一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提出一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，通过改变杆件和关节的材料属性和结构参数，可以构成柔性杆件并联机器人、柔顺关节并联机器人和全柔性并联机器人，实现对三种柔性并联机器人的性能分析和实验研究。构成的三种柔性并联机器人，避免了重复设计和制造，实验装置具有一定的通用性，对于提高柔性并联机器人的性能有积极意义；本发明具有测量反馈系统，可以构成闭环控制，通过采用合理的控制方法，可以有效降低弹性变形对并联机器人运行精度的影响，提高机器人的实用性，实验装置操作简便成本低。
【专利说明】一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种平面三自由度结构可变的柔性并联装置，涉及机器人实验领域，尤其涉及一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置。
【背景技术】
[0002]平面三自由度并联机器人是由在平面上对称布置的三条结构相同的运动链将动平台和基座联接而构成的具有一个转动自由度和两个移动自由度的平面并联机构，具有结构简单、易于控制等优点，已经在工业领域得到了广泛应用。
[0003]传统并联机器人的构件和关节通常为刚性，然而随着科技的发展并联机器人也向着轻型化、高速化和精密化方向发展，用以满足低能耗、高效率、精密操作等生产要求。但随之而来的是由于轻质构件造成的机器固有频率的下降、高速运动时激振频率的升高以及构件的弹性振动造成系统运动精度的降低。因此，对于具有较高精度要求的并联机器人，必须考虑构件的弹性变形对系统运动精度和动力学性能的影响，由此产生了考虑杆件弹性变形的柔性杆件并联机器人这一新的研究领域。
[0004]柔顺关节是应用柔顺机构理论而产生的一种新型运动副，这种运动副通过关节自身的弹性变形来传递相邻构件间的运动。将柔顺关节应用于传统并联机器人中，取代传统运动副进行传动，可以从根本上解决传统运动副所带来的间隙、摩擦、磨损、冲击和润滑等问题，提高并联机器人系统的整体性能。基于以上分析，本发明提出一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，该实验装置对于有效分析柔性并联机器人多闭环多弹性体的非线性特性具有很好的效果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，针对柔性并联机器人多闭环、多输入、多输出、多弹性体、非线性等问题，本实验装置通过改变杆件和关节的材料属性和结构参数，可以构成柔性杆件并联机器人、柔顺关节并联机器人和全柔性并联机器人,实现对三种柔性并联机器人的性能分析和实验研究。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种平面三自由度柔性并联机器人实验装置，其机械结构包括末端执行器、基座和与二者相连接的三条结构相同的运动支链和三组结构相同的驱动部分；驱动部分中，伺服电机一端通过螺栓连接固定在基座上，另一端与减速器连接，减速器的另一端与驱动副连接。
[0007]运动支链通过改变刚性杆件、柔性杆件、刚性关节和柔顺关节的存在和组合方式，构成了三种柔性并联机器人，具体包含以下3种情况:
[0008]1、运动链由柔性主动杆、刚性运动副、柔性从动杆组成。连接方式为:柔性主动杆一端与驱动副连接，另一端通过刚性转动副与柔性从动杆连接，柔性从动杆与末端执行器通过刚性运动副连接，这种连接方式构成柔性杆件并联机器人。
[0009]2、运动链由刚性主动杆、柔顺关节、刚性从动杆组成。连接方式为:刚性主动杆一端与驱动副连接，另一端通过柔顺关节与刚性从动杆连接，刚性从动杆与末端执行器通过刚性转动副连接，这种连接方式构成柔顺关节并联机器人。
[0010]3、运动链由柔性主动杆、柔顺关节、柔性从动杆组成。连接方式为:柔性主动杆一端与驱动副连接，另一端通过柔顺关节与柔性从动杆连接，柔性从动杆与末端执行器通过刚性转动副连接，这种连接方式构成全柔性并联机器人。
[0011]本发明的平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置的控制部分包括:主控工控机和测量反馈系统；主控工控机内置可编程多轴运动控制器，利用可编程多轴运动控制器对并联机器人进行控制，可编程多轴运动控制器与回零接近传感器和限位接近传感器连接，回零接近传感器安装于主动杆输出端的下方，用于机器人系统的初始化，限位接近传感器对称安装于主动杆输出端的两侧，用于保护机器人系统安全运行；测量反馈系统将并联机器人末端执行器的位姿信息经过处理后发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，构成并联机器人的闭环控制。
