专利名称：配置为用于移动有效载荷的运动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配置为用于响应于运动设备的铰接而沿着X轴线和Y轴线移动质量体的运动系统。
背景技术：
高架桥式起重机被广泛用于提升和重新定位大的有效载荷。通常，在拾取和放置操作中的移位涉及沿着垂直轴线的旋转自由度和三个平移自由度。该组动作(被称为选择顺应性组装机器人手臂(“SCARA”)动作或“Sch6nfiies”运动)在工业中被广泛使用。桥式起重机允许沿着两个水平轴的运动。提供适当的关节，可以增加用于平移的垂直轴线和用于旋转的垂直轴线。沿着水平轴线的第一运动通过在固定轨道上移动桥架而获得，而沿着第二水平轴线的运动通过沿着桥架(垂直于固定轨道的方向)移动台车获得。沿着垂直轴线的平移使用垂直滑动关节或通过使用传动带获得。沿着垂直轴线的旋转使用绕垂直轴线的旋转枢轴获得。存在部分机动化形式的高架桥式起重机，其被操作者沿着水平轴线轴手动地移位且沿着垂直轴线手动地旋转，但是其包括机动化的吊车，以便于应付沿着垂直方向的重力。此外，一些桥式起重机被沿着所有轴线手动地移位，但是通过平衡设备补偿有效载荷的重量，以便于使得操作者的工作容易。这样的桥式起重机有时被称为辅助设备。平衡通常通过压缩空气系统来实现。这些系统需要压缩空气来保持压力或真空取决于使用的原理一这需要显著的动力。此外，由于在压缩空气缸中的摩擦，移位并不是十分平滑且可能甚至有弹跳。平衡可以使用配重来实现，配重会显著增加系统的惯性。尽管对于垂直运动来说是有用甚至必须的，但是附接到桥式起重机的台车的这样的系统由于需让这些系统的质量运动而会显著增加与水平运动有关的惯性。在平衡系统是基于平衡配重(counterweight)的情况下，增加的质量可能非常大，甚至大于有效载荷本身。如果水平行进速度很重要，则增加到的系统的惯性成为较大的缺点。还存在完全机动化形式的这种桥式起重机，其需要有力的促动器，特别是对于必须支撑有效载荷的重量的垂直轴线运动来说。这些促动器通常附接到台车或桥架且随后处于运动中。垂直平移促动器有时被附接到桥架且通过一系统联动连接到台车，类似于在塔式起重机中使用的。
发明内容
运动系统被配置为用于移动有效载荷。运动系统包括桥式起重机、台车和运动设备。桥式起重机被配置为用于沿着X轴线运动。台车可运动地附接到桥式起重机，且被配置为用于沿着Y轴线运动，该Y轴线相对于X轴线成垂直关系。运动设备沿着Z轴线从台车悬挂。该运动设备包括第一四杆机构、第二四杆机构和传感器。第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从其悬挂。每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆。该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸。该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该ー对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节。该ー对运动联杆和相应ー对基部联杆形成平行四边形。第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节。第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节。第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节。第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第ニ四杆联动件的第二关节。第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸。运动联杆可绕相应轴线旋转。第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系。传感器操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中ー个关节。传感器被配置为測量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。一种运动设备从台车沿着Z轴线悬挂且配置为沿着X轴线和Y轴线中的至少ー个移动。该运动设备包括第一四杆机构、第二四杆机构和传感器。第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从其悬挂。姆ー个四杆机构具有ー对运动联杆和ー对基部联杆。该ー对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸。该ー对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该ー对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节。该ー对运动联杆和相应对的基部联杆形成平行四边形。第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节。第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节。第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节。第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第ニ四杆联动件的第二关节。第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸。运动联杆可绕相应轴线旋转。第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系。传感器操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中ー个关节。