本发明专利技术公开了一种具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统及其控制方法，系统包括信息采集模块、信息处理模块、监测模块、驱动模块、机械执行模块，所述信息采集模块分别与驱动模块、机械执行模块、信息处理模块连接，信息处理模块分别与驱动模块、监测模块连接，驱动模块与机械执行模块连接。本发明专利技术采用了自重平衡装置即平衡缸，能够平衡柔索并联机械臂运行时因自重产生的额外力矩，提高自重平衡装置的稳定性，即提高柔索并联机械臂的工作稳定性。本发明专利技术采用了由工控机、运动控制板卡及其周边控制回路组成的分布式控制形式，控制系统更具直观性、安全性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业机械臂领域，具体是一种具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统及其控制方法。
技术介绍
由于传统串联机械臂具有承载能力弱、传动效率低、末端执行器精度低的缺陷，从20世纪后期开始，逐渐有学者专家提出并联机构的概念；并联机构在负载、刚度、精度等方面具有得天独厚的优势，使其在大型物件装配、搬运和加工制造等领域得到广泛应用。虽然刚性并联机械臂在很大程度上优于串联机械臂，但它仍具有工作空间小这一无法忽视的缺点。为了解决刚性并联机械臂在工作空间范围方面的不足，有人提出柔索代替刚性杆件的方法，这种方法很快便运用到并联机械臂的设计和制造中。柔索并联机械臂作为工业机械臂的一个重要种类，其突出特点是柔索代替部分刚性杆件作为传动机构；或者，将柔索并联机械臂视为一组或多组带驱动元件（比如电机）的柔索与并联机械臂的优化组合体。申请号为201610435865.X、名称为“一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法”的专利提出了一种拥有柔索并联机构、伸缩结构的并联机械臂，利用伸缩结构并结合柔索的拉拽作用，在一定程度上增大了机械臂的工作空间范围；但此机械臂仍采用有部分刚性杆件，在机械臂运作时电机需要对机械臂的部分自重做功，增加了能耗，且增大了惯量。因此，当前并联机械臂设计的首要工作是将机械臂的刚性杆件部件改进为可自平衡的刚性部件。此外，较之传统串联机械臂，柔索并联机械臂的重量、惯性显著降低，控制精度、准确度方明显提升，在一定程度上保证了机械臂运行时的安全性和可靠性。但是，柔索并联机械臂在实际运行过程中会遇到各种不可预料的复杂工况，故机械臂的柔索和刚性部位仍有潜在的安全隐患。因此为了保证操作人员的人身安全，设计一种操作简单上手、系统响应迅速、信息处理能力强的柔索并联机械臂控制系统，对柔索并联机械臂在进行装配、搬运等各类作业中的控制和实时监测是非常必要的，能够最大程度保障整个柔索并联机械臂系统安全而可靠地运行。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统及其控制方法，能够自动平衡柔索并联机械臂运行时因自重产生的额外力矩，并实现柔索并联机械臂动态特性的控制和实时监测，从而提高柔索并联机械臂的安全性、可靠性和经济价值。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：包括信息采集模块、信息处理模块、监测模块、驱动模块、机械执行模块，所述信息采集模块分别与驱动模块、机械执行模块、信息处理模块连接，信息处理模块分别与驱动模块、监测模块连接，驱动模块与机械执行模块连接，其中机械执行模块包括倾斜安装在水平机架上的基座，以及安装在水平机架上并呈品字形分布在基座周围的三个柔索驱动器，基座上座面前上方倾斜设有传动箱，所述柔索驱动器中分别具有第二驱动柔索及其对应的驱动电机，第二驱动柔索一端分别缠绕在对应的驱动电机上，另一端分别连接在传动箱侧壁上，且柔索驱动器中第二驱动柔索在传动箱上连接处呈同样的品字形分布；所述基座上座面上方平行设置有第一空心圆板，可沿其几何中心轴做旋转运动，由与之相连的第一电机驱动，第一空心圆板上沿圆周等距设置有六个通孔，与通孔数量相同的第三驱动柔索一端依次穿过通孔与传动箱底部的第二空心圆板固结，固结