一种用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统

摘要

一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构，包括力传感器、两条等长的主动杆、两条等长的从动杆、水平调整电机、磁粉离合器、旋转式磁流变阻尼器、安装板、竖直减振机构，其特征是所述安装板内表面具有两个安装座，每个安装座分别与一条主动杆的前端通过主动杆控制轴连接，每条主动杆的末端分别与一条从动杆的前端连接，两条从动杆的末端连接在一起，安装板、主动杆、从动杆构成一个平面五连杆机构，所述平面五连杆机构在垂直于安装板内表面的平面内运动且具有两个自由度所述的竖直减振机构安装于安装板外表面。

权利要求

1.一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构，其特征是所述二维抑振机构包括力传感器、两条等长的主动杆、两条等长的从动杆、水平调整电机、磁粉离合器、旋转式磁流变阻尼器、安装板、竖直减振机构，其特征是所述安装板内表面具有两个安装座，每个安装座分别与一条主动杆的前端通过主动杆控制轴连接，每条主动杆的末端分别与一条从动杆的前端连接，两条从动杆的末端连接在一起，安装板、主动杆、从动杆构成一个平面五连杆机构，所述平面五连杆机构在垂直于安装板内表面的平面内运动且具有两个自由度，所述从动杆与主动杆的长度比为1.4～1.6，两安装座之间的距离和主动杆的长度之比为0.65～0.75，每个主动杆控制轴通过磁粉离合器分别与一个旋转式磁流变阻尼器和一个水平调整电机连接，通过磁粉离合器可以使主动杆控制轴在与水平调整电机连接和与旋转式磁流变阻尼器连接之间切换，两个从动杆末端连接处为所述平面五连杆机构的末端，平面五连杆机构末端用于与吸盘末端连接，所述吸盘用于抓取作业平台的作业立面，吸盘朝向平面五连杆机构外侧且吸盘轴线与平面五连杆机构的运动平面平行，所述力传感器安装于平面五连杆机构末端，用于检测吸盘与作业立面间的作用力大小；所述的竖直减振机构安装于安装板外表面。

2.如权利要求所述的一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构，其特征是所述竖直减振机构为弹簧阻尼系统，包括减震簧、两个平行的导向光轴及其直线轴承座，所述直线轴承座固定在安装板外表面，导向光轴穿过直线轴承座且两端通过轴承及轴端固定座安装在辅助立板内侧，辅助立板外侧固定于作业平台侧面，所述减震簧分别套装在导向光轴位于直线轴承座上下两部部分的轴体上。

3.如权利要求1或2所述的一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构，其特征是所述从动杆与主动杆的长度比为1.45～1.55。

说明书

一种用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高空建筑机器人的抑振技术，具体为一种适用于高空建筑外墙作业、抑制作业平台系统和机器人振动的二自由度抑振机构。

背景技术

[0002] 采用建筑外墙装饰机器人代替人工进行建筑外墙装饰施工，在国内外已经有了很多的工程实例。但与人工作业相比，由于机器人自重大、载荷集中，高空作业环境复杂，因此载有机器人的高空作业平台与现有的高空作业平台相比，相应的具有重量与面积均有所增大，由于高层建筑外墙装饰时的环境复杂，高空风载、安装机器人运动、工作人员移动等都会使平台产生振动，从而影响机器人的安装精度和平台整体的安全性，而当高空作业平台增大时上述问题更为突出，现有的高空作业平台并未针对承载建筑外墙装饰机器人专门设计抑振系统，如中国中国专利CN103924777A提供的一种建筑外墙装饰施工专用悬吊平台，仅采用吸盘固定作业立面与平台主体，吸盘的抑振作用极为有限，不能满足平台搭载机器人时对抑振系统的要求。对于高空作业平台来说，在水平方向的振动是影响其稳定性的主要因素。申请人在先申请的中国专利CN2015201793763公开了一种具有二维抑振系统的高空建筑机器人用作业平台，其中作为抑振系统的减振器包括真空吸盘与减震器座，真空吸盘可以朝向作业立面并伸出和收回，真空吸盘与减震器座用转动副连接，减振器座中有两个交叉布置的阻尼器，可以在平行于底板且分别垂直和平行于工作立面的两个方向上具有运动自由度，但这种抑振系统的结构难于进行主动减振设备的布局与控制，无法实现理想的实时抑振效果。因此提供一种能适用于高空机器人作业平台的抑振系统成为现有技术中急需解决的问题。

发明内容

[0003] 针对当前技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振机构。该机构可以主动抑制高空建筑机器人作业平台在水平面两个方向的振动，且具有拆装方便，自重轻的特点。