传感器被配置为測量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。—种沿着X轴线和Y轴线的至少ー个让运动设备运动的方法，包括提供传感器，该传感器被配置为测量第一和第二运动联杆中的至少ー个绕相应旋转轴线的旋转角度。力被施加到第一和第二运动联杆的至少ー个，使得第一和第二运动联杆的至少ー个绕相应旋转轴线的角位移被实现。第一和第二运动联杆的至少ー个绕相应旋转轴线的角度位移被确定。该运动设备响应于第一和第二运动联杆的至少ー个绕相应旋转轴线的旋转角度的确定而沿着X轴线和Y轴线中的至少ー个运动，直到第一和第二运动联杆垂直。当结合附图和所附权利要求时，从下面的用于执行本发明的一些实施例和较佳模式的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。
图1是包括被连接到支撑结构的运动设备的运动系统的示意性透视图；图2是图1的运动设备的示意性透视图，该运动设备被配置为用于沿着X轴线和Y轴线移动有效载荷；图3是图1的运动设备的另一示意性透视图，该运动设备被配置为用于沿着X轴线和Y轴线移动有效载荷；图4是图3的运动设备的示意性透视图，其具有铰接的机构和被铰接的结构支撑的有效载荷；
图5是可用于图1所示的控制器的高频震荡方案的示意性方块图；以及图6是可用于图1所示的控制器的控制方案的示意性方块图。
具体实施例方式参考附图，其中相似的附图标记表示相似的部件，配置为用于沿着多个方向移动有效载荷12的运动系统10在图1中的10处示出。该运动系统10被安装到静止支撑结构14，该静止支撑结构被配置为支撑运动系统10和有效载荷12。支撑结构14包括但不局限于一对平行轨道16或滑道。运动系统10包括桥式起重机18、台车20和运动设备22。桥式起重机18是包括跨该一对平行轨道16的至少一个主梁30的结构。桥式起重机18适于沿着Y轴线19搬运有效载荷12。台车20可运动地附接到桥式起重机18的主梁30，使得台车20适于沿着X轴线17搬运有效载荷12，该X轴线大致垂直于Y轴线19。运动设备22被操作地附接到台车20。Z轴线21相对于地面沿着垂直方向延伸，且被限定在X轴线17和Y轴线19的相交处之间。运动设备22包括四杆机构24且被配置为是两自由度的铰接机构(X和Y)。两自由度的铰接机构(在图1和3中示出。铰接机构(articulated mechanism)包括四杆机构
24。此外，运动设备22可以被配置为允许有效载荷12的质量中心26与运动设备22的中心线25偏尚。参考图2和3，运动设备22包括第一四杆机构24a和第二四杆机构24b，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构24a并从其悬挂。每一个四杆机构24包括成对的四杆联动件32，即第一四杆联动件32a和第二四杆联动件32b，它们是刚性的。每一个四杆联动件32包括一对运动联杆34 (即第一运动联杆34a和第二运动联杆34b)，和一对基部联杆(即第一基部联杆36a和第二基部联杆36b)。第一基部联杆36a和第二基部联杆36b以相对彼此间隔开且平行的关系布置。第一运动联杆34a的相反端38被枢转地连接到第一和第二基部联杆36a、36b的端部38，以在它们之间形成相应的第一关节40和第二关节42。第二运动联杆34b被相对于第一运动联杆34a以相对彼此间隔开且平行的关系布置，且第二运动联杆34b的相反端38被枢转地连接到第一和第二基部联杆36a、36b的端部38，以在它们之间形成相应的第三关节44和第四关节46。因此，每一个四杆联动件32形成平行四边形。第一和第二四杆机构24a和24b每一个的第一四杆联动件32a和第二四杆联动件32b以相对彼此间隔开且大致平行的关系布置，以致第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a被相对于第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b以间隔开且大致平行的关系布置，以及第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b被相对于第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a以间隔开且大致平行的关系布置。此外，第一四杆联动件32a的第一基部联杆36a和第二基部联杆36b相对于第二四杆联动件32b的相应第一基部联杆36a和第二基部联杆36b以间隔开和大致平行的关系布置。第一轴线48延伸穿过第一四杆联动件32a的第一关节40和第二四杆联动件32b的第三关节44。第二轴线50延伸穿过第一四杆联动件32a的第二关节42和第二四杆联动件32b的第四关节46。第三轴线52延伸穿过第一四杆联动件32a的第三关节44和第二四杆联动件32b的第一关节40。第四轴线54延伸穿过第一四杆联动件32a的第四关节46和第二四杆联动件32b的第二关节42。对于每个四杆机构24a、24b，第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54相对彼此以间隔开且大致平行的关系延伸。此外，第一四杆机构24a的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54大致垂直于第二四杆机构24b的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54。参考图1-3，每一个四杆机构24包括第一连接联杆56和第二连接联杆58。第一连接联杆56刚性地连接到第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a和第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b。