CN106044534B - 用于提升和安置载荷的具有六个自由度的自平衡设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及下述设备，该设备用于无论载荷的重心位置如何都以自平衡的方式提升和安置该载荷。该设备包括适于自常规提升点悬挂的上平台、适于附接要被提升和安置的载荷的下平台以及六自由度的致动器，该六自由度的致动器包括六个可变长度的筋束并适于使下框架相对于上框架在三个空间方向上移动并且围绕三个空间轴线倾斜。由上平台支承的可配置的配重系统布置成用于在水平面上改变设备的质心，并且处理装置配置成用于动态地计算配重系统的期望位置，以使设备相对于常规提升点平衡。

Description

用于提升和安置载荷的具有六个自由度的自平衡设备

技术领域

本发明总体上涉及用于稳定和处理被提升的载荷的设备。

本发明的目的是提供下述设备，该设备用于无论载荷的重心位置如何都以自动平衡的方式提升和安置载荷，使得尺寸和形状不同的许多各种不同的部件因而能够在空中运送并且容易地且安全地被操作。

背景技术

被提升的物体的潜在运动可以借助于笛卡儿坐标系统——在笛卡儿坐标系统中，z轴在竖向方向上，而x轴和y轴形成水平面——而被最佳地预想到。被提升的物体绕z轴的旋转因而被定义为偏转，绕x轴的旋转被定义为俯仰，并且绕y轴的旋转被定义为滚动。

在典型的载荷运送应用中，起重机将具有单个起吊线缆，该单个起吊线缆仅在z方向上是稳定的。如果从侧向施加外力，则载荷将滚动、俯仰或偏转，或者将在x方向和y方向上摇摆。

在载荷正在被提升时，重要的是，由提升设备和载荷形成的组件的质心与提升点沿竖向对准以使组件平衡。否则，组件可能摇晃和摆动，从而引起对部件自身的损坏、对周围设备的损坏或甚至引起对操作员的伤害。

因此，现有技术长期以来认识到需要对这些不期望的运动进行补偿，并且因此，已经研发出用于稳定被提升的载荷的各种解决方案。例如，美国专利US-4.883.184描述了一种处于被稳定的方式下的线缆装置及提升平台。该提升平台将载荷紧固至紧固装置，并且该平台能够通过附接托架而自起重机悬挂。附接托架包括线缆绞盘，六根线缆悬挂在绞盘上并且附接至提升平台。附接托架还包括线缆导引装置，该线缆导引装置将所述六根线缆以三个线缆对——优选地被等距地间隔开——的形式导引离开绞盘。

为了将线缆紧固至提升平台，平台包括具有三个线缆附接点的附接框架，所述三个线缆附接点优选地相对于彼此等距地间隔开。提升平台通过感测载荷相对于平台质心的不平衡并且对载荷进行重新定位以校正所述不平衡而有助于使载荷的起吊稳定。

美国专利US-4.932.541描述了一种稳定的货物处理系统，该货物处理系统利用了这样的装置：该装置用于通过使用在动力学装置中张紧的六个单独控制的线缆来以全部的六个自由度稳定悬挂的货物。与线缆驱动装置联接的惯性和距离传感器提供了用以自动地控制多线缆式起重机的装置。

另一方面，六自由度的致动装置——通常被称为六足装置——通常用在例如飞行或驾驶模拟器中，其中，所述飞行或驾驶模拟器能够使其上安装模拟舱的平台在空间中以六个自由度移动。众所周知的现有技术移动式平台是斯图尔特平台(Stewart platform)，斯图尔特平台基于的是允许具有六个自由度的运动的六足定位装置的使用。这些平台的该类型运动形成了一系列平行机械手(robots)的一部分。

