CN106240764A - 波浪补偿专用机器人及波浪补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海上船舶作业领域中具有波浪补偿功能的专用机器人及波浪补偿方法，小臂前端连接手腕机构后端，手腕机构前端刚性连接末端执行器驱动器，手腕机构的后端包含第一、第二驱动器，前端包含一个差动机构和两个支撑臂，中间是支撑架，支撑架与小臂前端固接，支撑架的前侧方固接一左一右布置的两个支撑臂，两个支撑臂之间是差动机构；差动机构由四个锥齿轮、一个偏转轴和两个俯仰主动轴组成，偏转轴上下垂直布置，第一、第二俯仰主动轴中心线共线、与偏转轴的中心线相垂直且一左一右对称布置在偏转轴的两侧，手腕机构具备独立的三个自由度，使得机器人获得更多的姿态，能对由风浪引起的船舶的横摇、纵摇和艏摇进行实时补偿。

Description

波浪补偿专用机器人及波浪补偿方法

技术领域

本发明涉及海上船舶作业技术领域，特别是涉及具有波浪补偿功能的专用机器人。

背景技术

船舶在海洋上的活动不同于陆地，舰船会随着海浪做不规律的起伏运动致使相对位置发生变化，如何隔离扰动即补偿由波浪引起的起伏，从而保证海洋作业的平稳安全，对人类在海洋范围内的活动具有非常重要的意义。

目前波浪补偿机器人应用主要集中在海洋平台钻采作业、海上货物起吊、离岸风力发电、潜器回收吊放、舰船间物资转运等方面。波浪补偿机器人大多采用并联平台的形式，并联机器人具有刚度大、承载力强、精度高、末端惯性小等优点。例如船上Amplemann运动补偿舷梯***，是一种基于Steward（史都华）平台的波浪补偿***，借助液压和气动装置来实现补偿，但是安装所需空间和自身质量大，运动空间较小，作业范围小且由于尺寸的原因，无法放进防腐蚀的壳体或者船体内。同时传统串联机器人的是基座固定，最大工作范围受限制。传统串联机器人手腕结构复杂、总体重量大，且后一个自由度的机构重量成为前一个自由度机构的负载，并且容易造成手腕的回转轴线不相交或产生偏距，给机器人手腕控制带来困难且集成度低。

发明内容

本发明旨在提供一种具有波浪补偿功能的串联多自由度机器人，该机器人具备波浪补偿的功能，能够实现对由风浪引起的横摇、纵摇和艏摇进行实时补偿，以保证末端不随舰船受海上风浪影响而产生晃动。本发明同时还提供该机器人的波浪补偿方法。

为达到上述目的，本发明波浪补偿专用机器人采用的技术方案是：具有小臂、手腕机构、末端执行器驱动器和末端执行机构，小臂前端连接手腕机构后端，手腕机构前端刚性连接末端执行器驱动器，末端执行器驱动器连接末端执行机构，初始位置时的手腕机构平行于舰船甲板，手腕机构前端指向船头正前方向，手腕机构的后端包含第一、第二驱动器，前端包含一个差动机构和两个支撑臂，中间是支撑架，支撑架与小臂前端固接，支撑架的中间位置固联驱动框架，第一、第二驱动器在驱动框架的左、右两侧相对布置且共同连接驱动框架，第一、第二驱动器的中心轴均左右水平布置；支撑架的前侧方固接一左一右布置的两个支撑臂，两个支撑臂之间是差动机构；差动机构由四个锥齿轮、一个偏转轴和两个俯仰主动轴组成，偏转轴上下垂直布置，第一、第二俯仰主动轴中心线共线、与偏转轴的中心线相垂直且一左一右对称布置在偏转轴的两侧，第一、第二俯仰主动轴的一端共同能转动地连接差动机构支撑块，另一端支撑在同侧对应的支撑臂上，偏转轴的中间段同轴间隙穿过差动机构支撑块的中心孔，偏转轴的上段上通过轴承同轴连接第三锥齿轮，偏转轴的下段上同轴固定连接第一锥齿轮；第一俯仰主动轴上同轴固定套装相互固接在一起的第二锥齿轮和第一带轮，第二俯仰主动轴上同轴固定套装相互固接在一起的第四锥齿轮和第三带轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮、第四锥齿轮均相啮合，第三锥齿轮与第二锥齿轮、第四锥齿轮也均相啮合；第一驱动器的输出轴同轴固定连接第四带轮，第二驱动器的输出轴同轴固定连接第二带轮，第一带轮通过第一齿形皮带连接第二带轮，第三带轮通过第二齿形皮带连接第四带轮；锥齿轮通过连接件固接末端执行器驱动器。

