器支撑架12与驱动模块底板14垂直固结。该编码器7用于获取线轮当前时刻的转速，同时获取线轮当前时刻的位置，用于计算实时绳长；该法兰8是中间带孔的圆形件；该电机支撑架10是带有固定电机小孔的矩形板料；该绕线轮11是其上设置有螺纹槽的圆柱形件，使柔绳3规则的缠绕于绕线轮11上；该制动器13在通电时松开，断电时抱紧，使绕线轮11在断电的情况下不转动，进而柔绳3仍紧密缠绕在绕线轮11上，不会出现松弛脱落的情况。该驱动模块底板14是带有固定小孔的矩形板料；驱动模块2通过T型螺栓16及法兰螺母15固定在机器人本体机架1的型材17上。

所述柔绳3是直径0.8mm的钢丝绳。

所述动平台4，见图10，它包括：一动平台基座37，是下部呈方形上部呈圆柱形件，其上加工有半圆形限位孔37-1及开口槽37-2和螺纹孔，用于固定末端执行器33；4根柔绳连接杆36一端通过螺纹与动平台基座37连接，另一端通过螺纹连接一个柔绳连接帽35，柔绳连接帽35上开有小孔，柔绳一端可穿入孔中固定；两个强磁铁34分别置于锁紧扣38及动平台基座37上，用于固定锁紧扣38；该锁紧扣38是半圆环件；该末端执行器33是能够单手握持的L型手柄。

所述换向装置5，见图4，它是由由螺母18、滑轮20、套筒21、滑轮可调基座19、支撑螺栓22、螺母18、换向滑轮支撑架23、换向装置底板24构成。其之间的位置连接关系是：换向滑轮支撑架23与换向装置底板24垂直固定；滑轮可调基座19通过连接件固定在换向滑轮支撑架23上，滑轮20安装在滑轮可调基座19的两立板之间，套筒21放置在滑轮一侧，支撑螺栓22穿过套筒21及滑轮20后，用螺母18紧固。该滑轮20是圆周开有凹槽的圆柱形件；该套筒21是中间开孔的圆柱形件；该滑轮可调基座19的底板是中间设有圆孔，两边开有圆弧槽的弧形件，通过调整安装时的位置，可以获得满足设计需求的滑轮槽的朝向。该支撑螺栓22和螺母18是按需选购的市购标准件；该换向滑轮支撑架23是其上设置圆孔及固定螺纹孔的矩形板料，其两侧都可安装滑轮20，柔绳3可穿过滑轮可调基座19中心的孔至另一侧；该换向装置底板24是其上设置有固定孔的矩形板料。

所述输出装置6，见图5，它是由滑轮20、套筒21、支撑螺栓22、换向滑轮支撑架23、定位端盖25、轴承端盖26、轴承27、T型支撑架28、输出模块支撑架29、滑轮支撑柱30、滑轮随动基座31和输出模块底板32组成，其之间的位置连接关系是：输出模块支撑架29与输出模块底板32垂直固定连接；输出模块支撑架29的孔与轴承27外圈配合，通过轴承端盖26固定；滑轮随动基座31与轴承内圈配合，通过定位端盖25固定，滑轮20-3安装在滑轮随动基座31的两立板之间，套筒21放置在滑轮一侧，支撑螺栓22穿过套筒21及滑轮20-3后，用螺母18紧固；T型支撑架28通过螺钉直接固定于输出模块底板32两侧，其上通过螺钉固定有滑轮20-4。该滑轮20是圆周开有凹槽的圆柱形件；该套筒21是中间开孔的圆柱形件；该支撑螺栓22和螺母18是按需选购的市购标准件；该换向滑轮支撑架23是其上设置圆孔及固定螺纹孔的矩形板料；该定位端盖25是其上设置有孔的圆形板料；该轴承端盖26是其上设置有孔并带有凸台的圆环形件；该轴承27是型号为61903的市购标准件；该T型支撑架28是其上设置有孔的T形件；该输出模块支撑架29是其上设置有圆孔及固定螺纹孔的矩形板料；该滑轮支撑柱30是中间开孔的圆柱形件；该滑轮随动基座31一端带有用于固定滑落的立板支撑，一端为与轴承27内径配合的轴；输出模块底板32是其上设置有固定孔的矩形板料。

