CN103692452A - 一种用于多自由度机械臂的制动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多自由度机械臂制动的制动装置及控制方法，所述制动装置包括：用于与制动执行元件配合完成制动动作的制动架，提供轴向移动自由度和传递扭矩的滚珠花键，用于制动执行元件的安装的球铰制动座，用于完成多自由度机械臂断电状态下的制动动作的制动执行元件以及用于测量制动执行元件压力大小的力传感器，还包括用于检测多自由度机械臂的工作、非工作状态的状态监测装置，用于控制制动执行元件的制动动作的制动控制器，以及驱动制动执行元件工作的气路元件。本发明具有结构简单、装配方便、制动安全可靠的优点，同时不约束多自由度机械臂的运动自由度。

Description

一种用于多自由度机械臂的制动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机电领域，特别是涉及一种用于多自由度机械臂制动的制动装置及控制方法。

背景技术

随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机械臂中，模拟人体手臂而构成的关节型机械臂，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机械臂之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机械臂在机械制造领域中的应用和需求越来越突出。

上述机械臂共同特点是具有多个运动自由度，比如机械臂关节部位采用铰链的形式，则该部位就具有一个旋转自由度；机械臂关节部位采用球铰或者球面副的形式，则该部位就具有空间旋转自由度。通过多个关节的组合使得机械臂拥有人手一样的自由度，这就使得机械臂可以代替人完成一些特定的工作，比如机械制造中的装配、焊接等工作。

在多自由度机械臂的使用过程中，经常会遇到由于更换夹具、上下料等原因使得机械臂的电机断电，又希望机械臂保持在原先工作位置的情况。多自由度机械臂断电或发生故障时，驱动电机可能将失去电磁力的作用，机械臂在重力作用下运动偏离停机的位置，这就要求多自由度机械臂具有制动刹车机构。多自由度机械臂的制动方式与普通电机的制动方式存在一定的区别，一方面制动装置在多自由度机械臂运动过程中不影响多自由度机械臂的运动，另一方面制动装置能提供多自由度机械臂动子的空间自由度制动力。该制动装置及控制方法可以被很好地用于球面电机的制动。

发明内容

基于上述需求，本发明的目的在于提供一种结构简单、装配方便、制动可靠的多自由度机械臂制动装置及控制方法。该装置的机械结构可以在多自由度机械臂转动的时候随着多自由度机械臂一起旋转，通过与动子的球面副保证多自由度机械臂摆动的自由度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于多自由度机械臂的制动装置，其特征在于，所述装置包括：

制动架，其安装于多自由度机械臂的定子上，用于与制动执行元件配合实现多自由度机械臂的制动；

球铰制动座，用于制动执行元件的安放与固定，所述球铰制动座的底座为球面形，其固定在多自由度机械臂左右两部分动子之间，多自由度机械臂左半动子和多自由度机械臂右半动子端部分别开有半球形凹槽与所述球铰制动座的球形底座形成球面配合；

滚珠花键，用于提供多自由度机械臂轴向移动自由度，传递扭矩，所述滚珠花键一端通过法兰与多自由度机械臂动左半动子相连接，另一端通过花键与多自由度机械臂右半动子相连接；

制动执行元件，用于在多自由度机械臂断电时立刻动作，与制动架配合提供多自由度机械臂的制动力；

力传感器，用于检测所述制动执行元件端部的压力；

导向杆，其底部用于所述力传感器的安装，其顶部嵌入所述制动架的凹槽中为所述球铰制动座提供导向。

优选的，所述制动架开有环形导向凹槽，其通过螺钉安装在所述多自由度机械臂定子上。

优选的，所述多自由度机械臂左半动子设有环形分布的凹槽，所述多自由度机械臂右半动子也设有环形分布的凹槽。

优选的，所述力传感器安装在所述制动执行元件和导向杆之间。

优选的，所述制动执行元件为气缸。

优选的，所述气缸伸出杆端部安装有力传感器，用以检测气缸杆输出和承受力的大小。所述力传感器为柱式压力传感器，用于实时检测表面的压力，输出与所测力线性相关的模拟电压。

