一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人的製作方法

2023-12-08 03:18:31

專利名稱：一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及繩驅動並聯機器人機構，具體地說是涉及一種能實現快速重構的繩驅 動並聯機器人，屬於機器人技術領域。
二、技術背景繩驅動並聯機器人具有結構簡單、工作空間大和運動速度快等優點，在觸覺交互、 飛行器風洞試驗等領域中得到廣泛應用。繩驅動並聯機器人一般由靜平臺、末端執行器、驅 動模塊及柔繩幾部分組成。柔繩是在靜平臺和末端執行器之間的通過鉸鏈點連接，這些鉸 鏈點類似於球副。實際運用中，繩驅動並聯機構的柔繩必須規則的纏繞在線輪上，在斷電的情況下， 柔繩需保持張緊的狀態，以避免柔繩從線輪上脫落的情況。在不同的任務下，機器人的構型 及操作末端執行器可能需要更改，如何能快速的實現機器人構型的更改和末端執行器(操 作工具)的更換也是需要解決的問題。

發明內容
1、目的本發明的目的是解決技術背景中提及的繩驅動並聯機器人存在的問題， 提供一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人，它能夠實現快速的構型變換和工具更換， 滿足不同的任務需求。驅動模塊能夠保證柔繩在線輪上有序的纏繞，同時在斷電時不會出 現柔繩鬆弛的情況。驅動模塊採用模塊化設計，便於加工製作；柔繩與機架的連接點與驅動 模塊分離，使構型更換方便快捷。2、技術方案本發明一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人，其特徵在於它 是由機器人本體機架1、驅動模塊2、柔繩3、動平臺4、換向裝置5和輸出裝置6組成；其之 間的位置連接關係是驅動模塊2通過其驅動模塊底板14固定在本體機架1的下端；換向 裝置5通過其換向裝置底板24固定在本體機架1的下端；輸出裝置6通過其輸出模塊底板 32固定在本體機架1上；動平臺4通過柔繩3、換向裝置5、輸出裝置6和驅動模塊2的繞 線輪11連接。所述本體機架1，是由型材17相互連接而組成的立體方形金屬框架。所述驅動模塊2，是由編碼器7、法蘭8、電機9、電機支撐架10、繞線輪11、制動器 支撐架12、制動器13和驅動模塊底板14構成；其之間的位置連接關係是編碼器7通過法 蘭8與電機9尾部連接；繞線輪11的一端與電機9的輸出軸連接，另一端與制動器13連接； 電機9固定於電機支撐架10上，制動器13固定於制動器支撐架12上，電機支撐架10和制 動器支撐架12與驅動模塊底板14垂直固結。該編碼器7用於獲取線輪當前時刻的轉速， 同時獲取線輪當前時刻的位置，用於計算實時繩長；該法蘭8是中間帶孔的圓形件；該電機 支撐架10是帶有固定電機小孔的矩形板料；該繞線輪11是其上設置有螺紋槽的圓柱形件， 使柔繩3規則的纏繞於繞線輪11上；該制動器13在通電時鬆開，斷電時抱緊，使繞線輪11 在斷電的情況下不轉動，進而柔繩3仍緊密纏繞在繞線輪11上，不會出現鬆弛脫落的情況。14是帶有固定小孔的矩形板料；驅動模塊2通過T型螺栓16及法蘭螺母 15固定在機器人本體機架1的型材17上。所述柔繩3是直徑0. 8mm的鋼絲繩。所述動平臺4，見圖10，它包括一動平臺基座37，是下部呈方形上部呈圓柱形件， 其上加工有半圓形限位孔37-1及開口槽37-2和螺紋孔，用於固定末端執行器33 ；4根柔繩 連接杆36 —端通過螺紋與動平臺基座37連接，另一端通過螺紋連接一個柔繩連接帽35，柔 繩連接帽35上開有小孔，柔繩一端可穿入孔中固定；兩個強磁鐵34分別置於鎖緊扣38及 動平臺基座37上，用於固定鎖緊扣38 ；該鎖緊扣38是半圓環件；該末端執行器33是能夠 單手握持的L型手柄。