一种并联抹平机器人及其控制方法与流程

本发明涉及一种抹平机器人及其控制方法，具体是关于一种建筑施工用并联抹平机器人及其控制方法，属于建筑施工设备技术领域。

背景技术：

地面抹平机是建筑施工的重要设备，根据现有文献，地面抹平机按照抹平运动分为直线式抹平和回转式抹平两种。直线式抹平机采用直线式刮板，抹平机做垂直于刮板方向直线移动，完成抹平运动。回转式抹平机采用旋转抹盘，在抹盘旋转的同时抹平机沿地面做直线移动，实现对地面抹平。根据抹盘形式不同，回转式抹平机分为刀片式回转抹平机和盘式回转抹平机。

刀片式回转抹平机的抹盘与地面作用力大，控制相对容易，盘式回转抹平机的抹盘控制难度相对大，但平整效果相比刀片式要好。回转式抹平机相比直线式抹平机，操纵难度大，但作业更灵活，具有更好的应用前景。

此外，根据操纵方式，地面抹平机可分为人工操作、半自动操作和全自动操作三类。人工操作又分为人工驾驶操作、人工手扶式操作和遥控操作三种。目前尚没有全自动操作的抹平机。

盘式回转抹平机工作时，需要对抹盘两个方向独立控制摆动，如us5584598和us7232277公开的两种形式盘式地面抹平机中公开了抹盘姿态调整装置，采用传统串联形式，而采用并联机构对抹平机的抹盘进性调整的机构目前未见报道。虽然us5584598公开的抹平机可以通过调节螺母调节抹盘上抹片与地面之间的角度，但不能进行实时调整。同时进行抹盘姿态调整和抹盘抹片角度调整的装置未见报道。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种并联抹平机器人，它能够同时对地面抹平机抹盘进行两个方向摆动，以及抹盘抹片倾斜角度调整，抹盘两个方向摆动和抹盘抹片倾斜角度可以单独解耦，具有自动纠偏及自动运行的功能，克服了已有的此类装置的不足，更有利于控制抹盘与地面作用力；本发明的另一个目的是提供一种该并联抹平机器人的控制方法，该控制方法实时对抹盘位置和姿态进行检测，并与地面抹光机运动规划路径做比较，然后根据运动偏差情况，通过抹盘调整装置对抹盘姿态进行实时调整，使其按预定轨迹运动。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种并联抹平机器人，包括机架、抹盘旋转驱动机构、抹盘调整机构和抹盘；所述抹盘旋转驱动机构、两所述抹盘调整机构和两所述抹盘机构均安装在所述机架上，所述抹盘旋转驱动机构同时与两所述抹盘关联，用于驱动两所述抹盘旋转；两所述抹盘调整机构的自由端分别与两所述抹盘关联，用于分别调整两所述抹盘的姿态和倾斜角度；

所述抹盘调整机构包括：三自由度并联机构，其上具有绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度的动平台，所述抹盘位于所述动平台下方，所述抹盘的抹盘轴穿过所述动平台后与所述抹盘旋转驱动机构的输出端连接，且所述抹盘轴通过滑动轴承与所述动平台滑动连接；抹盘调整套筒，套设在位于所述动平台下部的所述抹盘轴外，且所述抹盘调整套筒的一端与所述动平台固定连接，所述抹盘调整套筒的另一端通过抹片倾斜调整杆与所述抹盘的抹片连接；所述动平台的两转动自由度带动所述抹盘调整套筒绕x轴和y轴的摆动，以实现所述抹盘两个方向姿态的调整；所述动平台的平动自由度带动所述抹盘调整套筒沿所述抹盘轴移动，进而带动所述抹片倾斜调整杆转动，以实现所述抹盘上抹片倾斜角度的调整。