处沿相同大小圆周等距分布，第二空心圆板也可沿其几何中心轴做旋转运动，六根第三驱动柔索另一端分别缠绕在第二电机的电机轴上；所述传动箱底部中心与基座上座面中心之间连接有大臂，且大臂两端分别穿过第一、第二空心圆板的中心孔与基座、传动箱铰接，传动箱与基座之间还连接有平衡缸，所述平衡缸包括第一弹簧缸体和第二弹簧缸体，第一、二弹簧缸体分别一端封闭另一端敞口，第一弹簧缸体滑动装配在第二弹簧缸体内，且第一弹簧缸体封闭端从第二弹簧缸体敞口端穿出，第二弹簧缸体内靠近封闭端处设有第四电机，第四电机为直线电机，第四电机输出轴连接有可在第二弹簧缸体内滑动的滑座，第一弹簧缸体内还设有弹簧，弹簧一端连接在第一弹簧缸体封闭端，弹簧另一端从第一弹簧缸体敞口端穿出，且弹簧另一端连接在滑座上，其中第一弹簧缸体封闭端通过连接柔索与传动箱连接，第二弹簧缸体封闭端铰接在基座上；所述传动箱顶部竖直向下连接有连接臂，连接臂下端转动连接有水平向前延伸的小臂，小臂前端转动连接有腕部基座，腕部基座底部连接有末端执行器；所述小臂上部前侧连接有第一驱动柔索，基座下座面安装有第一电机，第一驱动柔索穿过传动箱、基座后连接并缠绕在第三电机的输出轴上；信息采集模块包括多个角度传感器、多个拉绳位移传感器、多个测力传感器、多个接近传感器、多个红外测距传感器、多个光电编码器；其中角度传感器分别设置在小臂与连接臂之间转动连接处、腕部基座与末端执行器转动连接处，由角度传感器对应采集小臂相对于其初始位置在水平投影面内转过的相对角度信息、末端执行器相对于其初始位置转过的相对角度信息；拉绳位移传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由拉绳位移传感器对应采集第一、第二驱动柔索的拉绳位移信息；测力传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由测力传感器对应采集第一、第二驱动柔索所受牵引力信息；接近传感器分别设置在平衡缸及末端执行器上，红外测距传感器亦分别设置在平衡缸及末端执行器上，由接近传感器配合红外测距传感器对应采集平衡缸中第一弹簧缸体与第二弹簧缸体相对位移信息、末端执行器与目标物相对位置信息；光电编码器分别安装在各个电机尾部，由光电编码器采集电机输出轴的几何机械量；信息处理模块包括工控机与运动控制板卡，工控机、运动控制板卡之间通过通讯接口双向通讯连接，工控机还通过通讯接口与监测模块双向通讯连接，信息采集模块中各个角度传感器、拉绳位移传感器、测力传感器、接近传感器、红外测距传感器、光电编码器的信号输出端分别与运动控制板卡的信号输入端连接，运动控制板卡的信号输出端与驱动模块连接，运动控制板卡还通过通讯接口与监测模块通讯连接；运动控制板卡接收信息采集模块传来的信息，实时处理这些信息中包含的数据，并将实时数据发送给工控机，工控机对信息采集模块采集到的信息进行计算处理，并将结果传输到监测模块；驱动模块包括电机驱动器及为机械执行模块提供动力的各个电机，电机驱动器的输入端与信息处理模块中运动控制板卡的信号输出端连接，电机驱动器的输出端与机械执行模块中各个电机连接；电机驱动器接收信息处理模块中工控机通过运动控制板卡传输来的控制指令，从而控制各个电机的运转；监测模块包括人机交互界面，人机交互界面与信息处理模块中工控机双向通讯连接，人机交互界面还与信息处理模块中的运动控制板卡通讯连接；人机交互界面负责将信息处理模块中运动控制板卡接收到的信息数据、工控机计算处理得到的结果数据实时显示，便于监视和人工调试。所述的具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：同类传感器由同一供电电路供电，不同类传感器的供电电路彼此独立。所述的具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：所述拉绳位移信息在具体形式上可分为柔索沿其轨道移动的位移信息、与此位移信息相对应的柔索的实时速率信息、柔索呈线状悬空的部分在空间内的方位信息。所述的具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：所述平衡缸中，第一弹簧缸体外本文档来自技高网...
