空间可重构的移动式柔索锚点平台装置及其工作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种空间可重构的移动式柔索锚点平台装置及其工作方法。

背景技术：

1、移动式柔索锚点平台是一种用于支撑移动式柔索并联机器人的装置，其设计旨在提供机器人运动过程中的稳定性和可控性。这种平台具备自身的移动能力，可以在工作环境中灵活调整位置，并支持机器人的各种运动和操作。其主要特点包括可移动性、多功能性。移动式柔索锚点平台不仅能够支持机器人的刚性部件，还能够与柔性部件进行有效的连接和运动，从而实现对柔索部分的精准控制。

2、移动型柔索并联机器人是一种相对较新的机器人技术，它结合了柔索并联机构和移动型机器人的特点，具有灵活性和高自由度的优势。相比传统的固定平台柔索并联机器人，移动型柔索并联机器人在应用中更具有灵活性和适用性。这种机器人的背景可以追溯到对于处理复杂环境和执行各种任务的需求。传统的固定平台柔索并联机器人可能受到工作空间限制或局限于特定场景的问题。移动型柔索并联机器人通过在结构中引入移动机制，使得机器人可以在不同的工作场景中移动和操作，从而扩大了其应用范围。

3、空间可重构的移动式柔索锚点平台为机器人的运动和操作提供了必要的支持。通过平台的稳定支撑，机器人能够在运动过程中保持稳定性，从而实现精准的动作执行。其具备适应多样化任务的能力。通过平台的空间可重构性设计，机器人可以根据不同的任务需求和工作环境实时调整平台的结构和功能组合。这种灵活性使得机器人能够快速适应不同的工作场景和任务要求，扩展了其应用领域和任务范围。平台的可重构性设计还增强了机器人的整体灵活性和适应性，使其能够在不同工作场景下实现更高水平的任务执行能力。

4、然而，现有的移动式柔索锚点平台在移动性能、空间重构能力和多锚点配合方面仍然存在一些不足。传统的移动平台往往受制于移动方式的限制，难以实现多方向的灵活移动；同时，柔索的锚点设置和调整也面临着诸多挑战，限制了机器人在复杂环境下的应用。难以在大范围的不同工作点展开作业，并且由于锚点位置的高程固定，无法实现狭小空间内的可重构移动，面对复杂工作环境时往往要根据作业环境选择不同框架。要提高其可重构适应性，则只能够改变框架的结构，而这会进一步导致系统控制复杂化，刚性降低等一系列问题。

5、由于移动式柔索锚点平台存在这些缺点，为了提高其工作空间移动通过性，优化其可重构性能，现已出现一些可重构机构的设计。例如申请号为cn202110466483.4的中国发明专利：一种具有大工作空间的可移动式电液复合驱动喷涂机器人，该机构主体具有较大工作空间以及较高的灵活度，同时可以避免驱动绳与工件干涉，但其在改变工作空间时，无法变动机器人本体空间，导致顶部锚点固定，空间适应性不佳。此外，固定的空间对于柔索锚点有一定的局限性，无法保证锚点配合的空间多样性；申请号为cn201410090629.x的中国发明专利：一种模块化可重构柔索并联机构实验平台，本发明模块类型丰富，能实现各种不同自由度变参数柔索并联，实现大负载运转、高性能运动输出，进行大范围工作空间的操作实验，但其模块化可移动性仅限于整体工作平台，在不同环境下的自适应程度不高，不能够同时满足可移动和可升降，无法实现不同自由度下的运动配合。

6、因此，有必要研究开发一种新型的移动式柔索锚点平台装置，以提升其移动性能、空间重构能力和多锚点配合可能性。这样的装置应当具备全向移动能力、自适应的支撑机构、灵活的柔索驱动绳锚点设置等特点，以满足各种应用场景下的需求。

技术实现思路

1、本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种空间可重构的移动式柔索锚点平台装置及其工作方法，以实现移动式柔索并联机器人具有较大空间并且空间可重构，多自由度运动同时避免驱动绳和工作平台发生干涉。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、空间可重构的移动式柔索锚点平台装置，包括全向移动平台(1)，所述全向移动平台(1)上安装有升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)、180°限位固定柔索驱动绳锚点支撑柱模块(5)，以及两组柔索绳驱动模块(4)；