第二连接联杆58刚性地连接到第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b和第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a。这种刚性连接意味着第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a和第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b绕相应第一和第二轴线一致地旋转。相似地，第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b和第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a绕相应第三和第四轴线一致地旋转。第一和第二四杆联动件32a、32b和第一和第二连接联杆56、58被用于每个四杆机构24，使得每一个四杆机构24可以充分地支撑所需的力、力矩和扭矩。滚柱轴承也可以被布置在关节40、42、44、46中，以便于降低摩擦。第一四杆机构24a被操作地附接到台车20。更具体地，第一四杆机构24a从台车20悬挂。第二四杆机构24b从第一四杆机构24a悬挂。更具体地，第二四杆机构24b从第一四杆机构24a悬挂使得，第一四杆机构24a的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54相对于第二四杆机构24b的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54处于大致垂直关系。参考图2和3，一对管60从第二四杆机构24b沿着X轴线17延伸。有效载荷12从这些管60中的至少一个悬挂并且从Z轴线21偏离。参考图4，铰接的关节61可以从管60的一个或两个延伸且还沿与Z轴线21进一步偏离的X方向和/或Y方向延伸。有效载荷12可以在附接点84处从铰接的关节61延伸。有效载荷12可以与附接点84偏离。在操作中，运动设备22的振荡频率是运动联杆34的长度L的函数，但是不是有效载荷12的质量中心26相对于Z轴线21的位置的函数。更短的运动联杆34的长度L可以被用于节约空间，而较长的运动联杆34的长度L可以被用于降低固有振荡频率。运动设备22包括大车(cart)62和控制器63。大车62被配置为用于响应于施加到有效载荷12的力F而沿着相应X轴线17和Y轴线19移动桥式起重机18和/或台车20。当力F沿着X轴线17和/或Y轴线19的方向施加到有效载荷12时，第一和/或第二四杆机构24a、24b的运动联杆34绕相应轴线旋转。传感器64被操作地连接到第一和第二四杆机构24a、24b每一个的至少一个关节。这些传感器64测量运动联杆34绕相应轴线的旋转角度Θ1和θ2。传感器64可以包括沿着相应轴线操作地布置的霍尔效应传感器68和编码器66。尽管可以对每个轴线仅使用一个传感器64，但是来自编码器66和霍尔效应传感器68的组合的信号可以通过使用数据融合而被组合，以获得优于使用单个传感器65的改进的信号质量。此外，使用两个信号提供了冗余性，使得来自两个传感器64的信号可以被彼此比较，以检测任何信号问题。此外，霍尔效应传感器68提供绝对信号，而编码器66提供精确信号。应理解，其它传感器64也可以被使用。绝对编码器、电势计或线性加速度计(用作测斜仪)可以被用作位置传感器。回转仪可以被用于获得角速度，而加速度计可以被用于获得角加速度。安置在带槽部件上的加速度计或回转仪还可以有助于确定不同的动态效应。光斩波器也可以被用在重要位置处。最后，上述信号可以被微分/积分，以获得相应信号。角位移和角速度估计通过卡尔曼状态估计获得。每ー个信号(即来自编码器66和霍尔效应传感器68)被独立地卡尔曼滤波，然后按它们的卡尔曼协方差矩阵对应状态值的比例组合。为了对于小角度測量精度误差不敏感，角度上的死区(deadband)可以被使用。死区是系统上没有任何动作发生的符号范围(sign range)的区域。运动设备22还可以通过小幅度、高频未建模动态而被激励，或对于控制而言会难以管理高频振荡。在震荡期间，当运动联杆34接近垂直位置吋，由于角度测量频繁改变符号，所以会变得难以抑制振荡。抑制这些振荡的ー个方法是增加角度死区。如图5中所示的振荡逻辑图块70的算法被提供以补偿高频振荡，同时保持精确和性能，以保持运动联杆34垂直。对于小的死区，e dbl仍被用于处理角度测量的精度误差。两个其它角度被限定，0db2和0db3。该信号0P(1在死区图块(deadband和block) 72中被确定，并表不为:
权利要求
1.种配置为用于移动有效载荷的运动系统，该运动系统包括: 桥式起重机，配置为用于沿着X轴线运动； 台车，可运动地附接到桥式起重机，且被配置为用于沿着Y轴线运动，该Y轴线相对于X轴线成垂直关系； 运动设备，从台车沿Z轴线悬挂，其中运动设备包括: 第一四杆机构和第二四杆机构，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从该第一四杆机构悬挂； 其中每ー个四杆机构具有ー对运动联杆和ー对基部联杆； 其中该ー对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸； 其中该ー对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该ー对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节； 其中该ー对运动联杆和相应ー对基部联杆形成平行四边形； 其中第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节； 其中第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节； 其中第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节； 其中第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节； 其中第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸； 其中运动联杆可绕相应轴线旋转； 其中第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系； 传感器，操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节； 其中传感器被配置为测量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。