所述換向裝置5，見圖4，它是由由螺母18、滑輪20、套筒21、滑輪可調基座19、支 撐螺栓22、螺母18、換向滑輪支撐架23、換向裝置底板24構成。其之間的位置連接關係是 換向滑輪支撐架23與換向裝置底板24垂直固定；滑輪可調基座19通過連接件固定在換向 滑輪支撐架23上，滑輪20安裝在滑輪可調基座19的兩立板之間，套筒21放置在滑輪一側， 支撐螺栓22穿過套筒21及滑輪20後，用螺母18緊固。該滑輪20是圓周開有凹槽的圓柱 形件；該套筒21是中間開孔的圓柱形件；該滑輪可調基座19的底板是中間設有圓孔，兩邊 開有圓弧槽的弧形件，通過調整安裝時的位置，可以獲得滿足設計需求的滑輪槽的朝向。該 支撐螺栓22和螺母18是按需選購的市購標準件；該換向滑輪支撐架23是其上設置圓孔及 固定螺紋孔的矩形板料，其兩側都可安裝滑輪20，柔繩3可穿過滑輪可調基座19中心的孔 至另一側；該換向裝置底板24是其上設置有固定孔的矩形板料。所述輸出裝置6，見圖5，它是由滑輪20、套筒21、支撐螺栓22、換向滑輪支撐架 23、定位端蓋25、軸承端蓋26、軸承27、T型支撐架28、輸出模塊支撐架29、滑輪支撐柱30、 滑輪隨動基座31和輸出模塊底板32組成，其之間的位置連接關係是輸出模塊支撐架29 與輸出模塊底板32垂直固定連接；輸出模塊支撐架29的孔與軸承27外圈配合，通過軸承 端蓋26固定；滑輪隨動基座31與軸承內圈配合，通過定位端蓋25固定，滑輪20-3安裝在 滑輪隨動基座31的兩立板之間，套筒21放置在滑輪一側，支撐螺栓22穿過套筒21及滑輪 20-3後，用螺母18緊固；T型支撐架28通過螺釘直接固定於輸出模塊底板32兩側，其上通 過螺釘固定有滑輪20-4。該滑輪20是圓周開有凹槽的圓柱形件；該套筒21是中間開孔的 圓柱形件；該支撐螺栓22和螺母18是按需選購的市購標準件；該換向滑輪支撐架23是其 上設置圓孔及固定螺紋孔的矩形板料；該定位端蓋25是其上設置有孔的圓形板料；該軸承 端蓋26是其上設置有孔並帶有凸臺的圓環形件；該軸承27是型號為61903的市購標準件； 該T型支撐架28是其上設置有孔的T形件；該輸出模塊支撐架29是其上設置有圓孔及固 定螺紋孔的矩形板料；該滑輪支撐柱30是中間開孔的圓柱形件；該滑輪隨動基座31 —端 帶有用於固定滑落的立板支撐，一端為與軸承27內徑配合的軸；輸出模塊底板32是其上設 置有固定孔的矩形板料。其中，該編碼器7是歐姆龍的Ε6Β2相對編碼器；其中，該電機9是maxon公司的370355型電機；其中，該制動器13是臺灣仟岱的ALS0S2AW型制動器；其中，該強磁鐵34是直徑3mm，高2mm的圓柱形釹鐵硼磁鐵；其中，該軸承27是型號為61903的標準軸承。
3、優點及功效(1).相對連杆式並聯機構，繩驅動並聯機構成本低廉。設備能夠滿足大工作空間 的任務要求，同時可以根據需求改變柔繩長度及機構構型，滿足不同的任務要求，具有良好 的適應性。(2).機器人的驅動模塊能夠實現柔繩在繞線輪上的規則纏繞。在工作狀態時，利 用電機自身張力張緊柔繩；在斷電情況下，通過制動器限制繞線輪轉動，保證柔繩處於掉電 前一時刻的張緊狀態，不會造成柔繩從線輪槽中脫落。(3).機器人的驅動模塊較為笨重，不便於安裝在機器人頂部，且更換驅動模塊在 機器人上的位置時需重新布置電源線及數據線，較為麻煩。本設計將驅動模塊和繩與機架 的連接點分離，在更改設備構型時，只需改變柔繩換向裝置和輸出裝置的安裝位置，而不需 要重新安裝驅動模塊。(4).當動平臺運動時，輸出裝置能夠隨著柔繩方向的改變而旋轉滑輪基座，從而 保證柔繩方向與滑輪槽的切線方向保持一致，從而避免柔繩從輪槽中脫落的情況。(5).具有工具接口，可以根據不同的任務需求方便快捷的更換末端執行器。
四

