CN110815170A - 一种基于并联柔索机构的重载吊装机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进制造与自动化领域，具体地说是一种基于并联柔索机构的重载吊装机器人，包括上平台、下平台和六根柔索，上平台为固定平台，下平台为运动平台，上平台和下平台以六根柔索相连构成Stewart型并联机构；每分支柔索通过定滑轮与电机卷筒与上平台相连，通过十字铰链与下平台相连；每分支的滑轮轴上安装编码器，可测量柔索长度变化；当上、下平台中心在同一铅垂线上且机器人动平台自然下垂平衡时，上平台滑轮中心点圆周半径和下平台的连接点圆周半径之间满足重力面条件，且各分支滑轮与转轴垂直的滑轮中心面与对应的重力面共面。本发明充分考虑了重载自动化作业的实际应用条件，具有负载能力强、作业精度高、可实现六维运动及构型合理优化等优点。
Description
技术领域
本发明属于先进制造与自动化领域，具体地说是一种基于并联柔索机构的重载吊装机器人。
背景技术
并联柔索机构是并联机构的一种，以柔索代替传统并联机构的连杆，从而产生一种新的机器人机构形式。不同于并联连杆机构，并联柔索机构因分支采用柔索而结构简单，无法如前者一样衍生出繁多的拓扑构型。但也正因为柔索分支的引入，使其有可能实现更大的载荷能力或者更高的运动速度。同时，也由于结构简单，使其更易于实施，可靠性更高，从而更有利于工业应用。目前，已经有人尝试将并联柔索机构应用于风洞试验、码头装运、废墟搜救、建筑搬运等领域。
随着制造技术的不断发展，对制造过程的自动化需求越来越迫切。在飞机、高铁等大型产品的装配生产过程中，对自动化作业提出了越来越多的需求，要求实现大型重载装配体工位间自动转运，减少人工参与，从而提高生产效率、产品一致性和生产过程安全性。传统的龙门吊车必须由人工操作，无法实现自动化作业；同时对装配体的定位、调姿困难，效率低下，成为制约装配生产自动化的瓶颈。
发明内容
针对大型装备产品自动化装配过程中，对重载自动化吊装设备的需求，本发明的目的在于提供一种基于并联柔索机构的重载吊装机器人。该重载吊装机器人采用并联柔索机构，通过六根柔索不仅能起吊重载，还能够调整被吊物体的位置和姿态，完成转移工位、对接及落成等作业任务；同时，还可通过机器人编程将吊装机器人集成于装配线总控制***中，实现装配生产过程的全自动化。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括作为固定平台的上平台、作为运动平台的下平台及六根柔索，该六根柔索分别连接于所述上平台与下平台之间、构成Stewart型并联机构；每根所述柔索的上端通过安装在上平台上的定滑轮绕在由电机驱动旋转的卷筒上，每根所述柔索的下端与下平台上安装的十字铰链相连；
其中：所述上平台上分别安装有六个定滑轮及六个电机，每个电机的输出端均连接有卷筒，所述下平台上安装有六个十字铰链，每根所述柔索的上端由上平台上的一个定滑轮绕过、卷绕在一个所述卷筒上，每根所述柔索的下端连接于一个十字铰链上；
所述定滑轮的轮轴上安装有用于测量柔索长度变化的编码器；
每根所述柔索的轴线始终通过十字铰链的中心点；
以每根所述柔索连接的定滑轮的中心点来表示柔索与上平台的连接点位置，分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6，各连接点两两成组、共三组，各连接点在所在圆周上沿逆时针分布；以每根所述柔索连接的十字铰链的中心点来表示柔索与下平台的连接点位置，分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6，各连接点两两成组、共三组，各连接点在所述在圆周上沿逆时针分布；
所述上平台上各连接点所在圆的圆心与下平台上各连接点所在圆的圆心在同一铅垂线上且所述下平台自然下垂平衡时，A6A1B1B6、A2A3B3B2和A4A5B5B4分别共面，且各面铅垂、为重力面；
所述上平台上各分支中的定滑轮的与转轴垂直的滑轮中心面与对应的各重力面共面；
各所述柔索与所绕过的定滑轮的切点满足相切条件，即定滑轮的中心点至柔索与定滑轮的切点的方向矢量和柔索的方向矢量相互垂直，二矢量内积为零。
本发明的优点与积极效果为：
1.具有重载能力的机器人；常规的工业用机器人以代替人工实现自动化作业为主要目标，负载能力有限，通常只能达到数百公斤；本发明充分利用钢丝绳柔索的高承载能力，以六根柔索构造并联机构的重载机器人，实现对吨级载荷的操作。
