CN102658553B - 一种机器人及一种机器人臂振动控制与精确定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人臂振动控制与精确定位装置，包括腔体内充满磁流介质的外壳，其顶端和底端分别设置有第一安装孔和第二安装孔；向磁流介质施加磁场的励磁线圈绕组；头端穿过第一安装孔并与其密封接触且可沿其移动的机械臂伸缩杆；用于与机器人臂的上关节连接的上关节支座，其与机械臂伸缩杆的尾端相连；用于与机器人臂的下关节连接的下关节支座；头端穿过第二安装孔并与其密封接触且可沿其移动的驱动活塞杆；驱动驱动活塞杆沿第二安装孔移动的驱动装置；与腔体相连通的补偿腔，其内充满气体且与腔体相连通的通道还设置有控制通道开闭的插销。上述装置降低了柔性机器人臂的弹性振动，提高了柔性臂的定位精度。本发明还提供了一种机器人。

Description

一种机器人及一种机器人臂振动控制与精确定位装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说，涉及一种机器人臂振动控制与精确定位装置，本发明还涉及一种具有上述机器人臂振动控制与精确定位装置的机器人。

背景技术

柔性机器人臂具有质轻、灵便、高速和低耗等优点，在工业、国防等应用领域中占有十分重要的地位，其广泛应用在卫星、太阳能帆板结构、空间站或航天飞机的柔性机械臂、空间天线或自动化机器人装置中。

与传统重型、庞大的自动装置相比，柔性连接的轻型机器人臂装置功率大、操纵快速、负重比优、激励小、能耗低、机动性高，且便于运输。但是，轻型装置通常会采用柔性和细长形的连接结构。此柔性结构的挠度大、模态频率低且密集、阻尼小，在高速运动时可能产生持续的低频振动，造成柔性机器人臂的末端位置难以准确控制，影响柔性臂的定位精度，严重时会造成构件的疲劳和损伤。

目前，现有技术常采取一种闭环控制算法减轻机械人臂的振动，这种方法主要考虑了杆件和关节的柔性，其在一定程度上减轻了机器人臂的振动，但是由于一些阻尼材料的特性易受外界因素的影响，上述方法对柔性机器人臂振动的控制效果并不显著。

综上所述，如何提供一种机器人臂振动控制与精确定位装置，以降低柔性机器人臂的弹性振动，提高柔性臂的定位精度，进而避免对构件造成疲劳和损伤，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机器人臂振动控制与精确定位装置，以降低柔性机器人臂的弹性振动，提高柔性臂的定位精度，进而避免对构件造成疲劳和损伤。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机器人臂振动控制与精确定位装置，包括：

外壳，所述外壳的腔体内充满磁流介质，且其顶端和底端分别设置有第一安装孔和第二安装孔；

向所述磁流介质施加磁场的励磁线圈绕组；

头端穿过所述第一安装孔并可沿所述第一安装孔移动的机械臂伸缩杆，所述机械臂伸缩杆与所述第一安装孔的内壁密封接触；和

用于与机器人臂的上关节连接的上关节支座，所述上关节支座与所述机械臂伸缩杆的尾端相连；

用于与机器人臂的下关节连接的下关节支座，所述下关节支座设置在所述外壳的底部；

头端穿过所述第二安装孔并可沿所述第二安装孔移动的驱动活塞杆，所述驱动活塞杆与所述第二安装孔的内壁密封接触；

驱动所述驱动活塞杆沿所述第二安装孔移动的驱动装置；

与所述腔体相连通的补偿腔，所述补偿腔内充满气体，且其与所述腔体相连通的通道还设置有控制所述通道开闭的插销。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，还包括将所述机械臂伸缩杆与所述外壳罩设在一起的上端保护罩和将所述补偿腔、所述驱动装置以及所述驱动活塞杆罩在一起的下端保护罩。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述腔体包括：