【技术保护点】
具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：包括信息采集模块、信息处理模块、监测模块、驱动模块、机械执行模块，所述信息采集模块分别与驱动模块 、机械执行模块、信息处理模块连接，信息处理模块分别与驱动模块、监测模块连接，驱动模块与机械执行模块连接，其中机械执行模块包括倾斜安装在水平机架上的基座，以及安装在水平机架上并呈品字形分布在基座周围的三个柔索驱动器，基座上座面前上方倾斜设有传动箱，所述柔索驱动器中分别具有第二驱动柔索及其对应的驱动电机，第二驱动柔索一端分别缠绕在对应的驱动电机上，另一端分别连接在传动箱侧壁上，且柔索驱动器中第二驱动柔索在传动箱上连接处呈同样的品字形分布；所述基座上座面上方平行设置有第一空心圆板，可沿其几何中心轴做旋转运动，由与之相连的第一电机驱动，第一空心圆板上沿圆周等距设置有六个通孔，与通孔数量相同的第三驱动柔索一端依次穿过通孔与传动箱底部的第二空心圆板固结，固结处沿相同大小圆周等距分布，第二空心圆板也可沿其几何中心轴做旋转运动，六根第三驱动柔索另一端分别缠绕在第二电机的电机轴上；所述传动箱底部中心与基座上座面中心之间连接有大臂，且大臂两端分别穿过第一、第二空心圆板的中心孔与基座、传动箱铰接，传动箱与基座之间还连接有平衡缸，所述平衡缸包括第一弹簧缸体和第二弹簧缸体，第一、二弹簧缸体分别一端封闭另一端敞口，第一弹簧缸体滑动装配在第二弹簧缸体内，且第一弹簧缸体封闭端从第二弹簧缸体敞口端穿出，第二弹簧缸体内靠近封闭端处设有第四电机，第四电机为直线电机，第四电机输出轴连接有可在第二弹簧缸体内滑动的滑座，第一弹簧缸体内还设有弹簧，弹簧一端连接在第一弹簧缸体封闭端，弹簧另一端从第一弹簧缸体敞口端穿出，且弹簧另一端连接在滑座上，其中第一弹簧缸体封闭端通过连接柔索与传动箱连接，第二弹簧缸体封闭端铰接在基座上；所述传动箱顶部竖直向下连接有连接臂，连接臂下端转动连接有水平向前延伸的小臂，小臂前端转动连接有腕部基座，腕部基座底部连接有末端执行器；所述小臂上部前侧连接有第一驱动柔索，基座下座面安装有第一电机，第一驱动柔索穿过传动箱、基座后连接并缠绕在第三电机的输出轴上；信息采集模块包括多个角度传感器、多个拉绳位移传感器、多个测力传感器、多个接近传感器、多个红外测距传感器、多个光电编码器；其中角度传感器分别设置在小臂与连接臂之间转动连接处、腕部基座与末端执行器转动连接处，由角度传感器对应采集小臂相对于其初始位置在水平投影面内转过的相对角度信息、末端执行器相对于其初始位置转过的相对角度信息；拉绳位移传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由拉绳位移传感器对应采集第一、第二驱动柔索的拉绳位移信息；测力传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由测力传感器对应采集第一、第二驱动柔索所受牵引力信息；接近传感器分别设置在平衡缸及末端执行器上，红外测距传感器亦分别设置在平衡缸及末端执行器上，由接近传感器配合红外测距传感器对应采集平衡缸中第一弹簧缸体与第二弹簧缸体相对位移信息、末端执行器与目标物相对位置信息；光电编码器分别安装在各个电机尾部，由光电编码器采集电机输出轴的几何机械量；信息处理模块包括工控机与运动控制板卡，工控机、运动控制板卡之间通过通讯接口双向通讯连接，工控机还通过通讯接口与监测模块双向通讯连接，信息采集模块中各个角度传感器、拉绳位移传感器、测力传感器、接近传感器、红外测距传感器、光电编码器的信号输出端分别与运动控制板卡的信号输入端连接，运动控制板卡的信号输出端与驱动模块连接，运动控制板卡还通过通讯接口与监测模块通讯连接；运动控制板卡接收信息采集模块传来的信息，实时处理这些信息中包含的数据，并将实时数据发送给工控机，工控机对信息采集模块采集到的信息进行计算处理，并将结果传输到监测模块；驱动模块包括电机驱动器及为机械执行模块提供动力的各个电机，电机驱动器的输入端与信息处理模块中运动控制板卡的信号输出端连接，电机驱动器的输出端与机械执行模块中各个电机连接；电机驱动器接收信息处理模块中工控机通过运动控制板卡传输来的控制指令，从而控制各个电机的运转；监测模块包括人机交互界面，人机交互界面与信息处理模块中工控机双向通讯连接，人机交互界面还与信息处理模块中的运动控制板卡通讯连接；人机交互界面负责将信息处理模块中运动控制板卡接收到的信息数据、工控机计算处理得到的结果数据实时显示，便于监视和人工调试。...