美国专利公开US2009/0035739 A1和US2012/0180593 A1更详细地描述和示出了斯图尔特平台的示例。通常，斯图尔特平台包括固定的下板、六个伸缩式致动器以及移动式上板，其中，伸缩式致动器在其相反端处枢转地连接至基板并连接至移动式上板，在基板和移动式上板中的每一者上设置有三个附接点，其中，相应对的伸缩式致动器连接至这三个附接点。由于此已知的装置，移动式上板具有六个自由度，即，关于x轴、y轴和z轴既能够旋转又能够平移。

线缆悬挂的机械手或筋束驱动的机械手——通常被称为线缆机械手(cablerobot)——也是已知的并且是基于附接至移动式平台的多个线缆，该移动式平台可以载有一个或更多个操纵器或机械手。该平台通过可以使线缆延伸或缩回的马达来操纵。线缆机械手用于三维工作空间中的各种操纵任务，例如材料处理、触觉技术等。美国专利公开US2009/0066100A1涉及这种类型的线缆机械手。

在航空工业中，较大且较重的部件如水平尾翼平面件、机翼或机身部段必须被吊起并且在工厂或组装场内从一个工作站运送至另一工作站。对于此任务，提升机构比如千斤顶或绞盘通常用于提供用以起吊该部件所必须的提升力。

提升和安置这些大型飞行器部件是具有挑战性的，这是因为具有不同大小和重量且重心位置先前未知的各种不同的部件必须在工厂内进行运送和处理。一个经典的解决方案是为每个部件提供专用的提升设备，但此解决方案非常昂贵并且麻烦，因为需要大量的提升设备(夹具)。

因此，尽管已经已知许多自平衡的载荷提升系统，但这些系统中没有一个是为解决在航空工业中提升和处理大型飞行器部件的问题而具体构思的。

发明内容

本发明通过提供下述设备来解决现有技术的上述缺点，该设备用于在预先不知道要提升的载荷的重心位置的情况下以自平衡方式提升和安置载荷。

本发明的设备包括两个叠置的平台，即上平台和下平台，上平台要由外部的常规起吊设备提升，比如在使用中，该装置从至少一个提升点处被悬吊，下平台要附接至待运送和定位的工件或部件，比如在使用中，此部件附接至下平台。

另外，该设备包括六自由度的致动器，该六自由度的致动器包括六个可变长度的筋束，其中，每个筋束与上平台联接且与下平台联接，以此方式使得下平台借助于这六个可变长度的筋束而从上平台悬挂。对于这些连接，在上平台和下平台上分别限定三个附接点，使得每个附接点连接一对筋束。

位于上平台处的三个附接点处于同一平面中并且在本发明的优选实施方式中彼此等距地间隔开，使得这些附接点为等边三角形构型的三个顶点。同样地，位于下平台处的三个附接点处于同一平面中并且在本发明的优选实施方式中彼此等距地间隔开，使得这些附接点为等边三角形构型的三个顶点并且位于下平台处。然而，在本发明的其他优选实施方式中，为上平台和下平台考虑了其他类型的三角形构型。

优选地，上平台和/或下平台具有三角形框架、优选地等边三角形框架，使得每个三角形框架或平台限定这些顶点，这些顶点在等边构型的情况下等距地间隔开。当上平台和下平台二者包括相应的等边三角形框架时，这两个叠置的框架的相对位置偏移，即每个三角形框架的顶点在竖向上没有对准。

通过此布置，待提升的部件的载荷由所述筋束支撑，因而，当设备使用时，筋束主要通过正在被提升的载荷以及通过下平台的载荷而被张紧。由于筋束的数量等于自由度，因此竖向载荷的施加意味着所有的筋束应当受到拉伸载荷。如果重心的位置不满足所确定的几何条件，则一个或若干个筋束可能受到压缩载荷。由于筋束仅能够支撑拉伸载荷，因此这种情况将最终引起装置的坍塌。

每个可变长度的筋束是适于例如借助于绞盘机构或类似装置而线性地延伸和缩回的长形的柔性元件，例如可调节的线缆或可调节的带。

优选地，每个可变长度的筋束的一端以铰接方式连接至下平台的连接点或顶点，并且另一端连接至位于上平台中的绞盘。所述铰接的连接可以通过孔眼、勾链或任意其他类型的线缆配件或硬件来实现。