圖1是機器人總裝示意圖；圖2是機器人驅動模塊結構示意圖；圖3是驅動模塊與本體框架的裝配示意圖；圖4是換向裝置爆炸圖；圖5是輸出裝置爆炸圖；圖6柔繩通過輸出裝置示意圖；圖7柔繩通過輸出裝置(圖6)側視圖；圖8是實現改變柔繩方向的示意圖；圖9是繞線輪和換向裝置安裝關係示意圖；圖10是機器人動平臺的爆炸圖；圖11是機器人動平臺的工具接口示意圖；圖12是改變換向裝置的位置得到新的構型示意圖；圖中標號說明如下1.本體機架，2.驅動模塊，3.柔繩，4.動平臺，5.換向裝置，6.輸出裝置，7.編碼 器，8.法蘭，9.電機，10.電機支撐架，11.繞線輪，12.制動器支撐架，13.制動器，14.驅 動模塊底板，15.法蘭螺母，16. T型螺栓，17.型材，18.螺母，19.滑輪可調基座，20_(1，2， 3,4).滑輪，21.套筒，22.支撐螺栓，23.換向滑輪支撐架，24.換向裝置底板，25.定位端 蓋，26.軸承端蓋，27.軸承，28. T型支撐架，29.輸出模塊支撐架，30.滑輪支撐柱，31.滑 輪隨動基座，32.輸出模塊底板，33.末端執行器，33-1.限位面，33-2.限位槽，34.強磁鐵， 35.柔繩連接帽，36.柔繩連接杆，37.動平臺基座，37-1.限位孔，37-2.開口槽，38.鎖緊 扣，39.定位螺栓。五具體實施例方式下面將結合附圖對發明進行進一步的詳細說明。本發明一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人，它是由機器人本體機架1、驅動 模塊2、柔繩3、動平臺4、換向裝置5和輸出裝置6組成；其之間的位置連接關係是驅動模 塊2通過其驅動模塊底板14固定在本體機架1的下端；換向裝置5通過其換向裝置底板24 固定在本體機架1的下端；輸出裝置6通過其輸出模塊底板32固定在本體機架1上；動平 臺4通過柔繩3、換向裝置5、輸出裝置6和驅動模塊2的繞線輪11連接。參見圖1，在機器人本體機架(1)底部安放了 8臺驅動模塊2，每臺驅動模塊引出 一根柔繩3，驅動模塊通過與電腦連接的控制器控制，實現對繩上張力和收放繩的控制；柔 繩通過1個或多個換向裝置5最終與動平臺4相連接。通過改變幻想裝置的位置可以得到 不同的構型，同時通過選擇1 8個驅動模塊可以實現1 6個自由度。參見圖2，機器人的驅動模塊2中，電機支撐架10支撐電機9，制動器支撐架12支 撐制動器13，同時通過制動器支撐架12中軸承和電機(8)支撐起繞線輪11。驅動力通過 電機9直接傳遞給繞線輪11，使其轉動工作，中間無減速環節，減少了不必要的摩擦。繞線 輪11上有螺紋槽用以保證柔繩(3)能規則的纏繞在繞線輪上。制動器13在掉電時抱死， 阻止繞線輪轉動，避免柔繩3鬆弛而導致的柔繩從繞線輪上脫落。驅動模塊通過T型螺栓 16和法蘭螺母15與機架1的型材17相連接，(如圖3所示)參見圖4，這是機器人的柔繩換向裝置的爆炸圖。滑輪20-1通過支撐螺栓22和螺 母18固定在滑輪可調基座19上；通過螺釘將滑輪可調基座與換向滑輪支撐架23連接，在 滑輪可調基座19上開有圓弧槽，用於實現滑輪可調基座的旋轉，從而改變帶動滑輪槽的朝 向；滑輪支撐架23兩側可分別安裝滑輪以適應不同的需求；換向裝置同驅動模塊一樣通過 T型螺栓和法蘭螺母與型材相連接。參見圖5，這是機器人的柔繩輸出裝置的爆炸圖。滑輪20-3通過支撐螺栓22和 螺母18固定在滑輪隨動基座31上；滑輪隨動基座31後端軸與軸承27內圈配合，通過定位 端蓋25將兩者固定；軸承與輸出模塊支撐架29的孔配合，通過軸承端蓋26將兩者固定； 滑輪支撐柱30用於墊高輔助滑輪20-2，使滑輪隨動基座31的軸線能相切與輔助滑輪20-2 的槽底圓先切；T型支撐架28用於支撐輔助滑輪20-4 ；輸出模塊能夠實現滑輪隨動基座31 隨柔繩的方向變化而轉動，保證滑輪20-3的滑輪槽的方向和柔繩的方向基本一致，避免柔 繩與滑輪槽切線方向夾角過大導致的柔繩脫出。