索牵引并联机构实验装置

技术领域

本发明属于并联机器人技术领域，具体涉及一种索牵引并联机构实验装置。

背景技术

绳索牵引并联机器人是并联机器人的一个分支，具有工作空间大、负载/自重比高、模块化程度高的特点。自提出索牵引并联机器人概念以来，越来越多的学者投入到索牵引并联机构的设计与研究中，索牵引并联机器人的应用也越来越广泛，在搬运、风洞试验、天文观测以及康复训练等领域均可见到索牵引并联机构的身影。

五百米口径球面射电望远镜(简称FAST)是我国自主建成的世界最大单口径球面射电望远镜，其馈源支撑系统由六索牵引并联机构、AB轴旋转机构和Stewart并联机器人组成。虽然FAST已经建成并投入使用，但是针对FAST机构的应用研究仍未停止。为进一步深入分析FAST馈源支撑系统及与之结构相似的索牵引并联机构，需设计一种用于实验目的的索牵引并联机构装置。此装置需具备执行终端位姿测量装置、绳索收放及导向等功能，且装置具备根据不同需求可配置、易于安装的特点。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中无可自主配置的索牵引并联机构实验平台的问题，本发明提供一种索牵引并联机构实验装置，包括本体结构件、牵引机构、绳索、动平台和控制器；

所述本体结构件包括支撑结构底座、支撑结构顶盖以及竖直延伸于所述支撑结构底座和所述支撑结构顶盖之间的六个支撑结构；

所述牵引机构包括分别装设于各支撑结构下端的驱动装置、分别装设于各所述支撑结构的导向滑轮组；所述导向滑轮组包括分别沿各所述支撑结构长度方向依次设置的第一导向滑轮机构和第二导向滑轮机构；

所述绳索一端与所述驱动装置连接，另一端依次穿过所述第二导向滑轮机构、所述第一导向滑轮机构与所述动平台连接；

所述动平台位于所述本体结构件的六个支撑结构所围成的空间内；

所述控制器分别与各所述驱动装置通过通信链路连接，所述驱动装置能够在所述控制器的控制下收放所述绳索以实现所述动平台的空间运动。

在一些优选技术方案中，所述第一导向滑轮机构与所述第二导向滑轮机构结构相同；

所述第一导向滑轮机构和所述第二导向滑轮机构均包括转接件和绳索跟踪组件，所述转接件装设于所述支撑结构，所述绳索跟踪组件可转动地装设于所述转接件；

所述绳索穿过所述绳索跟踪组件并与所述动平台连接，所述绳索带动所述动平台进行空间运动时，所述绳索跟踪组件能够在所述绳索的带动下相对于所述转接件被动转动。

在一些优选技术方案中，所述转接件包括U形支架，所述U形支架具有沿背离所述支撑结构所在方向延伸的两个连接端，所述两个连接端均设置有通孔且所述两个连接端沿所述U形支架高度方向间隔设置；

所述绳索跟踪组件的两端分别与所述两个连接端连接，所述绳索跟踪组件包括卡槽以及设置于所述卡槽内部的第一轴承，所述卡槽的两端分别与两个所述连接端转动连接，所述绳索通过所述通孔穿过所述第一轴承以与所述动平台连接。

在一些优选技术方案中，所述卡槽两端分别通过第二轴承与所述连接端连接，所述第二轴承、所述第一轴承的转动面垂直设置在所述转动件上。

在一些优选技术方案中，所述第一导向滑轮机构和第二导向滑轮机构均安装于所述支撑结构的内侧面。

在一些优选技术方案中，所述索牵引并联机构实验装置还包括位姿测量模块，所述位姿测量模块装设于所述本体结构件，用于测量所述动平台在运动过程中的位置和姿态。

在一些优选技术方案中，所述索牵引并联机构实验装置还包括遮挡底板；所述遮挡底板和所述位姿测量模块分别设置于所述动平台的两相对侧。

在一些优选技术方案中，所述遮挡底板具有纯色图案的作用面，所述作用面靠近所述动平台设置。

在一些优选技术方案中，所述驱动装置包括用于收卷绳索的深槽卷筒和驱动电机，所述深槽卷筒外表面设置有沿长度方向延伸的深槽螺纹。

在一些优选技术方案中，所述支撑结构底座、所述支撑结构顶盖均为正六边形，所述六个支撑结构的两端分别位于两个所述正六边形的六个顶点。

本发明的有益效果：

本发明的索牵引并联机构实验装置集成了动平台(执行终端)的位姿测量模块和具备绳索导向功能的导向滑轮机构，导向滑轮机构可有效降低绳索与V型轴承、U型槽之间的摩擦，且索牵引并联机构实验装置采用模块化设计，具备根据不同需求可配置、易于安装的特点。

