CN107053132B - 模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置及方法，包括变刚度装置和控制装置，变刚度装置由相对设置的左、右压板、固定在左压板上液压缸、杆端固定在右压板活塞在液压缸内的单出杆活塞、套在液压缸上的弹簧、套在单出杆活塞杆段上且固定弹簧的弹簧限位块，连通液压缸进出油口的软胶管、左、右压板间连接的可伸缩套通和左、右连接柔索组组成，控制装置包括安装在液压缸进出油口软胶管上的电磁阀、连接在柔索并联机器人柔索上的张力传感器、安装在柔索并联机器人定滑轮处的拉线位移传感器、安装在右压板上的单片机模块和无线通讯设备组成。本发明大大提高了柔索并联机器人运动的稳定性、安全性和可靠性。

Description

模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔索并联机器人领域，具体是一种模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置及方法。

背景技术

柔索并联机器人减少了液压缸直线以及铰链转角运动的限制，采用结构简单且质量轻的柔索作为驱动元件，具有结构简单、负载能力强、工作空间大、运动速度快、精度高等诸多优点。由于柔索并联机器人具有上述优点，因此各种自由度的柔索并联机器人在国内外都有广泛的研究和应用。

柔索并联机构是一种轻质机器人机构，机构在运动过程中会存在结构刚度低的问题，使得末端执行器的运动不平稳，影响整个机构的正常运行，且随着柔索并联机构的不断发展，对系统的稳定性、运动速度、精度要求越来越高，机构刚度问题也越来越重要。目前，中国专利公布号CN103286771A公开了一种空间三转动自由度并联机构，中国专利公布号CN103831819A公开了一种模块化可重构柔索并联机构实验平台。以上所述的柔索并联机构，均未考虑到柔索并联机构的刚度问题，没有提出一种能够改善柔索并联机构刚度的装置和方法。随着柔索并联机构在各个领域的应用越来越广泛，因此，对柔索并联机构进行刚度控制，增强柔索并联机构的稳定性和可靠性显得尤为重要。

实际上，柔索并联机构在运行过程中，柔索的内张力可调，且内张力的变化并不改变对外作用力，因此为了克服柔索并联机构刚度不足的问题，可以利用这一特性，通过控制柔索的张力来调节末端执行器的刚度，从而实现机构的变刚度。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置及方法，以解决现有柔索并联机器人柔索刚度不足并且无法调节的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置，其特征在于：包括变刚度装置、控制装置，其中：

变刚度装置包括相对设置的左、右压板，左、右压板之间连接有可伸缩套筒，可伸缩套筒内设有液压缸，液压缸与可伸缩套筒中心轴共线，液压缸的进出油口通过软胶管连接，液压缸的缸体端连接在左压板上，液压缸中单出杆活塞杆杆端连接在右压板上，活塞杆穿出液压缸的杆段上固定套装有弹簧限位块，液压缸外还套装有弹簧，弹簧一端连接在左压板上，另一端连接在弹簧限位块上，变刚度装置还包括左、右连接柔索组，左、右连接柔索组分别由三股沿可伸缩套筒轴向连接左、右压板外侧边缘的柔索构成，左、右连接柔索组中的柔索位置一一相互错开，其中左连接柔索组中每根柔索的左端汇成一股并形成左连接端，右连接柔索组中每根柔索的右端汇成一股并形成右连接端，变刚度装置通过左、右连接柔索组安装在柔索并联机器人中柔索末端和末端执行器之间；

控制装置包括安装在液压缸进出油口软胶管上的电磁阀、连接在柔索并联机器人柔索上的张力传感器、安装在柔索并联机器人定滑轮处的拉线位移传感器，所述无线通讯设备接入单片机模块的通讯接口，张力传感器、拉线位移传感器分别接入单片机模块的信号输入接口，电磁阀接入单片机模块的信号输出接口。

所述的模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置，其特征在于：左、右连接柔索组中各个柔索分别在可伸缩套筒外呈环向均匀分布，且左、右连接柔索组中柔索位置一一相互错开形成叉指分布。

一种模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将变刚度控制装置中左连接柔索组的连接端与柔索并联机器人的柔索末端连接，变刚度控制装置中右连接柔索组的连接端与柔索并联机器人的末端执行器连接；

（2）、对末端执行器的某一运动轨迹进行运动分析，将运动轨迹分成若干段，并通过运算算法确定每一段轨迹运动过程中柔索的期望刚度值，通过期望刚度值对柔索进行张力规划，获得张力常量，利用刚度矩阵进行内张力规划，得到一组柔索张力期望值，并将期望值存储在单片机模块中；