[0012]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0013]1、本发明通过改变刚性杆件、柔性杆件、刚性关节和柔顺关节的存在和组合方式，构成了三种柔性并联机器人，避免了重复设计和制造，实验装置具有一定的通用性。
[0014]2、本发明提供的柔性并联机器人实验装置，可以用来研究杆件柔性和关节柔性对并联机器人整体性能的影响，对于提高柔性并联机器人的性能有积极意义。
[0015]3、本发明具有测量反馈系统，可以构成闭环控制，通过采用合理的控制方法，可以有效降低弹性变形对并联机器人运行精度的影响，提高机器人的实用性，实验装置操作简便，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为平面三自由度柔性杆件并联机器人机械结构俯视图。
[0017]图2为平面三自由度柔顺关节并联机器人机械结构俯视图。
[0018]图3为平面三自由度全柔性并联机器人机械结构俯视图。
[0019]图4为三种柔性并联机器人的机械结构主视图。
[0020]图5为三种柔性并联机器人的控制装置示意框图。
[0021]图中:1、末端执行器2、基座3、驱动副4、柔性主动杆5、刚性转动副6、柔性从动杆
7、刚性转动副8、减速器9、伺服电机10、限位接近传感器11、回零接近传感器12、刚性主动杆13、柔顺关节14、刚性从动杆
【具体实施方式】
[0022]以下将结合附图和实施分析对本发明做进一步分析。
[0023]如图1所示为平面三自由度柔性杆件并联机器人机械结构俯视图，该平面三自由度柔性杆件并联机器人的机械结构包括:末端执行器1、基座2、驱动副3、柔性主动杆4、刚性转动副5、柔性从动杆6、刚性转动副7、减速器8、伺服电机9、限位接近传感器10、回零接近传感器11 ;其中末端执行器I和基座2与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；运动支链中，柔性主动杆4 一端与驱动副3连接，另一端通过刚性转动副5与柔性从动杆6连接，柔性从动杆6与末端执行器I通过刚性转动副7连接；其中柔性主动杆4与驱动副3，刚性转动副5与柔性主动杆4和柔性从动杆6，柔性从动杆6与刚性转动副7之间为螺栓连接；柔性主动杆4输出端两侧对称安装一组限位接近传感器10，主动杆4输出端下方安装一个回零接近传感器11 ;基座2为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座2的周向；末端执行器I为等边三角形，刚性转动副7均匀的分布在末端执行器I的周向。
[0024]如图2所示为平面三自由度柔顺关节并联机器人机械结构俯视图，平面三自由度柔顺关节并联机器人的机械结构包括:末端执行器1、基座2、驱动副3、刚性转动副7、减速器8、伺服电机9、限位接近传感器10、回零接近传感器11、刚性主动杆12、柔顺关节13、刚性从动杆14 ;其中末端执行器I和基座2与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；所述运动支链中，刚性主动杆12 —端与驱动副3连接，另一端通过柔顺关节13与刚性从动杆14连接，刚性从动杆14与末端执行器I通过刚性转动副7连接；其中刚性主动杆12与驱动副3，柔顺关节13与刚性主动杆12和刚性从动杆14，刚性从动杆14与刚性转动副7之间为螺栓连接；刚性主动杆12输出端两侧对称安装一组限位接近传感器10，刚性主动杆12输出端下方安装一个回零接近传感器11 ;基座2为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座2的周向；末端执行器I为等边三角形，刚性转动副7均匀的分布在末端执行器I的周向。