2.权利要求1所述的运动系统，其中运动设备还包括操作地连接到台车和桥式起重机的大车； 其中大车被配置为根据测得的相应运动联杆绕相应轴线旋转的角度而沿着相应的X轴线和Y轴线移动台车和桥式起重机中的至少ー个。
3.权利要求2所述的运动系统，还包括操作地连接在传感器和大车之间的控制器； 其中该控制器被配置为接收来自传感器的、表明测得的相应联杆旋转角度的信号，且进而将信号发送到大车，以沿着相应的X轴线和Y轴线移动大车。
4.权利要求3所述的运动系统，其中传感器包括: 一对编码器，操作地连接到第一和第二四杆机构每ー个的其中ー个关节；以及 一对传感器，操作地连接到第一和第二四杆机构每ー个的其中ー个关节； 其中对应于相应第一和第二四杆机构的传感器和编码器被配置为将对应于相应运动联杆的旋转角度的信号提供到控制器。
5.权利要求1所述的运动系统，其中运动设备还包括ー对管，所述ー对管沿Y轴线从第二四杆机构延伸； 其中该ー对管被配置为偏离Z轴线支撑有效载荷。
6.权利要求5所述的运动系统，其中运动设备还包括: 铰接的关节，从ー对管子中的至少ー个延伸，使得该铰接的关节与Z轴线偏离，以及 附接点，从铰接的关节延伸，使得该附接点被配置为用于支撑有效载荷。
7.种运动设备，从台车沿着Z轴线悬挂且配置为沿着X轴线和Y轴线中的至少一个移动，其中该运动设备包括: 第一四杆机构和第二四杆机构，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从该第一四杆机构悬挂； 其中每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆； 其中该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸； 其中该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该一对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节； 其中该一对运动联杆和相应一对基部联杆形成平行四边形； 其中第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节； 其中第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节； 其中第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节； 其中第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节； 其中第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸； 其中运动联杆可绕相应轴线旋转； 其中第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系； 传感器，操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节； 其中传感器被配置为测量 相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。
8.权利要求5所述的运动系统，其中运动设备还包括配置为连接到台车的大车； 其中大车被配置为根据测得的相应运动联杆绕相应轴线旋转的角度而沿着相应的X轴线和Y轴线移动台车和桥式起重机中的至少一个。
9.权利要求6所述的运动系统，其中传感器包括: 一对编码器，操作地附接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节；以及 一对传感器，操作地连接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节； 其中对应于相应第一和第二四杆机构的传感器和编码器被配置为将对应于相应运动联杆的旋转角度的信号提供到控制器。
10.权利要求7所述的运动系统，其中运动设备还包括一对管，所述一对管沿Y轴线从第二四杆机构延伸； 其中该一对管被配置为偏离Z轴线支撑有效载荷。
全文摘要
一种通过提供传感器沿着X轴线和Y轴线运动的运动设备，其中该传感器被配置为测量第一和第二运动联杆中的至少一个绕相应旋转轴线的旋转角度。力被施加到第一和第二运动联杆，使得第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的角度位移被实现。第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的角度位移被确定。该运动设备响应于第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的旋转角度的确定而沿着X轴线和/或Y轴线运动，直到第一和第二运动联杆垂直位置。
文档编号B66C13/04GK103086271SQ20121043659
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月5日 优先权日2011年11月4日
发明者D.高, A.勒库尔斯, T.拉里伯特, S.福考尔特, C.戈塞林, B.迈耶-圣-翁奇, R.J.梅纳萨, P-L.贝尔齐勒 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司, 拉瓦尔大学