CN110026990A - 一种电控集成式主动力控装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控集成式主动力控装置及其控制方法，其包括：壳体，壳体上分别设有第一机械接口和第二机械接口；控制电路，控制电路设置在壳体内；气缸；位移传感器，位移传感器与控制电路连接；力传感器，力传感器与控制电路连接，气缸的活塞输出端与位移传感器的活塞端均通过连接件固定在力传感器上，力传感器通过曲柄连接件与第一机械接口连接；电磁阀结构，电磁阀结构分别连接控制电路和气缸，控制方法为在力控装置接触力控制过程中对工具以及力控装置运动单元的重力作用进行补偿，并通过力控制算法将接触力控制在期望值。本发明结构简单，体积小，可以有效提升接触力控制的精度，实现任意方向的接触力控制，并且操作方便，工作效率高。

Description

一种电控集成式主动力控装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及作用力控制领域，具体涉及一种可用于机器人作业中对接触力进行主动控制的装置及其控制方法。

背景技术

航空航天，汽车零部件、卫浴五金等不同行业的零件加工过程中均会涉及打磨这道工序。然而，目前很多零件的打磨依旧主要依靠人工打磨。但是，人工打磨存在效率低，打磨质量难以保证等诸多问题。机器人打磨在逐渐成为一种发展趋势，并已越来越多的应用于工业领域中。

现有的机器人磨抛过程中，打磨头与工件之间在大部分情况下均未考虑接触力控制措施或者仅采取了简单的被动式力控制。此种情况下，打磨过程中的实际接触力并没有得到准确的控制。工件与安装于机器人末端的刀具之间很容易会发生刚性接触，从而导致过抛的问题，严重的话，还会导致工件或刀具的损坏。于是，在对工件表面质量要求较高的磨抛场合，必须要通过主动式接触力控制的方式才能取得较为理想的机器人打磨效果。

发明内容

本发明为了解决上述问题，从而提供一种可用于机器人作业中对接触力进行主动控制的装置及其控制方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电控集成式主动力控装置，所述电控集成式主动力控装置包括：

壳体，所述壳体上分别设有第一机械接口和第二机械接口，所述第一机械接口与工具端连接，所述第二机械接口与机器人末端连接；

控制电路，所述控制电路设置在壳体内；

至少一个双作用气缸，所述气缸设置在壳体内；

至少一个力传感器，所述力传感器设置在壳体内，并与控制电路连接，气缸的活塞输出端通过连接件固定在力传感器上，所述力传感器通过曲柄连接件与第一机械接口连接；

至少一个电磁阀结构，所述电磁阀结构设置在壳体内，并分别连接控制电路和气缸。

在本发明的一个优选实施例中，所述电控集成式主动力控装置还包括至少一个位移传感器，所述位移传感器设置在壳体内，并与控制电路连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述壳体上还设有一导向装置，所述导向装置包括两根直线导轨和四个滑动轴承，每根直线导轨上装有两个滑动轴承，直线导轨安装在壳体一侧，第一机械接口安装在四个滑动轴承上。

在本发明的一个优选实施例中，所述电磁阀结构包括电磁比例调压阀和电磁换向阀，所述壳体上设有进气端，所述进气端与电磁比例调压阀的进气端连接，所述电磁比例调压阀的气体输出端与电磁换向阀的进气端连接，所述电磁换向阀的两个气体输出端分别与气缸的两个气口相连，控制电路分别连接电磁比例调压阀和电磁换向阀，

在本发明的一个优选实施例中，所述电磁阀结构为一电磁比例换向阀，所述壳体上设有进气端，所述电磁比例换向阀分别连接进气端、气缸和控制电路。

在本发明的一个优选实施例中，所述控制电路包括数据采集模块，指令发送模块，通信模块，电源模块，传感模块和运算处理模块，所述电源模块连接外部电源，所述通信模块通过总线与机器人控制器或计算机连接，所述数据采集模块分别连接位移传感器、力传感器和传感模块，所述指令发送模块连接电磁阀结构，所述运算处理模块分别连接令发送模块、通信模块和数据采集模块。

在本发明的一个优选实施例中，所述传感模块可以是芯片式的单轴或多轴加速度传感器，也可以是芯片式的陀螺仪或者倾角传感器。

一种电控集成式主动力控装置的控制方法，所述控制方法为：在力控装置接触力控制过程中对工具以及力控装置运动单元的重力作用进行补偿，并在此基础上通过接触力控制算法将工具端受到的接触力控制在期望值。