优选的，所述力传感器为柱式压力传感器，该元件能实时监测表面压力的变化，输出与压力大小线性相关的模拟电压。

优选的，所述球铰制动座外围环形分布有由圆柱杆和制动执行元件安装底座组成的杆架用以所述制动执行元件的安装。

优选的，所述力传感器为六个，分别设置在六个导向杆上。

另一方面，本发明提供一种的制动系统，其特征在于，所述系统包括上述制动装置以及用于检测多自由度机械臂的通、断电状态的状态监测装置，用于制动执行元件的压力精确控制的压力控制阀以及用于所述压力控制阀的压力控制的制动控制器；所述制动控制器接收状态监测装置和力传感器的信号，并且通过控制压力控制阀来调节制动执行元件工作气压大小，使得力传感器的输出保持在设定值或设定值附近小范围波动，以实现制动控制功能。

另一方面，本发明提供一种利用所述的控制系统进行制动控制的方法，其中包括以下步骤：

首先由状态监测装置检测多自由度机械臂的工作状态，如果状态检测装置检测到多自由度机械臂处于非工作状态，则输出高电平给制动控制器，制动控制器接收到该信号后，制动控制器工作，接收力传感器的输出电压根据该输入处理计算输出控制信号，控制压力控制阀使气路系统为制动执行元件提供合适的压力，制动执行元件与制动架产生相互作用力，使力传感器均处于设定值或在设定值附近小范围浮动，实现多自由度机械臂的制动。如果是处于通电工作状态，则状态监测装置输出低电平，制动控制器也接收控制装置的输入信号但不输出，此时制动执行元件处于自由伸缩状态，制动装置随着多自由度机械臂运动而运动不限制多自由度机械臂的自由度；

上述技术方案具有如下有益效果：结构简单、装配方便、制动可靠，在不影响多自由度机械臂自由度的条件下实现多自由度机械臂的制动。有望在实际中得到广泛的应用。

附图说明

图1是本发明一种多自由度机械臂制动装置的三维结构分解图；

图2是本发明一种多自由度机械臂制动装置的整体结构三维图；

图3是本发明中制动装置控制方法的控制框图；

图4是图1中的多自由度机械臂动子与滚珠轴承的三维结构分解图；

图5是图1中的多自由度机械臂动子和球铰制动座的三维结构分解图；

图6是图1中的多自由度机械臂制动气缸和导向杆及安装在两者之间的力传感器三维结构图；

图7是图1中的多自由度机械臂制动架与导向杆的三维结构图；

图8是图1中的多自由度机械臂制动架安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、2所示，本发明的制动系统包括：由多自由度机械臂定子10、多自由度机械臂制动架20、滚珠轴承30、多自由度机械臂左半动子40、球铰制动座50、多自由度机械臂右半动子60、制动执行元件70、力传感器80和导向杆90等构成的制动装置，以及由状态监测装置2、制动控制器3、压力控制阀4、气动元件5等构成的制动控制系统。球铰制动座50的底座为球面，其固定在多自由度机械臂左右两部分动子之间，与多自由度机械臂动子的左右半部分在多自由度机械臂的行程中形成两对球面副的运动形式，这就使球铰制动座在多自由度机械臂运动的过程中不限制多自由度机械臂动子的运动；球铰制动座50外围环形分布，优选为六个，由圆柱杆和制动执行元件70安装底座组成的杆架用以制动执行元件的安装；多自由度机械臂左半动子40和多自由度机械臂右半动子60端部分别开有半球形凹槽与球铰制动座的球形底座形成球面配合，动子左右两部分通过一对法兰盘连接；制动架20安装在多自由度机械臂定子10上，开有截面为圆台球面的环形导向凹槽，与导向杆90形成相互作用力用以提供多自由度机械臂所需制动力；滚珠轴承30，主要完成径向扭矩的传递和动子在轴向上的微小移动。由于多自由度机械臂在运动过程中会出现球铰制动座50的径向位置发生改变，为防止球铰制动座50出现倾斜状态需要其能在径向上有移动能力。滚珠轴承30在传递扭矩的同时提供径向移动的自由度。