[0004] 本发明提供了一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构，所述二维抑振机构包括力传感器、两条等长的主动杆、两条等长的从动杆、水平调整电机、磁粉离合器、旋转式磁流变阻尼器、安装板、竖直减振机构，其特征是所述安装板内表面具有两个安装座，每个安装座分别与一条主动杆的前端通过主动杆控制轴连接，每条主动杆的末端分别与一条从动杆的前端连接，两条从动杆的末端连接在一起，安装板、主动杆、从动杆构成一个平面五连杆机构，所述平面五连杆机构在垂直于安装板内表面的平面内运动且具有两个自由度，所述从动杆与主动杆的长度比为1.4～1.6，两安装座之间的距离和主动杆的长度之比为0.65～0.75，每个主动杆控制轴通过磁粉离合器分别与一个旋转式磁流变阻尼器和一个水平调整电机连接，通过磁粉离合器可以使主动杆控制轴在与水平调整电机连接和与旋转式磁流变阻尼器连接之间切换，两个从动杆末端连接处为所述平面五连杆机构的末端，平面五连杆机构末端用于与吸盘末端连接，所述吸盘用于抓取作业平台的作业立面，吸盘朝向平面五连杆机构外侧且吸盘轴线与平面五连杆机构的运动平面平行，所述力传感器安装于平面五连杆机构末端，用于检测吸盘与作业立面间的作用力大小；所述的竖直减振机构安装于安装板外表面。所述竖直减振机构为弹簧阻尼系统，包括减震簧、两个平行的导向光轴及其直线轴承座，所述直线轴承座固定在安装板外表面，导向光轴穿过直线轴承座且两端通过轴承及轴端固定座安装在辅助立板内侧，辅助立板外侧固定于作业平台上，所述减震簧分别套装在导向光轴位于直线轴承座上下两部部分的轴体上。

[0005] 所述二维抑振系统，其特征是所述从动杆与主动杆的长度比为1.45～1.55。

[0006] 所述主动杆、从动杆的长度为其两端转动轴的轴线距离，所述安装座之间的距离为安装座上用于安装主动杆控制轴的安装孔的轴线距离。

[0007] 本发明提供的二维抑振系统，针对高空作业平台的工作环境和减振的需要，在垂直于底面的竖直方向采用了减振簧为主要减振原件的竖直减振机构，简化了结构并降低了整个系统成本，且将竖直减振机构还起到整个系统与作业平台连接的作用，通过导向光轴的四个轴端固定座，可以将整个系统稳定的固定在作业平台侧面；在水平方向采用杆长基本相等平面五连杆机构，经过尺寸优化，使其在保证工作范围的同时拥有较小的尺寸，同时避免奇异位置的出现。在平面五连杆机构的主动杆控制轴上连接磁粉离合器，可以仅以电信号即方便的使主动杆控制轴在与水平调整电机连接和与磁流变阻尼器之间切换，即保证结构简单又可以适应高空复杂的工作环境。本发明提供的基于高空建筑机器人抑振需要而设计的抑振系统，在满足所需工作空间的前提下，对作为抑振系统主要部件的的平面五连杆机构进行了优化，获得最优结构参数和良好的动态性能，兼顾了设计空间和动力学性。首先，优化后的平面五连杆机构的整个工作空间具有很高的运动分辨率和较高的速度。同时，通过限制雅克比矩阵的条件数可以保证该机构远离奇异位形，进过优化设计的平面五连杆机构条件数较小，方向可操作度较大，灵活性得到了较好的保障。其次，本发明抑振系统中的平面五连杆机构的加速度性能指标较小，使机构的加速度偏差很小。最后，本发明抑振系统中的平面五连杆机构便于实现智能控制，在满足需求的前提下，其控制系统也较为简单。

[0008] 本发明提供抑振系统，既可以快速主动抑制水平面上两个方向的振动，又能够很好的作业平台的控制在这两个方向上的最大位移，并且通过力传感器可以方便的设定安全控制程序，最大程度的避免了在作业平台远离作业平面时吸盘脱离作业平面引起的安全隐患。与现有技术相比，本发明稳定性强，可以很好的主动抑制水平两个方向振动，自重轻，拆装方便，安全可靠，同时极大地改善了传统抑振机构的不足。

附图说明

[0009] 图1为本发明实施例提供的用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统的包括作业平台的整体装配示意图；

[0010] 图2为本发明实施例提供的用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统的整体结构结构示意图；

[0011] 图3为本发明实施例提供的用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统的平面五连杆机构示意图；

[0012] 图4为本发明实施例提供的用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统的安装板内表面结构示意图；