其中，该编码器7是欧姆龙的E6B2相对编码器；

其中，该电机9是maxon公司的370355型电机；

其中，该制动器13是台湾仟岱的ALS0S2AW型制动器；

其中，该强磁铁34是直径3mm，高2mm的圆柱形钕铁硼磁铁；

其中，该轴承27是型号为61903的标准轴承。

3、优点及功效：

(1).相对连杆式并联机构，绳驱动并联机构成本低廉。设备能够满足大工作空间的任务要求，同时可以根据需求改变柔绳长度及机构构型，满足不同的任务要求，具有良好的适应性。

(2).机器人的驱动模块能够实现柔绳在绕线轮上的规则缠绕。在工作状态时，利用电机自身张力张紧柔绳；在断电情况下，通过制动器限制绕线轮转动，保证柔绳处于掉电前一时刻的张紧状态，不会造成柔绳从线轮槽中脱落。

(3).机器人的驱动模块较为笨重，不便于安装在机器人顶部，且更换驱动模块在机器人上的位置时需重新布置电源线及数据线，较为麻烦。本设计将驱动模块和绳与机架的连接点分离，在更改设备构型时，只需改变柔绳换向装置和输出装置的安装位置，而不需要重新安装驱动模块。

(4).当动平台运动时，输出装置能够随着柔绳方向的改变而旋转滑轮基座，从而保证柔绳方向与滑轮槽的切线方向保持一致，从而避免柔绳从轮槽中脱落的情况。

(5).具有工具接口，可以根据不同的任务需求方便快捷的更换末端执行器。

四、附图说明：

图1是机器人总装示意图；

图2是机器人驱动模块结构示意图；

图3是驱动模块与本体框架的装配示意图；

图4是换向装置***图；

图5是输出装置***图；

图6柔绳通过输出装置示意图；

图7柔绳通过输出装置(图6)侧视图；

图8是实现改变柔绳方向的示意图；

图9是绕线轮和换向装置安装关系示意图；

图10是机器人动平台的***图；

图11是机器人动平台的工具接口示意图；

图12是改变换向装置的位置得到新的构型示意图；

图中标号说明如下：

1.本体机架，2.驱动模块，3.柔绳，4.动平台，5.换向装置，6.输出装置，7.编码器，8.法兰，9.电机，10.电机支撑架，11.绕线轮，12.制动器支撑架，13.制动器，14.驱动模块底板，15.法兰螺母，16.T型螺栓，17.型材，18.螺母，19.滑轮可调基座，20-(1，2，3，4).滑轮，21.套筒，22.支撑螺栓，23.换向滑轮支撑架，24.换向装置底板，25.定位端盖，26.轴承端盖，27.轴承，28.T型支撑架，29.输出模块支撑架，30.滑轮支撑柱，31.滑轮随动基座，32.输出模块底板，33.末端执行器，33-1.限位面，33-2.限位槽，34.强磁铁，35.柔绳连接帽，36.柔绳连接杆，37.动平台基座，37-1.限位孔，37-2.开口槽，38.锁紧扣，39.定位螺栓。

五、具体实施方式：

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明。

本发明一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，它是由机器人本体机架1、驱动模块2、柔绳3、动平台4、换向装置5和输出装置6组成；其之间的位置连接关系是：驱动模块2通过其驱动模块底板14固定在本体机架1的下端；换向装置5通过其换向装置底板24固定在本体机架1的下端；输出装置6通过其输出模块底板32固定在本体机架1上；动平台4通过柔绳3、换向装置5、输出装置6和驱动模块2的绕线轮11连接。

参见图1，在机器人本体机架(1)底部安放了8台驱动模块2，每台驱动模块引出一根柔绳3，驱动模块通过与电脑连接的控制器控制，实现对绳上张力和收放绳的控制；柔绳通过1个或多个换向装置5最终与动平台4相连接。通过改变幻想装置的位置可以得到不同的构型，同时通过选择1～8个驱动模块可以实现1～6个自由度。

参见图2，机器人的驱动模块2中，电机支撑架10支撑电机9，制动器支撑架12支撑制动器13，同时通过制动器支撑架12中轴承和电机(8)支撑起绕线轮11。驱动力通过电机9直接传递给绕线轮11，使其转动工作，中间无减速环节，减少了不必要的摩擦。绕线轮11上有螺纹槽用以保证柔绳(3)能规则的缠绕在绕线轮上。制动器13在掉电时抱死，阻止绕线轮转动，避免柔绳3松弛而导致的柔绳从绕线轮上脱落。驱动模块通过T型螺栓16和法兰螺母15与机架1的型材17相连接，(如图3所示)

