一种可调刚度索驱动并联装置的制作方法

本发明涉及索驱动并联机器人技术领域，特别涉及一种可调刚度索驱动并联装置。

背景技术

随着机器人技术的迅速发展和社会需求的不断提高，机器人与人共融、协同作业，将成为下一代机器人的本质特征，也是当前学者研究的热点问题。人与机器在同一自然工作空间内协同作业，可以充分发挥人的主观能动性，把人的灵巧作业和智能决策能力与机器的精准、力量、重复、作业时间和环境耐受能力有效的结合在一起，这不但可以大幅度的提高作业的效率和质量，降低生产成本，还可以把工作人员从重复、繁重的工作中解放出来。然而，在人机协同作业过程中，尤其是机器人在与人交互过程中或在非结构环境下运动时，不可避免会与人或产品发生碰撞，对人或产品存在安全威胁，因此，如何确保人与机器的安全是共融机器人技术研发中亟待解决的关键和难点问题之一。

因此，研究可调刚度的并联装置对共融机器人技术发展有着重要的作用，它可使机器人在与人交互或碰撞时具有较低的刚度，低刚度机器人可以吸收和缓冲碰撞产生的能量，提高其柔性和灵活性，而不对人或产品造成伤害；它亦可使机器人在工作时具有较高的刚度，来提高其作业精度和负载能力。

现有的索驱动并联装置，存在如下不足：

(1)没有从保证人机交互过程中人或产品的安全，同时提高作业精度、负载能力的角度对机器人的变刚度进行研究；

(2)不能对机器人的刚度进行调节或调节的范围较小。

技术实现要素：

为满足共融机器人技术发展的需求和克服上述现有技术的不足，本发明提出一种可调刚度的索驱动并联装置，该装置可以大范围的调节并联装置的刚度，在机器人与人交互，或与人、产品发生碰撞时，具有较低的刚度，以吸收或缓冲碰撞产生的能量，从而降低或避免对人或产品造成的伤害；同时，在机器人作业时具有较高的刚度，以提高作业精度或负载能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可调刚度的索驱动并联装置，包括基础框架3，所述的基础框架3底部设置有用于对基础框架3调平和高度调整的底座1，基础框架3内部安装有驱动单元2，驱动单元2通过柔索导向和刚度调节单元7驱动末端执行器5实现空间六自由度运动和调节驱动索4的刚度，驱动索4经过出索导向滑轮6分别连接驱动单元2和末端执行器5，出索导向滑轮6使驱动索4在相同的出索点处具有不同的出索方向。

所述的柔索导向单元包括用于控制出索长度的卷筒8，卷筒8上的驱动索4与柔索导向轮9相连，柔索导向轮9可沿其中心轴移动，保证卷筒8到柔索导向轮9的柔索始终垂直于其中心轴，驱动索4通过柔索导向轮9依次穿过柔索转向滑轮13和出索导向滑轮6，所述的出索导向滑轮6设置在滑轮架10上，柔索转向滑轮13设置在刚度调节装置11和拉压力传感器12上，刚度调节装置11用于调节系统刚度；拉压力传感器12用于测量驱动索4的索力，并对其进行反馈控制。

所述的刚度调节装置11包括支撑板15，支撑板15上设置有移动导轨23，移动导轨23内部分别设置有移动杆b和移动杆a，移动杆b和移动杆a上分别通过柔索18与刚度调节转盘和扭转弹簧19相连，移动杆b22上设置有用于禁止扭转弹簧19对刚度调节的双片锁14，扭转弹簧19通过弹簧安装杆20设置在支撑板15上。

所述的弹簧安装杆20对角设置，移动杆a与设置在支撑板15上的固定杆21对角设置，弹簧安装杆20、移动杆a和支撑板15为四边形结构。

所述的双片锁14通过设置在支撑板15上的旋转轴24旋转。

所述的驱动单元2包括依次相连的电机25，联轴器26和减速箱27。

本发明的有益效果：

本发明可用于人机共融的索驱动并联装置，并可大范围的调节其刚度。本发明的优点在于：

(1)利用多个驱动单元对末端执行器进行冗余驱动，可实现空间六自由度运动，并可通过索力对刚度进行控制；

(2)利用刚度调节单元可以大幅度提高索驱动并联装置的刚度调节范围；

(3)刚度调节单元的刚度调节范围可以被有效调节，并且可以随时对其进行锁死来快速大幅度提高系统的刚度。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明柔索导向单元示意图。