上工作室，所述机械臂伸缩杆的头端设置在所述上工作室内；

下工作室，所述驱动活塞杆的头端设置在所述下工作室内，且所述补偿腔与所述下工作室相连通；和

连通于所述上工作室与所述下工作室之间的磁流流道，所述磁流流道包括与所述上工作室相连通的分流流道、与所述下工作室相连通的合流流道和并列的设置在所述分流流道与所述合流流道之间的两个分支流道。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述分流流道的横截面面积均大于每个所述分支流道的横截面面积和所述合流流道的横截面面积。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述驱动装置为直流电机，所述直流电机设置在所述下工作室的外壁上。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述气体为氮气。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述磁流介质为磁流变脂、磁流变液或磁流体。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述机械臂伸缩杆和所述驱动活塞杆的头端分别设置有第一活塞和第二活塞。

优选的，上述机器人臂振动控制与精确定位装置中，所述励磁线圈绕组由铜线圈双层缠绕而成，且所述励磁线圈绕组的组数为两组，两组所述励磁线圈绕组均设置在所述磁流流道与所述外壳之间，且分别位于所述磁流流道的两侧。

基于上述提供的机器人臂振动控制与精确定位装置，本发明还提供了一种机器人，包括机器人臂；还包括设置在所述机器人臂上的机器人臂振动控制与精确定位装置，其为上述任意一项所述的机器人臂振动控制与精确定位装置。

本发明提供的机器人臂振动控制与精确定位装置包括外壳，机械臂伸缩杆，上关节支座，下关节支座，驱动活塞杆，驱动装置，补偿腔和向磁流介质施加磁场的励磁线圈绕组；其中，外壳的腔体内充满磁流介质，且其顶端和底端分别设置有第一安装孔和第二安装孔；机械臂伸缩杆的头端穿过第一安装孔并可沿第一安装孔移动，且其与第一安装孔的内壁密封接触；驱动活塞杆的头端穿过第二安装孔并可沿第二安装孔移动，且其与第二安装孔的内壁密封接触；上关节支座用于与机器人臂的上关节连接，其与机械臂伸缩杆的尾端相连；下关节支座用于与机器人臂的下关节连接，其设置在外壳的底部；驱动装置驱动上述驱动活塞杆沿第二安装孔移动；补偿腔与腔体相连通，其内充满气体且其与腔体相连通的通道还设置有控制通道开闭的插销。

应用本发明提供的机器人臂振动控制与精确定位装置时，将上关节支座与下关节支座分别与机器人臂的上关节和下关节相连；其工作过程依次分为寻位和精确定位两个工段。

其中，在寻位工段中，励磁线圈绕组内不通电流，其对磁流介质没有磁场作用，且使插销处于关闭状态，其工作过程如下：

首先使驱动装置工作，使其驱动上述驱动活塞杆沿第二安装孔上下移动，此时驱动活塞杆推动磁流介质上下流动，从而将位移传递给机械臂伸缩杆使其产生上下位移，由此调控机器人臂的末端运动到指定的位置；然后使驱动装置停止工作，此时机器人臂上产生振动。

在精确定位工段中，向励磁线圈绕组内通入电流，此时其对磁流介质施加磁场，并使插销处于开启状态，其工作过程如下：

由于机器人臂的上关节与机械臂伸缩杆相连，上述机器人臂上的振动会传递到机械臂伸缩杆上，促使机械臂伸缩杆在腔体内做上下往复运动；此时，磁流介质在机械臂伸缩杆的扰动下在腔体内反复流动，且机械臂伸缩杆对磁流介质具有一定的压缩作用，将部分磁流介质压入补偿腔；由于磁流介质在磁场的作用下阻尼力迅速变大，从而消耗一部分振动能量，剩余部分的振动能量压缩补偿腔内的气体，使气体呈压缩状态，储存一定的能量，达到吸收振动和缓和冲击的作用；当气体膨胀时，驱动磁流介质及机械臂伸缩杆反向运动，再次被磁流介质减振。这样往复运动多次，可将机器人臂的振动和冲击控制在忽略不计的范围之内，消除振动对精确定位的影响。随后通过调节外加励磁磁场的大小，利用磁流介质伸缩特性控制磁流介质的伸缩，实现精确定位的目的，其精度可达微米量级。

