CN107253043B - 一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，包括吸盘连接座、转动输入轴、传力套筒和活塞杆，吸盘连接座一面形成有凸起段，凸起段内设有贯穿的中心通孔；转动输入轴设于中心通孔内，其一端设有凹入的空腔用于容纳磁流变液；传力套筒与转动输入轴固定连接；活塞杆一端穿过传力套筒进入空腔，进入空腔部分套装有活塞，活塞外壁绕设有电磁线圈；活塞杆另一端设有限位台阶，传力套筒和限位台阶之间的活塞杆上套设有压缩弹簧和压力传感器，限位台阶通过柔性管与工作套筒连接；柔性管内填满有磁流变液，外壁绕设有电磁线圈，还套设有定型弹簧。本发明提高了工具的柔性，降低了控制系统智能化程度的要求，与机械臂的联接简单，安全可靠。

Description

一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具

技术领域

本发明属于金属的其它加工中拧紧或松开螺钉或螺帽的机械技术领域，具体涉及一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具。

背景技术

在石油勘查中需要用到测井探管，测井探管内装入放射源，然后将放有放射源的测井探管送入井下，利用放射源来检测该区域是否存在石油。在测井探管上设有可打开和关闭的仓门，仓门下部通过转动机构与测井探管可转动连接，仓门上或者测井探管内设有专门放置放射源的空腔，放射源即放置在该空腔中。

目前，放射源的装卸都是通过人工完成的，打开仓门前，需要先拧松仓门上部与测井探管连接的螺钉，再将仓门打开；放射源装载后再关闭仓门并拧紧螺钉即可。虽然人工装卸很简单，但由于放射源对人体的危害性，所以并不适合长期这样操作，故现在已开始尝试利用工业机器人（机械臂）自动完成放射源的装卸，即通过机械臂来打开和关闭存放放射源的仓门，再取放放射源。要打开和关闭仓门，首先面对的就是拧螺钉。通过机器臂连接拧螺钉工具装卸螺钉，大致可分为四个步骤：对接，推进，转动，脱离。

现有通过机器自动拧螺钉的工具比较多，但因为本应用场合拧螺钉的工具需要与机械臂配合完成，而现有拧螺钉的工具都是针对简单的机械转动联用，若用现有拧螺钉的工具与机械臂结合，将大大增加机械臂结构的复杂程度。也有部分拧螺钉的工具是针对机械臂联用的，如CN201410824519.1公开了一种用于测井探管放射源装卸的机械手可更换拧螺丝工具，但缺点是其柔性不足，弹簧不能提供柔性补偿，使得螺母套筒不能保持以设定速度推进，螺母套筒本身也不能提供柔性补偿，这就需要机械臂能精准控制对接、推进等操作，否则容易将撞坏拧螺钉工具甚至损伤机械臂，这又对机械臂控制系统的智能控制程度要求较高，而高智能的人工智能控制在我国乃至世界范围都尚未取得技术突破。

本发明为提高工具的柔性，应用了磁流变液。磁流变液是一种可控的流体液，由高磁导率、低磁滞性的颗粒和非磁导性的液体混合而成；当其周围无磁场时，磁流变液表现出良好的液体流动性，当周围存在磁场时，磁流变液的表观粘度会随磁场的加大而迅速增加，流动特性发生显著变化，甚至表现出固体的形态特性，这使其可作为力传递的介质；且这种变化是可逆的，即当周围环境恢复到无磁场状态时，磁流变液又恢复到原来的液体状态，其响应时间仅为几毫秒。磁流变液的表观粘度可随周围磁场强度的变化而变化，实现无级可调，可控性高，因为它具有这样特殊的性质，人们可将其用于制造“智能化”机械元件。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是如何提供一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，以避免与之连接的机械臂结构复杂、因柔性不足而对机械臂的控制系统智能化程度要求较高的问题，达到连接简单，操作容易、安全的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，包括吸盘连接座、转动输入轴、传力套筒和活塞杆，所述吸盘连接座的一面用于与机械臂末端带电时吸合连接，所述吸盘连接座的另一面沿中心凸起形成凸起段，所述凸起段内设有贯穿吸盘连接座的中心通孔；所述转动输入轴可转动地设于所述中心通孔内；所述转动输入轴朝向机械臂端面周围设有凸沿，所述吸盘连接座上设有对应的沉台，所述凸沿落在沉台上使转动输入轴只能单向进出；所述转动输入轴凸沿所在端面设有卡接槽，用于与机械臂末端的电机输出轴对应卡接以由电机驱动所述转动输入轴转动；所述转动输入轴另一端面沿轴向设有凹入的空腔用于容纳磁流变液和活塞，所述空腔内填满有所述磁流变液；所述传力套筒设有大小不同的两段内孔，所述传力套筒通过较大内孔套在转动输入轴上并与转动输入轴固定连接；所述活塞杆的一端从传力套筒较小内孔中进入，并与所述传力套筒较小内孔以可同步转动和轴向滑动方式连接；所述活塞杆从传力套筒较小内孔中进入所述空腔的部分紧配合套装有所述活塞，所述活塞外壁绕设有电磁线圈；所述活塞杆的另一端设有限位台阶，所述限位台阶与所述传力套筒之间的活塞杆上套设有压缩弹簧，且靠所述传力套筒一侧套设有压力传感器，所述压缩弹簧通过所述压力传感器被压缩于所述传力套筒和所述限位台阶之间；所述限位台阶上设有工作套筒，所述工作套筒上设有螺母卡槽，所述工作套筒设有永磁铁芯以吸合待操作的螺丝。

