可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置及方法，装置包括可缠绕式混合驱动柔索并联机器人及运行监测装置。可缠绕式混合驱动柔索并联机器人包括三组混合驱动五连杆缠绕结构、一个索塔支架、三根柔索、变位机和重物。索塔支架顶部的三个滑轮支架上分别设有滑轮，且滑轮支架外壳上分别固定有应力无线传感器节点，三根柔索通过变位机与重物连接，且变位机外表面固定有重物节点，索塔支架正下方的地面上设置有三个锚节点。运行监测装置包括汇聚节点、工控机，汇聚节点通过USB数据线与工控机连接。本发明具有结构简单、检测维护方便且成本低、灵敏度高、对柔索无损害的优点。
【专利说明】可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人的运行状态监测系统领域，具体是一种可缠绕式混合驱动柔索 并联机器人运行监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 混合驱动柔索并联机器人兼容了混合驱动机构高速、高承载力、柔性可调，柔索并 联机器人结构简单、模块化程度高、运动速度快以及价格低廉等特点，因此，不仅能够高精 度、高效率、大负载地运转，而且应具有更大的柔性输出，能迅速方便地改变输出运动规律。 中国专利201310166792. 5公开了一种三自由度混合驱动缠绕式柔索并联机器人，不仅能 够实现柔索并联机器人大负载运转、高性能运动输出，且具备运动速度可调的特点，同时可 以应用于大范围的工作空间。
[0003] 对于工业上使用柔索（例如钢丝绳）的机器一般是通过对提升柔索的张力检测 来实现对该机器运行状态的监测功能，对于可缠绕式混合驱动柔索并联机器人系统同样适 用。可缠绕式混合驱动柔索并联机器人的柔索在工作过程中，由于磨损、波动、卡住等因素 会导致张力变化很大，甚至发生柔索断裂、滑轮支架开裂和索塔架变形弯曲严重等造成重 大安全事故，因此有必要对柔索应力、滑轮支架应力、索塔架变形情况进行实时监测。传统 的钢丝绳检测方法一般分为三种：第一种是敲击振波法，其主要利用张力与钢丝绳振动频 率之间的关系来实现对钢丝绳的张力检测，不足之处是不能够实时动态检测，测量精度也 不高；第二种是串联法，在钢丝绳与承载物之间串联一个力传感器来测量钢丝绳张力，不足 之处是灵敏度较低而且会加剧钢丝绳的疲劳磨损；第三种是三点弯曲法，根据力的平行四 边形法则来实现对钢丝绳的张力检测，不足之处是对装置的安装精度要求比较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置及方 法，以解决现有技术存在的问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在于：包括呈正三棱柱 结构的索塔支架，索塔支架周围呈品字形分布有三组混合驱动五连杆缠绕结构，索塔支架 三个棱柱顶点顶部分别通过滑轮支架转动安装有滑轮，每个滑轮支架上分别固定有应力无 线传感器节点，三组混合驱动五连杆缠绕结构中有柔索一一对应绕过滑轮后再伸入索塔支 架下方，且三组混合驱动五连杆缠绕结构的柔索在索塔支架下方通过变位机悬吊有重物， 所述变位机外表面固定有重物节点，位于索塔支架正下方的地面上还设置有三个呈三角形 分布的锚节点，由三组混合驱动五连杆缠绕结构及其柔索、索塔支架、变位机和重物构成可 缠绕式混合驱动柔索并联机器人，还包括设置在外部的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人 操作台，可缠绕式混合驱动柔索并联机器人操作台上设置有汇聚节点、工控机，所述汇聚节 点通过USB数据线与工控机连接，由汇聚节点、工控机构成运行监测装置。
[0007] 所述的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在于：所述的应 力无线传感器节点由电阻式压力应变片、信号采集与调理电路、微控制器、外扩存储器、无 线模块、天线和电源模块构成，电阻式压力应变片和信号采集与调理电路的输入端连接，信 号采集与调理电路的输出端与微控制器连接，外扩存储器和无线模块的输入端分别接入微 控制器，天线接入无线模块输出端，电源模块分别供电至信号采集与调理电路、微控制器和 无线模块。
[0008] 所述的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在于：所述重物 节点、锚节点和汇聚节点结构相同，均由微控制器、外扩存储器、无线模块、天线和电源模块 构成，外扩存储器和无线模块的输入端分别接入微控制器，天线接入无线模块的输出端，电 源模块分别供电至微控制器和无线模块。
[0009] 所述装置的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测方法，其特征在于：应力 无线传感器节点对滑轮支架的外壳处应力进行测量，通过锚节点对应力无线传感器节点和 重物节点进行定位，应力无线传感器节点的位置数据和应力信息通过无线网络传送至汇聚 节点，同时重物节点的位置数据信息通过无线网络传送至汇聚节点，汇聚节点再通过USB 接口将数据发送给工控机，过程如下：
[0010] (1)在可缠绕式混合驱动并联柔索机器人的操作台上设置与工控机通过USB数据 线相连的汇聚节点，在索塔支架上的三个滑轮支架外壳上分别设置应力无线传感器节点， 三个锚节点作为定位节点呈三角形分布固定在索塔支架正下方的地面上，重物节点固定在 变位机上；
[0011] (2)采用RSSI三点测距法，通过索塔支架正下方地面上的三个锚节点依次对三个 滑轮支架外壳上的应力无线传感器节点和变位机上的重物节点进行空间位置坐标的确定， 各应力无线传感器节点分别对所在滑轮支架外壳处的应力进行检测；
