一种大型立式储罐检修用索并联机器人的制作方法
【专利摘要】一种大型立式储罐用索并联机器人，包括绳索、绳索驱动单元、绳索导向装置、工作平台、支撑杆、固定件和控制系统等零部件，绳索有八根，相应的绳索驱动单元和绳索导向装置均有八组，安装在立式储罐的外侧，能够使工作平台携带一定负载沿立式储罐外侧扇形圆柱面运动，通过在立式储罐外侧多次拆卸和搭建索并联机器人，即可实现对全部外表面的检修工作，且可以配套安装位置传感器或力传感器，提升系统的安全性能，该装置可以利用标准化、模块化技术，减少系统中零件的种类，零部件之间的通用性强，能够适应从10m～80m不等的立式储罐的检修工作。
【专利说明】一种大型立式储罐检修用索并联机器人
【技术领域】
[0001]本发明属于大型立式储罐检修用工作平台【技术领域】，特别涉及一种大型立式储罐检修用索并联机器人。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展和进步，用于油品及化工制品等液体常压存储的立式储罐逐渐向大型化、集群化方向发展，这些大型立式储罐往往多个储罐集中放置，且储存的液体易燃易爆、有毒，一旦发生事故，将会造成巨大的经济损失及灾难性后果。用于大型立式储罐安全使用和正常运行的日常检测和维护所用到的工作平台主要有三种，首先是人工作业搭建的脚手架，耗时长、效率低且工人需要在恶劣环境中作业；其次是在储罐壁上设置导轨，相关检测工具在导轨上运行，但这需要设计大型导轨，制造成本高，安装、拆卸困难，且在罐体上的直接操作会对储罐安全造成一定影响；最后是正在快速发展的爬壁机器人，目前仍存在负载能力小、移动速度低、越障能力差、转向缓慢等限制因素，其吸附用磁块容易因壁面不平整而碎裂，导致失效。为解决传统检修用工作平台存在的各种问题，有必要立足于大型立式储罐的特点，开发一种新型的检修工作平台，使其具备大负载、快速运动、搭建与拆卸方便等优点。
[0003]从20世纪80年代开始，并联机构与绳索结合形式的并联机器人出现，并陆续应用在起重、装配、造船、风洞、运动模拟等领域，且其尺度规模也在不断扩大，如体育场馆中使用的Skycam系统等索并联机构的运动范围超过500m。索并联机器人利用绳索作为运动传递的部件，常常由基础框架、动平台、绳索、电机驱动的滚筒等部件组成，其中绳索的一端连接在滚筒上，另一端连接在动平台上，通过对多根绳索的协调控制控制线动平台的多个自由度甚至六自由度运动控制。由于作为运动传递部件的绳索具有重量轻、惯量小等特点，索并联机器人能够实现动平台的大范围工作空间、大负载能力及较高的运动速度，且模块化程度高，能够快速的拆装与搭建。
[0004]充分利用索并联机器人的特点，结合立式储罐检修的具体应用领域，探索将索并联机器人用作大型立式储罐检修用的工作平台的基础问题和关键技术，必将会推动大型立式储罐检修用工作平台的技术发展。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型立式储罐检修用索并联机器人，利用其作为检修用工作平台，通过简单的更改相关零部件的尺寸参数和安装结构，即可搭建出用于从1m?80m不等口径的一系列大型立式储罐的检修工作平台；该索并联机器人可以充分利用标准化、模块化技术，大大减少整体系统中零件的种类，降低生产成本，且零部件之间通用性强，容易替换，便于批量的生产和应用。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]一种大型立式储罐检修用索并联机器人，包括绳索500、绳索驱动单元、绳索导向装置、工作平台600、支撑杆、固定件200以及控制系统，绳索500有八根，绳索驱动单元和绳索导向装置各有八组，每根绳索500的一端连接在工作平台600上，另一端穿过一个绳索导向装置形成一个出索点并连接在一个相应的绳索驱动单元上，共形成八个出索点，其特征在于，所述八个出索点在立式储罐I的外侧采用上方四个、下方四个的布置方式，且上方四个出索点的高度不低于立式储罐I的高度，下方四个出索点安装在地面或靠近地面，上方四个出索点在水平面上的投影两两一组，分布在一条从立式储罐I水平面投影的圆心出发的经过上方四个出索点在水平面投影连线形成的四边形的两条对角线的交点的射线的两侦牝下方四个出索点在水平面上的投影落在上方四个出索点投影点连线构成的四边形区域(不包括边线)之外。即，工作平台600的运动范围落在八个出索点构成的“凸包”内，此立体空间“凸包”具有上方横截面面积不大于下方横截面面积的特点，控制系统同时控制八组绳索驱动单元通过八根绳索带动工作平台600在“凸包”内运动，此时，工作平台600根据其搭载检测负载的要求进行运动。
