CN102756346A - 宏微动高精度对接用夹持器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹持器，其在基座的周边均匀布置多个驱动系统，所述驱动系统包括夹持头、伸缩杆、驱动器，所述夹持头连接于伸缩杆的朝向基座内侧的一端，驱动器与所述伸缩杆的侧部相连接，用于驱动伸缩杆沿其轴向进行运动。夹持器的控制系统包括与每个驱动系统相对应的压力控制器和位移控制器，位移控制器用于接收位移传感器反馈的伸缩杆位移信号，向驱动器传输伸缩控制信号，以控制伸缩杆的伸缩量，压力控制器用于接收压力传感器反馈的压力反馈信号，并向驱动器传输位移控制信号。本发明采用宏微运动实现了对夹持目标的快速接近，可达到数十毫米以上的夹持范围，并且在力反馈技术的配合下实现了微纳米级的夹持精度。
Description
技术领域
本发明属于夹持器技术领域，主要涉及一种高精度对接用夹持器，特别是一种基于力位混合及宏微动的高精度对接用夹持器及其控制方法。
背景技术
解决两个物体在进行空间对接时，夹持器必须能将目标对象精确夹持，同时要尽可能减小夹持器带给目标对象的位置姿态的扰动。
精密装配中多以二指夹持技术为主，其对复杂形状的目标对象不易控制，夹持力及夹持范围都受到限制。
机床的三爪卡盘可以实现对目标对象较高精度的对中及较大的夹持力。但是，由于其在夹持和释放过程中仅仅是通过简单的控制，不具备对夹持力检测和目标对象的位置检测，因此其无法做到对目标对象高精度的夹持，也不适用于对接过程中对目标对象的精确夹持而不影响到目标对象的位置和姿态，无法进行全自动夹持。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是传统的夹持器在夹持或释放被夹持目标时对被夹持目标会造成位置和姿态的扰动，并且其夹持力位夹持位置不能得到精确控制，从而不能适应高精密夹持的需求。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种夹持器，用于对被夹持目标进行夹持，包括基座和用于接触被夹持目标以施加夹持力的多个夹持头，所述基座呈封闭形状，在所述基座上沿其周边均匀布置多个驱动系统，所述多个夹持头包含于所述多个驱动系统，所述多个驱动系统能够驱动所述夹持头朝向或远离基座的中心进行运动。
根据本发明的一种具体实施方式，所述夹持头是可更换的。
根据本发明的一种具体实施方式，所述多个夹持头的位置和角度是可分别调节的。
根据本发明的一种具体实施方式，所述驱动系统还包括伸缩杆和驱动器，所述夹持头连接于伸缩杆的朝向基座内侧的一端，所述驱动器与所述伸缩杆的侧部相连接，用于驱动伸缩杆沿其轴向进行运动。
根据本发明的一种具体实施方式，所述驱动系统还包括位移传感器，其连接于所述驱动器朝向基座外侧的一端，用于检测伸缩杆的运动。
根据本发明的一种具体实施方式，所述驱动系统还包括压力传感器，其安装于所述伸缩杆上，用于检测夹持力的大小。
根据本发明的一种具体实施方式，所述夹持器还包括控制系统，该控制系统包括与每个驱动系统相对应的压力控制器和位移控制器，所述位移控制器用于接收所述位移传感器反馈的伸缩杆位移信号，向驱动器传输伸缩控制信号，以控制伸缩杆的伸缩量，所述压力控制器用于接收压力传感器反馈的压力反馈信号，并向驱动器传输位移控制信号。
根据本发明的一种具体实施方式，所述控制系统还包括一个主控装置，所述各压力控制器均与该主控装置相连，所述主控装置根据所述压力传感器的压力反馈信号和所述位移传感器反馈的伸缩杆位移信号驱动驱动系统。
根据本发明的一种具体实施方式，驱动器包括多对运动足，驱动器通过所述多对运动足驱动所述伸缩杆。