本发明的绳索数量可根据实验环境进行调整，其数量最多可为12条绳索，能够最大化地开展各种不同组合构型一到六自由度变参数索牵引并联机构的设计、运动演示、力学特性研究等问题，对学习者掌握并联机构相关知识具有重要意义，同时研究者可通过该实验装置验证并联机构学及柔性驱动系统中的相关理论。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的索牵引并联机构实验装置整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例中支撑结构底座的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中支撑结构顶盖的结构示意图；

图4为本发明一种实施例中导向滑轮机构的示意图；

图5为本发明一种实施例中第一导向滑轮机构与绳索的示意图；

图6为本发明一种实施例中导向滑轮U形卡槽的转动示意图；

图7为本发明一种实施例中驱动装置的示意图；

图8为图7的半剖结构示意图；

附图标记列表：

1-支撑结构底座；2-支撑结构；3-绳索；4-导向滑轮；5-支撑结构顶盖；6-位姿测量模块；7-动平台；8-遮挡底板；9-驱动装置；10-驱动装置固定件；11-正六边形支撑结构衔接件；12-正六边形基座；13-支撑结构底座支撑短杆；14-连接短杆；15-深度相机；16-支撑结构与导向滑轮转接件；17-导向滑轮U形支架；18-导向滑轮U形支架压盖；19-导向滑轮U形卡槽；20-V型轴承；21-导绳空心轴；22-导向滑轮U形卡槽轴承；23-驱动电机；24-联轴器，25-深槽卷筒；26-深槽卷筒轴承；27-深槽卷筒支架压盖；28-深槽卷筒支架底座；29-电机固定支架；30-驱动装置安装底板。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种索牵引并联机构实验装置，包括本体结构件、牵引机构、绳索3、动平台7和控制器；

本体结构件包括支撑结构底座1、支撑结构顶盖5以及竖直延伸于支撑结构底座1和支撑结构顶盖5之间的六个支撑结构2；六个支撑结构2沿支撑结构底座1/支撑结构顶盖5的周向均匀分布。

牵引机构包括分别装设于各支撑结构2下端的驱动装置9、分别装设于各支撑结构2的导向滑轮组；导向滑轮组包括分别沿各支撑结构2长度方向依次设置的第一导向滑轮机构和第二导向滑轮机构；其中，第一导向滑轮机构用于引导动平台7处的绳索3的方向，第二导向滑轮机构用于引导驱动装置9处的绳索3方向。

绳索3一端与驱动装置9连接，另一端依次穿过第二导向滑轮机构、第一导向滑轮机构与动平台7连接；动平台7位于本体结构件的六个支撑结构2所围成的空间内；控制器分别与各驱动装置9通过通信链路连接，驱动装置9能够在控制器的控制下收放绳索3以实现动平台7的空间运动。

本发明的索牵引并联机构实验装置采用模块化设计，方便在要满足不同需求任务时或者按需维修时对相应的模块进行拆卸和更换，方便灵活配置绳索数量以满足不同实验需求。可以理解的是，本发明的绳索可灵活配置例如两条、四条、六条、十二条等，可以理解的是，本发明的实验装置能够最大化地开展各种不同组合构型一到六自由度变参数索牵引并联机构的设计、运动演示、力学特性研究等问题。

为了更清晰地对本发明索牵引并联机构实验装置进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

作为本发明的一个优选实施例，本发明的索牵引并联机构实验装置采用模块化设计，具体如图1所示，包括本体结构件、牵引机构、绳索3、动平台7和控制器。绳索3一端与动平台7连接，另一端与固定在本体结构件上的牵引机构收放，以实现动平台7的空间变自由度运动。在一些优选实施例中，本发明还包括位姿测量模块6，位姿测量模块6装设于本体结构件，用于测量动平台7在运动过程中的位置和姿态。动平台7可按照需求配置成特定的重量及形态。可以理解的是，本发明的动平台即为执行终端，本领域技术人员可随意改变动平台7的结构，为了更精确地控制其的角度，也可在动平台7的内部增加AB轴以便于精确调整动平台7的角度姿态。

更进一步地，本发明还包括遮挡底板8；遮挡底板8和位姿测量模块6分别设置于动平台7的两相对侧。遮挡底板8具有纯色图案的作用面，该作用面靠近动平台7设置。在本发明的优选实施例中，遮挡底板8采用纯色硬质板设计，其作用面即为纯色面，用于给位姿测量模块提供纯净的测量背景环境。可以理解的，本发明的位姿测量模块6的位置可调，在本发明的优选实施例中，位姿测量模块位于支撑结构顶盖，只要能够使得其能够监测到动平台7的位置和姿态即可，遮挡底板8设置于能够为位姿测量模块6提供纯净的测量背景环境的位置即可，以便于位姿测量模块更好地捕捉跟踪动平台，高效完成测量任务。