通过以已知的方式操作六自由度的致动器，即通过单独地并且以协调的方式改变可变长度的筋束的长度，下平台(以及进而，附接至下平台的工件)可以相对于上平台在三个空间方向上移动并且围绕三个空间轴线(x、y、z)倾斜(相对于上平台的中心或相对于下平台的中心)，从而实现总共六个自由度。

该设备还包括可配置的配重系统，该可配置的配重系统由上平台支承并适于调平上平台以保持上平台水平。该配重系统的可配置特性意味着该配重系统的质量分布是可变化的，更具体地，该配重系统的质量分布在平面内变化以保持上平台水平，从而补偿在不考虑部件的重心的情况下提升部件时或在改变被提升的部件的位置时在设备中引起的任何偏心。所述质量分布可以例如通过使构成系统的重量件中的任何重量件在水平面内移位来改变。

通过适当地布置配重系统的质量分布，由设备和被提升的部件形成的组件的重心的位置被改变以便与常规悬挂点沿竖向对准。因此，可配置的配重系统允许被吊起的工件的稳定运动，从而避免了不期望的滚动和俯仰运动。

该设备还包括载荷测量装置，该载荷测量装置适于单独地测量由六个可变长度的筋束中的每个筋束传递的拉力。这种载荷测量结合组件的几何形状允许控制系统准确地计算被提升的部件的重量和其重心位置。

该设备还设置有处理装置，该处理装置配置成用于基于测量当载荷在完全离开地面之前被逐渐提起时筋束的拉伸载荷(倾斜计仅用作用于确保正确操作的安全系统)来动态地计算配重系统的期望构型。

由于附加的安全特性，上框架相对于水平面的角度由倾斜计测量，因此异常情况可以被即时地检测到并且终止操作。

通过自动地计算整个组件(设备和部件)的重心的位置，可以动态地设定配重系统的校正的质量分布，从而保持组件水平，因而避免不需要的振动并且大幅地减少了制造或组装场中需要的提升设备的数量。

一旦组件在载荷的给定位置中的调平已经完全实现，则载荷在x轴、y轴和z轴上的任何进一步运动将自动地伴随有配重系统的协调调节，以此方式使得组件始终动态地实时保持水平。

由于该设备是自动平衡的，因此可以执行若干操作，比如无摆动的水平运送，以及通过工作人员的最低限度的努力对重型物品的零重力操纵，因此，当涉及到纯人工操作时，可以视为减少了所需的人力。

附图说明

以下将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，在附图中：

图1A示出了本发明的设备的优选实施方式的立体图，图1B是相同实施方式的上平台的正视图；

图2A示出了图1的相同实施方式的上平台的另一立体图，图2B是上平台的仰视平面图；

图3示出了配重系统的配重装置中的一个配重装置的立体图；

图4A和图4B示出了以图1的设备平面图方式的示意性表示，其用于说明本发明的配重系统的操作，每个可变长度的筋束的位置通过图4A中的虚线表示；

图5示出了在相同实施方式中使用的马达驱动的绕线轴中的一个马达驱动的绕线轴的立体图，该马达驱动的绕线轴用于改变筋束的长度；以及

图6A-6D示出了所提出的用于测量每个筋束中的轴向张力的装置，其中，图6A为正视图，图6B为沿着图6A的线A-A截取的截面图，图6C为沿着图6A中的线B-B截取的截面图，以及图6D是该测量装置的工作原理的示意性表示。

具体实施方式

图1A和图1B示出了本发明的设备的示例性实施方式，所述设备包括上平台1和布置在上平台下方的下平台2以及六自由度的致动器3，该六自由度的致动器3与上平台1和下平台2连接从而构造用于使下平台2相对于上平台1移动的倒置的斯图尔特平台(Stewartplatform)，使得附接至下平台2的部分(未示出)可以在其被提升的同时以六个自由度移动。本发明意在提供一种容易地实现载荷的精确运动的方式，而经由桥式起重机或用于材料操作的任何其他工业设备仅可以获得不精确的移位。