本发明与机械臂连接，在推进的过程中，压力传感器和控制系统通过套在活塞杆上的压缩弹簧受压形变的变化量计算出当前活塞杆的前进速度，然后实时调节活塞上电磁线圈的电流，达到所需的磁流变液的形态，以提供柔性阻尼，实现阻尼的跟随控制，即使推进过程中受到的阻力变化，也保证活塞杆和工作套筒始终保持以设定的速度推进。这样的功能通过本发明的结构及磁流变液的应用得以实现，而不是单纯的依靠机械臂的控制系统来实现，降低了控制系统智能化程度的要求。另外，如果运行过程中压力传感器检测到的阻力超出设定范围时，可迅速联动关停机械臂，防止撞坏工具、机械臂，起到安全和有效保护作用。本发明与机械臂连接的结构简单、可靠，降低了机械臂的结构复杂程度。

进一步完善上述技术方案，所述工作套筒通过柔性管与所述限位台阶连接；所述柔性管内填满有磁流变液；所述柔性管外壁绕设有电磁线圈；所述柔性管外壁绕设的电磁线圈外还套设有定型弹簧，所述定型弹簧被压缩于所述工作套筒和所述限位台阶之间。

这样，机械臂连接拧螺丝工具在与待操作的螺丝接触对接的过程中，柔性管外壁绕设的电磁线圈不通电流，柔性管内的磁流变液呈液态；柔性管由于其柔性，理论上可以向各个方向偏摆，定型弹簧的作用就是防止柔性管因为柔性过大导致工作套筒偏摆过大，使工作套筒偏摆在控制范围内；当然柔性管的柔性或者偏摆量可以根据需要通过材料的选择预先设置好，即定型弹簧就是尽量使工作套筒和活塞杆处于同一直线上，定型弹簧刚度越大，直线度越好，但后续对接螺丝的纠偏性就差，所以这需要根据实际情况对定型弹簧的刚度和柔性管的柔性度进行综合权衡和匹配。定型弹簧可在空间任意方向通过弹性弯曲变形来提供柔性补偿，使得即使工作套筒未能完全对准螺丝，也可以通过定型弹簧弯曲变形提供的柔性来补偿，完成对接。此时活塞杆与柔性管在空间内不必成一条直线，给机械臂在空间内对准螺丝的运动提供了不少的冗余空间，提升了对接螺丝的成功概率，不需要控制系统对机械臂的精准控制，进一步降低了对控制系统智能化程度的要求。对接成功后，电磁线圈通电使磁流变液呈固态，此时柔性管和磁流变液一起变为刚性件，即可将限位台阶的扭矩通过该刚性件传递给工作套筒，实现螺丝的拧紧或者拧松。

进一步地，所述吸盘连接座用于与机械臂末端吸合的那面设有吸合凹槽，吸合凹槽周围的槽壁敞开形成导向斜面，吸合凹槽与机械臂末端形状对应。

这样，使本发明与机械臂的连接有辅助周向限位，保证了动力输入的稳定性；导向斜面使吸合连接过程更加顺畅，并准确落入周向限位，连接结构简单可靠。

进一步地，所述活塞两端的外壁上设有凸沿；所述凸沿的外形与所述空腔的内壁对应设置，并留有间隙以形成活塞运动时空腔内磁流变液流通的阻尼通道。

这样，活塞运动时受到的磁流变液传递给活塞的力均朝向轴心方向，使整个结构，特别是活塞杆的运动更加平稳、稳定。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过结构及磁流变液的应用，实现了活塞杆和工作套筒始终保持以设定的速度推进的功能，而不是单纯的依靠机械臂的控制系统来实现，降低了控制系统智能化程度的要求。

