CN109968007A - 基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置 - Google Patents

基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，旨在提高螺旋类零部件装配的成功率，包括宏机械人和柔顺装配机构，该柔顺装配机构包括3‑RPS并联机构和装配头，其中3‑RPS并联机构，包括工具安装板和转接板，以及三条支链；所述支链包括球铰链、大行程柔性滑移铰、音圈电机和第四铰链；所述大行程柔性滑移铰，包括通过连接轴连接的两组柔性单元，每组柔性单元包括3n个十字形柔性梁，n≥1，两组柔性单元之间固定有传感器；所述装配头，包括工具安装板、伺服电机、螺旋类零部件装配工具和激光发射器，以及两个工业相机。

Description

基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置
技术领域
本发明属于工业自动化技术领域，涉及一种宏微机械手螺旋类零部件装配装置，具体涉及一种基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，可用于精密装配领域。
背景技术
自动化装配装置多采用刚性宏微机器人操作系统，其刚性大、定位精度难以确保螺旋类零部件准确装入待装配工件，造成了工件损伤、成品率低等问题。随着柔顺装配技术在装配作业方面的应用，出现了刚性宏机器人/柔性微机器人协同的操作系统，在一定程度上改善了上述现象。但是，现有的柔性微机器人的主被动柔顺实施精度低、响应速度慢，导致柔性微机器人柔顺性差，进而导致装配成功率较低。
例如，申请公布号为CN105522369A，名称为“一种实现轴孔装配的柔顺装置和方法”的专利申请，公开了一种利用磁场力对装配轴的推动作用实现轴孔装配的柔顺装置，包括被动柔顺机构和主动柔顺机构，其中被动柔顺机构包括壳体，壳体内部上方设有第一磁铁，内部下方套设有能够相对于第一磁铁上下移动的柔顺连接部件，柔顺连接部件包括从壳体内穿过壳体的底部的末端连接件、末端连接件上设有与第一磁铁相对且极性相同的第二磁铁，当待装配轴与工件的装配孔之间出现卡阻时，卡阻产生的轴向反作用力迫使装配轴靠近磁铁，使装配轴在逐渐增大的排斥力作用下进行装配位姿的调整，实现被动柔顺效应，主动柔顺机构包括套设在壳体外可旋转的旋转套筒，旋转套筒内侧壁上相对的两侧设有磁铁，壳体下方有磁铁架，磁铁架上设有多对磁铁，当装配轴和磁铁之间的排斥力超过设定值时，旋转套筒旋转，通过磁铁对装有装配轴的柔顺连接部件的磁铁产生吸力或斥力，使柔顺连接部件在任意径向方向来回移动并带动在其末端装有的装配轴调整装配位姿，实现主动柔顺效应，一定程度解决了装配孔壁粗糙时的卡阻问题。但是该发明仍然存在的不足之处是：其主动柔顺通过磁场力使装配轴在任意径向方向来回移动来调整装配位姿，主动柔顺期间没有力反馈，只能通过装配轴任意径向移动摆脱卡阻位置来完成装配，主被动柔顺实施精度低、响应速度慢，导致装配成功率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提出了一种基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，旨在提高螺旋类零部件装配的成功率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括宏机械人1和柔顺装配机构2，其中：
所述宏机械人1，包括基座11、通过第一铰链12连接的基座机械臂13、通过第二铰链14连接的中间机械臂15和通过第三铰链16连接的装配机械臂17；
所述柔顺装配机构2包括3-RPS并联机构21和装配头22；
所述3-RPS并联机构21，包括工具安装板211和转接板212，以及连接工具安装板211与转接板212且周向均匀排布的三条支链213；所述转接板212固定在装配机械臂17的末端；所述支链213包括球铰链2131、大行程柔性滑移铰2132、音圈电机2133和第四铰链2134，其中球铰链2131的球窝与工具安装板211的底面固定，第四铰链2134的一个转动副与转接板213固定，所述大行程柔性滑移铰2132的一端与球铰链2131的球头固定，另一端与音圈电机2133动子的自由端固定，该音圈电机2133的定子与第四铰链2134的另一个转动副连接；所述大行程柔性滑移铰2132，包括通过连接轴21324连接的两组平行设置的柔性单元，每组柔性单元包括3n个十字形柔性梁21321，n≥1，两组柔性单元之间固定有传感器21323，用于采集螺旋类零部件装配工具223装配时通过工具安装板211施加在三条支链213的内力，且两组柔性单元中的十字形柔性梁21321的自由端通过连接杆21322连接；
所述任意一条支链213的内力小于工件划伤力极限值时，所有十字形柔性梁21321沿连接轴21324的轴线滑移变形，实现被动柔顺效应，当任意一条支链213的内力超过工件划伤力极限值时，3-RPS并联机构21的控制系统驱动相应支链上的音圈电机2133伸缩运动，实现主动柔顺控制；
所述装配头22，包括工具安装板211、固定在工具安装板211底面中心位置的伺服电机221和通过刀具夹头222连接的顶面中心位置的螺旋类零部件装配工具223、固定在工具安装板211顶面上用于向螺旋类零部件待安装位置投射激光的激光发射器225，以及两个用于捕获视场图像的工业相机224；
作为优化，所述伺服电机221驱动轴的轴线，以及螺旋类零部件装配工具223的轴线，与周向均匀排布的三条支链213形成的轴线重合；
作为优化，所述的两个工业相机224，其捕获的视场信息包括待安装位置的三维位置信息；