上平台1包括上等边三角形框架6，该等边三角形框架6适于自常规提升点吊起；因此，该设备包括连接构件4和三个杆9a、9b、9c，该连接构件4具有用于接纳起重机的钩(未示出)的环部或眼部8(限定所述常规提升点)，所述三个杆9a、9b、9c具有相同长度并且具有分别与连接构件4连接以及与上平台1连接的相对的两端。在上框架处的连接有三个杆9a、9b、9c的点以下述方式间隔开：使得环部或眼部8沿竖向与上三角形框架6的几何中心对准。

另一方面，下平台2包括下等边三角形框架7，该下等边三角形框架7适于被待提升和安置的部件附接。

六自由度致动器3包括六个可变长度的筋束(tendon)5a、5b、5c、5d、5e、5f，在该实施方式中，所述六个可变长度的筋束5a、5b、5c、5d、5e、5f包括适合材料的线缆或带。上三角形框架6的三个顶点和下三角形框架7的三个顶点中的每个顶点设置有铰接连接装置，使得每个筋束5a、5b、5c、5d、5e、5f连接在下三角形框架7的三个顶点中的一个顶点与上三角形框架6的三个顶点中的一个顶点之间，使得下三角形框架7自上三角形框架6悬吊，并且筋束通过下框架的重量和附接至下框架的任何载荷而被张紧。

优选地，上三角形框架6和下三角形框架7具有相同尺寸，并且彼此偏置，如在图4A中更清楚地示出。以此方式，工作空间——即，在不收缩六个可变长度的筋束的情况下由下平台和附接至其的工件形成的组件的重心可以移动的空间——是轴对称的。如在图4A中更清楚地示出，在平面图中，工作空间是由上三角形框架和下三角形框架两者相交得到的正六边形。

为了改变每个筋束的长度，为六个筋束5a、5b、5c、5d、5e、5f中的每个筋束分别地设置有诸如图5中所示的马达驱动的绕线筒之类的绞盘机构10a、10b、10c、10d、10e、10f，并且如图1中所示，每个可变长度的筋束的一端与下三角形平台7的一个顶点铰接地连接，并且另一端与相关联的绞盘机构连接，使得，通过选择性地将每个筋束缠绕在其相关联的绞盘机构上和从与其相关联的绞盘上展开来改变每个可变长度的筋束的长度。

每个绞盘机构10a、10b、10c、10d、10e、10f通常包括由电动马达13通过变速箱来驱动的滑轮。绞盘机构包括制动器和内置编码器，并且该绞盘机构被闭环电子频率逆变器控制。

在图1的实施方式中，绞盘机构10a、10b、10c、10d、10e、10f与上三角形框架6联接。在该实施方式中，上三角形框架6的三个侧部的每个侧部具有两个绞盘机构，并且所述绞盘机构的滑轮放置在大约该侧部的中间。上三角形框架6的每个顶点具有两个自由旋转的滑轮11a、11b、11c、11d、11e、11f，连接至每个顶点的两个筋束中的每个筋束对应一个自由旋转的滑轮。随着筋束被相应的绞盘延伸和收回，每个筋束的中间部分在其相关联的滑轮上卷绕。

通过控制每个绞盘机构10a、10b、10c、10d、10e、10f的操作，每个筋束的长度单独地变化，使得下三角形框架7可以在所有空间方向和空间角度上以六个自由度移动。

可配置的配重系统13配装至上三角形框架并且包括至少一个配重装置14，如图3中更详细地示出的配重装置，所述至少一个配重装置14包括线性导引件15和安装在线性导引件15上的重量件16以及电动马达17，该电动马达17用于将配重系统移动至由处理装置计算出的期望位置，用于使重量件16例如借助于滚珠丝杆驱动、链、带的方式或任何其他常规技术而沿着导引件15线性地移位。配重装置14设置成使得其重量件16能够在平行于第一平面的第三平面上移位。用于操作配重系统的控制装置可包括用于电动马达的速度控制器、编码器和电子控制装置。

