一种空间三自由度柔索并联搬运机器人及其控制方法与流程

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种空间三自由度柔索并联搬运机器人及其控制方法。

背景技术

搬运机器人是应用于加工生产线、机械制造、包装码垛等多个行业实现自动化搬运作业的机器人。近年来受世界经济快速增长的影响，被搬运物料朝着重载大型化发展，搬运环境日趋复杂，因此，对搬运机器人的要求也越来越高。但是，目前的搬运机器人多以工业机器人为主，构型简单，性能上受到很大的限制，单纯的提高材料性能、增大搬运重量或者改进控制系统性能不可避免的提高了搬运机器人的成本和维护费用，降低了机器人的机动性能，且在很多特殊工况下，仍然很难较好地完成搬运任务。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种空间三自由度柔索并联搬运机器人及其控制方法，针对现有技术的不足，用绳索替代刚性连杆作为驱动元件的并联机构，具有结构简单、工作空间大、易于拆装和重组、运动速度快以及负载能力强等特点，利用柔索并联机构实现大跨度、高负载搬运的机器人具有极高的推广价值。

本发明的技术方案是：

一种空间三自由度柔索并联搬运机器人，包括支撑架，所述支撑架的下方设置有多套同步驱动的第一动力装置，所述第一动力装置均布在支撑架的棱边下方且与支撑架固定，所述第一动力装置上连接有传动装置，所述第一传动装置包括通过联轴器与第一动力装置连接的减速器，所述减速器与卷筒连接，所述卷筒上设置有柔索；所述支撑架的棱边下部设置有第一滑轮支架，所述第一滑轮支架上设置有柔索张紧滑轮组，所述支撑架的棱边顶端设置有第二滑轮支架，所述第二滑轮支架上设置有柔索导向滑轮组，所述柔索经柔索张紧滑轮组、柔索导向滑轮组后分别与载物平台的顶端固定，所述载物平台的底端固定柔索的一端，柔索的另一端穿过支撑架的底盘上开设的导向孔后与第二传动装置连接，所述第二传动装置与第一传动装置结构相同，所述第二传动装置与第二动力装置连接；所述第二动力装置、第一动力装置分别和控制装置连接。

优选的，所述控制装置包括主控主机、测量主机、无线通信单元、感知单元和多个用于将主控主机的控制指令转换成电机驱动信号的电机驱动单元，所述电机驱动单元与主控主机电连接，所述主控主机通过无线通信单元与测量主机信号连接，所述测量主机与感知单元电连接，用于接收经采样、放大、滤波处理后的电信号，并进行数据的分析和记录。

优选的，所述感知单元包括光电编码器、拉绳位移传感器、三轴加速度传感器、力传感器、称重传感器和接近传感器；所述光电编码器分别对应的安装在第一动力装置和第二动力装置上；所述拉绳位移传感器分别对应的安装在柔索与卷筒的连接处；所述力传感器分别安装在柔索与柔索导向滑轮组的连接处；所述三轴加速度传感器和称重传感器均安装在载物平台的顶端；所述接近传感器安装在载物平台的底端。

优选的，所述柔索有四根。

优选的，所述主控主机和测量主机采用的控制芯片型号均为stm32f103zet6。

优选的，所述第一动力装置、第二动力装置是直流伺服电机。

一种空间三自由度柔索并联搬运机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、启动主控主机和测量主机，实现第一动力装置和第二动力装置的上电初始化，确保其回到零点位置；

步骤二、启动感知单元，对所有传感器进行通电测试，检测其工作是否正常，如果检测到工作故障，断电排除故障后重新启动感知单元；

步骤三、空间三自由度柔索并联搬运机器人根据工作任务进行搬运物体作业，感知单元检测作业情况，并将检测到的测量数据进行采样、放大、滤波处理后发送给测量主机；

步骤四、测量主机实时处理接收到的测量数据，并将处理后的测量数据通过无线通信单元发送给主控主机，同步实时显示采集到的数据；

步骤五、主控主机对接收到的信息进行分析处理，完成机器人的运动学和动力学计算及运动控制系统解算，获得控制指令，并将控制指令依次发送给各个电机驱动单元；

步骤六、电机驱动单元将接收到的控制指令转换成电机驱动信号，发送给第一动力装置和第二动力装置中的直流伺服电机，用以实时控制四根柔索进行收绳与放绳动作，进而实现空间三自由度柔索并联搬运机器人的高精度运动。