2、本发明由定型弹簧在空间任意方向通过弹性弯曲变形来提供工作套筒对接螺丝过程中的柔性补偿，不需要控制系统精准控制机械臂带动工作套筒完全对准螺丝，进一步降低了对控制系统智能化程度的要求。

3、本发明与机械臂连接的结构简单、可靠，降低了机械臂的结构复杂程度。

4、本发明通过压力传感器检测运行过程中的阻力超出设定范围时，可迅速联动关停机械臂，防止撞坏工具、机械臂，起到安全和有效保护作用。

附图说明

图1-本发明具体实施例剖面结构示意图；

图2-图1的局部放大图；

图3-图1的左视图；

其中：1-吸盘连接座，2-转动输入轴，3-磁流变液Ⅰ，4-螺钉，5-传力套筒，6-活塞杆，7-压力传感器，8-压缩弹簧，9-工作套筒，10-螺母卡槽，11-限位台阶，12-电磁线圈Ⅰ，13-活塞，14-凸沿Ⅱ，15-空腔，16-凸起段，17-导向斜面，18-凹槽，19-凸沿Ⅰ，20-电磁线圈Ⅱ，21-定型弹簧，22-磁流变液Ⅱ，23-柔性管，24-卡接槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

参见图1、图3，本发明具体实施例包括吸盘连接座1、转动输入轴2、传力套筒5和活塞杆6，所述吸盘连接座1的一面用于与机械臂末端带电时吸合连接，所述吸盘连接座1的另一面沿中心凸起形成凸起段16，所述凸起段16内设有贯穿吸盘连接座1的中心通孔；所述转动输入轴2可转动地设于所述中心通孔内；所述转动输入轴2朝向机械臂端面周围设有凸沿Ⅰ19，所述吸盘连接座1上设有对应的沉台，所述凸沿Ⅰ19落在沉台上使转动输入轴2只能单向进出；转动输入轴2的凸沿Ⅰ19所在端面设有卡接槽24，所述卡接槽24为与机械臂末端的电机输出端对应的十字卡槽，用于与机械臂末端的电机输出端对应卡接以由电机驱动所述转动输入轴2转动；所述转动输入轴2另一端面沿轴向设有凹入的空腔15用于容纳磁流变液Ⅰ3和活塞13，所述空腔15内填满有所述磁流变液Ⅰ3；所述传力套筒5设有大小不同的两段内孔，所述传力套筒5通过较大内孔套在转动输入轴2上并与转动输入轴2通过螺钉4固定连接；所述活塞杆6的一端从传力套筒5较小内孔中进入，并与所述传力套筒5较小内孔以可同步转动和轴向滑动方式连接；所述活塞杆6从传力套筒5较小内孔中进入所述空腔15的部分紧配合套装有所述活塞13，所述活塞13外壁绕设有电磁线圈Ⅰ12；所述活塞杆6的另一端设有限位台阶11，所述限位台阶11与所述传力套筒5之间的活塞杆6上套设有压缩弹簧8，且靠所述传力套筒5一侧套设有压力传感器7，所述压缩弹簧8通过所述压力传感器7被压缩于所述传力套筒5和所述限位台阶11之间；所述限位台阶11上设有工作套筒9，所述工作套筒9上设有螺母卡槽10，所述工作套筒9设有永磁铁芯以吸合待操作的螺丝。

本发明与机械臂连接，在推进的过程中，压力传感器7和控制系统通过套在活塞杆6上的压缩弹簧8受压形变的变化量计算出当前活塞杆的前进速度，然后实时调节活塞13上电磁线圈Ⅰ12的电流，达到所需的磁流变液Ⅰ3的形态，以提供柔性阻尼，实现阻尼的跟随控制，即使推进过程中受到的阻力变化，也保证活塞杆和工作套筒始终保持以设定的速度推进。这样的功能通过本发明的结构及磁流变液Ⅰ3的应用得以实现，而不是单纯的依靠机械臂的控制系统来实现，降低了控制系统智能化程度的要求。另外，如果运行过程中压力传感器7检测到的阻力超出设定范围时，可迅速联动关停机械臂，防止撞坏工具、机械臂，起到安全和有效保护作用。本发明与机械臂连接的结构简单、可靠，降低了机械臂的结构复杂程度。

