CN101863035A - 一种机器人用柔性手腕 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人用柔性手腕，它由移动部分、摆动部分、位移传感器及角度传感器组成。所述的移动部分实现一个方向上的移动功能，摆动部分实现在两个方向上的摆动功能，在移动部分和摆动部分中都安置有弹簧，都是利用弹簧的弹性来实现手腕在移动方向和摆动方向上的柔性及复位功能。装在手腕上的位置传感器与角度传感器的信息可以识别作业对象的接触状态，然后根据这些传感器的信息去调整机器人本体末端的位置与位姿，从而调整作业工具与作业对象的接触状态，实现力/位置混合控制。本发明结构简单，具有柔顺性，无需驱动力，适用于对打磨、抛光、插孔装配、识别物体轮廓等项作业，尤其适用于对异型曲面的打磨、抛光。

Description

一种机器人用柔性手腕

技术领域

本发明涉及一种机器人用柔性手腕，特别涉及一种对异型曲面进行打磨、抛光的机器人用柔性手腕。

背景技术

传统的机器人手腕是连接机器人手臂与末端执行器的部件，其作用是调整和改变机器人手臂末端在空间的姿态和位置以配合手臂运动来完成各种复杂的作业。手腕的自由度及姿态范围直接影响着机器人的灵活性和通用性。当前工业机器人结构中应用较多的手腕有：三轴相互垂直手腕、Trallfa手腕、球齿轮手腕、可连续转动的锥齿轮组合手腕等，这些手腕都是在三个驱动源的驱动下，使作业工具完成任意姿态的变化，由于可以达到任意姿态，通常也称之为柔性手腕。但是，它们的传动结构是刚性的，受机械结构限制，自由度数(2～3个)较少，运动不灵活，可控制性差，不能实现力/位置混合控制，不能适应多变的作业环境，因此这些机器人的作业功能受到限制，目前，多用于搬运、上下料、喷漆、焊接等作业，不适用于打磨、抛光、轴孔装配等作业。

如果，在现有的工业机器人由刚性驱动的手腕上再安装一个柔性手腕(作为附件)，则可以增加作业工具的灵活性，更好地适应作业环境的变化，依据手腕上的位置传感器及角度传感器的信号实现力/位置的混合控制，因此可扩大工业机器人的作业功能。

机器人的作业工具依据设定的空间轨迹进行位置控制趋近作业对象。如果作业工具与作业对象两者刚性都很大，不允许发生碰撞，两者的表面不能连续地接触，这时就需要力控制。此外，在作业工具与对象相互接触那一瞬间只靠位置控制很难实现无碰撞的接触，这时要求机器人具有一定柔软性，使作业工具与作业对象逐渐实现柔性接触或称“软着陆”。

本柔性手腕安装在机器人本体上后，可以使它的某些自由度具有柔性，与对象相接触可实现“软着陆”，允许手腕有弹性变形。由传感器检测它的弹性变形量，由此可以识别作业物体的特征，感知作业工具与作业对象的接触状态，控制和调整机器人的运动轨迹。

发明内容

本发明的目的是为现有的工业机器人提供一种性手腕，使它能够完成工业上对异型曲面的打磨、抛光工作。这种手腕尺寸小，重量轻，结构简单，制造容易，不需要电机来驱动，具有自动复位功能，控制性好，与机器人配合使用可实现对异型曲面的打磨、抛光，避免员工在恶劣的环境下工作，同时能大大提高生产效率。

该柔性手腕是在仿生学的思路指导下设计的，类似于人的一个手掌。此手腕作为工业机器人的一个附件，安装在工业机器人本体的末端组成冗余度机器人，增加了它的灵活性。该柔性手腕具有两个偏转和一个移动共三个自由度，对此三个自由度没有独立的驱动装置。将该柔性手腕安装在通用的四--六个自由度的机器人末端，组成欠驱动冗余度机器人。当安装柔性手腕上的作业工具与外界环境(物体)接触时，柔性手腕会依被接触物体的形状产生偏转和移动，离开与外界物体的接触后，在自身弹簧力作用下柔性手腕自行恢复到初始位姿，并保持不变。柔性手腕的三个关节上装有角度传感器和位移传感器用来检测偏转角和移动量的大小，可以实现力/位置混合控制。

采用的具体技术方案如下：

一种机器人用柔性手腕，包括移动部分、摆动部分以及固定板、连接板和安装板，所述固定板固定于机器人本体末端，所述移动部分和摆动部分其中之一固定在该固定板上，另一部分上固定有所述安装板，两部分中间通过连接板连接为一体，所述安装板位于手腕末端，用于安装作业工具，所述移动部分和所述摆动部分能够分别实现直线移动和实现两方向的摆动，当所述作业工具接触待加工物件时，所述柔性手腕可根据物件表面轮廓形状自动调整自身姿态，实现平稳加工。

作为本发明的进一步改进，所述的移动部分具有支承套结构，该支承套结构包括上支承套、下支承套、直线轴承、两调整螺塞和弹簧，上支承套通过一调整螺塞固定在固定板上，下支承套通过调整螺塞固定在连接板上，直线轴承装在下支承套内，上支承套通过直线轴承与下支承套能够实现相对直线运动，所述弹簧设置在两调整螺塞之间，用于限制上下支承套的相对移动幅度，并在无外力作用时使连接板复位。