[0008]所述绳索驱动单元包括安装于支撑杆上的驱动单元基座310、安装于驱动单元基座310上的滚筒托架320、安装于滚筒托架320上的滚筒300以及连接滚筒300的电机330 ；所述绳索导向装置包括安装于支撑杆上的转向架基座400、安装于转向架基座400上的转向架410以及安装于转向架410上的滑轮400，所述绳索500的一端绕过滑轮400后连接在滚筒300上。
[0009]所述支撑杆包括位于上方的长支撑杆210和位于下方的短支撑杆220，所述构成上方四个出索点的绳索导向装置两两一组，每组的两个绳索导向装置分别安装于同一根长支撑杆210上，两根长支撑杆210通过固定件200固定在立式储罐100的上边沿上，两个固定点所在圆弧的角度在30°?120°之间。
[0010]所述每根长支撑杆210相对固定点有一定的偏转角度，每根长支撑杆210相对固定点所在的立式储罐100的圆柱半径延长线的偏转角度在0°?±30°之间。
[0011]所述支撑杆包括位于上方的长支撑杆210和位于下方的短支撑杆220，构成上方四个出索点的绳索导向装置分别安装于一根长支撑杆210上，四根长支撑杆210通过固定件200固定在立式储罐100的上边沿上，四个固定点所在圆弧的最大角度在30°?120°之间。
[0012]所述四根长支撑杆210相对固定点有一定的偏转角度，每根长支撑杆210相对固定点所在的立式储罐100的圆柱半径延长线的偏转角度在0°?±30°之间，且相邻的两根长支撑杆210不干涉。
[0013]所述八根绳索500相应的绳索驱动单元安装于相应的绳索导向装置所在的支撑杆上，或者安装于地面上。
[0014]在所述工作平台600上安装有非接触式位置测量传感器，或者在所述绳索驱动单元安装旋转编码器测得绳索500的长度，从而在运动过程中实时得到工作平台600的位姿信息，配合控制系统提升系统运动控制精度。
[0015]所述非接触式位置测量传感器为激光跟踪仪靶标。
[0016]所述八根绳索500上安装有直接测量或间接测量绳索拉力的传感器，配合控制系统提升系统的安全性。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018]1.承载能力强
[0019]索并联机器人工作平台600采用绳索500作为力传递部件，而绳索500具有承受较大拉力的优势，且并联机构的构型使多根绳索500共同牵引的工作平台600能够承载更多的检修工具及人员等有效载荷。
[0020]2.运行速度快
[0021]索并联机器人的工作平台600采用绳索500作为运动传递部件，利用滚筒300对绳索500的快速收放控制能够实现工作平台600较高的运行速度，提升检修工作效率。
[0022]3.全自由度运动控制
[0023]索并联机器人的工作平台600采用多根绳索500同时驱动，能够实现其在工作空间的六自由度运动控制，以更好的发挥检修工具的作用。
[0024]4.工作空间大
[0025]索并联机器人工作平台600利用滚筒300收储的绳索500，利用较小的空间可收储较长的绳索500，形成较大的工作空间，进而适应不同尺寸的立式储罐100的检修工作。
[0026]5.模块化程度高
[0027]索并联机器人采用模块化技术，其包含的各个绳索驱动单元、绳索导向单元、支撑杆等可完全替换，且批量生产可显著降低成本，有效的降低使用和维护成本。
[0028]6.安全系数高
[0029]索并联机器人采用八根绳索500共同驱动工作平台600的冗余驱动构型，大大提升了系统的安全系数，有效的保护检修人员和检修工具的安全。
[0030]7.搭建、拆卸方便
[0031]索并联机器人采用了模块化技术，只需要使用几种简单的工具即可实现整体系统的快速搭建和拆卸。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为一种大型立式储罐检修用索并联机器人工作示意图。
[0033]图2为一种大型立式储罐检修用索并联机器人的局部支撑杆结构图。
[0034]附图图标说明:100-立式储罐；200-固定件；210_长支撑杆；220_短支撑杆；300-滚筒；310-驱动单元基座；320-滚筒托架；330-电机;400_滑轮;410_转向架基座；420-转向架；500_绳索；600_工作平台。