在本发明的一个优选实施例中，所述控制方法具体包括如下步骤：

(1)首先在初始状态下时，将重力补偿后的接触力大小控制在零附近；

(2)然后对重力补偿后的接触力大小进行实时监测，当其大小超出提前设定的阈值范围时，则判断安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触，否则为非接触状态；

(3)当安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触时，控制电路通过调节电磁阀结构的输入指令，以控制接触力的大小，使其等于期望值，通过控制电磁阀结构的输入电压，以切换接触力的控制方向。

在本发明的一个优选实施例中，

工具以及力控装置运动单元的重力通过在力控装置处于非接触状态且机器人处于静止状态时，由控制电路根据传感模块与力传感器的信号自动计算得到；

工具受到的接触力根据力控装置内置力传感器的输出值，工具与力控装置运动单元的重力及其与力控装置运动方向的夹角，导向装置与气缸的摩擦力模型共同计算得出；

工具受到的接触力还可以根据电磁阀结构的气压反馈值、气缸的活塞截面积、工具与力控装置运动单元的重力及其与力控装置运动方向的夹角、导向装置与气缸的摩擦力模型共同计算得到。

本发明的有益效果是：

(1)现有的主动式接触力控制装置，其控制器均为独立于力控装置的另一外置设备，存在体积较大，线缆较多，使用起来不方便的问题，本发明通过集成化、小型化设计，将控制器的尺寸缩小且将其集成于力控装置内部，大幅减小了接触力控制产品的总体积、缩减了设备与线缆数量，大大简化了力控装置使用操作的复杂度；

(2)本发明采用嵌入式传感器测量重力与力控装置运动方向之间的夹角，以补偿重力对接触力测量结果的影响，可以有效提升接触力控制的精度，实现任意方向的接触力控制，并且不会额外增加产品的体积尺寸；

(3)在同类产品中，工具重量均需由用户提前测量并输入至力控装置的控制系统，才能有效实现重力补偿，而本发明可根据集成于力控装置内置传感模块与力传感器的信号自动计算出工具重量，方便快捷，计算准确，自动化与智能化程度高，进一步简化了力控装置的操作流程。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的内部结构示意图；

图2为导向装置的安装示意图；

图3为本发明的外部结构示意图；

图4为本发明的控制原理结构示意图；

图5为本发明的另一种控制原理结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照图1至图5，本发明提供的电控集成式主动力控装置，其包括壳体100，在壳体100内部设有控制电路200、至少一个气缸300、至少一个位移传感器400、至少一个力传感器500和至少一个电磁阀结构。

在壳体100上下两侧分别设有第一机械接口110和第二机械接口120，第一机械接口110用于连接工具端，第二机械接口120用于连接机器人末端。

气缸300，其具体为一双作用气缸，具体通过两个气缸安装夹具310可拆卸地固定在壳体100上，其是用于带动第一机械接口110进行同步运动。

位移传感器400，其是用于实时测量气缸300的位移，通过将测得的位移信息传递至控制电路200，这样可将力控装置的初始位置控制在其行程的中间位置，以方便于机器人位姿控制。

气缸300的活塞输出端与位移传感器400的活塞端均通过连接件510固定在力传感器500上，而力传感器500通过曲柄连接件520与第一机械接口110连接，这样当气缸300的活塞进行伸缩运动时，位移传感器400的活塞、连接件510、力传感器500、曲柄连接件520以及第一机械接口110都可随气缸300的活塞杆一起同步运动，而且由于力传感器500串接在气缸300的活塞与第一机械接口110之间，力传感器500可以直接测得作用在力控装置运动单元上的力的大小和方向，并将检测到的数据发送给控制电路200。

另外，在壳体100上设有一导向装置130，导向装置130包括两根直线导轨131和四个滑动轴承132，每根直线导轨131上装有两个滑动轴承132，直线导轨131安装在壳体100一侧，第一机械接口110安装在四个滑动轴承132上，这样通过导向装置130可实现第一机械接口110的导向与抗扭转等功能。

导向装置130具体还可以是滚珠花键轴承或者具备抗扭转功能的其他类型直线轴承。

电磁阀结构，其分别连接控制电路200和气缸300，控制电路200可通过电磁阀结构控制气缸300工作。

电磁阀结构具体包括电磁比例调压阀610和电磁换向阀620，在壳体100上设有进气端，进气端与电磁比例调压阀610的进气端连接，电磁比例调压阀610的气体输出端与电磁换向阀620的进气端连接，电磁换向阀620的两个气体输出端分别与气缸300的两个气口相连，控制电路200分别连接电磁比例调压阀610和电磁换向阀620，电磁比例调压阀610可根据控制电路200的输出指令控制气缸300内的气体压力，而电磁换向阀620可以根据控制电路200的输出指令控制气缸300中活塞的运动方向。