所述波浪补偿专用机器人的波浪补偿方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、第一、第二驱动器的转向和转速相同，第一带轮与第三带轮转向与转速相同，第一锥齿轮绕第一、第二俯仰主动轴转动，实现俯仰运动，对船舶的纵摇进行补偿；

B、第一、第二驱动器的转速相同而转向相反，第一带轮与第三带轮转速相同而转向相反，第一锥齿轮绕偏转轴转动，对船舶的横摇进行补偿；

C、第一、第二驱动器的转速不同，第一带轮与第三带轮转速不同，在俯仰和偏转两方向合成运动，对船舶的艏摇进行补偿。

本发明具有的优点是：

1、本发明波浪补偿专用机器人是具有对由风浪引起的船舶的横摇、纵摇和艏摇进行实时补偿的串联新式结构，采用传统的串联机械臂在小臂末端连接手腕机构，手腕机构末端连接机器人的末端执行器的结构，进一步增加了机器人的工作空间和灵活度，能够保持机器人末端的稳定，不受波浪运动的影响。

2、本发明波浪补偿专用机器人在舰船上执行稳定任务时，手腕机构具备独立的三个自由度，从而使得机器人末端灵活且获得更多的姿态，实现角度补偿。

3、本发明波浪补偿专用机器人的结构构简单紧凑，集成度高、总体重量轻，能对船舶的横摇、纵摇和艏摇进行大范围实时补偿，

4、本发明能够通过调节导轨实现机器人整***置调整。

附图说明

图1为本发明波浪补偿专用机器人的主视图；

图2是图1中手腕机构7的三维结构放大示意图；

图3是图2中手腕机构7结构俯视图；

图4是图3中的A-A向剖视图；

图5是图3中手腕机构7结构轴测图；

图6是图3中第一驱动器和第二驱动器及其连接部件的主视图；

图7是图6中第一驱动器的B-B向剖视放大图。

图中：1.纵向导轨组合；2.横向导轨组合；3.机械臂底座；4.大臂；5.连接臂；6.小臂；7.手腕机构；8.末端执行器驱动器；9.末端执行机构；10.第一驱动器；11.第一电机；13.第一钢轮；14.第一柔轮；15.第一谐波发生器；16.第一电机输出轴；17.第二带轮；18.第二驱动器；19.第二电机；21.第二钢轮；22.第二柔轮；23.第二谐波发生器；24.第二电机输出轴；25.第四带轮；26.驱动框架；31.第一齿形皮带；32.第二齿形皮带；33.支撑架；34、35.支撑臂；37.位置传感器；38.第一俯仰主动轴；39.第二俯仰主动轴；40.第一带轮；41.第三带轮；42.差动机构；43、44、45、46、47、48.销钉；49.第一锥齿轮；50.第二锥齿轮；51.第三锥齿轮；52.第四锥齿轮；55.偏转轴；56.差动机构支撑块；58.连接件。

具体实施方式

参见图1所示的波浪补偿专用机器人，底部是调节导轨，调节导轨由纵向导轨组合1和横向导轨组合2组成，下方是纵向导轨组合1、上方是横向导轨2，调节导轨通过下方的纵向导轨组合1用螺栓固接在舰船甲板上。在调节导轨的上端是机械臂，机械臂主要由机械臂底座3、大臂4、连接臂5、小臂6组成。机械臂底座3通过螺栓固定在调节导轨上，使机械臂整体通过机械臂底座3实现与调节导轨的连接。在机械臂底座3中心处安装位姿传感器，检测机器人随舰船受风浪影响而产生的横摇、纵摇以及升沉量，为机器人的控制提供数据。大臂4的下端可旋转连接机械臂底座3，连接臂5下端可旋转连接大臂4的上端，小臂6的后端可旋转连接连接臂5上端，小臂6的前端连接手腕机构7的后端，手腕机构7的后端安装在小臂6的前端的壳体内，手腕机构7的后端与小臂6前端通过螺栓刚性连接。手腕机构7的前端通过螺钉刚性连接末端执行器驱动器8，末端执行器驱动器8连接末端执行机构9。在初始位置时，手腕机构7平行于舰船甲板，手腕机构7的前端指向舰船的船头正前方向。

建立如图1所示的空间直角坐标系，初始位置时，手腕机构7的前端水平中心线指向船头正前方向，以手腕机构7的水平中心线为z轴，z轴正向指向船头的正前方向，以垂直于舰船甲板的方向为y轴方向，y轴正向垂直垂直于甲板向上，在空间上，与y轴、z轴正交方向为x轴方向，x轴方向是舰船的左右方向。