作为本发明的进一步改进，所述的摆动部分包括十字摆环、四个小支架和四个斜置弹簧，所述四个小支架两两成对分别固定在连接板和安装板上，所述十字摆环的四端分别与各小支架上的孔可转动地配合，从而通过四个小支架与连接板及安装联接，四个斜置弹簧均布地倾斜设置在连接板及安装板之间，限制十字摆环的摆动幅度，并在无外力作用时使安装板及十字摆环自动复位。

作为本发明的进一步改进，所述的移动部分具有支承套结构，该支承套结构包括上支承套、下支承套、直线轴承、两调整螺塞和弹簧，上支承套通过调整螺塞固定在连接板上，下支承套通过调整螺塞固定在安装板上，直线轴承装在下支承套内，上支承套通过直线轴承与下支承套能够相对直线运动，所述弹簧设置在两调整螺塞之间，用于限制上下支承套的移动幅度，并在无外力作用时使安装板复位。

作为本发明的进一步改进，所述的摆动部分包括十字摆环、四个小支架和四个斜置弹簧，四个小支架两两成对分别固定在固定板及连接板上，十字摆环的四端分别与各小支上的孔可转动地配合，从而通过四个小支架与固定板及连接板联接，四个斜置弹簧均布地倾斜安装在固定板及连接板之间，限制十字摆环在两个方向上的摆动幅度，并在无外力作用时使连接板及十字摆环自动复位。

作为本发明的进一步改进，所述支承套结构为一个或多个。

作为本发明的进一步改进，所述的移动部分和摆动部分上均设置有位移传感器，分别用于测量移动部分的移动量和摆动部分的摆动幅度。

作为本发明的进一步改进，所述的摆动部分上设置的位移传感器装在十字摆环相互垂直的两端上，通过测量十字摆环分别绕其两轴线所摆动的角度，实现对摆动部分的摆动幅度的测量。

在通用的三--六个自由度的机器人上安装柔性手腕后，可以扩大作业范围，如抛光、打磨、插孔装配、识别物体轮廓等。

柔性手腕特点：

1.具有柔顺性  该柔性手腕的特点是具有柔顺性，此柔顺性可以保证作业工具的位姿与作业环境(物体)相适应；

2.自动复位功能  该柔性手腕具有自行恢复初始位姿的功能，当作业工具离开作业环境(物体)后，在弹簧力的作用下作业工具自行恢复到设定的已知位置，便于控制和计算；

3.装有传感器  该柔性手腕内装有角度传感器和位移传感器，可以用来改进机器人的控制质量；

4.是一个附件  此柔性手腕是机器人或机械手臂的一个附件，与机器人配合使用后，增加了机器人或机械手臂的自由度，扩大了机器人的作业功能。

附图说明

图1为本发明一实施例结构图；

图2为本发明另一实施例结构图；

图3为本发明又一实施例结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的手腕包括摆动部分、移动部分、固定板、连接板、安装板、位移传感器和角度传感器，其具有三个自由度，其中所述的移动部分能够实现在一个方向上的移动，所述的摆动部分能够实现在两个方向上的摆动，具体结构如图1、图2所示，图1与图2分别为手腕在主视图与左视图上的剖视简图。

所述的移动部分具有支承套结构，该支承套结构具有上支承套15、下支承套11、直线轴承13、调整螺塞14、10和弹簧12。固定板1固定在机器人本体末端，上支承套15通过调整螺塞14与固定板1联接，下支承套11通过调整螺塞10与连接板4联接起来，直线轴承13装在下支承套11内，上支承套15与直线轴承13可以作相对直线运动，调整螺塞14固定在固定板1上，又通过螺纹与上支承套15联接，调整螺塞10固定在连接板4上，又通过螺纹与下支承套11联接，弹簧12的两端分别固定在调整螺塞14、10上。当弹簧受拉力或压力时会伸长或缩短，从而带动下支承套11，进一步带动连接板4移动，当无外力作用时弹簧12使下支承套11及连接板4自动复位。一共有多对支承套结构来实现手腕的移动动作，图1、图2中是以4对支承套结构为例的。整个移动部分实现手腕沿一个方向移动及在无外力作用时自动复位的功能。位移传感器2安装在固定板1上，通过测量到安装在连接板4上的检测物3的距离获得手腕的移动量。

所述的摆动部分包括十字摆环8、四个小支架6、安装板7、四个斜置弹簧9。四个小支架6两两成对分别固定在连接板4及安装板7上，十字摆环8的四端分别与四个小支架6上的孔配合，两者可以相对转动，这样十字摆环8通过四个小支架6与连接板4及安装板7联接起来。四个斜置弹簧9均布地倾斜安装在连接板4及安装板7之间，限制十字摆环8在两个方向上的摆动幅度，并在无外力作用时使安装板7及十字摆环8自动复位，作业工具则安装在安装板7上。整个摆动部分实现手腕在两个方向上的摆动及无外力作用时自动复位的功能。两个角度传感器5分别安装在十字摆环8的相互垂直的两端上，用来测量十字摆环8绕其两轴线所摆动的角度。

