CN109318224A - 一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，包括机器人本体和控制箱，所述机器人本体上设置有箱体，所述箱体的内部设置有弹簧复位结构，所述控制箱的内部有设置有机器人控制器、电机控制器、人机交互模块、力信息采集模块、力信息修正模块和位置、速度及加速度检测模块，所述机器人控制器的内部分别依次设置有轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块、重力项标定模块、力信息补偿模块、阻尼特性变换模块、雅克比转换模块和力/位控制模式切换模块。有益效果：能够避免管线的过度弯曲和运动范围过大而产生刮碰，提高管线的使用寿命，并且，能够根据重力及动力学判断加工是否会不充分或过量，能够正确地加工工件。

Description

一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体来说，涉及一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构。

背景技术

一般来说，工业机器人包括一个旋转的臂，以及一个安装在臂前端以夹持各种工具的头部。为了针对头部传输或接收电源和控制信号，沿臂的外表面布置了多根电缆，例如电力电缆、操作电缆等，工业机器人操作所必需的此类电缆可能妨碍机器人的操作，当头部操作时，传统工业机器人电缆管由于与臂的外表面接触而受到由摩擦导致的损坏和由于扭绞而导致的弯曲，机器人臂操作导致连续地发生由摩擦导致的损坏和弯曲，从而致使封装在电缆管中的电缆受到损坏。

另外，随着机器人应用领域的扩大，机器人在很多情况下会与外部环境发生接触，并产生接触力，例如机器人运用于装配、切割、抛光、磨削、擦洗、去毛刺、研磨等场合，上述情况下通常需要利用附加的力进行加工，同时把附加的力控制在一定范围内，因此附加力的引入对机器人控制提出了新的要求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，包括机器人本体和控制箱，所述机器人本体的底端设置有底座，所述底座的内部设置有电机一，所述电机一的顶端设置有支撑臂，所述支撑臂的顶端设置有机器人手臂一，所述机器人手臂一与所述支撑臂之间通过电机二相配合连接，所述机器人手臂一远离所述电机二的一端设置有机器人手臂二，所述机器人手臂二与所述机器人手臂一之间通过电机三相配合连接，所述机器人手臂二远离所述电机三的一端设置有机器人操作臂，所述机器人操作臂与所述机器人手臂二之间通过电机四相配合连接，所述机器人操作臂上设置有力传感器，所述支撑臂、所述机器人手臂一、所述机器人手臂二和所述机器人操作臂的一侧分别均设置有进线夹，所述支撑臂、所述机器人手臂一、所述机器人手臂二和所述机器人操作臂的另一侧分别均设置有出线夹，所述支撑臂、所述机器人手臂一、所述机器人手臂二和所述机器人操作臂上分别均设置有夹套，所述夹套的一侧设置有箱体，所述箱体的内部设置有弹簧复位结构，所述箱体的一侧设置有线夹，所述箱体的一端设置有出线口，所述出线口的内部设置有转辊结构，所述控制箱的一侧分别依次设置有显示屏和若干控制按钮，所述控制箱的内部有分别依次设置有机器人控制器、电机控制器、人机交互模块、力信息采集模块、力信息修正模块和位置、速度及加速度检测模块；

其中，所述机器人控制器的内部分别依次设置有轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块、重力项标定模块、力信息补偿模块、阻尼特性变换模块、雅克比转换模块和力/位控制模式切换模块，所述电机控制器的内部设置有电机驱动模块，所述机器人控制器分别与人机交互模块和电机控制器连接，所述电机控制器与所述机器人本体连接，所述机器人本体分别与所述力信息采集模块和所述位置、速度及加速度检测模块连接，所述力信息采集模块与所述力信息修正模块连接，所述力信息修正模块与所述机器人控制器连接，所述位置、速度及加速度检测模块分别与所述电机驱动模块和所述机器人控制器连接。

进一步的，所述弹簧复位结构是由安装板、复位弹簧和线缆固定套构成，所述安装板位于所述复位弹簧的一端并与所述箱体的内侧壁固定连接，所述线缆固定套位于所述复位弹簧的另一端。

进一步的，所述转辊结构是由若干固定块和若干转辊构成，所述固定块分别位于所述出线口的四角，所述转辊分别位于所述出线口的内侧并与所述固定块相配合连接。

进一步的，所述进线夹、所述出线夹和所述线夹的一端分别均设置有柔性转头，所述转辊上套设有缓冲垫。

进一步的，所述机器人本体是六自由度机器人结构。

进一步的，所述电机驱动模块包括三个闭环控制，分别为位置环、速度环和电流环，所述三个闭环控制实现对所述机器人本体各关节的转动。

进一步的，所述重力项标定模块为力感测传感器，所述机器人本体在进行作业前事先标定出所述机器人本体所加载的工具重力，并在所述机器人本体保持一个姿态不动且与工作未接触时由力感测传感器检测出力信息计算得到工具的重力。