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0036]本发明涉及一种大型立式储罐检修用索并联机器人如图1所示，以直径20m的大型立式储罐为工作对象作为典型实施例，阐述本发明的【具体实施方式】:该索并联机器人由绳索500、绳索驱动单元、绳索导向装置、工作平台600、支撑杆210 (220)、固定件200和控制系统等零部件，其中，绳索500有八根，绳索驱动单元有八组，绳索导向装置有八组，绳索500的一端连接在工作平台600上，另一端穿过绳索导向装置连接在绳索驱动单元的滚筒300上，由八组绳索导向装置形成的八个出索点在立式储罐100外侧采用上方四个、下方四个的布置方案且上方四个出索点的高度不低于立式储罐100的高度，下方四个出索点在地面上或靠近地面，上方四个出索点在水平面上的投影两两一组分布在一条从立式储罐100水平面投影的圆心出发的经过上方四个出索点在水平面投影连线形成的四边形的两条对角线的交点的射线的两侧，下方四个出索点在水平面的投影落在上方四个出索点投影点连线构成的四边形区域(不包括边线)外，即，工作平台600的运动范围落在八个出索点构成的“凸包”内，此立体空间“凸包”具有上方横截面面积不大于下方横截面面积的特点，控制系统同时控制八组绳索驱动单元通过八根绳索500带动工作平台600在“凸包”内运动，此时，工作平台600根据其搭载检测负载的要求进行运动。
[0037]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的上方有四组绳索导向装置，绳索导向装置包括滑轮400、转向架410、转向架基座410等零件，绳索导向装置通过转向架基座连接在支撑杆210上，且可以通过调整转向架基座在支撑杆210上的位置。上方四组导向装置中可以两两一组安装在两根支撑杆210上，两根支撑杆210通过固定件200连接在立式储罐100上，且要求两个固定件200所在立式储罐100边沿圆弧的角度在30°?120°之间，对直径为20m的立式储罐100而言，优选的安装角度是65°?70°之间，上方两根支撑杆210的长度为6m，内侧出索点相对于立式储罐的轴线距离为12m，外侧出索点相对于立式储罐的轴线距离为15m，此时，单次安装索并联机器人的有效工作空间扇形面积对于圆弧角度为60°。支撑杆210的伸长方向可以沿立式储罐100的半径延长方向向外，也可以相对其半径延长方向有一定的偏转角度，偏转角度在0°?±30°之间，优先选用0°夹角。同时，也可以为每组绳索导向装置单独配置一根支撑杆210，每根支撑杆210均通过一个固定件200连接在立式储罐100的边沿上，此时，各固定点在立式储罐100边沿上所占圆弧的最大角度在30°?120°之间，且每根支撑杆的伸长方向可以沿立式储罐100半径延长方向向夕卜，也可以相对其半径延长线有一定的偏转角度，偏转角度在0°?±30°之间，以各支撑杆互相之间无干涉为准，对20m直径的立式储罐的优选选用角度和机构尺寸长度同上。
[0038]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的上方四根绳索500的长度由四组绳索驱动单元控制。绳索驱动单元包括滚筒300、驱动单元基座310、滚筒托架320、电机330等零件，电机330带动滚筒300转动，中间可以增加变速箱等中间传动环节以及扭矩传感器等测量元件，滚筒300的一端可以安装编码器等转动角度测量元件。上方四根绳索500的绳索驱动单元可以安装其相应的绳索导向装置所在的支撑杆210上，当绳索导向装置两两一组安装在支撑杆210上时，两组绳索驱动单元可以安装在支撑杆210靠近固定件200的一端，可以安装在支撑杆210的两端，此时，绳索导向装置需要根据绳索驱动单元的安装位置进行安装及调整，对于20m直径的立式储罐而言，此时滚筒上缠绕的绳索长度应不小于40m。为了降低绳索驱动单元供电及控制用电气线路的长度，可以将绳索驱动单元安装在地面上或靠近地面位置的固定基座上，其位置选取以不影响下方相关结构的安装以及不会造成运动干涉为准。此时，滚筒300上缠绕的绳索500的长度要适当增加，此时，滚筒上产生的绳索长度应不小于60m。
[0039]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的下方四根绳索500的长度由另外四组绳索驱动单元控制，一端连接在工作平台600上，另一端通过四组绳索导向装置连接在绳索驱动单元的滚筒300上。绳索驱动单元同样包括滚筒300、驱动单元基座310、滚筒托架320、电机330等零件，电机330带动滚筒300转动，中间可以增加变速箱等中间传动环节以及扭矩传感器等测量元件，滚筒300的一端可以安装编码器等传动角度测量元件。下方四根绳索的所使用的四组绳索导向装置可以安装在固定在地面上的支撑杆220上，可以安装在其他地面上或地面附近的固定装置上，安装位置的要求是其在水平面上的投影落在上方四个出索点在水平面上的投影连线构成的四边形区域(不包括边线)外。下方四根绳索配套的四组绳索驱动单元同样可以安装在固定在地面上的支撑杆220上，也可以安装在地面上或地面附近的固定装置上，绳索驱动单元应尽量靠近绳索导向装置，此时，滚筒上缠绕的长度可以与上方绳索对应的滚筒上缠绕长度相同，以便于替换，也可以适量缩短长度，但绳索长度应不小于35m。