当安装在手腕上的作业工具碰到待加工的曲面时，手腕上的十字摆环8会绕其一轴线转动一定角度，安装板7会绕十字摆环8的另一轴线转动一定角度，装在十字摆环8上的两个角度传感器5会测量出十字摆环8分别绕其两轴线所摆动的角度，同时，安装板7受到作业对象轮廓朝外的力，迫使弹簧12压缩或拉伸，安装在固定板1上的位移传感器2会测量出弹簧压缩或拉伸所产生的位移量。将这些摆动角度和位移量反馈给机器人控制系统，系统会根据这些测量值自动调整机器人位姿使柔性手腕尽量恢复成平衡状态，这样可使柔性手腕处于工作平稳的状态，同时可以使角度偏转量与位移量控制在手腕允许的工作范围内。

根据作业的需要，手腕的移动部分和摆动部分可以调换位置，如图3所示，此时摆动部分安装在固定板1与连接板4之间，移动部分安装在连接板4与安装板7之间，固定板1安装在机器人本体上，安装板7上安装有作业工具。

Claims (8)

1.一种机器人用柔性手腕，包括移动部分、摆动部分以及固定板(1)、连接板(4)和安装板(7)，所述固定板(1)固定于机器人本体末端，所述移动部分和摆动部分其中之一固定在该固定板(1)上，另一部分上固定有所述安装板(7)，两部分中间通过连接板(4)连接为一体，所述安装板位于手腕末端，用于安装作业工具，所述移动部分和所述摆动部分能够分别实现直线移动和实现两方向的摆动，当所述作业工具接触待加工物件时，所述柔性手腕可根据物件表面轮廓形状自动调整自身姿态，实现平稳加工。

2.根据权利要求1所述的柔性手腕，其特征在于，所述的移动部分具有支承套结构，该支承套结构包括上支承套(15)、下支承套(11)、直线轴承(13)、弹簧(12)和两调整螺塞(14、10)，上支承套(15)通过一调整螺塞(14)固定在固定板(1)上，下支承套(11)通过另一调整螺塞(10)固定在连接板(4)上，直线轴承(13)装在下支承套(11)内，上支承套(15)通过直线轴承(13)与下支承套(11)能够实现相对直线运动，所述弹簧(12)设置在两调整螺塞(14、10)之间，用于限制上下支承套(15，11)的相对移动幅度，并在无外力作用时使连接板(4)复位。

3.根据权利要求1或2所述的柔性手腕，其特征在于，所述的摆动部分包括十字摆环(8)、四个小支架(6)和四个斜置弹簧(9)，所述四个小支架(6)两两成对分别固定在连接板(4)和安装板(7)上，所述十字摆环(8)的四端分别与各小支架(6)上的孔可转动地配合，从而通过四个小支架(6)与连接板(4)及安装板(7)联接，四个斜置弹簧(9)均布地倾斜设置在连接板(4)及安装板(7)之间，限制十字摆环(8)的摆动幅度，并在无外力作用时使安装板(7)及十字摆环(8)自动复位。

4.根据权利要求1所述的柔性手腕，其特征在于，所述的移动部分具有支承套结构，该支承套结构包括上支承套(15)、下支承套(11)、直线轴承(13)、两调整螺塞(14、10)和弹簧(12)，上支承套(15)通过调整螺塞(14)固定在连接板(4)上，下支承套(11)通过调整螺塞(10)固定在安装板(7)上，直线轴承(13)装在下支承套(11)内，上支承套(15)通过直线轴承(13)与下支承套(11)能够相对直线运动，所述弹簧(12)设置在两调整螺塞(14、10)之间，用于限制上下支承套的移动幅度，并在无外力作用时使安装板(7)复位。

5.根据权利要求1或4所述的柔性手腕，其特征在于，所述的摆动部分包括十字摆环(8)、四个小支架(6)和四个斜置弹簧(9)，四个小支架(6)两两成对分别固定在固定板(1)及连接板(7)上，十字摆环(8)的四端分别与各小支架(6)上的孔可转动地配合，从而通过四个小支架(6)与固定板(1)及连接板(4)联接，四个斜置弹簧(9)均布地倾斜安装在固定板(1)及连接板(4)之间，限制十字摆环(8)在两个方向上的摆动幅度，并在无外力作用时使连接板(4)及十字摆环(8)自动复位。

6.根据权利要求2-5之一所述的柔性手腕，其特征在于，所述支承套结构为一个或多个。

7.根据权利要求1-6之一所述的柔性手腕，其特征在于，所述的移动部分和摆动部分上均设置有位移传感器(2，5)，分别用于测量移动部分的移动量和摆动部分的摆动幅度。

8.根据权利要求7所述的柔性手腕，其特征在于，所述的摆动部分上设置的位移传感器装在十字摆环(8)相互垂直的两端上，通过测量十字摆环(8)分别绕其两轴线所摆动的角度，实现对摆动部分的摆动幅度的测量。

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