进一步的，标定工具重力的方法为以所述机器人本体多组姿态下的力信息测量值作为原始数据，采用最小二乘法拟合出工具重力。

进一步的，所述力信息补偿模块能够对重力项和动力学项进行补偿，得出最接近所述机器人本体末端工具与加工工件之间接触力的力信息。

进一步的，所述机器人本体的运动轨迹能够以样条曲线的方式在显示屏上显示出来。

本发明的有益效果为：通过设置进线夹、出线夹、箱体、弹簧复位结构和转辊结构，从而能够使得管线在箱体内移动，而不会脱离机器人本体太远或刮蹭到机器人本体，从而能够避免管线的过度弯曲和运动范围过大而产生刮碰，提高管线的使用寿命，通过设置力信息采集模块、力信息修正模块、位置速度及加速度检测模块、轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块、重力项标定模块、力信息补偿模块、阻尼特性变换模块、雅克比转换模块和力/位控制模式切换模块，从而能够根据重力及动力学判断加工是否会不充分或过量，能够正确地加工工件。

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，下面描述中的附图仅仅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是根据本发明实施例的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构的走线结构俯视图；

图3是根据本发明实施例的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构的箱体内部结构示意图；

图4是根据本发明实施例的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构的箱体侧视图；

图5是根据本发明实施例的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构的各模块连接示意图。

图中：

1、机器人本体；2、控制箱；3、底座；4、电机一；5、支撑臂；6、机器人手臂一；7、电机二；8、机器人手臂二；9、电机三；10、机器人操作臂；11、电机四；12、力传感器；13、进线夹；14、出线夹；15、夹套；16、箱体；17、弹簧复位结构；18、线夹；19、出线口；20、转辊结构；21、显示屏；22、控制按钮；23、机器人控制器；24、电机控制器；25、人机交互模块；26、力信息采集模块；27、力信息修正模块；28、位置、速度及加速度检测模块；29、轨迹规划模块；30、运动学计算模块；31、动力学计算模块；32、重力项标定模块；33、力信息补偿模块；34、阻尼特性变换模块；35、雅克比转换模块；36、力/位控制模式切换模块；37、电机驱动模块；38、安装板；39、复位弹簧；40、线缆固定套；41、固定块；42、转辊；43、柔性转头；44、缓冲垫。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构。

实施例一：

如图1-5所示，根据本发明实施例的具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，包括机器人本体1和控制箱2，所述机器人本体1的底端设置有底座3，所述底座3的内部设置有电机一4，所述电机一4的顶端设置有支撑臂5，所述支撑臂5的顶端设置有机器人手臂一6，所述机器人手臂一6与所述支撑臂5之间通过电机二7相配合连接，所述机器人手臂一6远离所述电机二7的一端设置有机器人手臂二8，所述机器人手臂二8与所述机器人手臂一6之间通过电机三9相配合连接，所述机器人手臂二8远离所述电机三9的一端设置有机器人操作臂10，所述机器人操作臂10与所述机器人手臂二8之间通过电机四11相配合连接，所述机器人操作臂10上设置有力传感器12，所述支撑臂5、所述机器人手臂一6、所述机器人手臂二8和所述机器人操作臂10的一侧分别均设置有进线夹13，所述支撑臂5、所述机器人手臂一6、所述机器人手臂二8和所述机器人操作臂10的另一侧分别均设置有出线夹14，所述支撑臂5、所述机器人手臂一6、所述机器人手臂二8和所述机器人操作臂10上分别均设置有夹套15，所述夹套15的一侧设置有箱体16，所述箱体16的内部设置有弹簧复位结构17，所述箱体16的一侧设置有线夹18，所述箱体16的一端设置有出线口19，所述出线口19的内部设置有转辊结构20，所述控制箱2的一侧分别依次设置有显示屏21和若干控制按钮22，所述控制箱2的内部有分别依次设置有机器人控制器23、电机控制器24、人机交互模块25、力信息采集模块26、力信息修正模块27和位置、速度及加速度检测模块28；

其中，所述机器人控制器23的内部分别依次设置有轨迹规划模块29、运动学计算模块30、动力学计算模块31、重力项标定模块32、力信息补偿模块33、阻尼特性变换模块34、雅克比转换模块35和力/位控制模式切换模块36，所述电机控制器24的内部设置有电机驱动模块37，所述机器人控制器23分别与人机交互模块25和电机控制器24连接，所述电机控制器24与所述机器人本体1连接，所述机器人本体1分别与所述力信息采集模块26和所述位置、速度及加速度检测模块28连接，所述力信息采集模块26与所述力信息修正模块27连接，所述力信息修正模块27与所述机器人控制器23连接，所述位置、速度及加速度检测模块28分别与所述电机驱动模块37和所述机器人控制器23连接。