与现有技术相比，本发明提供的一种空间三自由度柔索并联搬运机器人，将柔索并联机构引入到搬运机器人中，弥补了传统搬运机器人承载能力低、定位精度差等问题，兼具了柔索并联机构结构简单、工作空间大、易于拆装和重组、运动速度快以及负载能力强等优点，能够安全快速的完成大跨度、高负载的重物料搬运，实用性好，值得推广。

附图说明

图1为本发明的空间三自由度柔索并联搬运机器人三维立体示意图；

图2为本发明的空间三自由度柔索并联搬运机器人俯视图；

图3为本发明的空间三自由度柔索并联搬运机器人控制装置示意框图；

图4为本发明的空间三自由度柔索并联搬运机器人控制方法流程图。

附图标记：

1、卷筒；2、减速器；3、联轴器；4、直流伺服电机；5、柔索；6、柔索导向滑轮组；7、柔索张紧滑轮组；8-1、第二滑轮支架；8-2、第一滑轮支架；9、支撑架；10、支撑横梁；11、底盘；12、载物平台；13、导向孔；14、光电编码器；15、拉绳位移传感器；16、三轴加速度传感器；17、力传感器；18称重传感器；19、接近传感器。

具体实施方式

本发明提供了一种空间三自由度柔索并联搬运机器人及其控制方法，下面结合图1到图4的结构示意图，对本发明进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种空间三自由度柔索并联搬运机器人，包括支撑架9，所述支撑架9的下方设置有多套同步驱动的第一动力装置，所述第一动力装置均布在支撑架9的棱边下方且与支撑架9固定，所述第一动力装置上连接有传动装置，所述第一传动装置包括通过联轴器3与第一动力装置连接的减速器2，所述减速器2与卷筒1连接，所述卷筒1上设置有柔索5；所述支撑架9的棱边下部设置有第一滑轮支架8-2，所述第一滑轮支架8-2上设置有柔索张紧滑轮组7，所述支撑架9的棱边顶端设置有第二滑轮支架8-1，所述第二滑轮支架8-1上设置有柔索导向滑轮组6，所述柔索5经柔索张紧滑轮组7、柔索导向滑轮组6后分别与载物平台12的顶端固定，所述载物平台12的底端固定柔索5的一端，柔索5的另一端穿过支撑架9的底盘11上开设的导向孔13后与第二传动装置连接，所述第二传动装置与第一传动装置结构相同，所述第二传动装置与第二动力装置连接；所述第二动力装置、第一动力装置分别和控制装置连接。

进一步的，所述控制装置包括主控主机、测量主机、无线通信单元、感知单元和多个用于将主控主机的控制指令转换成电机驱动信号的电机驱动单元，所述电机驱动单元与主控主机电连接，所述主控主机通过无线通信单元与测量主机信号连接，所述测量主机与感知单元电连接，用于接收经采样、放大、滤波处理后的电信号，并进行数据的分析和记录。

进一步的，所述感知单元包括光电编码器14、拉绳位移传感器15、三轴加速度传感器16、力传感器17、称重传感器18和接近传感器19；所述光电编码器14分别对应的安装在第一动力装置和第二动力装置上；所述拉绳位移传感器15分别对应的安装在柔索5与卷筒1的连接处；所述力传感器17分别安装在柔索5与柔索导向滑轮组6的连接处；所述三轴加速度传感器16和称重传感器18均安装在载物平台12的顶端；所述接近传感器19安装在载物平台12的底端。

进一步的，所述柔索5有四根。

进一步的，所述主控主机和测量主机采用的控制芯片型号均为stm32f103zet6。

进一步的，所述第一动力装置、第二动力装置是直流伺服电机4。

一种空间三自由度柔索并联搬运机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、启动主控主机和测量主机，实现第一动力装置和第二动力装置的上电初始化，确保其回到零点位置；

步骤二、启动感知单元，对所有传感器进行通电测试，检测其工作是否正常，如果检测到工作故障，断电排除故障后重新启动感知单元；

步骤三、空间三自由度柔索并联搬运机器人根据工作任务进行搬运物体作业，感知单元检测作业情况，并将检测到的测量数据进行采样、放大、滤波处理后发送给测量主机；

步骤四、测量主机实时处理接收到的测量数据，并将处理后的测量数据通过无线通信单元发送给主控主机，同步实时显示采集到的数据；

步骤五、主控主机对接收到的信息进行分析处理，完成机器人的运动学和动力学计算及运动控制系统解算，获得控制指令，并将控制指令依次发送给各个电机驱动单元；

步骤六、电机驱动单元将接收到的控制指令转换成电机驱动信号，发送给第一动力装置和第二动力装置中的直流伺服电机，用以实时控制四根柔索进行收绳与放绳动作，进而实现空间三自由度柔索并联搬运机器人的高精度运动。