作为优化，所述转接板213，其顶面固定的三个第四铰链2134的转动轴轴线，与该三个第四铰链2124构成的等边三角形外接圆相切。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明通过安装在工具安装板顶面上两个工业相机获取待装配工件的三维位置信息，宏机械人控制系统引导柔顺装配机构运动到待装配工件上方，进行初定位，并在此基础上柔顺装配机构通过激光发射器投影的激光以及两个工业相机再次获取的待装配工件的三维位置信息，调整柔顺装配机构的位姿，实现螺旋类零部件装配工具与待装配工件的精确对位，当任意一条支链的内力小于工件划伤力极限值时，所有十字形柔性梁沿连接轴的轴线滑移变形，实现被动柔顺效应，当任意一条支链的内力超过工件划伤力极限值时，3-RPS并联机构的控制系统驱动相应支链上的音圈电机伸缩运动，实现主动柔顺控制，避免了现有技术中因为主被动柔顺实施精度低、响应速度慢导致的柔顺性差的缺陷，有效地提高了螺旋类零部件装配的成功率。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的柔顺装配结构示意图；
图3是本发明实施例的支链结构示意图；
图4是本发明实施例的大行程柔性滑移铰结构示意图；
图5是本发明实施例的装配头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明包括宏机械人1和柔顺装配机构2，其中：所述宏机械人1，包括基座11、通过第一铰链12连接的基座机械臂13、通过第二铰链14连接的中间机械臂15和通过第三铰链16连接的装配机械臂17，宏机械人1包括3个自由度，其中基座机械臂13通过第一铰链12相对基座11回转运动，中间机械臂15通过第二铰链14相对基座机械臂13俯仰运动，装配机械臂17通过第三铰链16相对中间机械臂15俯仰运动，在装配开始时通过装配头22中的两个工业相机224获取待装配工件的位置，宏机械人1的控制系统驱动3自由度宏机械人1带动柔顺装配机构2在运动到待装配位置的上方，实现柔顺装配机构2的粗定位作用。
参照图2，所述柔顺装配机构2，包括3-RPS并联机构21和装配头22；所述3-RPS并联机构21包括工具安装板211和转接板212，以及连接工具安装板211与转接板212且周向均匀排布的三条支链213；所述3-RPS并联机构21控制系统驱动三条支链213各自产生伸缩运动时，装配头22实现沿以工具安装板211顶面为x，y轴组成的平面，且以工具安装板211底面指向顶面方向为z轴正方向的坐标系的z轴的平移和绕x，y轴的旋转运动；所述转接板212固定在装配机械臂17的末端；所述支链213，其结构如图3所示，包括球铰链2131、大行程柔性滑移铰2132、音圈电机2133和第四铰链2134，其中球铰链2131的球窝与工具安装板211的底面固定，第四铰链2134的一个转动副与转接板213固定，所述大行程柔性滑移铰2132的一端与球铰链2131的球头固定，另一端与音圈电机2133动子的自由端固定，该音圈电机2133的定子与第四铰链2134的另一个转动副连接，音圈电机的定子和动子组成滑动副，在3-RPS并联机构21的控制系统的驱动下进行伸缩运动，第四铰链2134的转动轴与三个第四铰链2134组成的等边三角形的外接圆相切；所述大行程柔性滑移铰2132，其结构如图4所示，包括通过连接轴21324连接的两组平行设置的柔性单元，每组柔性单元包括3n个十字形柔性梁21321，n≥1，两组柔性单元之间固定有传感器21323，用于采集螺旋类零部件装配工具223装配时通过工具安装板211施加在三条支链213的内力，且两组柔性单元中的十字形柔性梁21321的自由端通过连接杆21322连接，十字形柔性梁21321在受到螺旋类零部件装配工具223装配时通过工具安装板211施加在三条支链213的内力时，可以发生沿着连接轴21324的轴向位移；所述任意一条支链213的内力小于工件划伤力极限值时，所有十字形柔性梁21321沿连接轴21324的轴线滑移变形，实现被动柔顺效应，当任意一条支链213的内力超过工件划伤力极限值时，3-RPS并联机构21的控制系统驱动相应支链上的音圈电机2133伸缩运动，实现主动柔顺控制。
参照图5，所述装配头22，包括工具安装板211、固定在工具安装板211底面中心位置的伺服电机221和顶面中心位置的螺旋类零部件装配工具223、固定在工具安装板211顶面上用于向螺旋类零部件待安装位置投射激光的激光发射器225，以及两个用于捕获视场图像的工业相机224，激光发射器225向待装配位置进行照射，通过两个工业相机224采集视场信息，根据捕获的视场信息得出待安装位置的三维位置；所述伺服电机221驱动轴的轴线，以及螺旋类零部件装配工具223的轴线，与周向均匀排布的三条支链213形成的轴线重合。
本发明的工作原理是：
所述宏机械人1在其控制系统驱动下带动柔顺装配机构2在运动到待装配位置的上方，柔顺装配机构2的控制系统驱动激光发射器225向待装配位置投射激光图案，同时两个工业相机224捕获待装配位置激光图案，获取待装配工件的三维位置信息，柔顺装配机构2的控制系统依据待装配工件的三维位置信息精确调整柔顺装配机构2的位姿，实现螺旋类零部件装配工具与待装配工件的精确对位，宏机械人1的控制系统驱动宏机械人1带动柔顺装配机构2上的螺旋类零部件装配工具223与待装配工件接触，此时螺旋类零部件装配工具在装配工件与待装配工件接触产生轴线反作用力，该轴线反作用力通过工具安装板211施加在三条支链213上产生内力，当任意一条支链的内力小于工件划伤力极限值时，所有十字形柔性梁沿连接轴的轴线滑移变形，实现被动柔顺效应，当任意一条支链的内力超过工件划伤力极限值时，3-RPS并联机构的控制系统驱动相应支链上的音圈电机伸缩运动，实现主动柔顺控制。