根据本发明的一种具体实施方式，所述运动足由压电陶瓷构成。
本发明还提出一种控制夹持器对被夹持目标进行夹持的方法，所述夹持器包括基座、和多个驱动系统，所述夹持器还包括与所述多个电驱动系统连接的多个压力传感器和多个位移传感器，所述驱动系统包括夹持头和连接夹持头的伸缩杆，以及控制伸缩杆朝向或远离基座中心进行运动的驱动器，该方法包括如下步骤：所述多个驱动器接收与其连接的位移控制器的指令，驱动伸缩杆进行运动，使得多个夹持头接近被夹持目标；当所述多个压力传感器中的任何一个压力传感器检测到压力变化信号时，使与该压力传感器对应的驱动器停止工作；依次控制未停止工作的驱动器进行微动，直到与之对应的压力传感器检测到压力变化信号时，使未停止工作的多个驱动器依次停止工作，直到所有驱动器停止工作，并将此刻的多个夹持头的位置作为位移基准点；对所述驱动器进行力位复合控制，使所述多个夹持头的夹持力达到一个可稳定夹持被夹持目标的阈值，并且使相对于所述位移基准点的偏差小于一个许可范围，从而完成夹持动作，所述力位复合控制是指协同控制多个驱动器运动，按照如下原则进行控制：当某个夹持头的夹持力过大时，使该夹持头远离被夹持目标进行运动；当某个夹持头的夹持力过小时，使该夹持头靠近被夹持目标进行运动。
本发明还提出一种控制夹持器对被夹持目标进行释放的方法，所述夹持器包括基座、和多个驱动系统，所述驱动系统包括夹持头和连接夹持头的伸缩杆，以及控制伸缩杆朝向或远离基座中心进行运动的驱动器，该方法包括如下步骤：对所述多个驱动器进行力位复合控制，所述力位复合控制是指控制夹持力大的夹持头做远离被夹持目标方向运动，使夹持力小的夹持头做靠近被夹持目标方向的运动，直至夹持力为零。
(三)有益效果
本发明采用宏动运动实现了对夹持目标的快速接近，可达到数十毫米以上的夹持范围。
本发明采用力反馈检测技术，可以有效地检测对目标对象的夹持力，同时，本发明通过均衡地控制夹持力的大小，避免力和力矩偏移平衡位置而造成的目标对象被释放后导致的位姿变化，由此可以避免在对接过程中产生振动冲击以及对位姿精度的影响，以及振动能量对其他对此敏感的对象的性能变化，实现微纳米级的夹持精度。
本发明根据夹持器的结构特点，可适用于不同形状的目标的夹持。
附图说明
图1是本发明的实施例的夹持器的结构示意图；
图2是本发明的驱动器的工作原理图；
图3是本发明的实施例的夹持器的控制原理图；
图4是本发明的实施例的夹持器对被夹持目标进行夹持动作和释放动作的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的夹持器的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该实施例的夹持器包括一个基座6和与该基座6连接的三套驱动系统。优选的，驱动系统与基座连接，连接方式例如为螺栓连接，便于安装，同时可以保证提供足够的夹持力。
基座6呈封闭形状，在该实施例中为环形，其形状为中心对称结构且基座6关于其几何中心呈120°中心对轴。基座6为高刚度的构件，以便为夹持器提供足够稳定可靠的安装基础。基座6上还可提供与其他搭载平台连接的连接件(例如安装孔)，以便于将该夹持器搭载到其他运动平台上完成更加复杂的功能。
在该实施例中，三套驱动系统按照120°的间隔在基座6的周边均匀布置，每套驱动系统包括夹持头1、伸缩杆2、压力传感器3、驱动器4和位移传感器5。驱动系统能够驱动所述夹持头1朝向或远离基座6的中心进行运动。位移传感器5位于驱动器4朝向基座6外侧的一端，通过螺钉连接在驱动器4上，用以实现对伸缩杆2高精度的运动检测。在伸缩杆2的朝向基座内侧的一端连接夹持头1。伸缩杆2与夹持1头采用螺钉连接，以约束夹持头1与伸缩杆2之间的轴向运动。
