一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬機械技術領域，特別涉及一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構。
【背景技術】
[0002]并聯機構具有結構緊湊、剛度高、承載能力大和動態響應性好等特點，近些年來受到越來越多的關注和應用。由繩索和并聯機構結合而形成的索(驅動)并聯機構具有自身的特點，由于繩索可以纏繞在卷筒之上，使得索并聯機構的工作空間得以擴大，同時由于繩索質量較輕、載重比較大，索并聯機構在天文觀測、航空航天、醫療康復和風洞實驗等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]基于索并聯機構工作空間范圍大的特點，可將其用于較大范圍的物料搬運和倉儲任務中，但是目前索并聯機構的工作空間均小于出索支撐點連接而成的空間范圍內，即無法超出支撐結構的幾何范圍。因此必須保證支撐結構的體積大于索并聯機構的工作空間，增加了建造成本，限制了索并聯機構在超大范圍工況下的應用。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，利用繩索代替剛性支鏈驅動，其工作空間可以超越支撐結構，達到支撐點跨度的2-3倍；在電機驅動下，通過合理的軌跡規劃，可在支撐結構和建造成本不變的情況下，實現終端超出傳統索并聯機構力封閉工作空間外的運動，有效增大了工作空間和裝置體積比，極大的擴展了機構的工作空間，實現超跨度運動。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0006]—種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，包括支撐框架、驅動裝置、運動裝置和末端執行器8，所述運動裝置由兩個上定滑輪1、兩個下定滑輪2和兩根繩索9組成，其中末端執行器8設置在兩根繩索9的一端之間，由兩根繩索9牽引運動，兩根繩索9的另一端分別連接在一個對應的驅動裝置上，由驅動裝置控制其伸長和縮短，上定滑輪I為出索點，支撐并導引繩索9，下定滑輪2與繩索9不固定連，通過調整下定滑輪2和上定滑輪I豎直方向之間的距離，實現對該機器人的最優往復頻率和往復頻率范圍的控制。下定滑輪2也可用于調整超跨度工作空間的極限尺寸。
[0007]所述末端執行器8在運動過程中與下定滑輪2分離。
[0008]所述機器人的一維規劃即直線運動軌跡采用正弦周期函數運動軌跡或高次多項式軌跡，在運動起止端的速度為零，軌跡中間段的速度最大；并要求軌跡位置、速度、加速度和加加速度均連續平衡，以降低終端的振動。
[0009]所述驅動裝置有兩個，每個驅動裝置包括電機3，電機3輸出依次連接聯軸器4、減速器5和滾筒6，在減速器5上設置扭矩傳感器7，所述兩根繩索9的另一端分別連接在一個驅動裝置的滾筒6上，通過電機3的工作帶動滾筒6的轉動，進而帶動相應繩索9的伸長或縮短。
[0010]所述兩個上定滑輪I和兩個下定滑輪2在空間上構成一個矩形結構，兩根繩索9的一端連接在末端執行器8上，自該端起，分別依次繞過一個下定滑輪2和一個上定滑輪I后，另一端連接在驅動裝置上。
[0011]所述末端執行器8的運動范圍在兩個上定滑輪I和兩個下定滑輪2連線構成的矩形范圍內或范圍外。
[0012]為了實現對末端執行器8的軌跡規劃以及對其速度、加速度控制的目的，繩索9在運動過程中進行實時的力監控，以使運動軌跡滿足工作需求，并在運動平面各點達到設定的速度、加速度等設計參數。
[0013]本發明采用平面兩索結構實現末端執行器的運動，可進行經過軌跡規劃的二維平面運動，可以在力封閉空間之外做大范圍的超跨度運動。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0015](I)引入懸掛式索并聯機構的動態工作空間，實現了索并聯機構的大范圍超跨度運動，突破了機構里封閉工作空間的局限性。
[0016](2)通過引入下定滑輪，可以靈活的調整該機構的經濟往復頻率，提高了機構的適用性。
[0017](3)該裝置可以實現小支撐機構大運動范圍的運動軌跡規劃，節約了制造成本，降低了對于裝置自身空間的需求，擴大了裝置的應用范圍。
[0018](4)該種結構構型不僅可以實現一維直線運動，而且也可以實現復雜的二維軌跡規劃運動，在物流搬運、噴涂和大型結構件表面探傷領域都可以有廣泛的應用。
[0019]綜上，本發明將該索并聯機器人末端執行器的工作空間擴大為框架支撐跨度的
2-3倍以上，實現了超跨度運動，為大范圍往復運動的工況需求(例如搬運和探測)提供了一種新型的低成本解決方案。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構示意圖。
[0021]圖2為本發明驅動裝置結構示意圖。
[0022]圖3為本發明裝置超跨度一維運動示意圖。
[0023]圖4為本發明裝置超跨度二維運動示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。