[0040]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的工作平台600上可以安装激光跟踪仪或iGPS跟踪靶标等非接触式位置测量装置，在运动过程中实时得到工作平台600的位姿信息，进而控制系统根据工作平台600的位姿信息和运动规划协调控制工作平台600的运动，提升运动控制精度。上述工作平台600的位姿信息还可以通过测量各个绳索500的长度，然后根据并联机构的正解算法解算的方法得到。绳索500长度的测量方法是在绳索驱动装置的滚筒300 —侧安装旋转编码器，通过记录滚筒300的旋转角度间接得到绳索500的长度。
[0041]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的绳索500 —端连接在工作平台600上，可以在绳索500和工作平台600之间安装拉力测量传感器，测量绳索500上的拉力，将拉力测量数据传输到控制系统，提升整体系统的安全性。上述绳索500拉力还有间接式的测量方法，如在电机330和滚筒300之间安装扭矩测量传感器，或者在绳索500从滚筒附近伸出后设置“U”形路径进而通过拉压力传感器间接测量绳索500上的拉力。
[0042]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人控制系统的操作方法有多种形式，可以通过计算机界面直接控制，可以通过在地面上的操作平台的操纵杆或操作按钮控制，也可以通过安装在工作平台600上的操纵杆或操作按钮控制。
[0043]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的控制系统主要采用位置控制模式，即主要对绳索500的长度控制。
[0044]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人在立式储罐100外侧安装完成以后，工作平台600能够在其八个出索点构成的“凸包”区域内运动进而实现相对应的立式储罐100的扇形表面执行扫描或定位操作。欲实现对立式储罐100的外表面的全部检修工作，需要多次拆卸与搭建索并联机器人。索并联机器人的拆卸与搭建次数与每次安装能够实现扇形面扫描区域密切相关，单次扫描面积越大，拆卸与搭建的总次数越少，对于直径为20m的大型立式储罐而言，如果按照上述安装位置而实现单次安装对应60°扇形面的有效工作面积，则6次安装即可实现对立式储罐外表面的全面扫面检修工作。索并联机器人的拆卸和搭建过程:先将工作平台600下放到地面或地面附件的承载装置上，松开各个绳索500，松开固定件200，使固定件100以及安装在固定件的支撑杆210等其他零部件一起沿立式储罐100的上边沿滑动或移动一定角度位置，而后重新将固定件200在立式储罐100的上边沿紧固，完成上方支撑杆和出索点的调整后，安装前文中所述的安装位置要求对下方出索点和绳索驱动装置及相关的支撑件的拆卸和重新安装，在将工作平台600移动到新搭建成形的索并联机器人出索点在水平面的投影区域内，将各个绳索500连接到工作平台600上，而后通过控制系统控制工作平台600在新位置下工作。在执行上述拆卸与安装过程中，应尽量使两次安装之间形成的有效工作区域对应的立式储罐100上的扇形面相邻或有少量的重叠。
[0045]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的支撑杆210或220可以通过将标准化的型材截断成标准长度得到，其长度在3m?1m之间按系列分布，对直径20m的立式储罐而言，优先选用长度为6m的支撑杆，长度更长的支撑杆能够进一步扩大有效工作面积。本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的绳索驱动单元内各个零件均按照标准化制作，彼此之间可以互换，并且根据负载能力不同的要求设计大、中、小三个系列，可以实现不同的负载驱动能力以及对不同长度绳索500的收储。本发明大型立式储罐检修用索并联机器人的绳索导向装置内各个零件均按照标准化制作，彼此之间可以互换，并且设计出不同的大并且可以匹配绳索驱动单元选用的不同直径的绳索500选用不同系列的组件。根据从1m?80m不等口径的立式储罐100的实际需求，可以选用不同的组件搭建出索并联机器人，以提升该型索并联机器人的通用性。
[0046]本发明大型立式储罐检修用索并联机器人在执行立式储罐100的检修工作时，在单个立式储罐100罐体或多个立式储罐100罐体上，可以安装多套索并联机器人，彼此之间互不干扰的工作，并且控制系统的数量可以少于索并联机构的数量，即有部分索并联机器人处在拆卸与搭建中，有部分索并联机器人处在工作状态，即所谓索并联机器人的集群使用。
[0047]上述实施例仅仅是本发明的涉及的大型立式储罐用索并联机器人的一种简要描述，依照本发明得到的索并联机器人的其他实施方式也归属本发明。
【权利要求】