图3为本发明刚度调节单元示意图。

图4为本发明双片锁锁死示意图。

图5为本发明驱动单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明实施例所述可调刚度索驱动并联装置的整体结构图，该机构包括底座1，驱动单元2，基础框架3，驱动索4，末端执行器5(可根据需求选用不同的末端执行器，图中是装载物品的末端执行器)，出索导向滑轮6，柔索导向和刚度调节单元7。底座1主要用于基础框架的调平和高度调整；驱动单元2主要为索驱动并联装置提供驱动力；出索导向滑轮6主要使驱动索4在相同的出索点处具有不同的出索方向；柔索导向和刚度调节单元7使驱动索4始终沿相同的方向经过出索导向轮6，并用于实时计算出索的长度，同时可以大范围的提高绳索刚度调节范围。

如图2所示，为本发明实施例所述柔索导向单元示意图，柔索导向单元包括卷筒8，柔索导向轮9，滑轮架10，刚度调节装置11，拉压力传感器12，柔索转向滑轮13。柔索导向单元通过卷筒8来控制出索的长度，进而控制末端执行器的位姿；柔索导向轮9沿其中心轴移动，保证卷筒8到柔索导向轮9的柔索始终垂直于其中心轴；柔索转向滑轮13通过绕滑轮架10旋转使穿过滑轮的柔索始终与滑轮槽平行；刚度调节装置11可以大幅度调节系统刚度；拉压力传感器12用测量驱动索的索力，并对其进行反馈控制。

如图3所示，为本发明实施例所述刚度调节装置示意图，刚度调节装置11包括双片锁14，支撑板15，刚度调节转盘16(大)，刚度调节转盘17(小)，柔索18，扭转弹簧19，弹簧安装杆20，固定杆21，移动杆22，移动导轨23。移动杆22(b)在移动导轨23内移动，通过刚度调节转盘16和17带动扭转弹簧19转动，可以提高刚度的调节范围，并可选择不同的刚度调节装盘17进一步改变刚度调节范围；双片锁14主要用于随时锁死移动杆22(b)，禁止扭转弹簧19对刚度的调节，并通过索力快速提高系统刚度。

如图4所示，为本发明实施例所述双片锁锁死示意图，双片锁的锁片14绕旋转轴24旋转闭合时，可以把移动杆22(b)锁死，禁止其移动，禁止了弹簧对刚度的调节。

如图5所示，为本发明实施例所述驱动单元示意图，驱动单元包括电机25，联轴器26，减速箱27。驱动单元主要用于为各单元提供动力，进而实现对末端执行器的空间六自由度控制，并通过控制索力来调节系统的刚度，使索驱动并联设备满足人机共融的需求。

通过多个驱动单元2(本发明以8个驱动单元为例，但不仅仅限制于8个驱动单元)对末端执行器5进行冗余驱动，使其可以实现空间六自由度运动，并可通过调节索力或刚度调节单元来调整机器人的刚度，以满足人机共融对不同刚度的需求。其特征是由基础框架、柔索、末端执行器5、柔索导向和刚度调节单元7等组成。驱动单元2由伺服电机、联轴器26和减速器27等串联而成，安装在基础框架上，通过柔索驱动末端执行器5实现空间运动。柔索导向和刚度调节单元7用于调节驱动索的刚度，使并联装置在与人或产品碰撞时具有较低刚度，可以吸收或缓冲碰撞产生的能量，降低或避免对人或产品造成的伤害；同时，使并联装置工作时具有较高的刚度，来提高作业精度或负载能力。

在连接驱动单元2和末端执行器5的柔索中间安装刚度调节装置11，该装置可以大幅度的改变并联装置刚度的调节范围，以满足并联装置对不同刚度的需求。