[0025]如圖1所示，本發明一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，包括支撐框架、驅動裝置、運動裝置和末端執行器8。支撐框架由型材搭建而成，也可以直接借助現有建筑物及承力機構。
[0026]運動裝置由兩個上定滑輪1、兩個下定滑輪2和兩根繩索9組成，其中末端執行器8設置在兩根繩索9的一端之間，由兩根繩索9牽引運動，兩根繩索9的另一端分別連接在一個對應的驅動裝置上，由驅動裝置控制其伸長和縮短，上定滑輪I為出索點，支撐并導引繩索9，下定滑輪2與繩索9不固定連，通過調整下定滑輪2和上定滑輪I豎直方向之間的距離，實現對該機器人的最優往復頻率和往復頻率范圍的控制。下定滑輪2也可用于調整超跨度工作空間的極限尺寸。
[0027]如圖2所示，驅動裝置有兩個，每個驅動裝置由電機3驅動，電機3輸出依次連接聯軸器4、減速器5和滾筒6，在減速器5上設置扭矩傳感器7，兩根繩索9的另一端分別連接在一個驅動裝置的滾筒6上，通過電機3的工作帶動滾筒6的轉動，進而帶動相應繩索9的伸長或縮短。其中扭矩傳感器7可實時反饋扭矩數值，用于對于繩索張緊力的實時控制
[0028]圖3所示為裝置的一維運動示意圖。電機3牽引繩索9做往復運動，控制末端執行器8按照設定好的軌跡和運動參數運動，在II位置處，末端執行器8位置處于力封閉空間內，兩個下定滑輪2對繩索9起導引作用；在I和III位置處超出了索并聯機構的力封閉空間，做超跨度運動，下定滑輪2與上定滑輪I的距離可以改變該超跨度機器人的經濟往復頻率，降低系統功耗，通過對繩索運動速度及繩索拉力的控制實現規定目標的運動。
[0029]圖4所示為裝置的二維運動示意圖。該平面兩自由度超跨度索并聯機器人不僅可以實現一維軌跡規劃運動，也可以在二維平面內按照設計的軌跡及運動參數運動，圖中所示為在力封閉空間內外交替運動的二維圓軌跡運動。
【主權項】
1.一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，包括支撐框架、驅動裝置、運動裝置和末端執行器(8)，其特征在于，所述運動裝置由兩個上定滑輪(I)、兩個下定滑輪(2)和兩根繩索(9)組成，其中末端執行器(8)設置在兩根繩索(9)的一端之間，由兩根繩索(9)牽引運動，兩根繩索(9)的另一端分別連接在一個對應的驅動裝置上，由驅動裝置控制其伸長和縮短，上定滑輪⑴為出索點，支撐并導引繩索(9)，下定滑輪⑵與繩索(9)不固定連，通過調整下定滑輪(2)和上定滑輪(I)豎直方向之間的距離，實現對該機器人的最優往復頻率和往復頻率范圍的控制。2.根據權利要求1所述平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，其特征在于，所述末端執行器(8)在運動過程中與下定滑輪(2)分離。3.根據權利要求1所述平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，其特征在于，所述機器人的一維規劃即直線運動軌跡采用正弦周期函數運動軌跡或高次多項式軌跡，在運動起止端的速度為零，軌跡中間段的速度最大；并要求軌跡位置、速度、加速度和加加速度均連續平衡，以降低終端的振動。4.根據權利要求1所述平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，其特征在于，所述驅動裝置有兩個，每個驅動裝置包括電機(3)，電機(3)輸出依次連接聯軸器(4)、減速器(5)和滾筒￠)，在減速器(5)上設置扭矩傳感器(7)，所述兩根繩索(9)的另一端分別連接在一個驅動裝置的滾筒(6)上，通過電機(3)的工作帶動滾筒￠)的轉動，進而帶動相應繩索(9)的伸長或縮短。5.根據權利要求1所述平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，其特征在于，所述兩個上定滑輪(I)和兩個下定滑輪(2)在空間上構成一個矩形結構，兩根繩索(9)的一端連接在末端執行器(8)上，自該端起，分別依次繞過一個下定滑輪(2)和一個上定滑輪(I)后，另一端連接在驅動裝置上。6.根據權利要求1所述平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，其特征在于，所述末端執行器(8)的運動范圍在兩個上定滑輪(I)和兩個下定滑輪(2)連線構成的矩形范圍內或范圍外。
【專利摘要】一種平面兩自由度超跨度索并聯機器人結構，該裝置由結構支撐框架、驅動裝置、運動裝置和末端執行器組成，所述的支撐框架可由型材搭建而成，也可以依托于現有建筑物及承力結構；驅動裝置由電機、聯軸器、減速器和滾筒組成；運動裝置由繩索、上定滑輪和下定滑輪組成；末端執行器可根據實際使用需求配置機械手或探測器等；本發明將該索并聯機器人末端執行器的工作空間擴大為框架支撐跨度的2-3倍以上，實現了超跨度運動，為大范圍往復運動的工況需求(例如搬運和探測)提供了一種新型的低成本解決方案。
【IPC分類】B25J9/12
【公開號】CN105171741
【申請號】
【發明人】邵珠峰, 唐曉強, 李煜琦, 季益中, 田斯慧, 項程遠, 朱斌
【申請人】清華大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年10月26日