所述的并联抹平机器人，优选地，所述抹盘旋转驱动机构包括：驱动电动机和减速器，所述减速器安装在所述机架上，所述驱动电动机安装在所述减速器上，且所述驱动电动机的输出轴与所述减速器的输入轴连接；动力轴，通过动力轴支撑轴承转动安装在所述机架上，所述动力轴的一端通过动力轴联轴器与所述减速器的输出轴连接，且所述动力轴与所述驱动电动机、减速器和动力轴联轴器同轴布置；动力轴同步带轮和动力轴齿轮，安装在所述动力轴上；中间轴，通过中间轴支撑轴承安装在所述机架上，且所述中间轴与所述动力轴轴线平行布置；中间轴同步带轮和中间轴齿轮，安装在所述中间轴上，且所述中间轴齿轮与所述动力轴齿轮相啮合，以将动力从所述动力轴传递到所述中间轴；抹盘动力输入轴，两所述抹盘动力输入轴分别通过抹盘动力输入轴支撑轴承转动安装在所述机架上，且两所述抹盘动力输入轴均与所述动力轴轴线平行布置，两所述抹盘动力输入轴的一端分别通过抹盘联轴器与两所述抹盘的抹盘轴连接；抹盘动力输入轴同步带轮，两所述抹盘动力输入轴同步带轮分别安装在所述抹盘动力输入轴上，且其中一所述抹盘动力输入轴同步带轮通过一抹盘同步带与所述动力轴同步带轮连接，另一所述抹盘动力输入轴同步带轮通过另一抹盘同步带与所述中间轴同步带轮连接，由此通过两所述抹盘同步带将动力从所述动力轴分别传递到两所述抹盘动力输入轴。

所述的并联抹平机器人，优选地，所述三自由度并联机构包括呈三角形布置的第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和所述动平台，且所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的一端与所述机架活动连接，所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的另一端形成自由端并分别与所述动平台活动连接。

所述的并联抹平机器人，优选地，所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链均包括电动缸、转动副和万向关节，所述电动缸的固定端通过所述转动副与所述机架连接，所述电动缸的输出端通过所述万向关节与所述动平台连接；所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链共同作用使所述动平台具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。

所述的并联抹平机器人，优选地，所述第一运动支链中的电动缸与所述机架间转动副轴线、该电动缸与之输出端连接的万向关节间转动轴线、所述第二运动支链中的电动缸与所述机架间转动副轴线、该电动缸与之输出端连接的万向关节间转动轴线平行布置；

同时，所述第三运动支链中的电动缸与所述机架间转动副轴线、该电动缸与之输出端连接的万向关节间转动轴线平行布置，并与所述第一运动支链中的电动缸与所述机架间转动副轴线、所述第二运动支链中的电动缸与所述机架间转动副轴线相互垂直。

所述的并联抹平机器人，优选地，所述第一运动支链中的万向关节与所述动平台连接轴线、所述第二运动支链中的万向关节与所述动平台连接轴线同轴共线布置；

同时，所述第三运动支链中的万向关节与所述动平台连接轴线、所述第一运动支链中的万向关节与所述动平台连接轴线共面垂直布置。

所述的并联抹平机器人，优选地，该并联抹平机器人还包括安装在所述机架上的位置和姿态检测传感器以及供电及控制系统，所述供电及控制系统包括电源和抹平机控制器，所述电源为所述并联抹平机器人提供电力供应，所述位置和姿态检测传感器连接所述抹平机控制器的输入端，所述抹平机控制器的输出端连接所述驱动电动机和各电动缸。

一种上述并联抹平机器人的控制方法，抹平机控制器接收位置和姿态检测传感器的信息，实时对驱动电动机和各电动缸进行控制，调整抹盘的姿态和转动速度以及抹盘抹片的倾斜角度，实现并联抹平机器人按照预定轨迹运动，具体控制方法如下：

