可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置及方法，裝置包括可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人及運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置。可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人包括三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)、一個(gè)索塔支架、三根柔索、變位機(jī)和重物。索塔支架頂部的三個(gè)滑輪支架上分別設(shè)有滑輪，且滑輪支架外殼上分別固定有應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，三根柔索通過(guò)變位機(jī)與重物連接，且變位機(jī)外表面固定有重物節(jié)點(diǎn)，索塔支架正下方的地面上設(shè)置有三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置包括匯聚節(jié)點(diǎn)、工控機(jī)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)維護(hù)方便且成本低、靈敏度高、對(duì)柔索無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索 并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人兼容了混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高速、高承載力、柔性可調(diào)，柔索并 聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化程度高、運(yùn)動(dòng)速度快以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此，不僅能夠高精 度、高效率、大負(fù)載地運(yùn)轉(zhuǎn)，而且應(yīng)具有更大的柔性輸出，能迅速方便地改變輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 中國(guó)專利201310166792. 5公開(kāi)了一種三自由度混合驅(qū)動(dòng)纏繞式柔索并聯(lián)機(jī)器人，不僅能 夠?qū)崿F(xiàn)柔索并聯(lián)機(jī)器人大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)、高性能運(yùn)動(dòng)輸出，且具備運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)的特點(diǎn)，同時(shí)可 以應(yīng)用于大范圍的工作空間。
[0003] 對(duì)于工業(yè)上使用柔索（例如鋼絲繩）的機(jī)器一般是通過(guò)對(duì)提升柔索的張力檢測(cè) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能，對(duì)于可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)同樣適 用?？衫p繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人的柔索在工作過(guò)程中，由于磨損、波動(dòng)、卡住等因素 會(huì)導(dǎo)致張力變化很大，甚至發(fā)生柔索斷裂、滑輪支架開(kāi)裂和索塔架變形彎曲嚴(yán)重等造成重 大安全事故，因此有必要對(duì)柔索應(yīng)力、滑輪支架應(yīng)力、索塔架變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng) 的鋼絲繩檢測(cè)方法一般分為三種：第一種是敲擊振波法，其主要利用張力與鋼絲繩振動(dòng)頻 率之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的張力檢測(cè)，不足之處是不能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，測(cè)量精度也 不高；第二種是串聯(lián)法，在鋼絲繩與承載物之間串聯(lián)一個(gè)力傳感器來(lái)測(cè)量鋼絲繩張力，不足 之處是靈敏度較低而且會(huì)加劇鋼絲繩的疲勞磨損；第三種是三點(diǎn)彎曲法，根據(jù)力的平行四 邊形法則來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的張力檢測(cè)，不足之處是對(duì)裝置的安裝精度要求比較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置及方 法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：包括呈正三棱柱 結(jié)構(gòu)的索塔支架，索塔支架周圍呈品字形分布有三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)，索塔支架 三個(gè)棱柱頂點(diǎn)頂部分別通過(guò)滑輪支架轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有滑輪，每個(gè)滑輪支架上分別固定有應(yīng)力無(wú) 線傳感器節(jié)點(diǎn)，三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)中有柔索一一對(duì)應(yīng)繞過(guò)滑輪后再伸入索塔支 架下方，且三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)的柔索在索塔支架下方通過(guò)變位機(jī)懸吊有重物， 所述變位機(jī)外表面固定有重物節(jié)點(diǎn)，位于索塔支架正下方的地面上還設(shè)置有三個(gè)呈三角形 分布的錨節(jié)點(diǎn)，由三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)及其柔索、索塔支架、變位機(jī)和重物構(gòu)成可 纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人，還包括設(shè)置在外部的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人 操作臺(tái)，可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人操作臺(tái)上設(shè)置有匯聚節(jié)點(diǎn)、工控機(jī)，所述匯聚節(jié) 點(diǎn)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接，由匯聚節(jié)點(diǎn)、工控機(jī)構(gòu)成運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置。
[0007] 所述的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：所述的應(yīng) 力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由電阻式壓力應(yīng)變片、信號(hào)采集與調(diào)理電路、微控制器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、無(wú) 線模塊、天線和電源模塊構(gòu)成，電阻式壓力應(yīng)變片和信號(hào)采集與調(diào)理電路的輸入端連接，信 號(hào)采集與調(diào)理電路的輸出端與微控制器連接，外擴(kuò)存儲(chǔ)器和無(wú)線模塊的輸入端分別接入微 控制器，天線接入無(wú)線模塊輸出端，電源模塊分別供電至信號(hào)采集與調(diào)理電路、微控制器和 無(wú)線模塊。
[0008] 所述的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：所述重物 節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同，均由微控制器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、無(wú)線模塊、天線和電源模塊 構(gòu)成，外擴(kuò)存儲(chǔ)器和無(wú)線模塊的輸入端分別接入微控制器，天線接入無(wú)線模塊的輸出端，電 源模塊分別供電至微控制器和無(wú)線模塊。
[0009] 所述裝置的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：應(yīng)力 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)滑輪支架的外殼處應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和 重物節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)和應(yīng)力信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚 節(jié)點(diǎn)，同時(shí)重物節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再通過(guò)USB 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)，過(guò)程如下：
[0010] (1)在可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)柔索機(jī)器人的操作臺(tái)上設(shè)置與工控機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù) 線相連的匯聚節(jié)點(diǎn)，在索塔支架上的三個(gè)滑輪支架外殼上分別設(shè)置應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)， 三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為定位節(jié)點(diǎn)呈三角形分布固定在索塔支架正下方的地面上，重物節(jié)點(diǎn)固定在 變位機(jī)上；