1.一种大型立式储罐检修用索并联机器人，包括绳索(500)、绳索驱动单元、绳索导向装置、工作平台(600)、支撑杆、固定件(200)以及控制系统，其中，绳索(500)有八根，绳索驱动单元和绳索导向装置各有八组，每根绳索(500)的一端连接在工作平台(600)上，另一端穿过一个绳索导向装置形成一个出索点并连接在一个相应的绳索驱动单元上，共形成八个出索点，其特征在于，所述八个出索点在立式储罐(I)的外侧采用上方四个、下方四个的布置方式，且上方四个出索点的高度不低于立式储罐(I)的高度，下方四个出索点安装在地面或靠近地面，上方四个出索点在水平面上的投影两两一组，分布在一条从立式储罐(I)水平面投影的圆心出发的经过上方四个出索点在水平面投影连线形成的四边形的两条对角线的交点的射线的两侧，下方四个出索点在水平面上的投影落在上方四个出索点投影点连线构成的四边形区域之外。
2.根据权利要求1所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述绳索驱动单元包括安装于支撑杆上的驱动单元基座(310)、安装于驱动单元基座(310)上的滚筒托架(320)、安装于滚筒托架(320)上的滚筒(300)以及连接滚筒(300)的电机(330)；所述绳索导向装置包括安装于支撑杆上的转向架基座(400)、安装于转向架基座(400)上的转向架(410)以及安装于转向架(410)上的滑轮(400)，所述绳索(500)的一端绕过滑轮(400)后连接在滚筒(300)上。
3.根据权利要求1或2所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述支撑杆包括位于上方的长支撑杆(210)和位于下方的短支撑杆(220)，所述构成上方四个出索点的绳索导向装置两两一组，每组的两个绳索导向装置分别安装于同一根长支撑杆(210)上，两根长支撑杆(210)通过固定件(200)固定在立式储罐(100)的上边沿上，两个固定点所在圆弧的角度在30°?120°之间。
4.根据权利要求3所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述每根长支撑杆(210)的伸长方向沿立式储罐(100)的半径延长方向向外，或者每根长支撑杆(210)相对固定点有一定的偏转角度，每根长支撑杆(210)相对固定点所在的立式储罐(100)的圆柱半径延长线的偏转角度在0°?±30°之间。
5.根据权利要求1或2所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述支撑杆包括位于上方的长支撑杆(210)和位于下方的短支撑杆(220)，构成上方四个出索点的绳索导向装置分别安装于一根长支撑杆(210)上，四根长支撑杆(210)通过固定件(200)固定在立式储罐(100)的上边沿上，四个固定点所在圆弧的最大角度在30°?120°之间。
6.根据权利要求5所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述每根长支撑杆(210)的伸长方向沿立式储罐(100)的半径延长方向向外，或者每根长支撑杆(210)相对固定点有一定的偏转角度，每根长支撑杆(210)相对固定点所在的立式储罐(100)的圆柱半径延长线的偏转角度在0°?±30°之间，且相邻的两根长支撑杆(210)不干涉。
7.根据权利要求1或2所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述八根绳索(500)相应的绳索驱动单元安装于相应的绳索导向装置所在的支撑杆上，或者安装于地面上。
8.根据权利要求1所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，在所述工作平台(600)上安装有非接触式位置测量传感器，或者在所述绳索驱动单元安装旋转编码器测得绳索(500)的长度，从而在运动过程中实时得到工作平台(600)的位姿信息，配合控制系统提升系统运动控制精度。
9.根据权利要求8所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述非接触式位置测量传感器为激光跟踪仪或者iGPS跟踪靶标。
10.根据权利要求1所述的大型立式储罐检修用索并联机器人，其特征在于，所述八根绳索(500)上安装有直接测量或间接测量绳索拉力的传感器，配合控制系统提升系统的安全性。
【文档编号】B25J9/00GK104440877SQ201410638501
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】唐晓强, 邵珠峰, 王伟方, 汪劲松, 曹凌, 季益中, 田斯慧, 李煜琦 申请人:清华大学