（3）、对柔索进行张力控制，安装在定滑轮处的拉线位移传感器检测柔索位移，确定末端执行器的运动处在哪一阶段，单片机模块通过分析位移而调用期望张力值；安装在柔索上的张力传感器时刻测量柔索的张力值，并将采集的数据传递给单片机模块；单片机模块将采集的数据与所调用柔索张力期望值进行比较，实测张力值小于期望张力值时，电磁阀为关闭状态，此时该变刚度装置起增加负重作用，增大机构刚度，柔索张力随着运动将会逐渐增大，当实测张力值大于期望张力值时，电磁阀为打开状态，此时该变刚度装置可简化为一单自由度弹簧阻尼系统，柔索张力将会减小，从而形成循环；当控制柔索的张力值与期望张力值相等时，得到期望的柔索刚度，进而实现机构的变刚度控制。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

一．本发明所述的变刚度控制装置和方法，通过设置柔索期望刚度值而得到期望张力值，并控制柔索实际张力值等于期望张力值，从而实现机构的变刚度控制，解决了末端执行器在运行过程中由于系统刚度问题所带来的影响，增强了机构运行的平稳性和可靠性。

二．本发明所述的变刚度控制装置，在电磁阀处于“开”状态过程中，该装置可简化为单自由度弹簧阻尼系统，此系统具有良好的减振效果，可以削减柔索运动过程的颤动，使末端执行器运行更加平稳。

三．本发明体积小、结构简单紧凑，安装在柔索的末端，避免了与柔索并联机构其他模块造成干涉，组装拆卸方便灵活、操作简单。

附图说明

图1是本发明具有变刚度控制装置的模块化可重构柔索并联机器人的总装配图。

图2是本发明变刚度控制装置示意图。

图3是本发明变刚度控制装置内部结构示意图。

图4是本发明变刚度控制装置左压板示意图。

图5是本发明控制系统示意图。

具体实施方式

本发明所应用的柔索并联机器人如图1所示，包括末端执行器1，柔索3，液压缸4，定滑轮5，伺服电机6，变速箱7，伺服电机8，减速机9，卷扬机10，基座11，环形导轨12等部件组成，变刚度控制装置2连接在柔索3和末端执行器1之间。

本发明包括变刚度装置和控制装置，其中：

如图1—图4所示，变刚度装置由变刚度单元和连接单元组成，变刚度单元包括右压板201，可伸缩套筒202，左压板203，弹簧限位块206，弹簧207，具有单出杆活塞的液压缸208，软胶管210，连接单元包括左、右连接柔索组204、213。左、右连接柔索组204、213的连接端分别通过绳索连接器对应与柔索3、末端执行器1连接；右压板201通过螺钉与单出杆活塞211的活塞杆的杆端连接，单出杆活塞初始位置处在液压缸208的中间位置，液压缸208的缸体端与左压板203通过螺钉连接，弹簧限位块206套在单出杆活塞的活塞杆211上，弹簧207一端固定在弹簧限位块206上，另一端固定在左压板203上；可伸缩套筒202连接在左、右压板之间并套在液压缸208外，起保护防尘作用；液压缸208的进出油口使用软胶管210连通，软胶管210上装有电磁阀209，液压缸208内的油液为粘滞阻尼液，可通过软胶管210在液压缸208两腔内流动。

如图1、图5所示，控制装置包括：单片机模块205、电磁阀209、无线通讯设备212，张力传感器214和拉线位移传感器215。单片机模块205和无线通讯设备212安装在右压板201上，张力传感器214安装在柔索上，测量柔索张力，拉线位移传感器215安装在定滑轮5的盖板上，测量柔索位移。无线通讯设备212接入单片机模块的通讯接口，张力传感器214和拉线位移传感器215连接单片机模块205的信号输入接口，电磁阀209连接单片机模块205的信号输出接口。

无线通讯设备接收外界PC设备传输的数据并将数据传递给单片机，无线通讯设备和传感器通过数据线连接单片机模块输入接口，单片机模块输出接口与电磁阀连接，单片机根据拉线位移传感器采集的位移数据选取无线通讯设备传输的期望张力值并与张力传感器采集的实际柔索张力值进行比较，反馈控制电磁阀的开/关状态。

本发明模块化可重构并联柔索机器人变刚度控制装置的变刚度机理为:当伺服电机带动卷扬机拖动柔索运动时，末端执行器开始运动，柔索的长度将发生微小变化，相应的柔索的张力发生变化。柔索的张力有两部分组成，用于驱动末端执行器的外张力和用于柔索之间相互平衡的内张力，而实际上外张力是由末端执行器的广义力（包括惯性力、离心力、哥氏力、重力及所受的外力）决定的，对于给定的末端执行器的位置、速度和加速度，它是无法改变的；而内张力则可以根据需要来调整。因此可对冗余并联柔索机器人进行刚度规划，得到独立可控的柔索张力期望值，并通过张力控制实现冗余并联柔索机器人的刚度控制，本发明就是通过控制柔索张力来实现变刚度。