综上所述，本发明提供的机器人臂振动控制与精确定位装置降低了柔性机器人臂的弹性振动，提高了柔性臂的定位精度，进而避免了对构件造成疲劳和损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置的剖视结构示意图。

上图中：

上关节支座1、机械臂伸缩杆2、第一活塞3、上端保护罩4、外壳5、上工作室51、分流流道52、分支流道53、合流流道54、下工作室55、励磁线圈绕组6、插销7、气体8、下端保护罩9、补偿腔10、下关节支座11、第二活塞12、驱动活塞杆13、驱动装置14。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种机器人臂振动控制与精确定位装置，降低了柔性机器人臂的弹性振动，提高了柔性臂的定位精度，进而避免了对构件造成疲劳和损伤。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图1，本发明实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置包括外壳5，机械臂伸缩杆2，上关节支座1，下关节支座11，驱动活塞杆13，驱动装置14，补偿腔10和向磁流介质施加磁场的励磁线圈绕组6；其中，外壳5的腔体内充满磁流介质，且其顶端和底端分别设置有第一安装孔和第二安装孔，具体的，外壳5为圆筒形结构，采用金属材料或塑料制成；机械臂伸缩杆2的头端穿过第一安装孔并可沿第一安装孔移动，且其与第一安装孔的内壁密封接触；驱动活塞杆13的头端穿过第二安装孔并可沿第二安装孔移动，且其与第二安装孔的内壁密封接触；上关节支座1用于与机器人臂的上关节连接，其与机械臂伸缩杆2的尾端相连，下关节支座11用于与机器人臂的下关节连接，其设置在外壳5的底部；上关节支座1和下关节支座11可以采用圆形、半圆形、椭圆形或其他多边形结构，两者均由金属材料或塑料加工而成，优选的，常采用铝、铝合金、钛合金、铸铁或有机玻璃制成；驱动装置14驱动上述驱动活塞杆13沿第二安装孔移动；补偿腔10与腔体相连通，其内充满气体8，且其与腔体相连通的通道还设置有控制通道开闭的插销7；该补偿腔10为圆筒状或椭圆状，其可以放置在外壳5的底端或左右两侧。

磁流介质是以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成，不仅解决了沉降问题，而且保持了磁流变液的主要优点。在外加磁场作用下能够瞬间从牛顿流体转变为剪切能力较高的粘塑性体，具有快速响应、表观粘度和剪切模量可以发生显著的变化。在汽车、建筑、桥梁、密封、振动控制等领域得到广泛应用。其具有阻尼力大、减振、反应快速等特点，适用于柔性机器人驱动定位控制系统。

应用本发明实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置时，将上关节支座1与下关节支座11分别与机器人臂的上关节和下关节相连；其工作过程依次分为寻位和精确定位两个工段。

其中，在寻位工段中，励磁线圈绕组6内不通电流，其对磁流介质没有磁场作用，且使插销7处于关闭状态，其工作过程如下：

首先使驱动装置14工作，使其驱动上述驱动活塞杆13沿第二安装孔上下移动，此时驱动活塞杆13推动磁流介质上下流动，从而将位移传递给机械臂伸缩杆2使其产生上下位移，由此调控机器人臂的末端运动到指定的位置，然后使驱动装置14停止工作，此时机器人臂上产生振动。