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1和图2所示：一种空间三自由度柔索并联搬运机器人由四组传动系统和柔索并联机构构成。其中，传动系统由卷筒1、减速器2、联轴器3、直流伺服电机4和相应的运动控制器组成，直流伺服电机4通过联轴器3与减速器2相连，减速器2内置在卷筒1内；柔索并联机构由四根柔索5、导向滑轮组6、张紧滑轮组7、滑轮支架8、支撑架9、支撑横梁10组成；支撑架9在底盘11上成正三角形布置，中间设有支撑横梁10，导向滑轮组6和柔索滑轮组7分别安装在第二滑轮支架8-1和第一滑轮支架8-2上，第二滑轮支架8-1和第一滑轮支架8-2均安装在支撑架9上；三根柔索一端与载物平台12相连，另一端经导向滑轮组6和柔索张紧滑轮组7缠绕在卷筒1上，一根柔索经底盘11中心的导向孔13与载物平台12底部中心相连。

空间三自由度柔索并联搬运机器人工作时，直流伺服电机4为搬运机器人的运动提供动力源。直流伺服电机4通过联轴器3、减速器2，将自身的高速旋转运动转换为卷筒1的低速旋转运动，同时提供更大的提升力，进而传递到由四根柔索5、导向滑轮组6、张紧滑轮组7、第二滑轮支架8-1、第一滑轮支架8-2、支撑架9、支撑横梁10等构成的柔索并联机构上，带动载物平台12实现空间三维平动自由度的运动。

如图3所示，柔索并联搬运机器人的控制装置，由主控主机、测量主机、无线通信单元、感知单元、电机驱动单元等组成，通过控制四根柔索的协调运动，完成搬运任务。其中，主控主机的输出端与电机驱动单元的输入端连接，感知单元的输出端与测量主机的输入端连接，测量主机的输出端通过无线通信单元与主控主机的输入端连接；主控主机和测量主机采用的控制芯片型号为stm32f103zet6；感知单元包括光电编码器、拉绳位移传感器、三轴加速度传感器、力传感器、称重传感器和接近传感器；光电编码器有四个，分别安装在四组传动系统的直流伺服电机上；拉绳位移传感器和力传感器各有四个，均安装在四根柔索上；三轴加速度传感器、称重传感器和接近传感器各有一个，均安装在载物平台上。

空间三自由度柔索并联搬运机器人工作时，感知单元将采集的信号经采样、放大、滤波处理后输入测量主机；测量主机实时接受数据并通过无线通信单元把测量数据发送给主控主机；主控主机对接收到的信号进行分析处理，计算出控制指令后传送给电机驱动单元；电机驱动单元将控制指令转成电机驱动信号下发给直流伺服电机，进而实现载物平台的空间三自由度运动，构成一个闭环过程。

如图4所示，空间三自由度柔索并联搬运机器人搬运物体时，安装在四根柔索上的拉绳位移传感器和力传感器，安装在载物平台上的三轴加速度传感器、称重传感器和接近传感器，以及安装在直流伺服电机上的光电编码器，将测得的信号经采样、放大、滤波处理后输入测量主机；测量主机将采集到的数据通过无线通信单元发送给主控主机，并完成人机交互功能，实时显示采集到的数据；主控主机根据内嵌的算法，对接收到的数据进行分析处理，完成机构运动学计算、动力学计算及控制系统解算，计算出控制指令，发送给电机驱动单元；电机驱动单元将主控主机的控制指令转成电机驱动信号，实时控制四根柔索进行收绳与放绳动作；此外，在运动过程中，主控主机还对连接在单个直流伺服电机上的光电编码器测得的转角和转速变化信号进行处理，并与反馈给电机驱动单元的信号构成位置和速度反馈控制以保证直流伺服电机的转速恒定，进而实现空间三自由度柔索并联搬运机器人的高精度运动。

本发明提供的一种空间三自由度柔索并联搬运机器人，将柔索并联机构引入到搬运机器人中，弥补了传统搬运机器人承载能力低、定位精度差等问题，兼具了柔索并联机构工作空间大、运动速度快、负载能力强等优点，能够安全快速的完成重物料的搬运作业，实用性好，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。