夹持头1是用于与被夹持目标接触并施加夹持力以夹持被夹持目标7的部件。夹持头1可以采用V形、半圆形或其他形状，但不限于这些形状，只要其能用来针对特定的被夹持目标实施精准的夹持。夹持器材料需要根据使用的环境和被夹持目标的特性决定。比如，不同材料之间接触的摩擦力不同，例如在真空或洁净环境使用还要考虑材料和环境之间的相容性。通常夹持头材料可以选用不锈钢。
另外，夹持头1优选为可更换的，以便根据不同材料和形状的被夹持目标选择合适的夹持头。另外，各个夹持头1可分别调节位置和角度，以便夹持形状不规则的被夹持目标7
驱动器4与伸缩杆2的侧部相连接，用于驱动伸缩杆2沿其轴向进行运动。图2是本发明的一种实施方式的驱动器4的工作原理图。如图2所示，驱动器4包括多对运动足。驱动器4通过所述多对运动足驱动所述伸缩杆2，基于尺蠖原理，其可同时保证大行程和高精度的要求。驱动器4的多对运动足由压电陶瓷构成，其协调运动实现对伸缩杆2的移动。例如，如图2所示，当其中的一对运动足41升起，不接触伸缩杆2时，另一对运动足42垂直压向伸缩杆2并压紧伸缩杆2，然后由控制器7驱动构成运动足41的陶瓷作水平运动，推动伸缩杆2在其轴向实现高精度运动。之后，这对与伸缩杆2压紧的运动足41向外侧收回，之前升起的那对运动足42压向伸缩杆2并压紧伸缩杆，重复刚才的运动。由此，通过多对运动足2的交替运动，实现伸缩杆在大行程范围内作高精度宏微运动。
驱动器4可预施加一个压力，以便给伸缩杆一个预夹持力。可通过调节预压力和选择不同类型压电陶瓷作为运动足来改变驱动力的大小。
根据本发明，在伸缩杆2上安装有压力传感器3，其用于检测夹持力的大小。在该实施例中，压力传感器3是一种应变式压力传感器，其用于检测应变信息实现对夹持力大小的测量。
在该实施例中，位移传感器5是一种电容位移传感器。
采用上述原理的驱动系统，通过运动足的交替微动，可以达到数十毫米级行程，定位精度可以达到纳米级。
本发明的驱动系统同时具有位移传感器5和压力传感器3，通过位移传感器5精确反馈伸缩杆2的行程，便于实现大范围内的高速宏动和高精度的微动控制。通过压力传感器3的力觉反馈，可以检测到夹持头1是否与被夹持目标接触以及多个驱动系统协同工作时作用在夹持目标上的夹持力的大小及均匀程度。
图3是基于本发明的上述实施例的夹持器的控制原理图。如图3所示，本发明的夹持器还包括控制系统，控制系统包括与每个驱动系统相对应的压力控制器8、位移控制器9。在该实施例中，压力控制器8和位移控制器9均为三个。
位移控制器9用于接收位移传感器5反馈的伸缩杆位移信号，向驱动器4传输伸缩控制信号，以控制伸缩杆2的伸缩量。压力控制器8用于接收压力传感器3反馈的压力反馈信号，并通过位移控制器9向驱动器4传输位移控制信号。
根据本发明，每个压力控制器8均与一个主控装置10相连。主控装置10根据压力传感器3的压力反馈信号和所述位移传感器5反馈的伸缩杆位移信号都可以驱动驱动系统。在距离目标远处，实现大行程宏动，接近目标时，进行伸缩杆微动控制，这两步只有位置反馈，与目标接触后，就会有力反馈参与到控制中，最终控制的输出量是伸缩杆的位移量。主控制器10根据反馈的位置信息和力信息，进行控制决策，通过调节各驱动系统的伸缩杆2的位移量，实现对目标的均衡夹持和力平衡。
下面描述对本发明的夹持器的控制方法。图4是本发明的另一实施例的夹持器对被夹持目标进行夹持动作和释放动作的示意图，其中左图表示夹持动作，右图表示释放动作。在该实施例中，夹持器包括多套驱动系统，图4是示意图，外围的圆环表示基座6，内侧圆环表示被夹持目标，箭头表示驱动系统的运动方向。该图4表示八个驱动系统呈中心对称并均匀设置于基座6上的情况。