本体结构件包括支撑结构底座1、支撑结构顶盖5以及竖直延伸于支撑结构底座1和支撑结构顶盖5之间的六个支撑结构2；优选地，本发明的支撑结构为支撑杆，同时支撑结构底座1和支撑结构顶盖5采用桁架结构的设计便于减轻本发明的自重，同时便于实验者组装，支撑结构底座采用双层桁架能够为驱动装置提供安装空间的同时减少自重。本领域技术人员也可随意设置本体结构件的具体结构，例如支撑板、可伸缩支撑柱、密封壳体均可。

牵引机构包括分别装设于各支撑结构2下端的驱动装置9、分别装设于各支撑结构2的导向滑轮组；导向滑轮组包括分别沿各支撑结构2长度方向依次设置的两个导向滑轮4，为方便描述将两个导向滑轮4由上到下依次命名为第一导向滑轮机构和第二导向滑轮机构。可以理解的是，本发明的驱动装置9为六个，同样地，导向滑轮组也为六组，驱动装置9和导向滑轮组分别与支撑结构2一一对应设置。可以理解的是，本发明的支撑结构2也可以为沿自身高度伸缩设置的支撑杆，通过该设置能够增大动平台的运动空间，更利于实验需求。

本发明的绳索3采用轻质低伸缩性拉力绳，绳索3一端与驱动装置9连接，另一端依次穿过第二导向滑轮机构、第一导向滑轮机构与动平台7连接，以使得动平台7位于本体结构件的六个支撑结构2所围成的空间内；控制器分别与各驱动装置9通过通信链路连接，驱动装置能够在控制器的控制下收放绳索3以实现动平台7的空间运动。在一些优选实施例中，驱动装置9为卷扬机构，该卷扬机包括用于收卷绳索的深槽卷筒25和驱动电机23，深槽卷筒25外表面设置有沿长度方向延伸的深槽螺纹。

进一步地，参阅附图，本体结构件的支撑结构底座1、支撑结构顶盖5均为正六边形，六个支撑结构2的两端分别位于两个正六边形的六个顶点。支撑结构底座1、支撑结构2和支撑结构顶盖5构成所述索牵引并联机构实验装置的支撑骨架。其中，支撑结构底座1的机构示意图如图2所示，包括正六边形基座12、正六边形支撑结构衔接件11、支撑结构底座支撑短杆13和驱动装置固定件10。其中，正六边形基座12固定于地面，用于稳固整个实验装置；正六边形支撑结构衔接件11用于为支撑结构2提供可配置的接口；支撑结构底座支撑短杆13用于连接正六边形基座12和正六边形支撑结构衔接件11，并为支撑结构底座1中安装驱动装置9提供空间；驱动装置固定件10用于安装驱动装置9。

可以理解的，本发明的支撑结构2一方面用于连接支撑结构底座1和支撑结构顶盖5，另一方面用于安装导向滑轮4。导向滑轮4可根据需求安装于支撑结构2的任何位置。

本发明的支撑结构顶盖5位于本发明索牵引并联机构实验装置的最顶端，一方面用于稳固支撑结构2，另一方面用于安装位姿测量模块6。支撑结构顶盖5的机构示意图如图3所示，由连接短杆14构造成正六边形形状。在本发明的优选实施例中，位姿测量模块6包括深度相机15，深度相机15固设于由连接短杆14构造成正六边形形状的中心。可以理解的是，本发明的位姿测量模块也可包括二维图像采集装置、三维图像采集装置等，深度相机仅为本发明的一种优选实施例，并不能作为本发明位姿测量模块的限定。更进一步地，本发明的支撑结构底座1和支撑结构顶盖5也可以为其他形状，例如圆形、方形等形状。只要能够保证六个支撑结构2沿二者的周向均匀分布即可。更进一步，本发明的支撑结构数量同样可变，其可以为两根、四根、六根。只要使其对称设置即可。

进一步地，本发明的导向滑轮组用于引导绳索的收放方向，每组导向滑轮组均包括安装于支撑结构2上的两个导向滑轮4。安装于支撑结构上端的导向滑轮4用于引导动平台7处的绳索3的方向，为方便描述，将其标记为第一导向滑轮机构。安装于支撑结构2下端的导向滑轮4用于引导驱动装置9处的绳索方向，为方便描述，将其标记为第二导向滑轮机构。在一些优选实施例中，本发明的第一导向滑轮机构和第二导向滑轮机构均安装于支撑结构2的内侧面。第一导向滑轮机构与第二导向滑轮机构结构相同，下面仅以第一导向滑轮机构作为详细说明。

参阅图4-6，导向滑轮4包括转接件和绳索跟踪组件，转接件装设于支撑结构2，绳索跟踪组件可转动地装设于转接件；绳索3穿过绳索跟踪组件并与动平台7连接，绳索3带动动平台7进行空间运动时，绳索跟踪组件能够在绳索3的带动下相对于转接件被动转动。