[0012] (3)三个锚节点将所在位置坐标信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，同时三 个应力无线传感器将所在位置坐标信号和应力信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，重 物节点将所在位置坐标信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，由汇聚节点进行预处理， 再通过USB接口发送给工控机；
[0013] (4)工控机将接受到的位置坐标信号和应力信号进行分析处理，分析重物节点的 位置坐标信号可得到重物的位移，速度和及加速度随时间的变化关系，进一步可得到三根 柔索在空的间位置随时间的变化关系，根据重物的受力关系可得到：
【权利要求】
1. 可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在于：包括呈正三棱柱结 构的索塔支架，索塔支架周围呈品字形分布有三组混合驱动五连杆缠绕结构，索塔支架三 个棱柱顶点顶部分别通过滑轮支架转动安装有滑轮，每个滑轮支架上分别固定有应力无线 传感器节点，三组混合驱动五连杆缠绕结构中有柔索一一对应绕过滑轮后再伸入索塔支架 下方，且三组混合驱动五连杆缠绕结构的柔索在索塔支架下方通过变位机悬吊有重物，所 述变位机外表面固定有重物节点，位于索塔支架正下方的地面上还设置有三个呈三角形分 布的锚节点，由三组混合驱动五连杆缠绕结构及其柔索、索塔支架、变位机和重物构成可缠 绕式混合驱动柔索并联机器人，还包括设置在外部的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人操 作台，可缠绕式混合驱动柔索并联机器人操作台上设置有汇聚节点、工控机，所述汇聚节点 通过USB数据线与工控机连接，由汇聚节点、工控机构成运行监测装置。
2. 根据权利要求1所述的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在 于：所述应力无线传感器节点由电阻式压力应变片、信号采集与调理电路、微控制器、外扩 存储器、无线模块、天线、电源模块构成，电阻式压力应变片和信号采集与调理电路的输入 端连接，信号采集与调理电路的输出端与微控制器连接，外扩存储器、无线模块的输入端分 别接入微控制器，天线接入无线模块输出端，电源模块分别供电至信号采集与调理电路、微 控制器和无线模块。
3. 根据权利要求1所述的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测装置，其特征在 于：所述重物节点、锚节点和汇聚节点结构相同，均由微控制器、外扩存储器、无线模块、天 线、电源模块构成，外扩存储器和无线模块的输入端分别接入微控制器，天线接入无线模块 的输出端，电源模块分别供电至微控制器和无线模块。
4. 基于权利要求1所述装置的可缠绕式混合驱动柔索并联机器人运行监测方法，其特 征在于：应力无线传感器节点对滑轮支架的外壳处应力进行测量，通过锚节点对应力无线 传感器节点和重物节点进行定位，应力无线传感器节点的位置数据和应力信息通过无线网 络传送至汇聚节点，同时重物节点的位置数据信息通过无线网络传送至汇聚节点，汇聚节 点再通过USB接口将数据发送给工控机，过程如下： (1) 在可缠绕式混合驱动并联柔索机器人的操作台上设置与工控机通过USB数据线相 连的汇聚节点，在索塔支架上的三个滑轮支架外壳上分别设置应力无线传感器节点，三个 锚节点作为定位节点呈三角形分布固定在索塔支架正下方的地面上，重物节点固定在变位 机上； (2) 采用RSSI三点测距法，通过索塔支架正下方地面上的三个锚节点依次对三个滑轮 支架外壳上的应力无线传感器节点和变位机上的重物节点进行空间位置坐标的确定，各应 力无线传感器节点分别对所在滑轮支架外壳处的应力进行检测； (3) 三个锚节点将所在位置坐标信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，同时三个应 力无线传感器将所在位置坐标信号和应力信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，重物节 点将所在位置坐标信号经无线传感器网络发送给汇聚节点，由汇聚节点进行预处理，再通 过USB接口发送给工控机； (4) 工控机将接受到的位置坐标信号和应力信号进行分析处理，分析重物节点的位置 坐标信号可得到重物的位移，速度和及加速度随时间的变化关系，进一步可得到三根柔索 在空的间位置随时间的变化关系，根据重物的受力关系可得到：
其中公式（1)中，f表示第i根柔索的受力；I1"表示重物的重力；m表示重物的质量； ψ β表示重物的加速度。 将每根柔索按照三个互相正交的方向进行分解，公式（1)进一步表示为：
根据公式（2)可求解出任意时刻每根柔索的张力大小，分析应力无线传感器节点的位 置坐标信号和应力信号，滑轮支架的外壳应力越大，说明滑轮上的钢丝绳张力越大，滑轮支 架处的位置坐标变化越大，说明索塔架受压弯曲变形越严重，通过与设定正常范围数值比 对，标记出应力异常点和位置坐标异常点，以此实现对可缠绕式混合驱动柔索并联机器人 运行状态监测。
【文档编号】B25J19/00GK104385300SQ201410356419
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】訾斌, 韩雪, 钱森, 赵萍, 孙辉辉, 张龙 申请人:合肥工业大学