圖6是柔繩通過輸出裝置示意圖，輸出裝 置同樣通過T型螺栓和法蘭螺母與型材相連接。圖8所示為柔繩換向的實現過程，通過換向裝置改變柔繩的方向，在通過輸出裝 置的改變柔繩的方向即與需求方向相同，柔繩能夠帶動。同時在安裝換向裝置時需滿足一 些基本條件，如圖9所示，需保證θ <5°，當夾角θ過大時柔繩會從螺紋槽中脫落出來， 從而柔繩不能規則的纏繞在繞線輪上。參見圖10，這是機器人的動平臺結構圖。柔繩連接帽35用於和柔繩連接，通過螺 紋與柔繩連接杆36連接，同樣柔繩連接杆36通過螺紋與動平臺基座37連接，柔繩連接杆 中端採用碳纖維材料，能有效減輕重量。鎖緊扣38通過定位螺栓21與動平臺連接，能夠實 現繞定位螺栓39的轉動。通過末端執行器33的限位面33-1與動平臺基座37上限位孔 37-1的平面配合，限制末端執行器繞圖10中虛線的轉動；另外通過鎖緊扣與限位槽33-1的配合限制末端執行器沿虛線的移動。分別在動平臺基座37的開口槽37-2中及鎖緊扣38 中嵌入強磁鐵34，當鎖緊扣鎖緊時強磁鐵吸附，固定鎖緊扣，當人作用在鎖緊扣上的外力足 夠大時，即可解鎖。在針對不同任務可以方便更換末端執行器。 參見圖12，通過改變換向裝置的位置可以實現設備的構型的變化，由於繩與機架 本體的連接點位置同驅動模分離開來，在改變構型過程中驅動模塊的位置不必更改，避免 了驅動模塊整體移動時的繁瑣操作。圖1中的設備構型為3-3-1-1，通過簡單的變化即可 更改為2-2-2-2，不同的構型具有不同的性質，根據任務需求可以快速的實現機構構型的重置。
權利要求
1. 一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人，其特徵在於它是由機器人本體機架(I)、驅動模塊(2)、柔繩(3)、動平臺(4)、換向裝置(5)和輸出裝置(6)組成；驅動模塊(2) 通過其驅動模塊底板(14)固定在本體機架(1)的下端；換向裝置(5)通過其換向裝置底板 (24)固定在本體機架(1)的下端；輸出裝置(6)通過其輸出模塊底板(32)固定在本體機 架⑴上；動平臺⑷通過柔繩(3)、換向裝置(5)、輸出裝置(6)和驅動模塊(2)的繞線輪(II)連接；所述本體機架(1)，是由型材(17)相互連接而組成的立體方形金屬框架； 所述驅動模塊(2)，是由編碼器(7)、法蘭(8)、電機(9)、電機支撐架(10)、繞線輪 (11)、制動器支撐架(12)、制動器(13)和驅動模塊底板(14)構成；編碼器(7)通過法蘭(8) 與電機(9)尾部連接；繞線輪(11)的一端與電機(9)的輸出軸連接，另一端與制動器(13) 連接；電機(9)固定於電機支撐架(10)上，制動器(13)固定於制動器支撐架(12)上，電機 支撐架(10)和制動器支撐架(12)與驅動模塊底板(14)垂直固結；該編碼器(7)用於獲取 線輪當前時刻的轉速，同時獲取線輪當前時刻的位置並用於計算實時繩長；該法蘭(8)是 中間帶孔的圓形件；該電機支撐架(10)是帶有固定電機小孔的矩形板料；該繞線輪(11) 是其上設置有螺紋槽的圓柱形件，使柔繩(3)規則的纏繞於繞線輪(11)上；該制動器(13) 在通電時鬆開，斷電時抱緊，使繞線輪(11)在斷電的情況下不轉動，進而柔繩(3)仍緊密纏 繞在繞線輪(11)上，不會出現鬆弛脫落的情況；該驅動模塊底板(14)是帶有固定小孔的矩 形板料；驅動模塊(2)通過T型螺栓(16)及法蘭螺母(15)固定在機器人本體機架(1)的 型材(17)上；所述動平臺(4)，它包括一動平臺基座(37)，是下部呈方形上部呈圓柱形件，其上加 工有半圓形限位孔(37-1)及開口槽(37-2)和螺紋孔，用於固定末端執行器(33) ；4根柔繩 連接杆(36) —端通過螺紋與動平臺基座(37)連接，另一端通過螺紋連接一個柔繩連接帽 (35)，柔繩連接帽(35)上開有小孔，柔繩一端可穿入孔中固定；兩個強磁鐵(34)分別置於 