本发明控制方法步骤如下：

（1）、将变刚度控制装置2中左连接柔索组204的连接端与柔索并联机器人的柔索3连接，变刚度控制装置2中右连接柔索组213的连接端与柔索并联机器人的末端执行器1连接；

（2）、确定柔索期望张力值。首先为末端执行器1设计某一运动轨迹，将运动轨迹分成若干段，并通过运算算法确定每一段轨迹运动过程中柔索3的期望刚度值，通过期望刚度值对柔索3进行张力规划，获得张力常量，利用刚度矩阵进行内张力规划，得到一组柔索张力期望值，并将期望值存储在单片机模块205中；

（3）、对柔索进行张力控制。安装在定滑轮5上的拉线位移传感器215检测柔索位移，确定末端执行器1的运动处在哪一阶段，单片机模块205通过分析位移而调用期望刚度值；安装在柔索3上的张力传感器时刻测量柔索的张力值，并将采集的数据传递给单片机模块205。单片机模块205将采集的数据与所调用柔索张力期望值进行比较，实测张力值小于期望张力值，电磁阀209为“关”状态，此时变刚度装置2起增加负重作用，增大机构刚度，柔索张力随着运动将会逐渐增大，当实测张力值大于期望张力值时，电磁阀209为“开”状态，此时变刚度装置2可简化为一单自由度弹簧阻尼系统，柔索张力将会减小，从而形成循环。控制柔索的张力值与期望张力值相等，从而得到期望的柔索刚度，进而实现机构的变刚度控制。

Claims (3)

1.模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置，其特征在于：包括变刚度装置、控制装置，其中：

变刚度装置包括相对设置的左、右压板，左、右压板之间连接有可伸缩套筒，可伸缩套筒内设有液压缸，液压缸与可伸缩套筒中心轴共线，液压缸的进出油口分别通过软胶管连接，液压缸的缸体端连接在左压板上，液压缸中单出杆活塞的杆端连接在右压板上，活塞杆穿出液压缸的杆段上固定套装有弹簧限位块，液压缸外还套装有弹簧，弹簧一端连接在左压板上，另一端连接在弹簧限位块上，变刚度装置还包括左、右连接柔索组，左、右连接柔索组分别由三股沿可伸缩套筒轴向连接左、右压板外侧边缘的柔索构成，左、右连接柔索组中的柔索位置一一相互错开，其中左连接柔索组中每根柔索的左端汇成一股并形成左连接端，右连接柔索组中每根柔索的右端汇成一股并形成右连接端，变刚度装置通过左、右连接柔索组安装在柔索并联机器人中柔索末端和末端执行器之间；

控制装置包括集成在变刚度装置中的单片机模块和无线通讯设备、安装在液压缸进出油口软胶管上的电磁阀、安装在柔索并联机器人柔索上的张力传感器、安装在柔索并联机器人定滑轮处的拉线位移传感器，所述无线通讯设备接入单片机模块的通讯接口，张力传感器、拉线位移传感器分别接入单片机模块的信号输入接口，电磁阀接入单片机模块的信号输出接口。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制装置，其特征在于：左、右连接柔索组中各个柔索分别在可伸缩套筒外呈环向均匀分布，且左、右连接柔索组中柔索位置一一相互错开形成叉指分布。

3.一种基于权利要求1所述变刚度控制装置的模块化可重构柔索并联机器人变刚度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将变刚度控制装置中左连接柔索组的连接端与柔索并联机器人的柔索连接，变刚度控制装置中右连接柔索组的连接端与柔索并联机器人的末端执行器连接；

（2）、对末端执行器的某一运动轨迹进行运动分析，将运动轨迹分成若干段，并通过运算算法确定每一段轨迹运动过程中柔索的期望刚度值，通过期望刚度值对柔索进行张力规划，获得张力常量，利用刚度矩阵进行内张力规划，得到一组柔索张力期望值，并将期望值存储在单片机模块中；

（3）、对柔索进行张力控制，安装在定滑轮处的拉线位移传感器检测柔索位移，确定末端执行器的运动处在哪一阶段，单片机模块通过分析位移而调用期望张力值；安装在柔索上的张力传感器时刻测量柔索的张力值，并将采集的数据传递给单片机模块；单片机模块将采集的数据与所调用柔索张力期望值进行比较，实测张力值小于期望张力值时，电磁阀为关闭状态，此时该变刚度装置起增加负重作用，增大机构刚度，柔索张力随着运动将会逐渐增大，当实测张力值大于期望张力值时，电磁阀为打开状态，此时该变刚度装置可简化为一单自由度弹簧阻尼系统，柔索张力将会减小，从而形成循环；当控制柔索的张力值与期望张力值相等时，就会得到期望的柔索刚度，进而实现机构的变刚度控制。