电磁换向阀620具体为一个二位五通电磁换向阀或由两个二位三通电磁阀组合而成。

另外，电磁阀结构具体也可直接由一个电磁比例换向阀630，在壳体100上设有进气端，电磁比例换向阀630分别连接进气端、气缸300和控制电路200，通过电磁比例换向阀630可以对气体的流速及运动方向进行控制，进而实现对气缸300的活塞运动速度与运动方向的控制，通过力反馈控制，可以实现对力控装置双向接触力的控制。

这里的控制电路的输出指令具体为电磁比例换向阀630的气体流速的指令电压信号。

控制电路200，其具体通过一安装壳700直接集成在壳体100内，其是本申请的控制终端，可分别连接机器人控制器或计算机、位移传感器400、力传感器500和电磁阀结构，其可通过通信总线接收机器人控制器或计算机发来的控制指令，并对接收到的位移传感器400和力传感器500发送来的数据进行计算和分析，然后得到对应的控制指令，然后将控制指令发送给电磁阀结构，调节气缸300的输出压力和输出方向。

控制电路200具体包括数据采集模块210，指令发送模块220，通信模块230，电源模块240，传感模块250和运算处理模块260。

电源模块240连接外部电源，用于为设备供电。

通信模块230与机器人控制器或计算机连接，用于接收机器人控制器或计算机发来的控制指令。

数据采集模块210分别连接位移传感器400、力传感器500和传感模块250，数据采集模块210可采集位移传感器400、力传感器500和传感模块250发送来的信息，并将信息统一发送给运算处理模块260进行计算和分析。

由于力控装置运动部分以及安装于其上的工具均受到重力的作用，重力在力控装置运动方向上的分量将作用在力传感器500上，进而会影响对工具与工件之间接触力的测量结果，为此，本申请在控制电路200中集成了传感模块250，传感模块250具体可以是芯片式的单轴或多轴加速度传感器，也可以是芯片式的陀螺仪或者倾角传感器，传感模块250可以实时测算出重力在力控装置运动方向上的分量，通过对重力分量进行实时补偿，可以提升接触力测量与控制的精确性。

运算处理模块260根据接受到的数据采集模块210发送来的数据进行计算和分析，然后得到控制指令，并将控制指令发送给指令发送模块220，指令发送模块220再将控制信号发送给电磁阀结构，进行对应控制，从而实现对力控装置所受到的接触力的准确控制。

这样，通过上述结构的实施，本申请通过集成化、小型化设计，将控制器的尺寸缩小且将其集成于力控装置内部，大幅减小了接触力控制产品的总体积、设备与线缆数量，大大简化了力控装置使用操作的复杂度。

另外，本申请采用集成于控制电路内部的芯片式加速度传感器测量重力与力控装置运动方向之间的夹角，以补偿工具重力对接触力测量结果的影响。不仅可以有效提升接触力控制的精度，实现任意方向的接触力控制，而且由于采用芯片式传感器，不会额外增加产品的体积尺寸。

再者，在同类产品中，工具重量均需要提前测量好，并需要手动的输入至机器人控制器或者计算机中，由机器人控制器/计算机通过总线通信传递至力控装置的控制系统，才能有效实现重力补偿，而本申请可根据集成于力控装置内部的传感模块250与力传感器500的信号自动计算出安装于力控装置运动部分上的工具重量。此功能计算准确，方便快捷，自动化与智能化程度高，进一步简化了力控装置的操作流程。

基于上述方案的实施，本申请还公开了一种电控集成式主动力控装置的控制方法，其在力控装置接触力控制过程中对工具以及力控装置运动单元的重力作用进行补偿，并在此基础上通过接触力控制算法将工具端受到的接触力控制在期望值。

上述控制方法具体包括如下步骤：

(1)首先在初始状态下时，将重力补偿后的接触力大小控制在零附近；

(2)然后对重力补偿后的接触力大小进行实时监测，当其大小超出提前设定的阈值范围时，则判断安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触，否则为非接触状态；

(3)当安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触时，控制电路200通过调节电磁阀结构的输入指令，以控制接触力的大小，使其等于期望值，通过控制电磁阀结构的输入电压，以切换接触力的控制方向。