参见图4，这是机器人的柔绳换向装置的***图。滑轮20-1通过支撑螺栓22和螺母18固定在滑轮可调基座19上；通过螺钉将滑轮可调基座与换向滑轮支撑架23连接，在滑轮可调基座19上开有圆弧槽，用于实现滑轮可调基座的旋转，从而改变带动滑轮槽的朝向；滑轮支撑架23两侧可分别安装滑轮以适应不同的需求；换向装置同驱动模块一样通过T型螺栓和法兰螺母与型材相连接。

参见图5，这是机器人的柔绳输出装置的***图。滑轮20-3通过支撑螺栓22和螺母18固定在滑轮随动基座31上；滑轮随动基座31后端轴与轴承27内圈配合，通过定位端盖25将两者固定；轴承与输出模块支撑架29的孔配合，通过轴承端盖26将两者固定；滑轮支撑柱30用于垫高辅助滑轮20-2，使滑轮随动基座31的轴线能相切与辅助滑轮20-2的槽底圆先切；T型支撑架28用于支撑辅助滑轮20-4；输出模块能够实现滑轮随动基座31随柔绳的方向变化而转动，保证滑轮20-3的滑轮槽的方向和柔绳的方向基本一致，避免柔绳与滑轮槽切线方向夹角过大导致的柔绳脱出。图6是柔绳通过输出装置示意图，输出装置同样通过T型螺栓和法兰螺母与型材相连接。

图8所示为柔绳换向的实现过程，通过换向装置改变柔绳的方向，在通过输出装置的改变柔绳的方向即与需求方向相同，柔绳能够带动。同时在安装换向装置时需满足一些基本条件，如图9所示，需保证θ＜5°，当夹角θ过大时柔绳会从螺纹槽中脱落出来，从而柔绳不能规则的缠绕在绕线轮上。

参见图10，这是机器人的动平台结构图。柔绳连接帽35用于和柔绳连接，通过螺纹与柔绳连接杆36连接，同样柔绳连接杆36通过螺纹与动平台基座37连接，柔绳连接杆中端采用碳纤维材料，能有效减轻重量。锁紧扣38通过定位螺栓21与动平台连接，能够实现绕定位螺栓39的转动。通过末端执行器33的限位面33-1与动平台基座37上限位孔37-1的平面配合，限制末端执行器绕图10中虚线的转动；另外通过锁紧扣与限位槽33-1的配合限制末端执行器沿虚线的移动。分别在动平台基座37的开口槽37-2中及锁紧扣38中嵌入强磁铁34，当锁紧扣锁紧时强磁铁吸附，固定锁紧扣，当人作用在锁紧扣上的外力足够大时，即可解锁。在针对不同任务可以方便更换末端执行器。

参见图12，通过改变换向装置的位置可以实现设备的构型的变化，由于绳与机架本体的连接点位置同驱动模分离开来，在改变构型过程中驱动模块的位置不必更改，避免了驱动模块整体移动时的繁琐操作。图1中的设备构型为3-3-1-1，通过简单的变化即可更改为2-2-2-2，不同的构型具有不同的性质，根据任务需求可以快速的实现机构构型的重置。

Claims (1)

1.一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人，其特征在于：它是由机器人本体机架(1)、驱动模块(2)、柔绳(3)、动平台(4)、换向装置(5)和输出装置(6)组成；驱动模块(2)通过其驱动模块底板(14)固定在本体机架(1)的下端；换向装置(5)通过其换向装置底板(24)固定在本体机架(1)的下端；输出装置(6)通过其输出模块底板(32)固定在本体机架(1)上；动平台(4)通过柔绳(3)、换向装置(5)、输出装置(6)和驱动模块(2)的绕线轮(11)连接；

所述本体机架(1)，是由型材(17)相互连接而组成的立体方形金属框架；

所述驱动模块(2)，是由编码器(7)、法兰(8)、电机(9)、电机支撑架(10)、绕线轮(11)、制动器支撑架(12)、制动器(13)和驱动模块底板(14)构成；编码器(7)通过法兰(8)与电机(9)尾部连接；绕线轮(11)的一端与电机(9)的输出轴连接，另一端与制动器(13)连接；电机(9)固定于电机支撑架(10)上，制动器(13)固定于制动器支撑架(12)上，电机支撑架(10)和制动器支撑架(12)与驱动模块底板(14)垂直固结；该编码器(7)用于获取线轮当前时刻的转速，同时获取线轮当前时刻的位置并用于计算实时绳长；该法兰(8)是中间带孔的圆形件；该电机支撑架(10)是带有固定电机小孔的矩形板料；该绕线轮(11)是其上设置有螺纹槽的圆柱形件，使柔绳(3)规则的缠绕于绕线轮(11)上；该制动器(13)在通电时松开，断电时抱紧，使绕线轮(11)在断电的情况下不转动，进而柔绳(3)仍紧密缠绕在绕线轮(11)上，不会出现松弛脱落的情况；该驱动模块底板(14)是带有固定小孔的矩形板料；驱动模块(2)通过T型螺栓(16)及法兰螺母(15)固定在机器人本体机架(1)的型材(17)上；