1)建立并联抹平机器人坐标系，定义x轴为一抹盘指向另一抹盘方向，z轴垂直向上，并假设一抹盘绕-z轴旋转，另一抹盘绕z轴旋转；当一抹盘绕x轴倾斜的同时另一抹盘绕-x轴倾斜，并联抹平机器人受x方向力；当一抹盘绕y轴倾斜的同时另一抹盘绕-y轴倾斜，并联抹平机器人受y方向力；当一抹盘绕y轴倾斜的同时另一抹盘绕-y轴倾斜，并联抹平机器人受-z方向力矩；以此类推，获得并联抹平机器人水平面内任意方向的受力，或力+力矩的组合；

2)抹盘倾斜角度控制：根据步骤1)建立并联抹平机器人坐标系，假设a1o＝a3o＝l1，a2到a1a3的距离为h1，a1的坐标(-l1,0,0)，a2的坐标(0,h1,0)，a3的坐标(l1,0,0)，动平台上b1点和b3点的中点c的坐标为(0,0,zc)，b1c＝b3c＝l2，b2到b1b3的距离为h2；动平台绕过c点平行于y轴的轴线旋转α角，绕过c点平行于x轴的轴线旋转β角，此时b1点坐标为(-l2cosα,0,zc+l2sinα)，b2点坐标为(0,h2cosβ,zc+h2sinβ)，b3点坐标为(l2cosα,0,zc-l2sinα)，通过上述逆运动学模型计算转动副轴线到万向节轴心的距离，计算出电动缸的伸出长度；

3)抹盘抹片倾斜角度控制：假设抹片旋转中心到抹片倾斜调整杆端部轴线距离为l，抹片旋转中心到抹片倾斜调整杆端部轴线连线与水平夹角为γ0时，抹片与地面平行，如果要求抹片旋转δ角度，则步骤2)中zc相应的增加l*(sinγ0-sin(γ0-δ))，并根据步骤2)的抹盘调整机构的逆运动学模型计算电动缸11输出轴的伸出长度，用于抹盘调整机构的控制，从而实现在调整抹盘倾斜角度的同时，调整抹盘抹片的倾斜角度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供的并联抹平机器人，采用两套独立的空间两转动一移动三自由度并联机构，对两套抹盘的两个方向倾斜角度和抹盘抹片与地面倾斜角度进行独立的实时调整，抹盘抹片倾斜角度调整不受抹盘连续旋转的限制，在抹盘旋转的同时即可完成抹盘抹片倾斜角度调整，解决了现有地面抹光机抹盘倾斜角度和抹盘抹片倾斜角度无法同时实时调整的问题。2、本发明三自由度并联机构中的运动支链仅包含转动副和万向关节，运动支链结构简单，减少了运动副数量，避免了球铰加工难度大等问题，加工制造容易，成本低，精度容易保证。3、本发明中三条运动支链的结构完全一致(均为rpu)，便于制造，并且三条运动支链具有特定的位置关系，实现了机构x和y两个方向的转动自由度和z向移动自由度解耦，不仅其末端动平台因此获得较高的转角范围和较好的输出精度，而且控制使用简单，不容易导致干涉。本发明的并联抹平机器人结构简单，运动副数量少，抹盘倾斜角度和抹盘叶片倾斜角度的控制解耦，控制容易，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明并联抹平机器人的整体结构示意图；

图2为本发明抹盘旋转驱动机构的结构示意图；

图3为本发明抹盘调整机构的结构示意图；

图4为本发明并联抹平机器人的工作原理示意图；

图5为本发明抹盘调整机构的运动学建模示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的并联抹平机器人，包括机架10、抹盘旋转驱动机构20、抹盘调整机构30和抹盘40。抹盘旋转驱动机构20、两抹盘调整机构30和两抹盘机构40均安装在机架10上，抹盘旋转驱动机构20同时与两抹盘40关联，用于驱动两抹盘40旋转。两抹盘调整机构30的自由端分别与两抹盘40关联，用于分别调整两抹盘机构40的姿态和倾斜角度。