[0013] 图5为本发明实施例提供的用于高空建筑机器人作业平台的二自由度抑振系统的安装板外表面结构示意图。

[0014] 图中：

[0015] 1、地面，2、作业立面，3、作业平台，4、二维抑振机构；

[0016] 401、水平调整电机，402、磁粉离合器，403、平面五连杆机构，40301、主动杆，40302、从动杆，40303、安装板，40304、安装座，404、力传感器，405、吸盘，406、竖直减振机构，40601、导向光轴，40602、直线轴承座，40603、轴端固定座，407、旋转式磁流变阻尼器。

具体实施方式

[0017] 以下结合实施例及其附图对本发明技术方案详细说明如下。

[0018] 本实施例提供的一种用于高空建筑机器人作业平台的二维抑振机构；

[0019] 所述高空建筑机器人用作业平台3的的工作环境包含地面1和与建筑物外墙墙面平行的作业立面2，所述二维抑振机构与作业平台的的整体装配图如图1所示；

[0020] 所述二维抑振机构4包括力传感器404、两条等长的主动杆40301、两条等长的从动杆40302、水平调整电机401、磁粉离合器402、旋转式磁流变阻尼器407、安装板40303、竖直减振机构406，所述安装板内表面具有两个安装座40304，每个安装座分别与一条主动杆的前端通过主动杆控制轴连接，每条主动杆的末端分别与一条从动杆的前端连接，两条从动杆的末端连接在一起，安装板、主动杆、从动杆构成一个平面五连杆机构403，所述平面五连杆机构在垂直于安装板内表面的平面内运动且具有两个自由度，所述从动杆与主动杆的长度比为1.5，两安装座之间的距离和主动杆的长度之比为0.7，(所述主动杆、从动杆的长度为其两端转动轴的轴线距离，所述安装座之间的距离为安装座上用于安装主动杆控制轴的安装孔的轴线距离)，每个主动杆控制轴通过磁粉离合器分别与一个旋转式磁流变阻尼器和一个水平调整电机连接，通过磁粉离合器可以使主动杆控制轴在与水平调整电机连接和与磁流变阻尼器连接之间切换，两个从动杆末端连接处为所述平面五连杆机构的末端，平面五连杆机构末端用于与吸盘405末端连接，所述吸盘用于抓取作业平台的作业立面，吸盘朝向平面五连杆机构外侧且吸盘轴线与平面五连杆机构的运动平面平行，所述力传感器安装于平面五连杆机构末端，用于检测吸盘与作业立面间的作用力大小；所述的竖直减振机构安装于安装板外表面，所述竖直减振机构为弹簧阻尼系统，包括两个平行的导向光轴40601及其直线轴承座40602，所述直线轴承座固定在安装板外表面，导向光轴穿过直线轴承座且两端通过轴承及轴端固定座40603安装在辅助立板内侧，辅助立板外侧固定于作业平台侧面，所述减震簧分别套装在导向光轴位于直线轴承座上下两部部分的轴体上。所述二维抑振机构的整体结构示意图如图2所示，其中平面五连杆机构的结构示意图如图3所示，所述安装板内表面与外表面结构示意图分别如图4、图5所示。

[0021] 本发明提供的二维抑振装置工作原理及步骤如下：

[0022] 1)初始状态时，由水平调节电机驱动主动杆，使平面五连杆机构的末端收回，便于移动作业平台；

[0023] 2)当作业平台至适宜高度需要开始固定时，由水平调整电机与磁粉离合器控制平面五连杆机构动作，使位于平面五连杆机构末端的吸盘向作业平面，当力传感器提示吸盘已经到位时启动吸盘抓取作业平面，在完成抓取后启动磁粉离合器使主动杆控制轴与水平调整电机脱离连接并转接旋转式磁流变阻尼器；

[0024] 3)开始作业，在作业过程中通过传感器采集到作业平台的振动信号并同时获知平台振动的速度和加速度，进而计算并合理分配磁流变阻尼器的阻尼；由数学关系可知，在减震机构工作时，吸盘处的阻尼力大小与输入端的两个旋转式磁流变阻尼器产生的阻尼力的大小存在函数关系。因此在减震器工作时，通过机构内传感器得出工作平台的震动速度和加速度，即可计算出抑制工作平台震动的最佳阻尼力的大小，然后利用上述的函数关系可以推导出每个旋转式磁流变阻尼器所需提供的阻尼力的大小。最终通过控制旋转式磁流变阻尼器电流值就可以输出计算出的阻尼力，抑制平台的震动；工作中出现力传感器反馈作业平台远离作业平面超过安全阈值时磁流变阻尼器断电，采用最小阻尼系数，以确保吸盘不会被远离作业平面的作业平台拉扯至脱落；

[0025] 4)作业完成后，控制磁粉离合器使主动杆控制轴与旋转式磁流变阻尼器脱离连接并转接水平调整电机，启动水平调整电机电机，使平面五连杆机构末端回收至初始状态。