所述动平台(4)，它包括：一动平台基座(37)，是下部呈方形上部呈圆柱形件，其上加工有半圆形限位孔(37-1)及开口槽(37-2)和螺纹孔，用于固定末端执行器(33)；4根柔绳连接杆(36)一端通过螺纹与动平台基座(37)连接，另一端通过螺纹连接一个柔绳连接帽(35)，柔绳连接帽(35)上开有小孔，柔绳一端穿入孔中固定；两个强磁铁(34)分别置于锁紧扣(38)及动平台基座(37)上，用于固定锁紧扣(38)；该锁紧扣(38)是半圆环件；该末端执行器(33)是能够单手握持的L型手柄；

所述换向装置(5)，它是由螺母(18)、第一滑轮(20-1)、套筒(21)、滑轮可调基座(19)、支撑螺栓(22)、换向滑轮支撑架(23)和换向装置底板(24)构成；换向滑轮支撑架(23)与换向装置底板(24)垂直固定；滑轮可调基座(19)通过连接件固定在换向滑轮支撑架(23)上，第一滑轮(20-1)安装在滑轮可调基座(19)的两立板之间，套筒(21)放置在滑轮一侧，支撑螺栓(22)穿过套筒(21)及第一滑轮(20-1)后，用螺母(18)紧固；该第一滑轮(20-1)是圆周开有凹槽的圆柱形件；该套筒(21)是中间开孔的圆柱形件；该滑轮可调基座(19)的底板是中间设有圆孔，两边开有圆弧槽的弧形件，通过调整安装时的位置，获得满足设计需求的滑轮槽的朝向；该换向滑轮支撑架(23)是其上设置圆孔及固定螺纹孔的矩形板料，其两侧都安装第一滑轮(20-1)，柔绳(3)穿过滑轮可调基座(19)中心的孔至另一侧；该换向装置底板(24)是其上设置有固定孔的矩形板料；

所述输出装置(6)，它是由第二滑轮(20-2)、第三滑轮(20-3)、第四滑轮(20-4)、套筒(21)、支撑螺栓(22)、换向滑轮支撑架(23)、定位端盖(25)、轴承端盖(26)、轴承(27)、T型支撑架(28)、输出模块支撑架(29)、滑轮支撑柱(30)、滑轮随动基座(31)和输出模块底板(32)组成，输出模块支撑架(29)与输出模块底板(32)垂直固定连接；输出模块支撑架(29)的孔与轴承(27)外圈配合，通过轴承端盖(26)固定；滑轮随动基座(31)与轴承内圈配合，通过定位端盖(25)固定，第三滑轮(20-3)安装在滑轮随动基座(31)的两立板之间，套筒(21)放置在滑轮一侧，支撑螺栓(22)穿过套筒(21)及第三滑轮(20-3)后，用螺母(18)紧固；T型支撑架(28)通过螺钉直接固定于输出模块底板(32)两侧，其上通过螺钉固定有第四滑轮(20-4)；该第二滑轮(20-2)、第三滑轮(20-3)及第四滑轮(20-4)都是圆周开有凹槽的圆柱形件；该套筒(21)是中间开孔的圆柱形件；该换向滑轮支撑架(23)是其上设置圆孔及固定螺纹孔的矩形板料；该定位端盖(25)是其上设置有孔的圆形板料；该轴承端盖(26)是其上设置有孔并带有凸台的圆环形件；该T型支撑架(28)是其上设置有孔的T形件；该输出模块支撑架(29)是其上设置有圆孔及固定螺纹孔的矩形板料；该滑轮支撑柱(30)是中间开孔的圆柱形件；滑轮支撑柱(30)用于垫高第二滑轮(20-2)，使滑轮随动基座(31)的轴线能与第二滑轮(20-2)的槽底圆相切；该滑轮随动基座(31)一端带有用于固定滑落的立板支撑，一端为与轴承(27)内径配合的轴；输出模块底板(32)是其上设置有固定孔的矩形板料。

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