一种模块化柔索并联机构实验平台及其自重构方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化柔索并联机构实验平台，包括圆环形导轨，圆环形导轨上滑动装配有六组基座，每个基座顶面径向内端分别垂直安装有液压缸，液压缸活塞杆上端分别转动安装有定滑轮，每个基座顶面分别安装有由液压马达驱动的卷扬机，卷扬机机轴上柔索向上绕过各自对应的定滑轮后，再分别向圆环形导轨中心延伸，圆环形导轨中心上方设置有末端执行器，每个柔索索端分别通过带弹簧的剪式机构连接有钩爪，柔索索端分别通过钩爪抓住末端执行器上位置对应的钩环，每个液压缸朝向圆环形导轨中心上方的一面铰接有连杆滑块机构。本发明通过一种模块化柔索并联机构实验平台的自重构方法，方便研究不同构型二至六自由度柔索并联机构的运动学、动力学性能。
【专利说明】
一种模块化柔索并联机构实验平台及其自重构方法
技术领域
[0001]本发明涉及柔索并联机构实验平台领域，具体是一种模块化柔索并联机构实验平台及其自重构方法。
【背景技术】
[0002]在过去的十几年里，各种自由度的柔索驱动并联机构已经在一些领域得到了广泛的研究和应用。与传统机构相比，它们可以产生很大的加速度和工作区间，并且承载能力强、轻便灵活、可重组、模块化程度高。
[0003]中国专利201410090629.X公开了一种六自由度模块化可重构柔索并联机构。但在实验过程中，我们发现该模块化可重构柔索并联实验平台的重构过程相对比较复杂，不仅需要手动拆装末端执行器上的柔索，以改变柔索数量，而且，所述安装在圆环形导轨上分别用于控制六根柔索运动的六个柔索支柱的拆装也比较麻烦。在整个实验中，拆装各模块比较浪费时间，降低了工作效率。
【发明内容】
[0004]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种模块化柔索并联机构实验平台及其自重构方法，以自动高效的实现各种不同自由度变参数柔索并联，用于方便快捷的研究各种不同构型二至六自由度柔索并联机构的运动学、动力学性能。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0006]一种模块化柔索并联机构实验平台，其特征在于:包括水平设置的圆环形导轨，圆环形导轨上滑动装配有六组基座，每个基座分别沿圆环形导轨径向设置，每个基座顶面径向内端分别垂直安装有作为柔索支柱的液压缸，液压缸活塞杆竖直向上延伸，且液压缸活塞杆上端分别转动安装有定滑轮，每个基座顶面分别安装有由液压马达驱动的卷扬机，卷扬机机轴上缠绕有柔索，柔索向上绕过各自对应的定滑轮后，再分别向圆环形导轨中心延伸，所述圆环形导轨中心上方设置有末端执行器，末端执行器侧壁上对应各个基座位置分别设有钩环，每个柔索索端分别通过带弹簧的剪式机构连接有钩爪，且剪式机构上设有电磁铁I，多个柔索索端分别通过钩爪抓住末端执行器上位置对应的钩环，每个液压缸朝向圆环形导轨中心上方的一面下部通过抱箍I铰接有短连杆、上部通过抱箍II铰接有长连杆，所述短连杆杆端通过滑块滑动安装在长连杆杆身上，长连杆杆端设有可与位置对应的电磁铁I相互吸合的电磁铁II，由长连杆、短连杆、滑块构成连杆滑块机构。
[0007]所述的一种模块化柔索并联机构实验平台，其特征在于:每个基座分别通过驱动轮滑动装配在圆环形导轨上，且每个基座由伺服电机通过变速箱带动驱动轮驱动，为了实现准确定位，在驱动轮上设置电磁制动器。
[0008]—种模块化柔索并联机构实验平台的自重构方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0009]步骤一:所述连杆滑块机构通过抱箍铰接在液压缸的缸体上，用于实现柔索和末端执行器之间的连接和断开，所述处于复位状态的连杆滑块机构与液压缸的缸体平行，当所述末端执行器需要和柔索断开连接时，连杆滑块机构处于工作状态，所述连杆的末端与柔索连接末端执行器的一端接触，并通过电磁铁固定，通过工控机控制柔索和末端执行器断开，所述连杆滑块机构和柔索一起回到复位状态，实现柔索和末端执行器的断开；
[0010]步骤二:所述基座是以滑块的形式与所述圆环形导轨滑动配合，所述基座包括内圆环滑块和外圆环滑块，分别与圆环形导轨的内圆表面和外圆表面配合，所述圆环形导轨外圆周周围均匀分布有四个导轨座，分别对应任意四个基座，所述基座上表面上对称安装有两个旋转伸缩气缸，所述旋转伸缩气缸用于将内圆环滑块旋转九十度，以保证所述基座可以沿着平行于圆环形导轨平面的方向向远离圆环形导轨中心的一端沿着导轨座上的导轨滑动；