虽然对于本发明的目的而言，可以使用能够使质量件在水平面上移位的任何配重系统，但是仅本文中描述的三重径向系统(triple radial system)允许以渐进的方式以最小的载荷振荡并且以最小时间获得所需的质量件的移位。

优选地，配重系统13包括彼此上下布置的三个配重装置14a、14b、14c，使得配重装置的重量件16a、16b、16c能够在彼此平行的且与由上三角形框架6限定的平面平行的重叠的平面上移位。另外，图4A中示出了三个配重装置14a、14b、14c的相对布置，其中，可以看到的是，配重装置14a、14b、14c的每个线性导引件15a、15b、15c与上三角形框架6和下三角形框架7的一条平分线(二等分线)对准，并且穿过每个配重装置14a、14b、14c的中心点，该中心点沿竖向与上三角形框架6的几何中心对准。

设置有用于测量由六个可变长度的筋束中的每个筋束传递的轴向力的载荷测量装置，其中，所述六个可变长度的筋束代表致动器装置的自由度，特别地为每个筋束5a、5b、5c、5d、5e、5f设置载荷传感器18a、18b、18c、18d、18e、18f。

这些载荷传感器18的构型在图6A-6D中示出，其基于成组的三个滑轮——在前壁21与后壁21’之间组装的两个侧滑轮19、19’和中央滑轮20——使得相应的筋束5在张力下延伸通过这三个滑轮，并且筋束沿中央滑轮20的径向方向迫压抵靠中央滑轮20以施加与筋束5中的张力成比例的合力。

为了测量该力，中央滑轮20具有沿轴向设置在其中的载荷销或载荷螺栓22。载荷销是已知通常用于测量施加至载荷销的轴的径向力的装置，并且载荷销由具有用于测量该构件的变形的应变计的杆状金属构件形成。

图6D示出了该组件的工作原理以及沿中央滑轮20的轴线x的力的合成，其中，由筋束5的线(strand)在中央滑轮20上形成的角度α为120°，从而示出了合力R等于筋束5的张力。如果角度α不是120°，那么合力R不等于筋束的张力R，但是可以容易地计算出力的关系。

设备还包括处理装置(未示出)、比如工业计算机，该处理装置配置成用于基于由载荷测量工具提供的重量和重心的测量值以及上框架相对于水平面的角度的测量值来动态地计算可配置的配重系统的期望的位置。

通过控制系统执行设备的自平衡功能，该控制系统包括若干编码器、杆和载荷传感器、工业计算机以及控制台，该工业计算机用于解决斯图尔特平台的运动学和动态的问题并且用于实施为本发明具体开发的控制算法，该控制台允许操作员从控制系统接收信号并且发送命令至控制系统。

无论被提升的载荷的重心的位置如何，通过自动设定构型——即配重系统的配重的位置——设备始终都能够保持其本身平衡，使得整个组件的重心的位置与常规提升点重合。同时，附接至下三角形框架7的部件在其被提升时通过致动倒置的斯图尔特平台可以被移动至任何期望的位置，但是这些位置明显地是在设备的几何学和物理的限制以及配重系统的质量补偿能力之内。

作为控制系统的一部分，数学逻辑算法已经被开发以确定属于配重系统、用于给定的质心位置并且使至三角形的中央的距离最小的质量件的最优位置。

考虑到用于配重系统的星形或径向构型，如图4A、4B中所示，算法具有确定三个重量件16a、16b、16c的位置的用途。该问题以数学不定式的方式给出，三个变量必须被限定以用于安置三个重量件，但是仅两个平衡方程(X轴和Y轴)是可获得的。通过向两个等式加上通过将配重位移保持在最小的第三条件而得到解。