如图3所示，从制动控制系统的控制框图可以看出，制动控制器接受力传感器和状态监测装置的信号作为输入，通过设计好的控制算法处理输出控制压力控制阀的信号，压力控制阀可选用定值器为气缸提供精确的压力输入。整个控制系统的最终目的是使控制气缸的输出力F使得力传感器的示数保持在零点或在零点附近小范围波动。

如图1、2和4所示，滚珠轴承30通过法兰固结在多自由度机械臂输出轴上，通过花键31和多自由度机械臂左半动子40上的花键41连接，可传递扭矩。在滚珠轴承的位移范围内，花键连接是可靠的。

如图1、2和5所示，多自由度机械臂左半动子40右端部被挖成一个半球形的凹槽41，多自由度机械臂右半动子左端部被挖成一个半球形的凹槽61，这两个半球与球铰制动座50形成球面副配合，为了保证球面副运动平滑性宜选用间隙配合的形式，并且适当加入润滑油。为了使球铰制动座50的外伸杆能够有足够的工作空间，多自由度机械臂左半动子40相对应的开了环形分布的凹槽42，多自由度机械臂右半动子60相对应的开了环形分布的凹槽62，为了保证外伸杆与凹槽的撞击力不至于过猛，在外伸杆或凹槽表面增加具有缓冲功能的保护垫等措施。球铰制动座端部设计了小平台51用以制动执行元件的安装。

如图1、2和图6所示，在制动执行元件70和导向杆90之间安装力传感器80，保证力传感器可靠的工作环境。导向杆的端部91截面二维图为上下是直线左右呈圆弧面，以与制动架类似外型的凹槽形成滑动球面配合。

如图1、2和图7所示，制动架20在适当的位置开了一圈环形的凹槽21，凹槽的截面二维图为上下是直线左右呈圆弧面，导向杆90也被设计成类似的形状，如此设计的目的在于导向杆90能够沿着凹槽进行环形移动且能卡在凹槽承受制动执行元件自由伸缩时的下降力，保持球铰制动座50在电机运动过程中时刻保持与动子垂直。

如图1、2和图8所示，制动架是通过环形分布的六个螺钉安装在多自由度机械臂定子10上的，可实现方便拆卸。

利用上述制动装置对多自由度机械臂进行制动的方法包括以下步骤：

首先由状态监测装置检测多自由度机械臂的工作状态，如果状态检测装置检测到多自由度机械臂处于非工作状态，则输出高电平给制动控制器，制动控制器接收到该信号后，制动控制器工作，接收力传感器的输出电压根据该输入处理计算输出控制信号，控制压力控制阀使气路系统为制动执行元件提供合适的压力，制动执行元件与制动架产生相互作用力，使力传感器均处于设定值或在设定值附近小范围浮动，实现多自由度机械臂的制动。如果是处于通电工作状态，则状态监测装置输出低电平，制动控制器也接收控制装置的输入信号但不输出，此时制动执行元件处于自由伸缩状态，制动装置随着多自由度机械臂运动而运动不限制多自由度机械臂的自由度。

球铰制动座被安装在多自由度机械臂动子中，但是其机械机构不会限制多自由度机械臂的自由度。当多自由度机械臂转动的时候，球铰制动座随着电机一起转动；当多自由度机械臂摆动的时候，滚珠花键产生一定的轴向位移，球铰制动座的质心对应的轴向移动相同距离。由于导向杆的存在使得球铰制动座在旋转或者移动过程中都能处在竖直状态。当多自由度机械臂断电需要制动的时候，制动控制器根据断电后力传感器的信号输出控制压力控制阀的信号，压力控制阀控制气路为气缸提供精确的压力，气缸充气后输出力，通过导向杆和制动架的相互作用力提供制动力。该制动力使得多自由度机械臂动子不下垂，同时提供导向杆和制动架产生摩擦力使得多自由度机械臂动子停止旋转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于多自由度机械臂的制动装置，其特征在于，所述装置包括：