转接件包括U形支架，U形支架具有沿背离支撑结构2所在方向延伸的两个连接端，两个连接端均设置有通孔且两个连接端沿U形支架高度方向间隔设置；绳索跟踪组件的两端分别与两个连接端连接，绳索跟踪组件包括卡槽以及设置于卡槽内部的第一轴承，卡槽的两端分别与两个连接端转动连接，绳索3通过通孔穿过第一轴承以与动平台7连接。卡槽两端分别通过第二轴承与连接端连接，第二轴承、第一轴承的转动面垂直设置在转动件上，即两个第二轴承的转动面与第一轴承的转动面相互正交。

在本发明的优选实施例中，转接件包括如图所示的支撑结构与导向滑轮转接件16和导向滑轮U形支架17，其中，支撑结构与导向滑轮转接件16固定导向滑轮在支撑结构2的位置，导向滑轮U形支架17安装于支撑结构与导向滑轮转接件16之上。卡槽为如图所示的导向滑轮U形卡槽19，第一轴承为V形轴承20，第二轴承为如图所示的导向滑轮U形卡槽轴承22。具体而言，导向滑轮4还包括导绳空心轴21和导向滑轮U形支架压盖18，导绳空心轴21设置于导向滑轮U形支架17连接端的通孔处，导向滑轮U形支架压盖18用稳固导向滑轮U形卡槽轴承22，防止其在运动时出现晃动。V型轴承20固定在导向滑轮U形卡槽19内；导向滑轮U形卡槽19通过导绳空心轴21和导向滑轮U形卡槽轴承22安装于导向滑轮U形支架17上。参阅图5，图5示意了第一导向滑轮机构的绳索的穿线方向，具体地，绳索3穿过导绳空心轴21，并绕过V型轴承20，最终与动平台7相连。当所述绳索3在空间中出索方向发生变化时，所述V型轴承20的方向被动跟随绳索3方向发生变化，从而减少绳索3与V型轴承20之间的摩擦。可以理解的是，本发明的第二导向滑轮机构与第一导向滑轮机构的结构相同，但是穿线方向不同，本发明第二导向滑轮机构的穿线方式可以理解的为自下而上穿线，即绳索3一端自驱动装置9收放，另一端绕过V形轴承而后经第二导向滑轮机构的连接端通孔延伸至第一导向滑轮机构，自第一导向滑轮机构下连接端的通孔导绳空心轴21后绕过V形轴承并与动平台连接。绳索3的方向改变时，能够带动绳索跟踪组件即V形轴承和导向滑轮U形卡槽19共同转动，一方面保证各绳索3出绳位置的一致性，另一方面保证绳索3的张紧度，提高控制精度，减少控制计算难度。

本发明的驱动装置9用于收放绳索3，其结构示意图参阅图7和图7。驱动装置9包括驱动电机23、联轴器24、深槽卷筒25、电机固定支架29、驱动装置安装底板30、深槽卷筒支架底座28、深槽卷筒支架压盖27和深槽卷筒轴承26。其中，联轴器24连接驱动电机23和深槽卷筒25的输出轴，用于缓冲两者间的力和运动冲击；深槽卷筒25采用深槽螺纹结构设计，在保证绳索3在深槽卷筒25上做等圆周长收放运动的同时，防止绳索3出现跳槽运动；深槽卷筒支架底座28、深槽卷筒支架压盖27和深槽卷筒轴承26用于固定深槽卷筒25，其中，深槽卷筒轴承26用于减少深槽卷筒25转动过程中的摩擦；深槽卷筒支架压盖27用于抱死深槽卷筒轴承26，防止其在运动过程中出现跳动；深槽卷筒支架底座28安装于驱动装置安装底板30；驱动装置安装底板30安装于支撑结构底座1。本发明的深槽卷筒25的结构设计能够使得能卷筒应力分布规律，且减小筒壁应力，防止绳索3出现跳槽运动，保证绳索3的收放一致。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明的索牵引并联机构实验装置集成了动平台(执行终端)的位姿测量模块和具备绳索导向功能的导向滑轮机构，导向滑轮机构可有效降低绳索与V型轴承、U型槽之间的摩擦，且索牵引并联机构实验装置采用模块化设计，具备根据不同需求可配置、易于安装的特点。

本发明的绳索数量可根据实验环境进行调整，其数量最多可为12条绳索，能够最大化地开展各种不同组合构型一到六自由度变参数索牵引并联机构的设计、运动演示、力学特性研究等问题，对学习者掌握并联机构相关知识具有重要意义，同时研究者可通过该实验装置验证并联机构学及柔性驱动系统中的相关理论。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。