如图2和图3所示的手腕机构7的结构，手腕机构7的后端包含第一驱动器10和第二驱动器18、中间是支撑架33、前端包含一个差动机构42和两个支撑臂34、35。位置传感器37通过螺栓固接在支撑臂35上，以检测手腕机构7的位置。其中，支撑架33通过螺栓与机械臂小臂6前端进行固接。支撑架33的后侧方有驱动框架26、第一驱动器10和第二驱动器18。驱动框架26通过螺栓固联固定连接于支撑架33的中间位置，第一驱动器10和第二驱动器18在驱动框架26的左右两侧相对布置，共同连接在驱动框架26上，第一驱动器10在驱动框架26的右侧，第二驱动器18在驱动框架26的左侧，第一驱动器10和第二驱动器18的中心轴均左右水平布置。第一驱动器10、第二驱动器18和驱动框架26均位于小臂6前端的壳体内部。在支撑架33的前侧方有两个支撑臂34、35，两个支撑臂34、35一左一右固定焊接在支撑架33上，在两个支撑臂34、35之间是一个差动机构42。

如图3、图4和图5所示，差动机构42由四个锥齿轮、一个偏转轴55和两个俯仰主动轴组成。其中，四个锥齿轮分别是第一锥齿轮49、第二锥齿轮50、第三锥齿轮51以及第四锥齿轮52，两个俯仰主动轴分别是第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39。偏转轴55上下垂直布置，即偏转轴55的中心线沿Y轴方向布置，第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39一左一右对称地布置在偏转轴55的左右两侧，并且第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39的中心线与偏转轴55的中心线相垂直，即两个俯仰主动轴的中心线均沿X轴方向布置，并且两个俯仰主动轴的中心线共线。第一俯仰主动轴38的右端和第二俯仰主动轴39的左端共同可转动地活动连接一个差动机构支撑块56，另一端支撑在同侧的对应的支撑臂34或支撑臂35上。偏转轴55的中间段同轴有间隙地穿过差动机构支撑块56的中心孔，在偏转轴55的上段上通过轴承同轴连接第三锥齿轮51，在偏转轴55的下段上同轴固定套装第一锥齿轮49，并且偏转轴55通过销钉43和销钉44与第一锥齿轮49固接在一起。在每个俯仰主动轴上各同轴固定套装有一个锥齿轮和一个带轮，具体是在第一俯仰主动轴38上同轴固定套装第二锥齿轮50和第一带轮40，在第二俯仰主动轴39上同轴固定套装第四锥齿轮52和第三带轮41。并且，第一带轮40通过销钉45和销钉46与第二锥齿轮50固接在一起，第三带轮41通过销钉47和销钉48与第四锥齿轮52固接在一起。第一锥齿轮49与左右侧的第二锥齿轮50和第四锥齿轮52相啮合，第三锥齿轮51与左右侧的第二锥齿轮50和第四锥齿轮52也相啮合。

第一驱动器10的输出轴同轴固定连接第四带轮25， 第二驱动器18的输出轴同轴固定连接第二带轮17，第一驱动器10和第二驱动器18为腕部机构7提供动力。左侧的第一带轮40通过左侧的第一齿形皮带31连接左侧的第二带轮17，第二驱动器18经第二带轮17、第一齿形皮带31、第一带轮40驱动第一俯仰主动轴38转动。右侧的第三带轮41通过右侧的第二齿形皮带32连接右侧的第四带轮25，第一驱动器10经第四带轮25、第二齿形皮带32、第三带轮41驱动第二俯仰主动轴39转动。

锥齿轮49通过螺栓固接连接件58后端，末端执行器驱动器8通过螺栓固接在连接件58前端，由锥齿轮49带动末端执行器驱动器8转动，末端执行器9固定焊接在末端执行器驱动器8上。末端执行驱动器8工作时，可以使末端执行器9绕z轴转动。由此，在手腕机构7和末端执行器驱动器8的共同作用下，驱动末端执行机构9沿x、y、z轴三个轴的转动。

第一带轮40、第二带轮17、第三带轮41和第四带轮25均为同步带轮，当第一带轮40与第三带轮41转向与转速相同时，在分别与第一带轮40与第三带轮41固定连接的第二锥齿轮50和第四锥齿轮52的作用下，使与第二锥齿轮50和第四锥齿轮52相啮合的第一锥齿轮49绕第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39转动，即绕x轴转动，实现手腕的俯仰运动。当第一带轮40与第三带轮41转速相同而转向相反时，在第二锥齿轮50和第四锥齿轮52的作用下，第一锥齿轮49绕偏转轴55转动，即绕y轴转动，实现手腕的偏转运动。当第一带轮40与第三带轮41转速不同时，形成手腕在俯仰和偏转两方向的合成运动。