参见图1、图2，其中，所述工作套筒9通过柔性管23与所述限位台阶11连接；所述柔性管23内填满有磁流变液Ⅱ22；所述柔性管23外壁绕设有电磁线圈Ⅱ20；所述柔性管23外壁绕设的电磁线圈Ⅱ20外还套设有定型弹簧21，所述定型弹簧21被压缩于所述工作套筒9和所述限位台阶11之间。这样，机械臂连接拧螺丝工具在与待操作的螺丝接触对接的过程中，柔性管23外壁绕设的电磁线圈Ⅱ20不通电流，柔性管23内的磁流变液Ⅱ22呈液态；柔性管23由于其柔性，理论上可以向各个方向偏摆，定型弹簧21的作用就是防止柔性管23因为柔性过大导致工作套筒9偏摆过大，使工作套筒9偏摆在控制范围内；当然柔性管23的柔性或者偏摆量可以根据需要通过材料的选择预先设置好，即定型弹簧21就是尽量使工作套筒9和活塞杆6处于同一直线上，定型弹簧21刚度越大，直线度越好，但后续对接螺丝的纠偏性就差，所以这需要根据实际情况对定型弹簧21的刚度和柔性管23的柔性度进行综合权衡和匹配。定型弹簧21可在空间任意方向通过弹性弯曲变形来提供柔性补偿，使得即使工作套筒9未能完全对准螺丝，也可以通过定型弹簧21弯曲变形提供的柔性来补偿，完成对接。此时活塞杆6与柔性管23在空间内不必成一条直线，给机械臂在空间内对准螺丝的运动提供了不少的冗余空间，提升了对接螺丝的成功概率，不需要控制系统对机械臂的精准控制，进一步降低了对控制系统智能化程度的要求。对接成功后，电磁线圈Ⅱ20通电使磁流变液Ⅱ22呈固态，此时柔性管23和磁流变液Ⅱ22一起变为刚性件，即可将限位台阶11的扭矩通过该刚性件传递给工作套筒9，实现螺丝的拧紧或者拧松。

参见图1、图3，其中，所述吸盘连接座1用于与机械臂末端吸合的那面设有吸合凹槽18，吸合凹槽18周围的槽壁敞开形成导向斜面17，吸合凹槽18与机械臂末端形状对应。这样，使本发明与机械臂的连接有辅助周向限位，保证了动力输入的稳定性；导向斜面17使吸合连接过程更加顺畅，并准确落入周向限位，连接结构简单可靠。

其中，所述活塞13两端的外壁上设有凸沿Ⅱ14；所述凸沿Ⅱ14的外形与所述空腔15的内壁对应设置，并留有间隙以形成活塞13运动时空腔15内磁流变液Ⅰ3流通的阻尼通道。

这样，活塞13运动时受到的磁流变液Ⅰ3传递给活塞13的力均朝向轴心方向，使整个结构，特别是活塞杆6的运动更加平稳、稳定。

所述活塞杆6与传力套筒5较小内孔连接结构主要有两种：1、所述传力套筒5较小内孔为正多边形孔（如正方形孔），所述活塞杆6与所述传力套筒5较小内孔配合段的横截面为对应的正多边形结构。2、所述传力套筒5较小内孔壁上设有轴向的导向凸起，所述活塞杆6与所述传力套筒5较小内孔配合段上设有对应的卡槽，所述导向凸起位于卡槽中可相对轴向滑动，即键槽方式连接。

实施时，进一步地，所述吸盘连接座1、转动输入轴2、传力套筒5、活塞杆6、工作套筒9、活塞13均为回转件，这样，这些零件上的外圆、内孔均可以在普通车床上完成加工（部分如卡接槽24、螺母卡槽10、正多边形孔及对应外形需车削加工后再铣削加工），车削加工是切屑加工中最简单的工艺方式，制造成本低。实施时，进一步地，还可以将传力套筒5的大孔段省去，将传力套筒5通过螺钉4固定连接在转动输入轴2的空腔15一端的端面上，形成端盖的形式，这样可以简化传力套筒5的结构，方便加工，节约材料，进一步降低制造成本。上述实施时可以进一步改进的方案均应视为落入本发明保护范围。

本发明实现了活塞杆和工作套筒始终保持以设定的速度推进的功能，其原理简介如下：

设推进时受到的阻力为F1，压缩弹簧8的阻尼为F2，磁流变液Ⅰ3的阻尼为F3（F2，F3与F1的方向相反），活塞杆6受到的合力为F；活塞杆6实时运动速度为V，压缩弹簧8的形变量为X，压缩弹簧8的弹性系数为K（已知值）,压力传感器7的检测时间周期为T（已知值）。