制动架(20)，其安装于多自由度机械臂的定子(10)上，用于与制动执行元件(70)配合实现多自由度机械臂的制动；

球铰制动座(50)，用于制动执行元件的安放与固定，所述球铰制动座(50)的底座为球面形，其固定在多自由度机械臂左右两部分动子(40、60)之间，多自由度机械臂左半动子(40)和多自由度机械臂右半动子(60)端部分别开有半球形凹槽与所述球铰制动座的球形底座形成球面配合；

滚珠花键(30)，用于提供多自由度机械臂轴向移动自由度，传递扭矩，所述滚珠花键(30)一端通过法兰与多自由度机械臂动左半动子(40)相连接，另一端通过花键与多自由度机械臂右半动子(60)相连接；

制动执行元件(70)，用于在多自由度机械臂断电时立刻动作，与制动架配合提供多自由度机械臂的制动力；

力传感器(80)，直接与制动执行元件(70)表面相接触，用于检测所述制动执行元件(70)端部的压力；

导向杆(90)，其底部用于所述力传感器(80)的安装，其顶部嵌入所述制动架(20)的凹槽中为所述球铰制动座(50)提供导向。

2.根据权利要求1所述的制动装置，其特征在于，所述制动架(20)开有环形导向凹槽，其通过螺钉安装在所述多自由度机械臂定子(10)上。

3.根据权利要求1或2所述的制动装置，其特征在于，所述多自由度机械臂左半动子(40)设有环形分布的凹槽(42)，所述多自由度机械臂右半动子(60)也设有环形分布的凹槽(62)。

4.根据权利要求1或2所述的制动装置，其特征在于，所述力传感器(80)安装在所述制动执行元件(70)和导向杆(90)之间。

5.根据权利要求3所述的制动装置，其特征在于，所述制动执行元件为气缸。

6.根据权利要求5所述的制动装置，其特征在于，所述气缸的伸出杆端部安装有力传感器(80)，用以检测气缸杆输出和承受力的大小。

7.根据权利要求4-5任一所述的制动装置，其特征在于，所述力传感器为六个，分别设置在六个所述导向杆上；所述力传感器(80)为柱式压力传感器，用于实时检测表面的压力，输出与所测力线性相关的模拟电压。

8.根据权利要求3所述的制动装置，其特征在于，所述球铰制动座(50)外围环形分布有由圆柱杆和制动执行元件(70)安装底座组成的杆架用以所述制动执行元件的安装。

9.一种制动系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求1-9所述的制动装置以及用于检测多自由度机械臂的通、断电状态的状态监测装置，用于制动执行元件的压力精确控制的压力控制阀以及用于所述压力控制阀压力控制的制动控制器；所述制动控制器接收状态监测装置和力传感器的信号，并且通过控制压力控制阀来调节制动执行元件工作气压大小，使得力传感器的输出保持在设定值或设定值附近小范围波动，以实现制动控制功能。

10.根据权利要求9所述的控制系统进行制动控制的方法，其中包括以下步骤：

首先由状态监测装置检测多自由度机械臂的工作状态，如果状态检测装置检测到多自由度机械臂处于非工作状态，则输出高电平给制动控制器，制动控制器接收到该信号后，制动控制器工作，接收力传感器的输出电压根据该输入处理计算输出控制信号，控制压力控制阀使气路系统为制动执行元件提供合适的压力，制动执行元件与制动架产生相互作用力，使力传感器均处于设定值或在设定值附近小范围浮动，实现多自由度机械臂的制动；

如果是处于通电工作状态，则状态监测装置输出低电平，制动控制器也接收输入信号但不输出，此时制动执行元件处于自由伸缩状态，制动装置随着多自由度机械臂运动而运动不限制多自由度机械臂的自由度。

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