第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39的中心线在X轴方向上、偏转轴55的中心线在Y轴方向上，末端执行器驱动器8的中心线在Z轴方向上，三条在中心线空间内相互垂直且相交于一点，该相交点也是X轴、Y轴和Z轴相交的原点。

如图6和图3所示，第一驱动器10是由第一电机11和第一谐波减速器组成，其中的第一谐波减速器由第一钢轮13、第一柔轮14以及第一谐波发生器15组成；同理第二驱动器18是由第二电机19和第二谐波减速器组成的，其中的第二谐波减速器由第二钢轮21、第二柔轮22以及第二谐波发生器23组成；第一电机11、第二电机19的壳体与驱动框架26通过螺栓固接，第一电机11和第二电机19采用微型直流无刷盘式电机。第一钢轮13和第二钢轮21均固定在驱动框架26上。第一电机11的第一电机输出轴16即第一驱动器10的输出轴，在第一电机输出轴16上固装有第一谐波发生器15，第一柔轮14同轴套装在第一谐波发生器15上，第一钢轮13同轴套装在第一柔轮14上；第二电机19的第二电机输出轴24即第二驱动器18的输出轴，第二电机输出轴24上固装有第二谐波发生器23，第二柔轮22同轴套装在第二谐波发生器23上，第二钢轮21同轴套装在第二柔轮22上。第一电机输出轴16指向x轴正方向，第二电机输出轴24指向x轴负方向。

如图7的第一驱动器10的结构，第一电机11通过螺栓固接在驱动框架26上，第一电机输出轴16上固装有第一谐波发生器15，第一柔轮14同轴套装在第一谐波发生器15外，第一钢轮13套装在第一柔轮14上，第一钢轮13同时也固接在驱动框架26上。第一电机输出轴16带动第一谐波发生器15转动，第一柔轮14与第二带轮17一同输出转动。

当船舶在海上行驶时，通过位姿传感器测量船舶的横摇、纵摇和艏摇运动参数并实时传输给运动控制器，运动控制器根据波浪补偿值的反解算法计算出横摇、纵摇及艏摇的补偿值，将算出的波浪补偿值由数字信号经数/模转换器转换成模拟信号，模拟信号经伺服放大器后传输给关节的运动控制器，运动控制器根据处理后的模拟信号控制各个电机的运动，实现对船舶横摇、纵摇和艏摇的实时补偿，保证末端稳定。由于风浪的作用会引起船舶的横摇、纵摇和艏摇。横摇即为绕z轴的转动，纵摇即为绕x轴的转动，艏摇即为绕x轴和z轴的合成摇摆。为了对船舶的横摇、纵摇和艏摇进行一定的补偿，需要对电机进行不同的设置。由于第二带轮17固接在第一电机输出轴16上，通过第一齿形皮带31与第一带轮40传动连接，第一带轮40固接在第一俯仰主动轴38上，通过第一齿形皮带31传递动力。第四带轮41固接在第二电机输出轴24上，通过第二齿形皮带32与第三带轮41传动连接；第三带轮41固接在第二俯仰主动轴39上，通过第二齿形皮带32传递动力。当第一电机输出轴16和第二电机输出轴24转向和转速相同，即第一带轮40与第三带轮41转向与转速相同时，第一锥齿轮49绕第一俯仰主动轴38和第二俯仰主动轴39转动，实现手腕的俯仰运动，即绕x轴转动，对船舶的纵摇进行补偿。当第一电机输出轴16和第二电机输出轴24转速相同而转向相反，第一带轮40与第三带轮41转速相同而转向相反，即第一齿形皮带31与第二齿形皮带32转速相同而转向相反时，第一锥齿轮49绕偏转轴55转动，实现手腕的偏转运动即绕y轴转动。当末端执行器驱动器8工作时，带动末端执行器9一起绕z轴转动，实现对船舶横摇的补偿。当第一电机输出轴16和第二电机输出轴24转速不同时，即第一带轮40与第三带轮41转速不同时，形成手腕在俯仰和偏转两方向的合成运动，即对船舶的艏摇进行补偿。为了使本发明机械人在甲板上有更大的工作空间，可以使用调节导轨的纵向导轨组合1和调节导轨的横向导轨组合2使机械手在甲板上移动。

Claims (5)