鎖緊扣(38)及動平臺基座(37)上，用於固定鎖緊扣(38)；該鎖緊扣(38)是半圓環件；該 末端執行器(33)是能夠單手握持的L型手柄；所述換向裝置(5)，它是由螺母(18)、滑輪(20)、套筒(21)、滑輪可調基座(19)、支撐 螺栓(22)、螺母(18)、換向滑輪支撐架(23)和換向裝置底板(24)構成；換向滑輪支撐架 (23)與換向裝置底板(24)垂直固定；滑輪可調基座(19)通過連接件固定在換向滑輪支撐 架(23)上，滑輪(20)安裝在滑輪可調基座(19)的兩立板之間，套筒(21)放置在滑輪一側， 支撐螺栓(22)穿過套筒(21)及滑輪(20)後，用螺母(18)緊固；該滑輪(20)是圓周開有 凹槽的圓柱形件；該套筒(21)是中間開孔的圓柱形件；該滑輪可調基座(19)的底板是中 間設有圓孔，兩邊開有圓弧槽的弧形件，通過調整安裝時的位置，可以獲得滿足設計需求的 滑輪槽的朝向；該換向滑輪支撐架(23)是其上設置圓孔及固定螺紋孔的矩形板料，其兩側 都可安裝滑輪(20)，柔繩(3)可穿過滑輪可調基座(19)中心的孔至另一側；該換向裝置底 板(24)是其上設置有固定孔的矩形板料；所述輸出裝置(6)，它是由滑輪(20)、套筒(21)、支撐螺栓(22)、換向滑輪支撐架(23)、 定位端蓋(25)、軸承端蓋(26)、軸承(27)、T型支撐架(28)、輸出模塊支撐架(29)、滑輪支 撐柱(30)、滑輪隨動基座(31)和輸出模塊底板(32)組成，輸出模塊支撐架(29)與輸出模 塊底板(32)垂直固定連接；輸出模塊支撐架(29)的孔與軸承(27)外圈配合，通過軸承端蓋(26)固定；滑輪隨動基座(31)與軸承內圈配合，通過定位端蓋(25)固定，滑輪(20-3) 安裝在滑輪隨動基座(31)的兩立板之間，套筒(21)放置在滑輪一側，支撐螺栓(22)穿過 套筒(21)及滑輪(20-3)後，用螺母(18)緊固；T型支撐架(28)通過螺釘直接固定於輸出 模塊底板(32)兩側，其上通過螺釘固定有滑輪(20-4)；該滑輪(20)是圓周開有凹槽的圓 柱形件；該套筒(21)是中間開孔的圓柱形件；該換向滑輪支撐架(23)是其上設置圓孔及 固定螺紋孔的矩形板料；該定位端蓋(25)是其上設置有孔的圓形板料；該軸承端蓋(26) 是其上設置有孔並帶有凸臺的圓環形件；該T型支撐架(28)是其上設置有孔的T形件；該 輸出模塊支撐架(29)是其上設置有圓孔及固定螺紋孔的矩形板料；該滑輪支撐柱(30)是 中間開孔的圓柱形件；該滑輪隨動基座(31) —端帶有用於固定滑落的立板支撐，一端為與 軸承(27)內徑配合的軸；輸出模塊底板(32)是其上設置有固定孔的矩形板料。
全文摘要
一種能實現快速重構的繩驅動並聯機器人，它是由機器人本體機架(1)、驅動模塊(2)、柔繩(3)、動平臺(4)、換向裝置(5)和輸出裝置(6)組成；驅動模塊(2)通過其驅動模塊底板(14)固定在本體機架(1)的下端；換向裝置(5)通過其換向裝置底板(24)固定在本體機架(1)的下端；輸出裝置(6)通過其輸出模塊底板(32)固定在本體機架(1)上；動平臺(4)通過柔繩(3)、換向裝置(5)、輸出裝置(6)和驅動模塊(2)的繞線輪(11)連接；本發明中將驅動模塊和繩索與靜平臺的連接點分離，機器人能夠根據任務需求快速地進行構型重構，具有良好的適應性。它在機器人技術領域裡具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號B25J9/08GK102114632SQ201110026500
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月25日 優先權日2011年1月25日
發明者劉軍傳, 張玉茹, 李朝斌, 陳中元 申請人:北京航空航天大學