4、所述升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)包括升降驱动模块(3001)、升降柱一级传动模块(3003)、升降柱二级牵引模块(3004)、升降柱三级工作支撑模块(3006)、锚点旋转滑轮组件(3005)；其中：

5、所述升降驱动模块(3001)安装在全向移动平台(1)上，所述升降柱一级传动模块(3003)下端固定在全向移动平台(1)上，升降柱一级传动模块(3003)内部安装有丝杠滑块机构，丝杠滑块机构包括一级传动模块丝杠(3210)和二级牵引模块导向内滑块(3204)，由所述升降驱动模块(3001)驱动丝杠滑块机构中的一级传动模块丝杠(3210)转动，使丝杠滑块机构中的二级牵引模块导向内滑块(3204)在升降柱一级传动模块(3003)内部升降运动；

6、所述升降柱二级牵引模块(3004)下端穿入升降柱一级传动模块(3003)中并固定在二级牵引模块导向内滑块(3204)上，升降柱二级牵引模块(3004)上端从升降柱一级传动模块(3003)上端穿出；升降柱二级牵引模块(3004)内部升降运动安装有三级工作模块导向内滑块(3304)，并且升降柱二级牵引模块(3004)内部安装有上升跑绳微动电机(3315)、下降跑绳微动电机(3314)；所述上升跑绳微动电机(3315)输出轴卷绕安装有二级牵引模块上升尼龙跑绳(3308)，二级牵引模块上升尼龙跑绳(3308)向上绕过固定在升降柱二级牵引模块(3004)内部并位于三级工作模块导向内滑块(3304)上方的尼龙跑绳上双滑轮(3306)后，再向下延伸至连接所述三级工作模块导向内滑块(3304)；所述下降跑绳微动电机(3314)输出轴卷绕安装有二级牵引模块下降尼龙跑绳(3301)，二级牵引模块下降尼龙跑绳(3301)向下绕过固定在升降柱二级牵引模块(3004)内部并位于三级工作模块导向内滑块(3304)下方的尼龙跑绳下滑轮(3208)后，再向上延伸至连接所述三级工作模块导向内滑块(3304)；由上升跑绳微动电机(3315)、下降跑绳微动电机(3314)通过各自对应的尼龙跑绳分别在上、下方拉拽所述三级工作模块导向内滑块(3304)，进而实现三级工作模块导向内滑块(3304)在升降柱二级牵引模块(3004)内部的升降运动；

7、所述升降柱三级工作支撑模块(3006)下端穿入下端升降柱二级牵引模块(3004)中并固定在所述三级工作模块导向内滑块(3304)上，所述升降柱三级工作支撑模块(3006)上端从升降柱二级牵引模块(3004)上端穿出；

8、所述锚点旋转滑轮组件(3005)通过轴向竖直的转轴转动安装在升降柱三级工作支撑模块(3006)上端；

9、所述180°限位固定柔索驱动绳锚点支撑柱模块(5)包括驱动电机(5001)、180°限位锚点滑轮座(5202)，180°限位锚点滑轮座(5202)中旋转安装有轴向水平的180°限位锚点滑轮(5203)，180°限位锚点滑轮座(5202)通过轴向竖直的工作平台传动轴(5201)转动安装在全向移动平台(1)上，驱动电机(5001)安装在全向移动平台上，由所述驱动电机(5001)驱动工作平台传动轴(5201)转动，且所述180°限位锚点滑轮座(5202)高度低于所述锚点旋转滑轮组件(3005)的高度；

10、两组柔索绳驱动模块(4)中，其中一组柔索绳驱动模块中卷绕安装有上双索驱动绳(12)，另外一组柔索绳驱动模块中卷绕安装有下双索驱动绳(15)，所述上双索驱动绳(12)向上绕过所述锚点旋转滑轮组件(3005)后再向下延伸至固定连接于机器人工作平台(13)，所述下双索驱动绳(15)向上绕过所述180°限位锚点滑轮(5203)后再继续向上延伸至固定连接于机器人工作平台(13)。

11、进一步的，所述全向移动平台(1)为麦克纳姆轮全向移动平台。

12、进一步的，所述全向移动平台(1)配置有多组连接板(2102)，每组连接板(2102)一端分别竖直固定安装有自适应液压支撑柱(2101)，每组连接板(2102)另一端分别通过轴向竖直的连接板转动轴(2105)转动连接于全向移动平台(1)侧边。