上述力控装置处于非接触状态且机器人处于静止状态时，力控装置内置控制电路可根据传感模块250与力传感器500的信号自动计算出安装于力控装置运动部分上的工具重量。

安装于力控装置运动端的工具所受到的接触力大小可以根据其集成于力控装置内部的力传感器500的输出值，工具与力控装置运动部分的总重力，重力与力控装置运动方向的夹角，以及前期测试得到的导向装置130与气缸300的摩擦力模型共同计算得到。

另外，安装于力控装置运动端的工具所受到的接触力大小也可以根据其集成于力控装置内部的电磁阀结构的气压反馈值，气缸活塞的截面积，工具与力控装置运动部分的总重力，重力与力控装置运动方向的夹角，以及前期测试得到的导向装置130与气缸300的摩擦力模型共同计算得到，具体可根据实际需求而定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述电控集成式主动力控装置包括：

壳体，所述壳体上分别设有第一机械接口和第二机械接口，所述第一机械接口与工具端连接，所述第二机械接口与机器人末端连接；

控制电路，所述控制电路设置在壳体内；

至少一个双作用气缸，所述气缸设置在壳体内；

至少一个力传感器，所述力传感器设置在壳体内，并与控制电路连接，气缸的活塞输出端通过连接件固定在力传感器上，所述力传感器通过曲柄连接件与第一机械接口连接；

至少一个电磁阀结构，所述电磁阀结构设置在壳体内，并分别连接控制电路和气缸。

2.根据权利要求1所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述电控集成式主动力控装置还包括至少一个位移传感器，所述位移传感器设置在壳体内，并与控制电路连接。

3.根据权利要求1所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述壳体上还设有一导向装置，所述导向装置包括两根直线导轨和四个滑动轴承，每根直线导轨上装有两个滑动轴承，直线导轨安装在壳体一侧，第一机械接口安装在四个滑动轴承上。

4.根据权利要求1所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述电磁阀结构包括电磁比例调压阀和电磁换向阀，所述壳体上设有进气端，所述进气端与电磁比例调压阀的进气端连接，所述电磁比例调压阀的气体输出端与电磁换向阀的进气端连接，所述电磁换向阀的两个气体输出端分别与气缸的两个气口相连，控制电路分别连接电磁比例调压阀和电磁换向阀。

5.根据权利要求1所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述电磁阀结构为一电磁比例换向阀，所述壳体上设有进气端，所述电磁比例换向阀分别连接进气端、气缸和控制电路。

6.根据权利要求1所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述控制电路包括数据采集模块，指令发送模块，通信模块，电源模块，传感模块和运算处理模块，所述电源模块连接外部电源，所述通信模块通过总线与机器人控制器或计算机连接，所述数据采集模块分别连接位移传感器、力传感器和传感模块，所述指令发送模块连接电磁阀结构，所述运算处理模块分别连接令发送模块、通信模块和数据采集模块。

7.根据权利要求6所述的一种电控集成式主动力控装置，其特征在于，所述传感模块可以是芯片式的单轴或多轴加速度传感器，也可以是芯片式的陀螺仪或者倾角传感器。

8.一种电控集成式主动力控装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：在力控装置接触力控制过程中对工具以及力控装置运动单元的重力作用进行补偿，并在此基础上通过接触力控制算法将工具端受到的接触力控制在期望值。

9.根据权利要求8所述的一种电控集成式主动力控装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括如下步骤：

(1)首先在初始状态下时，将重力补偿后的接触力大小控制在零附近；

(2)然后对重力补偿后的接触力大小进行实时监测，当其大小超出提前设定的阈值范围时，则判断安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触，否则为非接触状态；

(3)当安装于力控装置上的工具与其他物体发生接触时，控制电路通过调节电磁阀结构的输入指令，以控制接触力的大小，使其等于期望值，通过控制电磁阀结构的输入电压，以切换接触力的控制方向。

10.根据权利要求8所述的一种电控集成式主动力控装置的控制方法，其特征在于，

工具以及力控装置运动单元的重力通过在力控装置处于非接触状态且机器人处于静止状态时，由控制电路根据传感模块与力传感器的信号自动计算得到；

工具受到的接触力根据力控装置内置力传感器的输出值，工具与力控装置运动单元的重力及其与力控装置运动方向的夹角，导向装置与气缸的摩擦力模型共同计算得出；

工具受到的接触力还可以根据电磁阀结构的气压反馈值、气缸的活塞截面积、工具与力控装置运动单元的重力及其与力控装置运动方向的夹角、导向装置与气缸的摩擦力模型共同计算得到。