在精确定位工段中，向励磁线圈绕组6内通入电流，此时其对磁流介质施加磁场，并使插销7处于开启状态，其工作过程如下：

由于机器人臂的上关节与机械臂伸缩杆2相连，上述机器人臂上的振动会传递到机械臂伸缩杆22上，促使机械臂伸缩杆2在腔体内做上下往复运动；此时，磁流介质在机械臂伸缩杆2的扰动下在腔体内反复流动，且机械臂伸缩杆2对磁流介质具有一定的压缩作用，将部分磁流介质压入补偿腔10；由于磁流介质在磁场的作用下阻尼力迅速变大，从而消耗一部分振动能量，剩余部分的振动能量压缩补偿腔10内的气体8，使气体8呈压缩状态，储存一定的能量，达到吸收振动和缓和冲击的作用；当气体膨胀时，驱动磁流介质及机械臂伸缩杆2反向运动，再次被磁流介质减振。这样往复运动多次，可将机器人臂的振动和冲击控制在忽略不计的范围之内，消除振动对精确定位的影响。随后通过调节外加励磁磁场的大小，利用磁流介质伸缩特性控制磁流介质的伸缩，实现精确定位的目的，其精度可达微米量级。

综上所述，本发明实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置降低了柔性机器人臂的弹性振动，提高了柔性臂的定位精度，进而避免了对构件造成疲劳和损伤。

此外，由于上述机器人臂振动控制与精确定位装置是利用磁流介质在不同的磁场作用下其表观粘度系数发生改变，磁流介质阻尼力随之改变的特性，将磁流介质作为机器人臂伸缩控制的介质，同时利用励磁线圈绕组产生的励磁磁场作为改变磁流介质阻尼特性的磁场以实现振动控制，以消除柔性机器人振动对精确定位精度的影响，具有定位精确、运行可靠、阻尼力大，且结构简单、制造方便，成本低，经久耐用，系统工作快速灵活等优点。

优选的，上述实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置中，还包括将机械臂伸缩杆2与外壳5罩设在一起的上端保护罩4和将补偿腔10、驱动装置14以及驱动活塞杆13罩在一起的下端保护罩9；上端保护罩4和下端保护罩9将上述装置内的其它部件罩在一起，使整个装置形成一个有机整体，成为一种产品，并保护内部的其它部件。具体的，两个保护罩均采用光滑曲面造型，采用铝合金加工成型，使得外观造型美观，同时整个装置结构紧凑。当然也可以采用其它造型或其他材料制成，但要考虑整体造型效果

进一步的，上述实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置中，腔体包括：

上工作室51，机械臂伸缩杆2的头端设置在上工作室51内；

下工作室55，驱动活塞杆13的头端设置在下工作室55内，且补偿腔10与下工作室55相连通；和

连通于上工作室51与下工作室55之间的磁流流道，磁流流道包括与上工作室51相连通的分流流道52、与下工作室55相连通的合流流道54和并列的设置在分流流道52与合流流道54之间的两个分支流道53。优选的，上述磁流流道的横截面为圆形，并由铜管构成，其还可以为其它形状或其它材质。

当然，上述结构只是腔体的一种具体的结构形式，本发明实施例不做限定。

为了进一步优化上述技术方案，上述分流流道52的横截面面积均大于每个分支流道53的横截面面积和合流流道54的横截面面积。具体的，分流流道52的横截面面积大于两倍的每个分支流道53的横截面面积；由于流道的横截面面积大小跟磁流介质的流动速度有关，横截面面积大的速度慢，横截面面积小的速度快，为了达到更好的减振效果，所以采用上述的横截面大小关系。

优选的，上述实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置中，驱动装置14为直流电机，直流电机设置在下工作室55的外壁上。进一步的，采用直流步进电机，还可以采用其他类型的电机或其他结构的驱动装置。

为了使上述机器人臂振动控制与精确定位装置的控制效果和定位精度更好，且氮气的化学性能比较稳定，上述气体8优先选用氮气进行储能。

具体的，上述实施例提供的机器人臂振动控制与精确定位装置中，磁流介质为磁流变脂、磁流变液或磁流体。三者均为新型功能材料，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，只是添加的磁性颗粒及母液不同。

为了进一步优化上述技术方案，机械臂伸缩杆2和驱动活塞杆13的头端分别设置有第一活塞3和第二活塞12；第一活塞3和第二活塞12均采用圆柱型结构或菱形、方形或其他形状的结构。