【技术特征摘要】
1.具有自重平衡装置的柔索并联机械臂系统，其特征在于：包括信息采集模块、信息处理模块、监测模块、驱动模块、机械执行模块，所述信息采集模块分别与驱动模块、机械执行模块、信息处理模块连接，信息处理模块分别与驱动模块、监测模块连接，驱动模块与机械执行模块连接，其中机械执行模块包括倾斜安装在水平机架上的基座，以及安装在水平机架上并呈品字形分布在基座周围的三个柔索驱动器，基座上座面前上方倾斜设有传动箱，所述柔索驱动器中分别具有第二驱动柔索及其对应的驱动电机，第二驱动柔索一端分别缠绕在对应的驱动电机上，另一端分别连接在传动箱侧壁上，且柔索驱动器中第二驱动柔索在传动箱上连接处呈同样的品字形分布；所述基座上座面上方平行设置有第一空心圆板，可沿其几何中心轴做旋转运动，由与之相连的第一电机驱动，第一空心圆板上沿圆周等距设置有六个通孔，与通孔数量相同的第三驱动柔索一端依次穿过通孔与传动箱底部的第二空心圆板固结，固结处沿相同大小圆周等距分布，第二空心圆板也可沿其几何中心轴做旋转运动，六根第三驱动柔索另一端分别缠绕在第二电机的电机轴上；所述传动箱底部中心与基座上座面中心之间连接有大臂，且大臂两端分别穿过第一、第二空心圆板的中心孔与基座、传动箱铰接，传动箱与基座之间还连接有平衡缸，所述平衡缸包括第一弹簧缸体和第二弹簧缸体，第一、二弹簧缸体分别一端封闭另一端敞口，第一弹簧缸体滑动装配在第二弹簧缸体内，且第一弹簧缸体封闭端从第二弹簧缸体敞口端穿出，第二弹簧缸体内靠近封闭端处设有第四电机，第四电机为直线电机，第四电机输出轴连接有可在第二弹簧缸体内滑动的滑座，第一弹簧缸体内还设有弹簧，弹簧一端连接在第一弹簧缸体封闭端，弹簧另一端从第一弹簧缸体敞口端穿出，且弹簧另一端连接在滑座上，其中第一弹簧缸体封闭端通过连接柔索与传动箱连接，第二弹簧缸体封闭端铰接在基座上；所述传动箱顶部竖直向下连接有连接臂，连接臂下端转动连接有水平向前延伸的小臂，小臂前端转动连接有腕部基座，腕部基座底部连接有末端执行器；所述小臂上部前侧连接有第一驱动柔索，基座下座面安装有第一电机，第一驱动柔索穿过传动箱、基座后连接并缠绕在第三电机的输出轴上；信息采集模块包括多个角度传感器、多个拉绳位移传感器、多个测力传感器、多个接近传感器、多个红外测距传感器、多个光电编码器；其中角度传感器分别设置在小臂与连接臂之间转动连接处、腕部基座与末端执行器转动连接处，由角度传感器对应采集小臂相对于其初始位置在水平投影面内转过的相对角度信息、末端执行器相对于其初始位置转过的相对角度信息；拉绳位移传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由拉绳位移传感器对应采集第一、第二驱动柔索的拉绳位移信息；测力传感器分别设置在第一驱动柔索处及三组第二驱动柔索处，由测力传感器对应采集第一、第二驱动柔索所受牵引力信息；接近传感器分别设置在平衡缸及末端执行器上，红外测距传感器亦分别设置在平衡缸及末端执行器上，由接近传感器配合红外测距传感器对应采集平衡缸中第一弹簧缸体与第二弹簧缸体相对位移信息、末端执行器与目标物相对位置信息；光电编码器分别安装在各个电机尾部，由光电编码器采集电机输出轴的几何机械量；信息处理模块包括工控机与运动控制板卡，工控机、运动控制板卡之间通过通讯接口双向通讯连接，工控机还通过通讯接口与监测模块双向通讯连接，信息采集模块中各个角度传感器、拉绳位移传感器、测力传感器、接近传感器、红外测距传感器、光电编码器的信号输出端分别与运动控制板卡的信号输入端连接，运动控制板卡的信号输出端与驱动模块连接，运动控制板卡还通过通讯接口与监测模块通讯连接；运动控制板卡接收信息采集模块传来的信息，实时处理这些信息中包含的数据，并将实时数据发送给工控机，工控机对信息采集模块采集到的信息进行计算处理，...
【专利技术属性】
技术研发人员：訾斌，谢彬，钱森，王道明，钱钧，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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