CN110058524B - 两自由度弹性模块及其测量和控制方法 - Google Patents

两自由度弹性模块及其测量和控制方法 Download PDF

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Abstract

两自由度弹性模块及其测量和控制方法，属于机器人技术领域。两自由度弹性模块，包括弹性模块连接装置和弹性模块主体，弹性模块连接装置将弹性模块主体分别与输入轴和输出轴连接，输入轴与电机连接，输出轴与负载连接，弹性模块主体包括弹性体、输入轴角度测量装置、输出轴角度测量装置和输出轴轴向位移测量装置，弹性体产生旋转方向与轴向方向上的弹性形变，电机、输入轴、弹性体、输出轴和负载处在同一轴线上。有益技术效果：(1)同时实现旋转和平动两个维度的弹性控制，弹性体材料方便更换，适应不同应用需求。(2)实时检测弹性体的旋转方向形变和轴向位移。(3)实时计算实际的力与力矩，实现对弹性模块速度、力矩和轴向力的精准控制。

Description

两自由度弹性模块及其测量和控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种两自由度弹性模块及其测量和控制方法。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人与人协作的作业模式以及人机共存的应用环境正在出现.人机共存环境与传统工业机器人作业环境最大的不同是环境动态变化以及人机交互操作的不确定性。传统工业机器人为了保证高速和高精度性能，机械本体一般以刚性结构为主，致使其末端刚度很大，无法应对人机共存环境的不确定性。一旦出现操作失误，将对环境中的其他对象及机器人自身结构的安全造成威胁。协作机器人和仿生机械臂需要具备对不确定性交互任务做出合适反应的能力，即柔顺性，以确保人、操作对象、环境以及机器人自身的安全。
串联弹性驱动器(SEA)是以电机为驱动源，在电机输出轴和负载之间加入弹簧等弹性结构而构成的柔性驱动单元，SEA本质上属于被动柔顺结构，但是与电机控制技术和基于弹簧变形量的关节力检测技术相结合，可以实现可控可调的柔顺输出性能，因此，SEA作为一种新型驱动器受到机器人学术界以及企业的大量关注，被用于各种需要柔顺或弹性的机器人机构中。
线弹簧是目前SEA结构设计中常用的弹性元件，通过弹簧的空间布局以及与不同传动机构的组合，构成具有不同输出形式的SEA。典型的SEA使用案例有：Paine采用皮带轮带动滚珠丝杠，在丝杠与输出端之间采用2组弹簧构成直线SEA；Tsagarakis将线弹簧绕圆周布置在电机轴和驱动盘之间构成紧凑型旋转SEA；Bae在电机和锥齿轮对之间应用扭簧连接构成交叉轴传动的SEA。使用线弹簧的确可以改变传动结构的刚度，实现串联弹性驱动的功能，但由于常用的弹簧有拉簧、压簧和扭簧，在设计结构时，使用单种弹簧仅能实现平动或旋转控制中的一种。在使用弹簧作为弹性元件时，需要将相同的两个弹簧对称的布置在连接结构的两侧。同时实现旋转和平动的串联弹性结构，如果仍然使用线弹簧作为弹性元件，需要设计庞大的结构。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种两自由度弹性模块，使用弹性体作为弹性连接的部分，构建一种同时实现旋转和平动的串联弹性结构。弹性体在其弹性限度内拉伸压缩与旋转时都遵循胡克定律，具有良好的线性度，利用弹性体(如橡胶体)作为弹性元件，可以同时实现旋转和平动两个维度的弹性控制。本发明的难点在于，当轴上同时存在旋转和轴向位移变化时，如何同时检测弹性体的旋转方向形变和轴向位移的实时数据，进而根据测量结果控制弹性模块。本发明的目的通过以下技术方案实现。