为了增强励磁磁场的强度，励磁线圈绕组6由铜线圈双层缠绕而成，且励磁线圈绕组6的组数为两组，两组励磁线圈绕组6均设置在磁流流道与外壳5之间，且分别位于磁流流道的两侧。励磁线圈绕组6还可以采用其他的缠绕方式和其他组数以及其他的布置方式。

为了防止对线圈造成损害，上述励磁线圈绕组上还设置有一层保护膜。

本发明实施例还提供了一种机器人，包括机器人臂；还包括设置在机器人臂上的机器人臂振动控制与精确定位装置，其为上述实施例任意一项提供的机器人臂振动控制与精确定位装置。

上述的机器人采用本实施例中提供的机器人臂振动控制与精确定位装置，降低了柔性机器人臂的弹性振动，提高了柔性臂的定位精度，进而避免了对构件造成疲劳和损伤，其优点是由机器人臂振动控制与精确定位装置带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，包括：

外壳（5），所述外壳（5）的腔体内充满磁流介质，且其顶端和底端分别设置有第一安装孔和第二安装孔；

向所述磁流介质施加磁场的励磁线圈绕组（6）；

头端穿过所述第一安装孔并可沿所述第一安装孔移动的机械臂伸缩杆（2），所述机械臂伸缩杆（2）与所述第一安装孔的内壁密封接触；和

用于与机器人臂的上关节连接的上关节支座（1），所述上关节支座（1）与所述机械臂伸缩杆（2）的尾端相连；

用于与机器人臂的下关节连接的下关节支座（11），所述下关节支座（11）设置在所述外壳（5）的底部；

头端穿过所述第二安装孔并可沿所述第二安装孔移动的驱动活塞杆（13），所述驱动活塞杆（13）与所述第二安装孔的内壁密封接触；

驱动所述驱动活塞杆（13）沿所述第二安装孔移动的驱动装置（14）；

与所述腔体相连通的补偿腔（10），所述补偿腔（10）内充满气体（8），且其与所述腔体相连通的通道还设置有控制所述通道开闭的插销（7）。

2.根据权利要求1所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，还包括将所述机械臂伸缩杆（2）与所述外壳（5）罩设在一起的上端保护罩（4）和将所述补偿腔（10）、所述驱动装置（14）以及所述驱动活塞杆（13）罩在一起的下端保护罩（9）。

3.根据权利要求1所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述腔体包括：

上工作室（51），所述机械臂伸缩杆（2）的头端设置在所述上工作室（51）内；

下工作室（55），所述驱动活塞杆（13）的头端设置在所述下工作室（55）内，且所述补偿腔（10）与所述下工作室（55）相连通；和

连通于所述上工作室（51）与所述下工作室（55）之间的磁流流道，所述磁流流道包括与所述上工作室（51）相连通的分流流道（52）、与所述下工作室（55）相连通的合流流道（54）和并列的设置在所述分流流道（52）与所述合流流道（54）之间的两个分支流道（53）。

4.根据权利要求3所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述分流流道（52）的横截面面积均大于每个所述分支流道（53）的横截面面积和所述合流流道（54）的横截面面积。

5.根据权利要求4所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述驱动装置（14）为直流电机，所述直流电机设置在所述下工作室（55）的外壁上。

6.根据权利要求1所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述气体（8）为氮气。

7.根据权利要求6所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述磁流介质为磁流变脂、磁流变液或磁流体。

8.根据权利要求1所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述机械臂伸缩杆（2）和所述驱动活塞杆（13）的头端分别设置有第一活塞（3）和第二活塞（12）。

9.根据权利要求3所述的机器人臂振动控制与精确定位装置，其特征在于，所述励磁线圈绕组（6）由铜线圈双层缠绕而成，且所述励磁线圈绕组（6）的组数为两组，两组所述励磁线圈绕组（6）均设置在所述磁流流道与所述外壳（5）之间，且分别位于所述磁流流道的两侧。

10.一种机器人，包括机器人臂；其特征在于，还包括设置在所述机器人臂上的机器人臂振动控制与精确定位装置，其为上述权利要求1-9任意一项所述的机器人臂振动控制与精确定位装置。