13、进一步的，所述全向移动平台(1)还安装有由驱动电机(2201)驱动的一拖多齿轮传动机构，一拖多齿轮传动机构中各个最末级齿轮一一对应固定于所述连接板转动轴(2105)上，由驱动电机(2201)通过一拖多齿轮传动机构同步驱动各个连接板转动轴(2105)转动。

14、进一步的，所述升降柱二级牵引模块(3004)中，二级牵引模块上升尼龙跑绳(3308)、二级牵引模块下降尼龙跑绳(3301)分别各自通过牵引弹簧连接所述三级工作模块导向内滑块(3304)。

15、进一步的，所述二级牵引模块上升尼龙跑绳(3308)、二级牵引模块下降尼龙跑绳(3301)中分别各自连接安装有拉力传感器。

16、进一步的，所述180°限位固定柔索驱动绳锚点支撑柱模块(5)还包括180°限位锚点主传动轴锥形齿轮(5104)、限位锥形齿轮(5102)、工作平台传动轴锥形齿轮(5103)，其中180°限位锚点主传动轴锥形齿轮(5104)、限位锥形齿轮(5102)分别各自通过轴向呈水平的齿轮轴转动安装于齿轮箱(5006)上，所述驱动电机(5001)输出轴与180°限位锚点主传动轴锥形齿轮(5104)同轴连接，所述工作平台传动轴锥形齿轮(5103)固定在所述工作平台传动轴(5201)上，并且工作平台传动轴锥形齿轮(5103)同时与所述180°限位锚点主传动轴锥形齿轮(5104)、限位锥形齿轮(5102)传动啮合。

17、一种上述空间可重构的移动式柔索锚点平台装置的工作方法，至少两组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置配合工作用于驱动所述机器人工作平台(13)，过程如下：

18、步骤1、系统初始化，确定当前每组组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中全向移动平台(1)位置，确定移动目标位置参数，输入至控制系统上位机中；

19、步骤2、通过激光雷达与视觉传感器获取每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置本体当前状态下空间环境，建立目标路径；

20、步骤3、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中自适应液压支撑柱(2101)底部自带的压力传感器判断当前压力值，调整每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中自适应液压支撑柱(2101)的液压支撑高度，然后归零压力传感器；

21、步骤4、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中驱动电机(2201)驱动通过一拖多齿轮传动机构使各个连接板转动轴(2105)转动，进而令连接板(2102)连同自适应液压支撑柱(2101)收缩至全向移动平台(1)侧边处；

22、步骤5、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中的全向移动平台(1)按照预定目标路径行驶，激光雷达获取目标路径中障碍物限位高度，判断当前每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)能否通过；

23、若不能通过，根据障碍物限位高度，在每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中，通过升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)中的升降驱动模块(3001)工作带动一级传动模块丝杠(3210)转动来调整升降柱二级牵引模块(3004)高度，通过上升跑绳微动电机(3315)、下降跑绳微动电机(3314)工作来调整升降柱三级工作支撑模块(3006)的高度，直至升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)整体高度调整至能够通过；

24、步骤6、判断令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中中的全向移动平台(1)是否抵达目标位置，抵达则结束移动部分，否则回到步骤5继续移动；

25、步骤7、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中，升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)中的升降驱动模块(3001)工作、上升跑绳微动电机(3315)和下降跑绳微动电机(3314)工作，调整升降式柔索驱动绳锚点支撑柱模块(3)高度至工作状态；

26、步骤8、通过令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中，升降柱二级牵引模块(3004)内的拉力传感器测量数据计算锚点平台压力，判断锚点高度是否准确，若不准确通过升降柱二级牵引模块(3004)中的上升跑绳微动电机(3315)和下降跑绳微动电机(3314)来调整尼龙跑绳长度；

27、步骤9、根据需要进行以下三种工作模式：

28、i：固定工作空间模式：

29、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中的全向移动平台(1)固定，并通过驱动电机(2201)驱动各个连接板转动轴(2105)转动，使连接板(2102)连同自适应液压支撑柱(2101)从全向移动平台(1)侧边展开，并令自适应液压支撑柱(2101)下降，通过水平仪判断装置是否水平，否则调整四个自适应液压支撑柱(2101)底部压力传感器回传数值，使得每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置保持水平工作，并令柔索绳驱动模块(4)工作控制对应的双索驱动绳工作，来控制末端连接的机器人工作平台(13)的位姿；