[0025]如图3所示为平面三自由度全柔性并联机器人机械结构俯视图，平面三自由度全柔性并联机器人的机械结构包括:末端执行器1、基座2、驱动副3、柔性主动杆4、柔性从动杆6、刚性转动副7、减速器8、伺服电机9、限位接近传感器10、回零接近传感器11、柔顺关节13 ;其中末端执行器I和基座2与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；运动支链中，柔性主动杆4 一端与驱动副3连接，另一端通过柔顺关节13与柔性从动杆6连接，柔性从动杆6与末端执行器I通过刚性转动副7连接；其中柔性主动杆4与驱动副3，柔顺关节13与柔性主动杆4和柔性从动杆6，柔性从动杆6与刚性转动副7之间为螺栓连接；柔性主动杆4输出端两侧对称安装一组限位接近传感器10，柔性主动杆4输出端下方安装一个回零接近传感器11 ;基座2为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座2的周向；末端执行器I为等边三角形，刚性转动副7均匀的分布在末端执行器I的周向。
[0026]如图4所示为三种柔性并联机器人的机械结构主视图，图中驱动部分由驱动副3、减速器8和伺服电机9组成；伺服电机9 一端通过螺栓连接固定在基座2上，另一端与减速器8连接，减速器8的另一端与驱动副3连接。
[0027]如图5所示为三种柔性并联机器人的控制装置示意框图，平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置的控制部分包括:主控工控机和测量反馈系统；主控工控机内置可编程多轴运动控制器，提供用户与系统的交互平台、负责机器人动力学计算、运动轨迹规划、系统维护、数据的保存处理显示等功能，通过PCI总线与可编程多轴运动控制器进行通讯；可编程多轴运动控制器具有实时性、高精度和高可靠性等特点，利用可编程多轴运动控制器对并联机器人进行控制，可编程多轴运动控制器与回零接近传感器11和限位接近传感器10连接，回零接近传感器11用于机器人系统的初始化，限位接近传感器10用于保护机器人系统安全运行；测量反馈系统将并联机器人末端执行器的位姿信息经过处理后发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，构成并联机器人的闭环控制。
[0028]机器人工作时，主控工控机完成人机交互，动力学计算等功能，向可编程多轴运动控制器发出控制指令，可编程多轴运动控制器控制机器人完成回零操作，控制各组驱动部分中的伺服电机将控制力矩经过减速器传递给驱动副，驱动副带动主动杆，主动杆通过柔顺关节带动从动杆，使得末端执行器可以进行给定的工作任务；当机器人的主动杆运动到极限位置时，可编程多轴运动控制器发出停止指令，保护机器人；测量反馈系统将末端执行器的位姿信息发送给主控工控机，形成控制误差信号，传送给可编程多轴运动控制器，完成闭环控制；在机械结构和控制装置的相互作用下，末端执行器可以完成给定的工作任务。
[0029]本发明通过改变刚性杆件、柔性杆件、刚性关节和柔顺关节的存在和组合方式，构成了三种柔性并联机器人实验装置，可以用来研究杆件柔性和关节柔性对并联机器人整体性能的影响。本发明具有测量反馈系统，可以构成闭环控制，通过采用合理的控制方法，可以有效降低弹性变形对并联机器人运行精度的影响，提高机器人的实用性。本发明提供的平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置对于提高柔性并联机器人的整体性能和实际应用价值具有积极意义。
【权利要求】
1.一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，其特征在于:本实验装置通过改变杆件和关节的材料属性和结构参数，可以构成柔性杆件并联机器人、柔顺关节并联机器人和全柔性并联机器人三种；该平面三自由度柔性杆件并联机器人的机械结构包括末端执行器(I)、基座(2)、驱动副(3)、柔性主动杆(4)、刚性转动副(5)、柔性从动杆(6)、刚性转动副(7)、减速器(8)、伺服电机(9)、限位接近传感器(10)、回零接近传感器(11);其中末端执行器(I)和基座(2)与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；运动支链中，柔性主动杆(4) 一端与驱动副(3)连接，另一端通过刚性转动副(5)与柔性从动杆(6)连接，柔性从动杆(6)与末端执行器(I)通过刚性转动副(7)连接；其中柔性主动杆(4)与驱动副(3 )，刚性转动副(5 )与柔性主动杆(4)和柔性从动杆(6 )，柔性从动杆(6)与刚性转动副(7)之间为螺栓连接；柔性主动杆(4)输出端两侧对称安装一组限位接近传感器(10)，主动杆(4)输出端下方安装一个回零接近传感器(11);基座(2)为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座(2)的周向；末端执行器(I)为等边三角形，刚性转动畐0(7)均匀的分布在末端执行器(I)的周向；平面三自由度柔顺关节并联机器人的机械结构包括末端执行器(I)、基座(2)、驱动副(3)、刚性转动副(7)、减速器(8)、伺服电机(9)、限位接近传感器(10)、回零接近传感器(11)、刚性主动杆(12)、柔顺关节(13)、刚性从动杆(14);其中末端执行器(I)和基座(2)与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；所述运动支链中，刚性主动杆(12) —端与驱动副(3)连接，另一端通过柔顺关节(13)与刚性从动杆(14)连接，刚性从动杆(14)与末端执行器(I)通过刚性转动副(7)连接；其中刚性主动杆(12)与驱动副(3)，柔顺关节(13)与刚性主动杆(12)和刚性从动杆(14)，刚性从动杆(14)与刚性转动副(7)之间为螺栓连接；刚性主动杆(12)输出端两侧对称安装一组限位接近传感器(10)，刚性主动杆(12)输出端下方安装一个回零接近传感器(11);基座(2)为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座(2)的周向；末端执行器(I)为等边三角形，刚性转动副(7)均匀的分布在末端执行器(I)的周向；平面三自由度全柔性并联机器人的机械结构包括末端执行器(I)、基座(2)、驱动副(3)、柔性主动杆(4)、柔性从动杆(6)、刚性转动副(7)、减速器(8)、伺服电机(9)、限位接近传感器(10)、回零接近传感器(11)、柔顺关节(13);其中末端执行器(I)和基座(2)与三条结构相同的运动支链以及三组结构相同的驱动部分相连接；运动支链中，柔性主动杆(4) 一端与驱动副(3)连接，另一端通过柔顺关节(13)与柔性从动杆(6)连接，柔性从动杆(6)与末端执行器(I)通过刚性转动副(7)连接；其中柔性主动杆(4)与驱动副(3)，柔顺关节(13)与柔性主动杆(4)和柔性从动杆(6)，柔性从动杆(6)与刚性转动副(7)之间为螺栓连接；柔性主动杆(4)输出端两侧对称安装一组限位接近传感器(10)，柔性主动杆(4)输出端下方安装一个回零接近传感器(11);基座(2)为等边三角形，驱动部分均匀的分布在基座(2)的周向；末端执行器(I)为等边三角形，刚性转动副(7)均匀的分布在末端执行器(I)的周向。
2.根据权利要求1所述的一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，其特征在于:平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置的控制部分包括主控工控机和测量反馈系统；主控工控机内置可编程多轴运动控制器，提供用户与系统的交互平台、负责机器人动力学计算、运动轨迹规划、系统维护、数据的保存处理显示功能，通过PCI总线与可编程多轴运动控制器进行通讯；可编程多轴运动控制器具有实时性、高精度和高可靠性特点，利用可编程多轴运动控制器对并联机器人进行控制，可编程多轴运动控制器与回零接近传感器(11)和限位接近传感器(10)连接，回零接近传感器(11)用于机器人系统的初始化，限位接近传感器(10)用于保护机器人系统安全运行；测量反馈系统将并联机器人末端执行器的位姿信息经过处理后发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，构成并联机器人的闭环控制；机器人工作时，主控工控机完成人机交互，动力学计算功能，向可编程多轴运动控制器发出控制指令，可编程多轴运动控制器控制机器人完成回零操作，控制各组驱动部分中的伺服电机将控制力矩经过减速器传递给驱动副，驱动副带动主动杆，主动杆通过柔顺关节带动从动杆，使得末端执行器可以进行给定的工作任务；当机器人的主动杆运动到极限位置时，可编程多轴运动控制器发出停止指令，保护机器人；测量反馈系统将末端执行器的位姿信息发送给主控工控机，形成控制误差信号，传送给可编程多轴运动控制器，完成闭环控制；在机械结构和控制装置的相互作用下，末端执行器可以完成给定的工作任务。
3.根据权利要求1或2要求所述的一种平面三自由度结构可变的柔性并联机器人实验装置，其特征在于:驱动部分由驱动副(3)、减速器(8)和伺服电机(9)组成；伺服电机(9)一端通过螺栓连接固定在基座(2)上，另一端与减速器(8)连接，减速器(8)的另一端与驱动副(3)连接。
【文档编号】B25J9/08GK103507064SQ201310453139
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月28日 优先权日:2013年9月28日
【发明者】 田 浩, 余跃庆 申请人:北京工业大学