通常用于解决这种包含若干不等式的等式的系统的数学程序是基于线性规划技术或一般数值方法的。在该具体情况下，仅给定三个未知变量和一个目标函数，通过使用平衡方程并且然后替换在目标函数中的所述值可以解决两个变量。

通过得到相对于第三变量的目标函数并且使其等于零，在估计(considered)的区间内可以得到(detect)相对最大值或最小值。

为了使配重系统的位移最小化，可以执行若干目标函数。已经通过加上所有质量件的如从上框架的几何中心获得的位移的平方而达到了最优结果。

本发明的其他优选实施方式在附加从属权利要求以及那些权利要求的多个组合中进行描述。

Claims (12)

1.一种用于以自平衡的方式提升和安置载荷的具有六个自由度的设备，所述设备包括：

上平台，所述上平台适于从中央提升点悬挂；

下平台，所述下平台布置在所述上平台下方并且适于保持待被提升和安置的载荷；

六自由度的致动器，所述六自由度的致动器包括与所述上平台连接并与所述下平台连接的六个可变长度的筋束，使得所述下平台通过所述六个可变长度的筋束从所述上平台悬吊，其中，所述六自由度的致动器适于使下框架相对于上框架在三个空间方向上移动并且绕三个空间轴线倾斜；

至少一个可配置的配重系统，所述至少一个可配置的配重系统由所述上平台支承并且布置成用于在水平面上改变所述设备的质心，因而具有最少两个自由度；

载荷测量装置，所述载荷测量装置适于单独测量由所述六个可变长度的筋束中的每个可变长度的筋束传递的力；

处理装置，所述处理装置配置成用于基于由所述载荷测量装置提供的重量和重心测量值动态地计算所述配重系统的期望位置，以使所述设备相对于所述中央提升点平衡；以及

配重系统控制装置，所述配重系统控制装置用于将所述配重系统移动至由所述处理装置计算出的所述期望位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述上平台具有在第一平面内间隔开的三个顶点，并且其中，所述下平台具有在第二平面内间隔开的三个顶点，并且其中，所述六个可变长度的筋束中的每个可变长度的筋束以铰接的方式与所述下平台的一个顶点联接且与所述上平台的一个顶点联接。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述下框架借助于所述可变长度的筋束从所述上框架悬吊，使得所述可变长度的筋束能够由所述下平台的重量以及附接至所述下平台的任何载荷张紧。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括绞盘机构，所述绞盘机构用于每个可变长度的筋束以改变所述每个可变长度的筋束的长度，并且其中，每个可变长度的筋束的一端与所述下平台的一个顶点以铰接的方式连接并且所述每个可变长度的筋束的另一端连接至与所述每个可变长度的筋束相关联的绞盘机构，使得每个可变长度的筋束的长度通过选择性地将每个筋束卷绕在与所述每个筋束相关联的绞盘机构上以及将每个筋束从与所述每个筋束相关联的绞盘机构上展开来改变。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述绞盘机构与三角形的所述上框架联接，并且三角形的所述上框架的每个顶点具有两个自由旋转的滑轮，并且每个筋束的中间部分布置成当所述筋束被相应绞盘机构伸出和收回时在与所述每个筋束相关联的滑轮上卷绕。

6.根据权利要求3所述的设备，其中，每个可变长度的筋束是线缆、链条或带状元件。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述载荷测量装置适于单独地测量每个可变长度的筋束中的轴向张力。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述配重系统包括至少一个移动式配重装置，所述配重装置的重量件能够在一个或若干个平面内移位。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述配重系统包括三个所述配重装置，三个所述配重装置彼此上下布置，使得所述配重装置的所述重量件能够在平行且叠置的平面上移位。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述配重装置布置成使得每个重量件能够沿着穿过所述上平台的任何轴线的直线移位。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述上平台和/或所述下平台具有三角形框架，并且所述上平台和/或所述下平台布置成使得三角形框架的相对位置相对于彼此偏移。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述上平台和/或所述下平台具有等边三角形框架。