首先说明当本发明的夹持器进行夹持动作时依次进行的步骤：
(1)多个驱动器4分别接收与其连接的位移控制器9的指令，驱动多个伸缩杆2同时进行宏动，使得多个夹持头1快速接近被夹持目标，以进行快速的粗定位。主控装置10根据预先设定的主控制策略发送指令给位移控制器9，以控制驱动器进行运动，所述运动包括宏动和微动，宏动控制方法与微动控制方法相同，宏动位移量是由多次微动后累计获得的。所述宏动是指大步距的运动，所述微动指的是相比于宏动而具有微小步距的运动。
(2)多个驱动器4分别接收与其连接的位移控制器9的指令，驱动多个伸缩杆2同时进行微动，使得三个夹持头1更加逼近被夹持目标7。
(3)当多个压力传感器3中的任何一个压力传感器3检测到力变化信号时，主控装置10使与该压力传感器3对应的驱动器4(在此称为第一驱动器)停止工作。
(4)控制其他未停止的驱动器4中的任意一个(在此称为第二驱动器)进行微动，当与该驱动器对应的压力传感器也检测到力变化信号时，使该第二驱动器也停止工作。
(5)依次控制未停止工作的其他驱动器进行微动，直到与之对应的压力传感器检测到力变化信号，使未停止工作的多个驱动器依次停止工作，直到所有驱动器停止工作，并将此刻的多个夹持头的位置作为位移基准点；
(6)根据压力传感器3和位移传感器5反馈的信息，对驱动器4进行力位复合控制，使三个夹持头1夹持力达到一个可稳定夹持被夹持目标的阈值，并且使相对于位移基准点的偏差小于一个许可范围，从而完成夹持动作。
所述的力位复合控制是协同控制三个驱动器运动，按照如下原则进行控制：当某个夹持头的夹持力过大时，使该夹持头远离被夹持目标进行运动；当某个夹持头的夹持力过小时，使该夹持头靠近被夹持目标进行运动。
接着说明当本发明的实施例的夹持器进行释放动作时依次进行的操作，总的来说，释放被夹持目标的动作是夹持被夹持目标的动作的反向操作。其原则是，夹持力大的夹持头1做远离被夹持目标7方向的微动，夹持力小的夹持头1做靠近被夹持目标7方向的微动，直至夹持力为零。释放是夹持的反向操作。是通过伸缩杆微小位移后撤实现的。为了不使目标在夹持器快速后撤时应变形恢复产生振动，需要微量有序的后撤夹持器。在夹持器后撤过程中，三个夹持头的力会发生变化，撤离总是选择夹持力最大的那个系统进行。最后，通过位置控制器给驱动器指令，控制驱协动器进行快宏动，将夹持头1快速退到初始位置。
如上所述，本发明提出了一种用于精密对接和分离的夹持器，能对被夹持目标进行精确的夹持和释放，使被夹持目标进行稳定的夹持，且其位置和姿态变化小。
在上述实施例中，夹持器的基座6是一个环形结构。但是本发明不限于此，其也可以是其他封闭形状的结构。同时，上述实施例中的夹持头数量为三个，但是本发明也不限于此，夹持头1的数量不仅可以是三个，也可以根据要求增减，以实现均匀稳定夹持。当夹持头的数量多于三个时，在夹持动作的释放动作的控制时，可以按顺时针方向或逆时针方向逐个控制夹持头1接触或自被夹持目标释放。但本发明也不限于此顺序。
当采用多夹持头1时，被夹持目标与夹持器不必同轴也可以实现夹持，并能用于夹持不规则的目标对象，且可控制被夹持目标在小范围内做平面运动。
由于本发明的夹持头1可根据目标对象形状更换，因此本发明可以适应不同类型的夹持目标。
由于本发明在夹持和释放时进行了力位复合控制，夹持头1的夹持力和夹持精度可同时保证，由此，本发明可以用于夹持易碎或易变形的被夹持目标，且对被夹持目标的位姿扰动可降低到最小。
由于本发明采用了宏微动控制，且每个夹持头可以独立控制，因此可实现大范围、高精度的夹持；