借助于上述技术方案，通过设置进线夹13、出线夹14、箱体16、弹簧复位结构17和转辊结构20，从而能够使得管线在箱体16内移动，而不会脱离机器人本体1太远或刮蹭到机器人本体1，从而能够避免管线的过度弯曲和运动范围过大而产生刮碰，提高管线的使用寿命，通过设置力信息采集模块26、力信息修正模块27、位置、速度及加速度检测模块28、轨迹规划模块29、运动学计算模块30、动力学计算模块31、重力项标定模块32、力信息补偿模块33、阻尼特性变换模块34、雅克比转换模块35和力/位控制模式切换模块36，从而能够根据重力及动力学判断加工是否会不充分或过量，能够正确地加工工件。

实施例二：

如图1-5所示，所述弹簧复位结构17是由安装板38、复位弹簧39和线缆固定套40构成，所述安装板38位于所述复位弹簧39的一端并与所述箱体16的内侧壁固定连接，所述线缆固定套40位于所述复位弹簧39的另一端，所述转辊结构20是由若干固定块41和若干转辊42构成，所述固定块41分别位于所述出线口19的四角，所述转辊42分别位于所述出线口19的内侧并与所述固定块41相配合连接，所述进线夹13、所述出线夹14和所述线夹18的一端分别均设置有柔性转头43，所述转辊42上套设有缓冲垫44，所述机器人本体1是六自由度机器人结构，所述电机驱动模块37包括三个闭环控制，分别为位置环、速度环和电流环，所述三个闭环控制实现对所述机器人本体1各关节的转动，所述重力项标定模块32为力感测传感器，所述机器人本体1在进行作业前事先标定出所述机器人本体1所加载的工具重力，并在所述机器人本体1保持一个姿态不动且与工作未接触时由力感测传感器检测出力信息计算得到工具的重力，标定工具重力的方法为以所述机器人本体1多组姿态下的力信息测量值作为原始数据，采用最小二乘法拟合出工具重力，所述力信息补偿模块33能够对重力项和动力学项进行补偿，得出最接近所述机器人本体1末端工具与加工工件之间接触力的力信息，所述机器人本体1的运动轨迹能够以样条曲线的方式在显示屏21上显示出来。

工作原理：在机器人手臂一6、机器人手臂二8和机器人操作臂10运动的时候会拉动线缆，此时，线缆会从箱体16通过出线口19拉出，拉出的同时压缩复位弹簧39，通过转辊42的作用，能够有效避免线缆与出线口19产生摩擦，当机器人手臂一6、机器人手臂二8和机器人操作臂10复位后，复位弹簧39会自动复位，同时将线缆拉回箱体16的内部，在机器人本体1进行工作的时候，轨迹规划模块29根据需求规划所述工业机器人的运动轨迹，运动学计算模块30计算所述机器人本体1的正反运动学解，对所述运动轨迹进行运动学解耦计算，动力学计算模块31计算所述工业机器人动力学项，重力项标定模块32对所述机器人本体1加载的工具进行重力标定，获取重力项，力信息采集模块26实时采集所述工业机器人工具末端与工件之间的力信息，位置、速度及加速度检测模块28实时检测所述工业机器人的实际位置与速度，并反馈至所述电机驱动模块37用于所述电机驱动模块37进行闭环控制，力信息补偿模块33对重力项和动力学项进行补偿，阻尼特性变换模块34对所述工业机器人末端工具与工件间的作用力进行阻尼线性转换，得到笛卡尔空间下各方向的线速度与角速度，力/位控制模式切换模块36获取所述工业机器人各关节角速度作为补偿值加载。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过设置进线夹13、出线夹14、箱体16、弹簧复位结构17和转辊结构20，从而能够使得管线在箱体16内移动，而不会脱离机器人本体1太远或刮蹭到机器人本体1，从而能够避免管线的过度弯曲和运动范围过大而产生刮碰，提高管线的使用寿命，通过设置力信息采集模块26、力信息修正模块27、位置、速度及加速度检测模块28、轨迹规划模块29、运动学计算模块30、动力学计算模块31、重力项标定模块32、力信息补偿模块33、阻尼特性变换模块34、雅克比转换模块35和力/位控制模式切换模块36，从而能够根据重力及动力学判断加工是否会不充分或过量，能够正确地加工工件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，包括机器人本体(1)和控制箱(2)，所述机器人本体(1)的底端设置有底座(3)，所述底座(3)的内部设置有电机一(4)，所述电机一(4)的顶端设置有支撑臂(5)，所述支撑臂(5)的顶端设置有机器人手臂一(6)，所述机器人手臂一(6)与所述支撑臂(5)之间通过电机二(7)相配合连接，所述机器人手臂一(6)远离所述电机二(7)的一端设置有机器人手臂二(8)，所述机器人手臂二(8)与所述机器人手臂一(6)之间通过电机三(9)相配合连接，所述机器人手臂二(8)远离所述电机三(9)的一端设置有机器人操作臂(10)，所述机器人操作臂(10)与所述机器人手臂二(8)之间通过电机四(11)相配合连接，所述机器人操作臂(10)上设置有力传感器(12)，所述支撑臂(5)、所述机器人手臂一(6)、所述机器人手臂二(8)和所述机器人操作臂(10)的一侧分别均设置有进线夹(13)，所述支撑臂(5)、所述机器人手臂一(6)、所述机器人手臂二(8)和所述机器人操作臂(10)的另一侧分别均设置有出线夹(14)，所述支撑臂(5)、所述机器人手臂一(6)、所述机器人手臂二(8)和所述机器人操作臂(10)上分别均设置有夹套(15)，所述夹套(15)的一侧设置有箱体(16)，所述箱体(16)的内部设置有弹簧复位结构(17)，所述箱体(16)的一侧设置有线夹(18)，所述箱体(16)的一端设置有出线口(19)，所述出线口(19)的内部设置有转辊结构(20)，所述控制箱(2)的一侧分别依次设置有显示屏(21)和若干控制按钮(22)，所述控制箱(2)的内部有分别依次设置有机器人控制器(23)、电机控制器(24)、人机交互模块(25)、力信息采集模块(26)、力信息修正模块(27)和位置、速度及加速度检测模块(28)；