1.一种波浪补偿专用机器人，具有小臂（6）、手腕机构（7）、末端执行器驱动器（8）和末端执行机构（9），小臂（6）前端连接手腕机构（7）后端，手腕机构（7）前端刚性连接末端执行器驱动器（8），末端执行器驱动器（8）连接末端执行机构（9），初始位置时的手腕机构（7）平行于舰船甲板，手腕机构（7）前端指向船头正前方向，其特征是：手腕机构（7）的后端包含第一、第二驱动器（10、18），前端包含一个差动机构（42）和两个支撑臂（34、35），中间是支撑架（33），支撑架（33）与小臂（6）前端固接，支撑架（33）的中间位置固联驱动框架（26），第一、第二驱动器（10、18）在驱动框架（26）的左、右两侧相对布置且共同连接驱动框架（26），第一、第二驱动器（10、18）的中心轴均左右水平布置；支撑架（33）的前侧方固接一左一右布置的两个支撑臂（34、35），两个支撑臂（34、35）之间是差动机构（42）；差动机构（42）由四个锥齿轮、一个偏转轴（55）和两个俯仰主动轴组成，偏转轴（55）上下垂直布置，第一、第二俯仰主动轴（38、39）中心线共线、与偏转轴（55）的中心线相垂直且一左一右对称布置在偏转轴（55）的两侧，第一、第二俯仰主动轴（38、39）的一端共同能转动地连接差动机构支撑块（56），另一端支撑在同侧对应的支撑臂（34、35）上，偏转轴（55）的中间段同轴间隙穿过差动机构支撑块（56）的中心孔，偏转轴（55）的上段上通过轴承同轴连接第三锥齿轮（51），偏转轴（55）的下段上同轴固定连接第一锥齿轮（49）；第一俯仰主动轴（38）上同轴固定套装相互固接在一起的第二锥齿轮（50）和第一带轮（40），第二俯仰主动轴（39）上同轴固定套装相互固接在一起的第四锥齿轮（52）和第三带轮（41），第一锥齿轮（49）与第二锥齿轮（50）、第四锥齿轮（52）均相啮合，第三锥齿轮（51）与第二锥齿轮（50）、第四锥齿轮（52）也均相啮合；第一驱动器（10）的输出轴同轴固定连接第四带轮（25）， 第二驱动器（18）的输出轴同轴固定连接第二带轮（17），第一带轮（40）通过第一齿形皮带（31）连接第二带轮（17），第三带轮（41）通过第二齿形皮带（32）连接第四带轮（25）；锥齿轮（49）通过连接件（58）固接末端执行器驱动器（8）。

2.根据权利要求1所述波浪补偿专用机器人，其特征是：第一、第二驱动器（10、18）分别各由电机、钢轮、柔轮以及谐波发生器组成，两个钢轮均固定在驱动框架（26）上，第一电机输出轴（16）即第一驱动器（10）的输出轴，其上固装有第一谐波发生器（15），第一柔轮（14）同轴套装在第一谐波发生器（15）上，第一钢轮（13）同轴套装在第一柔轮（14）上；第二电机输出轴（24）即第二驱动器（18）的输出轴，其上固装有第二谐波发生器（23），第二柔轮（22）同轴套装在第二谐波发生器（23）上，第二钢轮（21）同轴套装在第二柔轮（22）上。

3.根据权利要求1所述波浪补偿专用机器人，其特征是：小臂（6）的后端可旋转连接连接臂（5）上端，连接臂（5）下端可旋转连接大臂（4）的上端，大臂（4）的下端可旋转连接机械臂底座（3），机械臂底座（3）固定连接固接在舰船甲板上的调节导轨。

4.根据权利要求1所述波浪补偿专用机器人，其特征是：第一带轮（40）、第二带轮（17）、第三带轮（41）和第四带轮（25）均为同步带轮。

5.一种权利要求1所述波浪补偿专用机器人的波浪补偿方法，其特征包括以下步骤：

A、第一、第二驱动器（10、18）的转向和转速相同，第一带轮（40）与第三带轮（41）转向与转速相同，第一锥齿轮（49）绕第一、第二俯仰主动轴（38、39）转动，实现俯仰运动，对船舶的纵摇进行补偿；

B、第一、第二驱动器（10、18）的转速相同而转向相反，第一带轮（40）与第三带轮（41）转速相同而转向相反，第一锥齿轮（49）绕偏转轴（55）转动，对船舶的横摇进行补偿；

C、第一、第二驱动器（10、18）的转速不同，第一带轮（40）与第三带轮（41）转速不同，在俯仰和偏转两方向合成运动，对船舶的艏摇进行补偿。