由于本发明的夹持头的位移量可以精确地测量与控制，因此可以实现微纳尺度的夹持与对准精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种夹持器，用于对被夹持目标进行夹持，包括基座和用于接触被夹持目标以施加夹持力的多个夹持头，其特征在于，
所述基座呈封闭形状，在所述基座上沿其周边均匀布置多个驱动系统，所述多个夹持头包含于所述多个驱动系统，所述多个驱动系统能够驱动所述夹持头朝向或远离基座的中心进行运动。
2.如权利要求1所述的夹持器，其特征在于，所述夹持头是可更换的。
3.如权利要求1所述的夹持器，其特征在于，所述多个夹持头的位置和角度是可分别调节的。
4.如权利要求1所述的夹持器，其特征在于，所述驱动系统还包括伸缩杆和驱动器，所述夹持头连接于伸缩杆的朝向基座内侧的一端，所述驱动器与所述伸缩杆的侧部相连接，用于驱动伸缩杆沿其轴向进行运动。
5.如权利要求4所述的夹持器，其特征在于，所述驱动系统还包括位移传感器，其连接于所述驱动器朝向基座外侧的一端，用于检测伸缩杆的运动。
6.如权利要求5所述的夹持器，其特征在于，所述驱动系统还包括压力传感器，其安装于所述伸缩杆上，用于检测夹持力的大小。
7.如权利要求5所述的夹持器，其特征在于，所述夹持器还包括控制系统，该控制系统包括与每个驱动系统相对应的压力控制器和位移控制器，
所述位移控制器用于接收所述位移传感器反馈的伸缩杆位移信号，向驱动器传输伸缩控制信号，以控制伸缩杆的伸缩量，
所述压力控制器用于接收压力传感器反馈的压力反馈信号，并向驱动器传输位移控制信号。
8.如权利要求6所述的夹持器，其特征在于，所述控制系统还包括一个主控装置，所述各压力控制器均与该主控装置相连，所述主控装置根据所述压力传感器的压力反馈信号和所述位移传感器反馈的伸缩杆位移信号驱动驱动系统。
9.如权利要求1-8中任一项所述的夹持器，其特征在于，驱动器4包括多对运动足，驱动器通过所述多对运动足驱动所述伸缩杆。
10.如权利要求9所述的夹持器，其特征在于，所述运动足由压电陶瓷构成。
11.一种控制夹持器对被夹持目标进行夹持的方法，所述夹持器包括基座、和多个驱动系统，其特征在于，所述夹持器还包括与所述多个电驱动系统连接的多个压力传感器和多个位移传感器，所述驱动系统包括夹持头和连接夹持头的伸缩杆，以及控制伸缩杆朝向或远离基座中心进行运动的驱动器，该方法包括如下步骤：
所述多个驱动器接收与其连接的位移控制器的指令，驱动伸缩杆进行运动，使得多个夹持头接近被夹持目标；
当所述多个压力传感器中的任何一个压力传感器检测到压力变化信号时，使与该压力传感器对应的驱动器停止工作；
依次控制未停止工作的驱动器进行微动，直到与之对应的压力传感器检测到压力变化信号时，使未停止工作的多个驱动器依次停止工作，直到所有驱动器停止工作，并将此刻的多个夹持头的位置作为位移基准点；
对所述驱动器进行力位复合控制，使所述多个夹持头的夹持力达到一个可稳定夹持被夹持目标的阈值，并且使相对于所述位移基准点的偏差小于一个许可范围，从而完成夹持动作，所述力位复合控制是指协同控制多个驱动器运动，按照如下原则进行控制：当某个夹持头的夹持力过大时，使该夹持头远离被夹持目标进行运动；当某个夹持头的夹持力过小时，使该夹持头靠近被夹持目标进行运动。
12.一种控制夹持器对被夹持目标进行释放的方法，所述夹持器包括基座、和多个驱动系统，其特征在于，所述驱动系统包括夹持头和连接夹持头的伸缩杆，以及控制伸缩杆朝向或远离基座中心进行运动的驱动器，该方法包括如下步骤：
对所述多个驱动器进行力位复合控制，所述力位复合控制是指控制夹持力大的夹持头做远离被夹持目标方向运动，使夹持力小的夹持头做靠近被夹持目标方向的运动，直至夹持力为零。
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