Claims (4)

1.一种基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，包括宏机械人(1)和柔顺装配机构(2)，其中：
所述宏机械人(1)，包括基座(11)、通过第一铰链(12)连接的基座机械臂(13)、通过第二铰链(14)连接的中间机械臂(15)和通过第三铰链(16)连接的装配机械臂(17)；
所述柔顺装配机构(2)包括3-RPS并联机构(21)和装配头(22)；
所述3-RPS并联机构(21)，包括工具安装板(211)和转接板(212)，以及连接工具安装板(211)与转接板(212)且周向均匀排布的三条支链(213)；所述转接板(212)的底面固定在装配机械臂(17)的末端；所述支链(213)包括球铰链(2131)、大行程柔性滑移铰(2132)、音圈电机(2133)和第四铰链(2134)，其中球铰链(2131)的球窝与工具安装板(211)的底面固定，第四铰链(2134)的一个转动副与转接板(213)的顶面固定，所述大行程柔性滑移铰(2132)的一端与球铰链(2131)的球头固定，另一端与音圈电机(2133)动子的自由端固定，该音圈电机(2133)的定子与第四铰链(2134)的另一个转动副连接；所述大行程柔性滑移铰(2132)，包括通过连接轴(21324)连接的两组平行设置的柔性单元，每组柔性单元包括3n个十字形柔性梁(21321)，n≥1，两组柔性单元之间固定有传感器(21323)，用于采集螺旋类零部件装配工具(223)装配时通过工具安装板(211)施加在三条支链(213)的内力，且两组柔性单元中的十字形柔性梁(21321)的自由端通过连接杆(21322)连接；
所述任意一条支链(213)的内力小于工件划伤力极限值时，所有十字形柔性梁(21321)沿连接轴(21324)的轴线滑移变形，实现被动柔顺效应，当任意一条支链(213)的内力超过工件划伤力极限值时，3-RPS并联机构(21)的控制系统驱动相应支链上的音圈电机(2133)伸缩运动，实现主动柔顺控制；
所述装配头(22)，包括工具安装板(211)、固定在工具安装板(211)底面中心位置的伺服电机(221)和顶面中心位置的螺旋类零部件装配工具(223)、固定在工具安装板(211)顶面上用于向螺旋类零部件待安装位置投射激光的激光发射器(225)，以及两个用于捕获视场图像的工业相机(224)。
2.根据权利要求1所述的基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，其特征在于：所述伺服电机(221)驱动轴的轴线，以及螺旋类零部件装配工具(223)的轴线，与周向均匀排布的三条支链(213)形成的轴线重合。
3.根据权利要求1所述的基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，其特征在于：所述的两个工业相机(224)，其捕获的视场信息为螺旋类零部件待装配位置的三维位置信息。
4.根据权利要求1所述的基于主被动协同柔顺的宏微机械手螺旋类零部件装配装置，其特征在于：所述转接板(213)，其顶面固定的三个第四铰链(2134)的转动轴轴线，与该三个第四铰链(2124)构成的等边三角形外接圆相切。
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