2.实现重载荷位姿操控；本发明由于采用了并联机器人机构，具备机器人的基本功能，通过六根柔索实现对作业载荷的六维运动控制，即三位移动和三维转动，并且利用载荷自重实现柔索张紧，满足力矢量闭合条件。
3.通过合理的构型优化，最大限度的降低结构受力；充分考虑重载作业对位姿变化范围要求较小的实际工况，通过应用分支连接点圆周半径和滑轮方向满足重力面条件，最大限度减小机器人结构内载荷，实现机器人关键结构部件受力最小。
4.具有较高的作业精度；并联柔索机器人虽然具有很多优点，但是目前的实际应用还很少，其重要原因之一就是其固定平台端连接点位置不易准确获得，导致运动规划中模型参数误差较大，位置逆解精度较低；本发明针对这几问题提出了以下解决办法：(1)通过重力面条件的应用使柔索偏离滑轮中心面的变化角度最小化，同时考虑并联机构分支误差对机器人末端误差无累积放大效应，可近似认为连接切点在滑轮中心面内；(2)在各分支滑轮轴上设置编码器，可准确测量柔索长度变化量，以此作为反馈量实现电机对索长的闭环控制。
5.实现重载的自动化作业；本发明采用机器人的技术模式，可以很容易地集成到大型重载装备自动化生产线中，改变大型重载装人工操纵吊运的状况，提高生产效率和产品一致性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中分支柔索与上平台的连接示意图；
图3为本发明中分支柔索与下平台的连接示意图；
图4为本发明中分支柔索与上、下平台连接点分布位置示意图；
图5为本发明中柔索与滑轮切点位置示意图；
其中：1为上平台，2为柔索，3为下平台，4为卷筒，5为电机，6为定滑轮，7为十字铰链，8为编码器，9为重力面，10为滑轮中心面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明包括上平台1、下平台3和六根柔索2，上平台1为固定平台，下平台3为运动平台，上平台1和下平台3以六根柔索2相连构成Stewart型并联机构；每根柔索2两端分别与上平台1和下平台3相连形成一个分支，共计六个同构分支。上平台1上分别安装有六个定滑轮6及六个电机5，每个电机5的输出端均连接有卷筒4，下平台3上安装有六个十字铰链7。每个分支中的柔索2的上端通过安装在上平台1上的定滑轮6后绕在由电机5驱动旋转的卷筒4上，每个分支中的柔索2的下端与下平台3上安装的十字铰链7相连，通过电机5驱动卷筒4的旋转，进而调节柔索2长度，实现下平台3的位姿控制。
如图2所示，每个分支中的柔索2与上平台1的连接方式如下：柔索2绕过定滑轮6后卷绕至电机5驱动的卷筒4上，定滑轮6、电机5和卷筒4均固定于上平台1上；定滑轮6的轮轴上安装有编码器8，用于测量柔索2的长度变化。对应的实际连接点，即柔索2与滑轮6的切点以C1～C6标记。
如图3所示，每个分支中的柔索2与下平台3的连接方式如下：柔索2以十字铰链7与下平台3相连接，可以满足工作中柔索2相对于下平台3的角度变化，同时保证柔索2的轴线始终通过十字铰链7的中心点。
如图4所示，各分支中的柔索2与上平台1连接点按如下形式布置：柔索2与上平台1实际连接点为每根柔索2与每个定滑轮6的切点，该点随机器人位姿变化而改变，因此取定滑轮6中心点来表示柔索2与上平台1的连接点位置。六个点以序号A1～A6顺序标记，各连接点两两相邻，相邻两点为一组，A1和A2、A3和A4、A5和A6共三组，三组的六个连接点在所在圆周上(半径为RA的圆周上)逆时针分布。各分支中的柔索2与下平台3连接点按如下形式布置：十字铰链7中心点来表示柔索2与下平台3的连接点位置。六个点以序号B1～B6与上平台1相同顺序标记，各连接点两两相邻，相邻两点为一组，与上平台1不同，下平台3为B6和B1、B2和B3、B4和B5三组，三组的六个连接点在所在圆周上(半径为RB的圆周上)沿逆时针分布。
如图1所示，各分支中的柔索2分别连接上平台1和下平台3对应的各连接点，即C1B1、C2B2、C3B3、C4B4、C5B5、C6B6。
如图4所示，上平台1表示连接点圆周半径RA和下平台3连接点圆周半径RB之间满足如下条件：当上平台1上各连接点所在圆的圆心(即上平台中心)与下平台3上各连接点所在圆的圆心(即下平台中心)在同一铅垂线上且下平台3自然下垂平衡时，A6A1B1B6、A2A3B3B2和A4A5B5B4分别共面，且各面铅垂，称为重力面9，以实现作业过程中结构受力更小。