30、ii：移动工作空间模式：

31、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中驱动电机(2201)工作，使连接板(2102)连同自适应液压支撑柱(2101)收缩至全向移动平台(1)侧边，并令自适应液压支撑柱(2101)上升，自适应液压支撑柱(2101)自带的压力传感器归零，然后令全向移动平台(1)移动，柔索绳驱动模块(4)锁止，通过全向移动平台(1)的车身移动来控制上、下双索驱动绳(12)、(15)末端连接的机器人工作平台(13)的位姿；

32、iii：移动不定工作空间模式：

33、令每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中驱动电机(2201)工作，使连接板(2102)连同自适应液压支撑柱(2101)收缩至全向移动平台(1)侧边，并令自适应液压支撑柱(2101)上升，自适应液压支撑柱(2101)自带的压力传感器归零，然后令全向移动平台(1)移动，通过柔索绳驱动模块(4)控制双索驱动绳长度，利用全向移动平台(1)之间的距离控制双索驱动绳位姿来补偿绳索的张力，达到更加合理的张力分布，控制全向移动平台(1)零矩点位置与重心之间的位差，使得全向移动平台(1)在非滑移与侧倾状态下达到更大工作空间；

34、步骤10、通过每组空间可重构的移动式柔索锚点平台装置中的柔索绳驱动模块(4)带动对应的双索驱动绳的长短变化，控制双索驱动绳末端连接的机器人工作平台(13)运动，完成当前工作空间任务；工作时，通过拉力传感器、外部转角传感器和视觉传感器进行数据采集输出至上位机，从而控制自适应液压支撑柱(2101)和柔索绳驱动模块(4)进行调整，防止机构侧翻，同时确保工作空间内不存在干涉；

35、步骤11、判断当前工作是否完成，完成则结束，否则回到步骤8重新开始，直至完成空间内工作。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

37、1.本发明设计将柔索锚点平台整合于麦克纳姆轮移动基座上，使得锚点平台可在大范围空间内移动，简化了柔索机构的拆装，实现了移动式柔索锚点平台空间位置的可重构性。

38、2.本发明设计将1号锚点平台装置与2号锚点平台装置组合，通过上双索连接牵引工作平台上部锚点，控制工作平台在x-z/y-z平面内的运动，通过下双索连接牵引工作平台下部锚点，控制工作平台的旋转运动，1号锚点平台装置与2号锚点平台装置移动配合，控制工作平台x-y平面运动，极大增加了柔索并联机器人的工作空间，实现了柔索并联机器人多方向多维度的空间可重构能力

39、3.本发明设计通过滚珠丝杠机构配合双滑轮尼龙跑绳，将柔索锚点设计成可升降平台，升降平台搭载柔索并联机器人上索锚点，使得柔索并联机器人的高度可控，增强了机器人在复杂环境中的可通过性，为上索锚点提供了线性可变高程，提高了机器人整体灵活度，实现了移动式柔索锚点平台高度空间的可重构性。

40、4.本发明设计通过微动电机配合牵引弹簧和尼龙跑绳，将二级牵引模块设计成刚柔耦合形式，尼龙跑绳被牵引弹簧和微动电机协同控制，使得二级牵引模块可通过拉力传感器数据，实时控制锚点平台微动高度，保持锚点工作时的高度精确性和实时水平，增强了装置平台整体稳定性，实现了锚点平台装置的刚柔耦合可重构性。

41、5.本发明设计通过底部一拖四锥形齿轮配合，为柔索锚点平台提供了单电机带动四个旋转副的能力，使得四个液压支撑柱能够同时收缩与展开，增强了锚点平台与液压支撑之间的协同工作能力，实现了柔索锚点平台在移动过程中的可重构性。

42、6.本发明设计通过自适应液压支撑柱搭配可伸展液压支撑平台，为移动基座提供了工作状态下的稳定性保障，使得移动基座可在非平面状态下调整操作平台水平，增强了移动式柔索锚点平台的控制精确度，实现了移动式柔索锚点平台复杂工况下的适应性。

43、7.本发明设计柔索锚点平台下索锚点采用180°限位固定，限制柔索锚点出索方向始终面向末端操作平台，可实现柔索驱动绳在锚点处的灵活变向，有效避免索与机器人本体，索与索之间工作移动时的干涉，提升了柔索锚点平台的适用性，实现了移动式柔索锚点平台在移动过程中的可重构性。