[0011] (2)采用RSSI三點(diǎn)測(cè)距法，通過(guò)索塔支架正下方地面上的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)依次對(duì)三個(gè) 滑輪支架外殼上的應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和變位機(jī)上的重物節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間位置坐標(biāo)的確定， 各應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分別對(duì)所在滑輪支架外殼處的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)；
[0012] (3)三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)將所在位置坐標(biāo)信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)三 個(gè)應(yīng)力無(wú)線傳感器將所在位置坐標(biāo)信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，重 物節(jié)點(diǎn)將所在位置坐標(biāo)信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理， 再通過(guò)USB接口發(fā)送給工控機(jī)；
[0013] (4)工控機(jī)將接受到的位置坐標(biāo)信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行分析處理，分析重物節(jié)點(diǎn)的 位置坐標(biāo)信號(hào)可得到重物的位移，速度和及加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步可得到三根 柔索在空的間位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)重物的受力關(guān)系可得到：

【權(quán)利要求】
1. 可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：包括呈正三棱柱結(jié) 構(gòu)的索塔支架，索塔支架周圍呈品字形分布有三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)，索塔支架三 個(gè)棱柱頂點(diǎn)頂部分別通過(guò)滑輪支架轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有滑輪，每個(gè)滑輪支架上分別固定有應(yīng)力無(wú)線 傳感器節(jié)點(diǎn)，三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)中有柔索一一對(duì)應(yīng)繞過(guò)滑輪后再伸入索塔支架 下方，且三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)的柔索在索塔支架下方通過(guò)變位機(jī)懸吊有重物，所 述變位機(jī)外表面固定有重物節(jié)點(diǎn)，位于索塔支架正下方的地面上還設(shè)置有三個(gè)呈三角形分 布的錨節(jié)點(diǎn)，由三組混合驅(qū)動(dòng)五連桿纏繞結(jié)構(gòu)及其柔索、索塔支架、變位機(jī)和重物構(gòu)成可纏 繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人，還包括設(shè)置在外部的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人操 作臺(tái)，可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人操作臺(tái)上設(shè)置有匯聚節(jié)點(diǎn)、工控機(jī)，所述匯聚節(jié)點(diǎn) 通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接，由匯聚節(jié)點(diǎn)、工控機(jī)構(gòu)成運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于：所述應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由電阻式壓力應(yīng)變片、信號(hào)采集與調(diào)理電路、微控制器、外擴(kuò) 存儲(chǔ)器、無(wú)線模塊、天線、電源模塊構(gòu)成，電阻式壓力應(yīng)變片和信號(hào)采集與調(diào)理電路的輸入 端連接，信號(hào)采集與調(diào)理電路的輸出端與微控制器連接，外擴(kuò)存儲(chǔ)器、無(wú)線模塊的輸入端分 別接入微控制器，天線接入無(wú)線模塊輸出端，電源模塊分別供電至信號(hào)采集與調(diào)理電路、微 控制器和無(wú)線模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于：所述重物節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同，均由微控制器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、無(wú)線模塊、天 線、電源模塊構(gòu)成，外擴(kuò)存儲(chǔ)器和無(wú)線模塊的輸入端分別接入微控制器，天線接入無(wú)線模塊 的輸出端，電源模塊分別供電至微控制器和無(wú)線模塊。
4. 基于權(quán)利要求1所述裝置的可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法，其特 征在于：應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)滑輪支架的外殼處應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)力無(wú)線 傳感器節(jié)點(diǎn)和重物節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)和應(yīng)力信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)重物節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié) 點(diǎn)再通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)，過(guò)程如下： (1) 在可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)柔索機(jī)器人的操作臺(tái)上設(shè)置與工控機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線相 連的匯聚節(jié)點(diǎn)，在索塔支架上的三個(gè)滑輪支架外殼上分別設(shè)置應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，三個(gè) 錨節(jié)點(diǎn)作為定位節(jié)點(diǎn)呈三角形分布固定在索塔支架正下方的地面上，重物節(jié)點(diǎn)固定在變位 機(jī)上； (2) 采用RSSI三點(diǎn)測(cè)距法，通過(guò)索塔支架正下方地面上的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)依次對(duì)三個(gè)滑輪 支架外殼上的應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和變位機(jī)上的重物節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間位置坐標(biāo)的確定，各應(yīng) 力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分別對(duì)所在滑輪支架外殼處的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)； (3) 三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)將所在位置坐標(biāo)信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)三個(gè)應(yīng) 力無(wú)線傳感器將所在位置坐標(biāo)信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，重物節(jié) 點(diǎn)將所在位置坐標(biāo)信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，再通 過(guò)USB接口發(fā)送給工控機(jī)； (4) 工控機(jī)將接受到的位置坐標(biāo)信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行分析處理，分析重物節(jié)點(diǎn)的位置 坐標(biāo)信號(hào)可得到重物的位移，速度和及加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步可得到三根柔索 在空的間位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)重物的受力關(guān)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表示重物的質(zhì)量； ψ β表示重物的加速度。 將每根柔索按照三個(gè)互相正交的方向進(jìn)行分解，公式（1)進(jìn)一步表示為：
根據(jù)公式（2)可求解出任意時(shí)刻每根柔索的張力大小，分析應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位 置坐標(biāo)信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)，滑輪支架的外殼應(yīng)力越大，說(shuō)明滑輪上的鋼絲繩張力越大，滑輪支 架處的位置坐標(biāo)變化越大，說(shuō)明索塔架受壓彎曲變形越嚴(yán)重，通過(guò)與設(shè)定正常范圍數(shù)值比 對(duì)，標(biāo)記出應(yīng)力異常點(diǎn)和位置坐標(biāo)異常點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)可纏繞式混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
【文檔編號(hào)】B25J19/00GK104385300SQ201410356419
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】訾斌, 韓雪, 錢森, 趙萍, 孫輝輝, 張龍 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)