如图4所示，上平台1上各分支中的定滑轮6的与转轴垂直的滑轮中心面10应与对应的各重力面9共面，如定滑轮A1和定滑轮A6的滑轮中心面10应与重力面9共面。卷筒4布置的位置应尽可能远离定滑轮6，且使由定滑轮6至卷筒4之间的柔索2方向偏离重力面9尽可能小，以便进一步减小结构受力。本实施例在六边形每条长边的中间分别设置了两个卷筒4。
如图5所示，实际连接点C1～C6的位置按如下方法确定：各柔索2与所绕过的定滑轮6的切点满足相切条件，即定滑轮6的中心点至柔索2与定滑轮6的切点的方向矢量和柔索2的方向矢量相互垂直，二矢量内积为零。对于给定的机器人下平台3位姿，利用并联机器人运动学反解分别求出定滑轮6中心点Ai至切点Ci的方向矢量和分支中柔索2的方向矢量，进而利用相切条件得到约束关系
picosζi+qisinζi＝r i＝1～6
其中：pi和qi均为机器人位姿和结构参数的函数，r为滑轮槽半径，求解即可得到滑轮2中心点Ai至切点Ci的方向与水平面的夹角ζi。
本发明充分考虑了重载自动化作业的实际应用条件，所设计的基于并联柔索机构的重载吊装机器人具有负载能力强、作业精度高、可实现六维运动及构型合理优化等优点。
Claims (8)
1.一种基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：包括作为固定平台的上平台(1)、作为运动平台的下平台(3)及六根柔索(2)，该六根柔索(2)分别连接于所述上平台(1)与下平台(3)之间、构成Stewart型并联机构；每根所述柔索(2)的上端通过安装在上平台(1)上的定滑轮(6)绕在由电机(5)驱动旋转的卷筒(4)上，每根所述柔索(2)的下端与下平台(3)上安装的十字铰链(7)相连。
2.根据权利要求1所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：所述上平台(1)上分别安装有六个定滑轮(6)及六个电机(5)，每个电机(5)的输出端均连接有卷筒(4)，所述下平台(3)上安装有六个十字铰链(7)，每根所述柔索(2)的上端由上平台(1)上的一个定滑轮(6)绕过、卷绕在一个所述卷筒(4)上，每根所述柔索(2)的下端连接于一个十字铰链(7)上。
3.根据权利要求1或2所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：所述定滑轮(6)的轮轴上安装有用于测量柔索(2)长度变化的编码器(8)。
4.根据权利要求1或2所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：每根所述柔索(2)的轴线始终通过十字铰链(7)的中心点。
5.根据权利要求1所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：以每根所述柔索(2)连接的定滑轮(6)的中心点来表示柔索(2)与上平台(1)的连接点位置，分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6，各连接点两两成组、共三组，各连接点在所在圆周上沿逆时针分布；以每根所述柔索(2)连接的十字铰链(7)的中心点来表示柔索(2)与下平台(3)的连接点位置，分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6，各连接点两两成组、共三组，各连接点在所述在圆周上沿逆时针分布。
6.根据权利要求5所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：所述上平台(1)上各连接点所在圆的圆心与下平台(3)上各连接点所在圆的圆心在同一铅垂线上且所述下平台(3)自然下垂平衡时，A6A1B1B6、A2A3B3B2和A4A5B5B4分别共面，且各面铅垂、为重力面(9)。
7.根据权利要求6所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：所述上平台(1)上各分支中的定滑轮(6)的与转轴垂直的滑轮中心面(10)与对应的各重力面(9)共面。
8.根据权利要求1所述基于并联柔索机构的重载吊装机器人，其特征在于：各所述柔索(2)与所绕过的定滑轮(6)的切点满足相切条件，即定滑轮(6)的中心点至柔索(2)与定滑轮(6)的切点的方向矢量和柔索(2)的方向矢量相互垂直，二矢量内积为零。
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