[发明专利]模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统及控制方法

权利要求书

1.模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，包括底板，底板上设有伺服电机驱动的皮带传动系统，皮带传动系统包括驱动带轮、传动带、从动带轮，驱动带轮同轴固定于伺服电机的输出轴，驱动带轮通过传动带与从动带轮传动连接，其特征在于：底板上安装有呈前后相对的前支架、后支架，后支架的前侧设有轴向沿前后方向的套筒壳，套筒壳的轴向后端封闭并固定于后支架前侧面，套筒壳的轴向前端设为筒口，前、后支架之间设有轴向沿前后方向的丝杆轴，丝杆轴的轴向前端固定于前支架，丝杆轴同轴穿入套筒壳后，丝杆轴的轴向后端同轴穿过套筒壳的轴向后端并固定于后支架；所述从动带轮具有中心通孔，从动带轮的轴向前端通过轴承转动连接于前支架，且从动带轮通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上并与丝杆轴相对转动配合，从动带轮的轴向后端向后水平连接有至少一个平行于丝杆轴的卷筒导轨；还包括卷筒和异常保护装置，所述卷筒外缠绕有柔索，卷筒的筒腔腔壁成型有螺纹，卷筒中还设有至少一个平行于卷筒轴向的导轨穿孔，卷筒通过自身筒腔同轴装配在丝杆轴上，由卷筒和丝杆轴构成螺纹丝杆副，所述卷筒导轨一一对应穿过卷筒中的导轨穿孔，由卷筒导轨支撑卷筒在前后方向的滑动；所述异常保护装置包括分别为圆盘形的前压板、后压板，以及第一弹簧和电磁铁，前、后压板分别具有中心通孔，其中前压板通过中心通孔同轴装配在丝杆轴上靠近套筒壳筒口位置，且前压板与丝杆轴相对转动配合，所述卷筒导轨从导轨穿孔穿过的后端固定连接于前压板的轴向前端面，由从动带轮、卷筒导轨、卷筒、前压板构成可相对丝杆轴转动的整体结构；所述后压板同轴安装在套筒壳内，同时后压板通过自身中心通孔同轴装配在丝杆轴上，且后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动，所述前压板的轴向后端面连接有多个球形柱塞，多个球形柱塞的轴向分别平行于丝杆轴，多个球形柱塞呈环向分布，所述后压板的轴向前端面设有多个环向排列的定位槽，定位槽的环向对应于球形柱塞构成的环向，且各个定位槽在环向上呈紧密相邻分布，所述第一弹簧同轴套于套筒壳内的丝杆轴外，第一弹簧的轴向前端固定连接于后压板的轴向后端，第一弹簧的轴向后端固定连接于套筒壳内的轴向后端，电磁铁固定于套筒壳内的轴向后端，且电磁铁在通电时吸附后压板，使后压板克服第一弹簧的弹力收纳于套筒壳内后部；

所述从动带轮的轴向前端同轴连接有空心圆柱体，空心圆柱体内部与从动带轮的中心通孔连通以供丝杆轴穿过，空心圆柱体通过前轴承固定连接于前支架；

所述卷筒的外壁成型有螺纹，螺纹的螺距与柔索截面直径相等；

所述底板上靠近卷筒位置还连接有面向卷筒的柔索压板，柔索压板与卷筒之间间隙宽度等于柔索的截面直径，且柔索压板朝向卷筒的板面成型有螺纹；

所述前压板的中心通孔中同轴装配有后轴承，后轴承同轴装配在丝杆轴上，由此实现前压板相对于丝杆轴的转动；

所述后压板的轴向前端面设有环槽，环槽对应于各个球形柱塞构成的环向，各个定位槽分别设于环槽槽底；

所述球形柱塞包括外壳，外壳轴向一端封闭、另一端为壳口，外壳的壳口中设有球头，外壳内同轴装配有第二弹簧，第二弹簧一端固定与外壳封闭端，第二弹簧另一端固定连接球头；

所述套筒壳内壁设有多个滑轨，滑轨分别平行于套筒壳轴向，所述后压板外缘设有多个滑轨槽，套筒壳内壁的滑轨一一对应卡入后压板外缘的滑轨槽中，由套筒壳的滑轨和后压板的滑轨槽配合实现约束后压板的运动，使后压板无法相对套筒壳和丝杆轴转动，后压板仅能在套筒壳内沿前后方向滑动。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统，其特征在于：还包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，伺服电机的驱动器、电磁铁的输入端分别通过总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括安装在伺服电机上的光电编码器，以及安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

3.一种如权利要求1所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统的控制方法，其特征在于：

所述的模块化可重构柔索并联机器人，其包括沿环向导轨分布的柔索驱动系统，由柔索驱动系统驱动柔索绕过对应液压驱动系统支撑的定滑轮后，再向下挂连末端执行器，环向导轨由导轨驱动系统驱动；

所述的模块化可重构柔索并联机器人的柔索驱动系统的控制方法包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、柔索并联机器人正常运动时，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置通电，保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩第一弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，前后压板不接触，前压板转动不受后压板约束，后压板随套筒壳固定在外部壳体支架上，使缠绕装置正常运行，安装在柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，测得的测量数据正常且稳定，运动控制板卡通过输出端控制异常保护装置继续通电，异常保护装置的后压板在电磁铁的通电吸引下压缩第一弹簧沿套筒壳内的轨道与前压板分离，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、当柔索并联机器人运动异常或机器人关机断电时，安装在柔索上的测力传感器将测得对应的数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，随后通过通讯系统输出信号将控制的电保护系统的电磁铁断电，失去对后压板的吸引作用，在第一弹簧的作用下后压板被向外推与前压板接触，使前压板的球头柱塞卡在后压板对应的定位槽内，以此限制了缠绕系统的转动，从而达到对整个柔索机器人系统的保护的目的；

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；安装在柔索上的测力传感器，将检测柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到柔索并联机器人的运动状态，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。