两自由度弹性模块，其特征在于，包括弹性模块连接装置和弹性模块主体，弹性模块连接装置将弹性模块主体分别与输入轴和输出轴连接，输入轴与电机连接，输出轴与负载连接，弹性模块主体包括弹性体、输入轴角度测量装置、输出轴角度测量装置和输出轴轴向位移测量装置，弹性体产生旋转方向与轴向方向上的弹性形变，电机、输入轴、弹性体、输出轴和负载处在同一轴线上。
输入轴与输出轴之间用弹性体连接，弹性体能产生旋转方向与轴向方向上的弹性形变；同时弹性体材料方便更换，应对不同应用需求，并且能输出轴上的力矩以及轴向的力。而弹性体的弹性形变量对应着轴上的旋转力矩与轴向上拉/压力的大小，同时检测弹性体的轴向和旋转方向的形变是本发明的关键之处。将输入轴视为固定旋转轴，则测输入轴在旋转时的位置，检测输出轴的旋转位置和轴向位置，即可得到弹性体的旋转形变量和轴向的形变量。
进一步地，所述弹性体为橡胶体。橡胶体在其弹性限度内拉伸压缩与旋转时都遵循胡克定律，具有良好的线性度。
进一步地，所述弹性模块连接装置包括支撑壳体Ⅰ、中间壳体和支撑壳体Ⅱ，支撑壳体Ⅰ与输入轴连接，支撑壳体Ⅱ和输出轴连接，支撑壳体Ⅰ通过中间壳体和支撑壳体Ⅱ连接。
进一步地，支撑壳体Ⅰ与输入轴的连接是利用止动环Ⅰ将轴承Ⅰ内轴固联在输入轴上，将轴承Ⅰ外轴固定在支撑壳体Ⅰ上。保证输入轴相对支撑壳体Ⅰ只存在旋转运动，无轴向位移。
进一步地，所述输入轴角度测量装置包括固定在输入轴上的编码器Ⅰ和固定在中间壳体上的读头Ⅰ。编码器Ⅰ配合读头Ⅰ可以读取电机输出给输入轴的实时位置和转速。
进一步地，所述输出轴轴向位移测量装置包括位移标志滑块和固定在中间壳体上的位移传感器，位移标志滑块通过止动环Ⅱ和轴承Ⅱ与输出轴连接，同时位移标志滑块利用凹槽和滚珠与带有对应凹槽的中间壳体连接。通过这一巧妙设计，使得位移标志滑块仅具有与输出轴相同的轴向位移，消除了输出轴的旋转运动，使用固定在中间壳体上的位移传感器可以检测位移标志滑块的轴向位移，读出输出轴的轴向运动信息。
进一步地，所述输出轴角度测量装置包括编码器Ⅱ和固定在中间壳体上的读头Ⅱ，编码器Ⅱ利用凹槽和滚珠与带有对应凹槽的输出轴连接，同时通过轴承III和支撑壳体Ⅱ连接，从而输出轴能在编码器Ⅱ内顺利的产生轴向运动，同时编码器Ⅱ跟随输出轴的旋转运动。通过这一巧妙设计，使得编码器Ⅱ仅具有与输出轴相同的旋转运动，消除了输出轴的轴向位移，编码器Ⅱ配合读头Ⅱ可以读取输出轴的实时位置和转速。
本发明的另一目的是提供两自由度弹性模块的轴向拉/压力和旋转力矩的测量方法。
弹性体在轴拉力的作用下会在造成轴向形变，也会导致径向的面积变小，弹性体长度增大，对于圆柱形弹性体，拉伸或压缩的应力应变关系为
Figure RE-GDA0002087559740000031
则轴向形变为
Figure RE-GDA0002087559740000032
同时截面上的应变
Figure RE-GDA0002087559740000033
泊松比
Figure RE-GDA0002087559740000034
相应的，扭转时，扭矩会使弹性体产生扭转角度
Figure RE-GDA0002087559740000035
同时造成轴向位置的偏移(其中F代表拉/压力，Δl代表长度变化量，T为转矩，φ是形变角度，R'代表形变后的半径，l代表原长，l'代表形变后的长度，μ代表材料的泊松比)。本发明通过检测轴向与旋转形变来解析出轴上的力和力矩。根据力学模型与实验可以得出测量出的两个维度形变量受到两个方向上的力与力矩影响的关系，通过解耦算法能从测量值计算实际的力与力矩。具体计算方法如下。
将测量范围设置为三个区间：当两个方向上的形变量小(轴向形变不超过原长的1/10) 时，测量形变与对应力和力矩之间存在线性耦合的关系：即
Figure RE-GDA0002087559740000036