如图3所示，抹盘调整机构30包括：三自由度并联机构，其上具有绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度的动平台31，抹盘40位于动平台31下方，抹盘40的抹盘轴41穿过动平台31后与抹盘旋转驱动机构20的输出端连接，且抹盘轴41通过滑动轴承32与动平台31滑动连接；抹盘调整套筒32，套设在位于动平台31下部的抹盘轴41外，且抹盘调整套筒32的一端与动平台31固定连接，抹盘调整套筒32的另一端通过抹片倾斜调整杆42与抹盘40的抹片43连接。动平台31的两转动自由度带动抹盘调整套筒32绕x轴和y轴的摆动，以实现抹盘40两个方向姿态的调整；动平台31的平动自由度带动抹盘调整套筒32沿抹盘轴41(即z轴)移动，进而带动抹片倾斜调整杆42转动，以实现抹盘40上抹片倾斜角度的调整。

在上述实施例中，优选地，如图2所示，抹盘旋转驱动机构20包括：驱动电动机201和减速器202，减速器202安装在机架10上，驱动电动机201安装在减速器202上，且驱动电动机201的输出轴与减速器202的输入轴连接；动力轴204，通过动力轴支撑轴承205转动安装在机架10上，动力轴204的一端通过动力轴联轴器203与减速器202的输出轴连接，且动力轴204与驱动电动机201、减速器202和动力轴联轴器203同轴布置；动力轴同步带轮206和动力轴齿轮207，安装在动力轴204上；中间轴209，通过中间轴支撑轴承208安装在机架10上，且中间轴209与动力轴204轴线平行布置；中间轴同步带轮210和中间轴齿轮211，安装在中间轴209上，且中间轴齿轮211与动力轴齿轮207相啮合，以将动力从动力轴204传递到中间轴209；抹盘动力输入轴214，两抹盘动力输入轴214分别通过抹盘动力输入轴支撑轴承212转动安装在所述机架10上，且两抹盘动力输入轴214均与动力轴204轴线平行布置，两抹盘动力输入轴214的一端分别通过抹盘联轴器43与两抹盘40的抹盘轴41连接；抹盘动力输入轴同步带轮213，两抹盘动力输入轴同步带轮213分别安装在抹盘动力输入轴214上，且其中一抹盘动力输入轴同步带轮213通过一抹盘同步带(图中未标出)与动力轴同步带轮206连接，另一抹盘动力输入轴同步带轮213通过另一抹盘同步带(图中未标出)与中间轴同步带轮210连接，由此通过两抹盘同步带将动力从动力轴204分别传递到两抹盘动力输入轴214。

在上述实施例中，优选地，如图3所示，三自由度并联机构包括呈三角形布置的第一运动支链301、第二运动支链302、第三运动支链303和动平台31，且第一运动支链301、第二运动支链302和第三运动支链303的一端与机架10活动连接，第一运动支链301、第二运动支链302和第三运动支链303的另一端形成自由端并分别与动平台31活动连接。

在上述实施例中，优选地，第一运动支链301、第二运动支链302和第三运动支链303均包括电动缸11、转动副12和万向关节13，电动缸11的固定端通过转动副12与机架10连接，电动缸11的输出端通过万向关节13与动平台31连接，电动缸11的输出端沿其自身轴线直线移动，为该运动支链输入运动。由此，第一运动支链301、第二运动支链302和第三运动支链303分别与动平台31以及机架10连接形成一个空间闭环机构，利用三条运动支链中电动缸11的输入运动使得动平台31运动，具体为：利用第一运动支链301和第二运动支链302共同实现动平台31绕y轴方向的转动自由度；利用第三运动支链303实现动平台31绕x轴方向的转动自由度；利用第一运动支链301、第二运动支链302和第三运动支链303共同实现动平台31沿z轴方向的移动自由度，即三条运动支链共同作用使动平台31具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。

在上述实施例中，优选地，第一运动支链301中的电动缸11与机架10间转动副12轴线、该电动缸11与之输出端连接的万向关节13间转动轴线、第二运动支链302中的电动缸11与机架10间转动副12轴线、该电动缸11与之输出端连接的万向关节13间转动轴线平行布置。