其中，所述机器人控制器(23)的内部分别依次设置有轨迹规划模块(29)、运动学计算模块(30)、动力学计算模块(31)、重力项标定模块(32)、力信息补偿模块(33)、阻尼特性变换模块(34)、雅克比转换模块(35)和力/位控制模式切换模块(36)，所述电机控制器(24)的内部设置有电机驱动模块(37)，所述机器人控制器(23)分别与人机交互模块(25)和电机控制器(24)连接，所述电机控制器(24)与所述机器人本体(1)连接，所述机器人本体(1)分别与所述力信息采集模块(26)和所述位置、速度及加速度检测模块(28)连接，所述力信息采集模块(26)与所述力信息修正模块(27)连接，所述力信息修正模块(27)与所述机器人控制器(23)连接，所述位置、速度及加速度检测模块(28)分别与所述电机驱动模块(37)和所述机器人控制器(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述弹簧复位结构(17)是由安装板(38)、复位弹簧(39)和线缆固定套(40)构成，所述安装板(38)位于所述复位弹簧(39)的一端并与所述箱体(16)的内侧壁固定连接，所述线缆固定套(40)位于所述复位弹簧(39)的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述转辊结构(20)是由若干固定块(41)和若干转辊(42)构成，所述固定块(41)分别位于所述出线口(19)的四角，所述转辊(42)分别位于所述出线口(19)的内侧并与所述固定块(41)相配合连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述进线夹(13)、所述出线夹(14)和所述线夹(18)的一端分别均设置有柔性转头(43)，所述转辊(42)上套设有缓冲垫(44)。

5.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述机器人本体(1)是六自由度机器人结构。

6.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述电机驱动模块(37)包括三个闭环控制，分别为位置环、速度环和电流环，所述三个闭环控制实现对所述机器人本体(1)各关节的转动。

7.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述重力项标定模块(32)为力感测传感器，所述机器人本体(1)在进行作业前事先标定出所述机器人本体(1)所加载的工具重力，并在所述机器人本体(1)保持一个姿态不动且与工作未接触时由力感测传感器检测出力信息计算得到工具的重力。

8.根据权利要求7所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，标定工具重力的方法为以所述机器人本体(1)多组姿态下的力信息测量值作为原始数据，采用最小二乘法拟合出工具重力。

9.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述力信息补偿模块(33)能够对重力项和动力学项进行补偿，得出最接近所述机器人本体(1)末端工具与加工工件之间接触力的力信息。

10.根据权利要求1所述的一种具有主动柔性控制功能的工业机器人及其走线结构，其特征在于，所述机器人本体(1)的运动轨迹能够以样条曲线的方式在显示屏(21)上显示出来。