[0011]步骤三:所述导轨座一侧安装有两个啮合的齿轮，其中一个与所述基座上的齿条啮合，通过齿轮的转动，带动齿条的移动，以实现所述基座滑动到所述导轨上，所述导轨座底端安装有气缸，以实现导轨座的升降，所述基座随着导轨座下降，以避免对其他处于工作状态的基座产生干涉，同理，可以实现处于工作状态的柔索支柱数量的增加，即自由度的增加。
[0012]本发明优点为:
[0013]1、本发明通过连杆滑块机构和剪式机构实现末端执行器和柔索之间的自动连接和断开，方便快捷，大大节省了时间。连杆滑块机构中各运动副均为面接触，传动时受到单位面积上的压力较小，且有利于润滑，磨损较轻，寿命较长，同时，制造简单，工作空间大，易获得较高的精度。
[0014]2、本发明通过旋转伸缩气缸实现内圆盘滑块的九十度转动，以保证基座在齿轮齿条机构的驱动下可以顺利滑动到导轨座上。气缸具有负载大、动作迅速、工作环境适应性好等优点，并且旋转伸缩气缸可以实现旋转和伸缩两个功能，大大简化了机构的复杂程度。齿轮齿条机构传动动力大、工作稳定、可靠性高。
[0015]3、本发明装置具有自动重构的特点，可以高效利用各模块，方便地开展各种不同构型的二至六自由度变参数柔索并连机构的设计、运动演示、力学特性研究等问题。
【附图说明】
[0016]图1为本发明自动重构六自由度柔索并联机构实验平台结构示意图。
[0017]图2为本发明连杆滑块机构工作示意图。
[0018]图3为图2中A的局部放大图。
[0019]图4为内圆环滑块旋转示意图。
[0020]图5为未处于工作状态的基座示意图。
[0021]图6为本发明的工作效果图。
[0022]图7为本发明模块化柔索并联机构实验平台结构总图。
【具体实施方式】
[0023]参见图1，本实施例中模块化柔索并联机构实验平台的结构设置为:呈水平设置的圆环形导轨7，由三个均匀分布的支腿8固定支撑。在圆环形导轨7上设置六组可沿圆环形导轨7移动、并可在竖向伸缩的柔索支柱，柔索支柱是在基座10上呈直立设置可伸缩的液压缸3，液压缸的顶端设置有定滑轮2。基座10是以滑块的形式与圆环形导轨7滑动配合，并可以在圆环形导轨7上按圆环形轨迹移动。基座10上固定设置有卷扬机6，柔索4的一端由卷扬机卷放，另一端绕过定滑轮2并连接在末端执行器I的对应位置的连接点上，与柔索4一一对应连接的各连接点分处在末端执行器I的不同位置上。以末端执行器I作为实现不同自由度的被控对象。液压马达5通过减速机驱动卷扬机6构成柔索驱动机构，基座10是由伺服电机9通过变速箱带动驱动轮12在圆环形导轨7上移动，为了实现准确定位，在驱动轮12上设置电磁制动器11，以保证柔索支柱准确定位在圆环形导轨7上。
[0024]处于工作状态的柔索支柱可设置为二至六组，本发明分别通过以下方法实现模块化柔索并联机构实验平台的自重构过程，下面将以处于工作状态的柔索支柱数量的减少过程为例，详细说明该方法的实现步骤:
[0025]步骤一:参见图1 一图4，连杆滑块机构14通过抱箍120和抱箍1121铰接在液压缸3的缸体上，图1中连杆滑块机构14与液压缸3的缸体平行，处于复位状态。如图2所示，为了实现末端执行器I和柔索4的自动分离，首先，通过工控机39控制连接在抱箍20上的杆件在电机的驱动下转动，连杆滑块机构14运动，使得连杆滑块机构14的末端运动到柔索与末端执行器I的连接点上。如图3所示，剪式机构26和连杆滑块机构14的末端上分别安装有电磁铁123和电磁铁1122，通过工控机39控制电磁铁通电吸合，柔索4连接在连杆滑块机构14末端，控制卷扬机6放松柔索4，在剪式机构26上安装的弹簧24的作用下，钩爪25打开，连杆滑块机构14带动柔索4回到复位状态，如图4所示，柔索4和末端执行器I断开；
[0026]步骤二:参见图1一图5，圆环形导轨7外圆周周围均匀分布有四个导轨座17，分别对应任意四个基座10，基座10由内圆环滑块28和外圆环滑块32组成，如图4所示，内圆环滑块28两侧加工有一字型凹槽38和十字形凹槽37，旋转伸缩气缸29和旋转伸缩气缸30固定安装在基座上，它们的活塞杆上分别安装有用于连接气缸和内圆环滑块的连接件134和连接件1135，连接件134和连接件1135与内圆环滑块接触的一端加工有对应的凸起块36。当基座向外运动时，在旋转伸缩气缸的作用下，连接件134和连接件II 35沿着一字型凹槽38运动到十字形凹槽37所在的位置，通过工控机39控制旋转伸缩气缸29和旋转伸缩气缸30的活塞杆收缩，此时，内圆环滑块28上的十字形凹槽37和连接件134上的凸起配合，旋转伸缩气缸29和旋转伸缩气缸30旋转90°，带动内圆环滑块向上翻转90°，达到如图4所示的效果；