同时，第三运动支链303中的电动缸11与机架10间转动副12轴线、该电动缸11与之输出端连接的万向关节13间转动轴线平行布置，并与第一运动支链301中的电动缸11与机架10间转动副12轴线、第二运动支链302中的电动缸11与机架10间转动副12轴线相互垂直。

在上述实施例中，优选地，第一运动支链301中的万向关节13与动平台31连接轴线、第二运动支链302中的万向关节13与动平台31连接轴线同轴共线布置。

同时，第三运动支链303中的万向关节13与动平台31连接轴线、第一运动支链301中的万向关节13与动平台31连接轴线共面垂直布置。

在上述实施例中，优选地，如图1、图4所示，该并联抹平机器人还包括安装在机架10上的位置和姿态检测传感器50和供电及控制系统60，供电及控制系统60包括电源和抹平机控制器，电源为并联抹平机器人提供电力供应，位置和姿态检测传感器50连接抹平机控制器的输入端，抹平机控制器的输出端连接驱动电动机201和各电动缸11。

基于上述实施例提供的并联抹平机器人，本发明还提出了一种该并联抹平机器人的控制方法，抹平机控制器接收位置和姿态检测传感器的信息，实时对驱动电动机201和各电动缸11进行控制，调整抹盘40的姿态和转动速度以及抹盘抹片的倾斜角度，实现并联抹平机器人按照预定轨迹运动，具体控制方法如下：

1)建立并联抹平机器人坐标系(如图2所示)，定义x轴为一抹盘40指向另一抹盘40方向，z轴垂直向上，并假设一抹盘40绕-z轴旋转，另一抹盘40绕z轴旋转；当一抹盘40绕x轴倾斜的同时另一抹盘40绕-x轴倾斜，并联抹平机器人受x方向力；当一抹盘40绕y轴倾斜的同时另一抹盘40绕-y轴倾斜，并联抹平机器人受y方向力；当一抹盘40绕y轴倾斜的同时另一抹盘40绕-y轴倾斜，并联抹平机器人受-z方向力矩；以此类推，可以获得并联抹平机器人水平面内任意方向的受力，或力+力矩的组合。

2)抹盘倾斜角度控制：建立抹盘调整机构30的逆运动学模型(如图5所示)，根据步骤1)建立并联抹平机器人坐标系，并建立抹盘调整机构30的逆运动学模型。假设a1o＝a3o＝l1，a2到a1a3的距离为h1，a1的坐标(-l1,0,0)，a2的坐标(0,h1,0)，a3的坐标(l1,0,0)，动平台31上b1点和b3点的中点c的坐标为(0,0,zc)，b1c＝b3c＝l2，b2到b1b3的距离为h2；动平台31绕过c点平行于y轴的轴线旋转α角，绕过c点平行于x轴的轴线旋转β角，此时b1点坐标为(-l2cosα,0,zc+l2sinα)，b2点坐标为(0,h2cosβ,zc+h2sinβ)，b3点坐标为(l2cosα,0,zc-l2sinα)，通过上述逆运动学模型可以计算转动副12轴线到万向节13轴心的距离，计算出电动缸11的伸出长度。

3)抹盘抹片倾斜角度控制：假设抹片旋转中心到抹片倾斜调整杆42端部轴线距离为l，抹片旋转中心到抹片倾斜调整杆42端部轴线连线与水平夹角为γ0时，抹片与地面平行，如果要求抹片旋转δ角度，则步骤2)中zc相应的增加l*(sinγ0-sin(γ0-δ))，并根据步骤2)的抹盘调整机构30的逆运动学模型计算电动缸11输出轴的伸出长度，用于抹盘调整机构30的控制，从而实现在调整抹盘倾斜角度的同时，调整抹盘抹片的倾斜角度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。