对系统进行受力分析，可知：F=F1-F2-F3。

为了保持活塞杆6的运动速度保持与设定速度一致，就要让活塞杆6的运动速度达到设定速度后，活塞杆6所受到的合力F=0。由于压缩弹簧8的阻尼F2与压缩弹簧8的形变量成正比（根据胡克定律：F2=K×X），是线性的，不能提供柔性输出，就需要通过实时调节磁流变液Ⅰ3的阻尼F3，以满足活塞杆6所受到的合力F=0的要求。

通过压力传感器7实时检测出压缩弹簧8的阻尼F2，根据胡克定律：F2=K×X，即可计算出压缩弹簧8的形变量X（X=F2/K）；然后计算出活塞杆6的实时运动速度：V=(X2-X1)/T，其中X2、X1分别为通过压力传感器7检测时间周期T中相邻的两个检测值F2根据胡克定律计算出的压缩弹簧8的形变量。

计算出活塞杆6的实时运动速度V后，控制系统将活塞杆6的实时运动速度与设定速度进行比较，实时调节活塞13上的电磁线圈Ⅰ12的电流，改变磁流变液Ⅰ3达到所需的形态，以提供柔性阻尼F3，实现阻尼F3的跟随控制；在活塞杆6的运动速度达到设定速度后，使活塞杆6所受到的合力F=0（F=F1-F2-F3=0），进而实现活塞杆6始终保持以设定的速度推进的功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，包括吸盘连接座、转动输入轴、传力套筒和活塞杆，所述吸盘连接座的一面用于与机械臂末端带电时吸合连接，所述吸盘连接座的另一面沿中心凸起形成凸起段，所述凸起段内设有贯穿吸盘连接座的中心通孔；所述转动输入轴可转动地设于所述中心通孔内；所述转动输入轴朝向机械臂端面周围设有凸沿，所述吸盘连接座上设有对应的沉台，所述凸沿落在沉台上使转动输入轴只能单向进出；所述转动输入轴凸沿所在端面设有卡接槽，用于与机械臂末端的电机输出轴对应卡接以由电机驱动所述转动输入轴转动；所述传力套筒设有大小不同的两段内孔，所述传力套筒通过较大内孔套在转动输入轴上并与转动输入轴固定连接；所述活塞杆的一端从传力套筒较小内孔中进入，并与所述传力套筒较小内孔以可同步转动和轴向滑动方式连接；其特征在于：所述转动输入轴另一端面沿轴向设有凹入的空腔用于容纳磁流变液和活塞，所述空腔内填满有所述磁流变液；所述活塞杆从传力套筒较小内孔中进入所述空腔的部分紧配合套装有所述活塞，所述活塞外壁绕设有电磁线圈；所述活塞杆的另一端设有限位台阶，所述限位台阶与所述传力套筒之间的活塞杆上套设有压缩弹簧，且靠所述传力套筒一侧套设有压力传感器，所述压缩弹簧通过所述压力传感器被压缩于所述传力套筒和所述限位台阶之间；所述限位台阶上设有工作套筒，所述工作套筒上设有螺母卡槽，所述工作套筒设有永磁铁芯以吸合待操作的螺丝。

2.根据权利要求1所述一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，其特征在于：所述工作套筒通过柔性管与所述限位台阶连接；所述柔性管内填满有磁流变液；所述柔性管外壁绕设有电磁线圈；所述柔性管外壁绕设的电磁线圈外还套设有定型弹簧，所述定型弹簧被压缩于所述工作套筒和所述限位台阶之间。

3.根据权利要求1所述一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，其特征在于：所述吸盘连接座用于与机械臂末端吸合的那面设有吸合凹槽，吸合凹槽周围的槽壁敞开形成导向斜面，吸合凹槽与机械臂末端形状对应。

4.根据权利要求1所述一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，其特征在于：所述活塞两端的外壁上设有凸沿；所述凸沿的外形与所述空腔的内壁对应设置，并留有间隙以形成活塞运动时空腔内磁流变液流通的阻尼通道。

5.根据权利要求1所述一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，其特征在于：所述活塞杆与传力套筒较小内孔连接结构为：所述传力套筒较小内孔为正多边形孔，所述活塞杆与所述传力套筒较小内孔配合段的横截面为对应的正多边形结构。

6.根据权利要求1所述一种三自由度的可变柔性机械臂拧螺丝工具，其特征在于：所述活塞杆与传力套筒较小内孔连接结构为：所述传力套筒较小内孔壁上设有轴向的导向凸起，所述活塞杆与所述传力套筒较小内孔配合段上设有对应的卡槽，所述导向凸起位于卡槽中可相对轴向滑动。