[0027]步骤三:参见图1一图6，导轨座17底部安装有电机27，驱动小齿轮16转动，从而通过大齿轮15和齿条31，带动基座10沿着导轨座17上的导轨33向外运动，然后再控制旋转伸缩气缸29和旋转伸缩气缸30使内圆环滑块复位。为了避免非工作状态的基座10对其他处于工作状态的基座产生干涉，工控机39控制升降气缸18下降，导轨座17和基座10随着升降气缸18—起下降到导轨座支撑13所在的高度，由三个导轨座支撑13来承受基座的重量，，至此整个柔索支柱的减少过程完成。
[0028]参见图7，四个柔索支柱处于工作状态，两个处于非工作状态。
[0029]下面将再以一组柔索支柱为例，简单说明处于工作状态的柔索支柱数量的增加过程。
[0030]参见图1 一图6，首先，工控机39控制升降气缸18上升，导轨座17和基座10随着升降气缸18—起上升到工作状态的柔索支柱所在的平面。然后，控制旋转伸缩气缸29和旋转伸缩气缸30旋转90°，带动内圆环滑块向上翻转，齿轮齿条机构带动基座回到工作位置，控制内圆环滑块复位。工控机39控制连杆滑块机构运动，剪式机构将绳索安装到末端执行器的钩环上，然后回到复位状态，处于工作状态的柔索支柱的增加过程完成。
【主权项】
1.一种模块化柔索并联机构实验平台，其特征在于:包括水平设置的圆环形导轨，圆环形导轨上滑动装配有六组基座，每个基座分别沿圆环形导轨径向设置，每个基座顶面径向内端分别垂直安装有作为柔索支柱的液压缸，液压缸活塞杆竖直向上延伸，且液压缸活塞杆上端分别转动安装有定滑轮，每个基座顶面分别安装有由液压马达驱动的卷扬机，卷扬机机轴上缠绕有柔索，柔索向上绕过各自对应的定滑轮后，再分别向圆环形导轨中心延伸，所述圆环形导轨中心上方设置有末端执行器，末端执行器侧壁上对应各个基座位置分别设有钩环，每个柔索索端分别通过带弹簧的剪式机构连接有钩爪，且剪式机构上设有电磁铁I，多个柔索索端分别通过钩爪抓住末端执行器上位置对应的钩环，每个液压缸朝向圆环形导轨中心上方的一面下部通过抱箍I铰接有短连杆、上部通过抱箍II铰接有长连杆，所述短连杆杆端通过滑块滑动安装在长连杆杆身上，长连杆杆端设有可与位置对应的电磁铁I相互吸合的电磁铁II，由长连杆、短连杆、滑块构成连杆滑块机构。2.根据权利要求1所述的一种模块化柔索并联机构实验平台，其特征在于:每个基座分别通过驱动轮滑动装配在圆环形导轨上，且每个基座由伺服电机通过变速箱带动驱动轮驱动，为了实现准确定位，在驱动轮上设置电磁制动器。3.一种模块化柔索并联机构实验平台的自重构方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:所述连杆滑块机构通过抱箍铰接在液压缸的缸体上，用于实现柔索和末端执行器之间的连接和断开，所述处于复位状态的连杆滑块机构与液压缸的缸体平行，当所述末端执行器需要和柔索断开连接时，连杆滑块机构处于工作状态，所述连杆的末端与柔索连接末端执行器的一端接触，并通过电磁铁固定，通过工控机控制柔索和末端执行器断开，所述连杆滑块机构和柔索一起回到复位状态，实现柔索和末端执行器的断开； 步骤二:所述基座是以滑块的形式与所述圆环形导轨滑动配合，所述基座包括内圆环滑块和外圆环滑块，分别与圆环形导轨的内圆表面和外圆表面配合，所述圆环形导轨外圆周周围均匀分布有四个导轨座，分别对应任意四个基座，所述基座上表面上对称安装有两个旋转伸缩气缸，所述旋转伸缩气缸用于将内圆环滑块旋转九十度，以保证所述基座可以沿着平行于圆环形导轨平面的方向向远离圆环形导轨中心的一端沿着导轨座上的导轨滑动； 步骤三:所述导轨座一侧安装有两个啮合的齿轮，其中一个与所述基座上的齿条啮合，通过齿轮的转动，带动齿条的移动，以实现所述基座滑动到所述导轨上，所述导轨座底端安装有气缸，以实现导轨座的升降，所述基座随着导轨座下降，以避免对其他处于工作状态的基座产生干涉，同理，可以实现处于工作状态的柔索支柱数量的增加，即自由度的增加。
【文档编号】B25J9/00GK106078674SQ201610185878
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年3月25日 公开号201610185878.6, CN 106078674 A, CN 106078674A, CN 201610185878, CN-A-106078674, CN106078674 A, CN106078674A, CN201610185878, CN201610185878.6
【发明人】訾斌, 陈甜甜, 钱森, 刘浩
【申请人】合肥工业大学