通过测量静态模式下的拉力与扭力对两个方向上的形变的关系可以得到形变与施加在弹性体上力与力矩的关系，得到耦合矩阵，通过解耦矩阵可以得到对应的力和力矩与形变的对应关系：
Figure RE-GDA0002087559740000037
对于较大弹性形变(轴向线性变大于原长的1/10)的情况，较大的拉力或压力会使弹性体发生较大的形变，对于扭转来说
Figure RE-GDA0002087559740000038
在拉力作用下，弹性体的长度变化对扭转形变不可忽视，此时的l与R发生了变化，这种状态下，弹性体的形变与对应的力和力矩基本遵循理论公式：F＝a11Δl、
Figure RE-GDA0002087559740000039
其中F代表拉 /压力，Δl代表长度变化量，T为转矩，φ是形变角度，R'代表形变后的半径，l代表原长，l' 代表形变后的长度，μ代表材料的泊松比；第三种情况为非线性工作区间，需要试验测量弹性体在不同的拉力与扭矩作用下的形变线性度，以确定弹性模块的工作区间。
本发明的另一目的是提供两自由度弹性模块的控制方法，通过输出轴轴向位移测量装置得到弹性体实时长度变化Δl，通过输入轴角度测量装置和输出轴角度测量装置得到实时形变角度φ，实时计算旋转力矩和轴向力，配合电机与传动装置，实现速度、力矩和轴向力的精准控制。
本发明具有以下有益技术效果：(1)通过弹性体的设计，可以同时实现旋转和平动两个维度的弹性控制，并且具有弹性体材料方便更换，适应不同应用需求的优点。(2)通过输入轴角度测量装置、输出轴角度测量装置和输出轴轴向位移测量装置的巧妙设计，可以实时检测弹性体的旋转方向形变和轴向位移。(3)通过解耦算法能从测量值实时计算实际的力与力矩，进而实现对弹性模块速度、力矩和轴向力的精准控制。
附图说明
图1是本发明的两自由度弹性模块结构示意图。
附图标记：1-止动环Ⅰ，2-轴承Ⅰ，3-支撑壳体Ⅰ，4-编码器Ⅰ，5-输入轴，6-弹性体，7-输出轴，8-位移标志滑块，9-止动环Ⅱ，10-轴承Ⅱ，11-编码器Ⅱ，12-轴承III，13-支撑壳体Ⅱ，14- 读头Ⅰ，15-位移传感器，16-读头Ⅱ，17-中间壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。如图1所示，本发明的两自由度弹性模块包括弹性模块连接装置和弹性模块主体，弹性模块连接装置将弹性模块主体分别与输入轴和输出轴连接，输入轴与电机连接，输出轴与负载连接，弹性模块主体包括弹性体、输入轴角度测量装置、输出轴角度测量装置和输出轴轴向位移测量装置，弹性体产生旋转方向与轴向方向上的弹性形变，电机、输入轴、弹性体、输出轴和负载处在同一轴线上。按照功能划分，主要包括三大部分：弹性连接部分、旋转检测部分和轴向位移检测部分。
按图1所示的连接方式，将电机连接到输入轴5上。则弹性连接部分由输入轴5、弹性体6和输出轴7组成，负载接在输出轴7端。整个弹性连接部分由支撑壳体Ⅰ3、中间壳体17和支撑壳体Ⅱ13通过轴承Ⅰ2、轴承Ⅱ10和轴承III 12支撑，保持在旋转过程和轴向挤压或拉伸过程中输出电机和负载处在同一轴线上。
旋转过程中，电机带动输入轴5转动，而输入轴5和支撑壳体Ⅰ3的连接是利用止动环Ⅰ1 将轴承Ⅰ2内轴固联在输入轴5上，将轴承Ⅰ2外轴利用台阶与螺帽固定在支撑壳体Ⅰ3上，保证输入轴5相对壳体只存在旋转运动，无轴向位移。由于输出轴7带有负载，弹性体6在旋转过程中存在扭转形变，输出轴7与位移标志滑块8之间的连接是利用止动环Ⅱ9和轴承Ⅱ10 关联起来，而位移标志滑块8则是在柱面中心利用对称的六个球形凹槽，通过滚珠与带有对应凹槽的中间壳体17连接，以消除位移标志滑块8旋转方向上的运动。输出轴7上带有正六边形分布的凹槽，利用滚珠和内轴带有对应凹槽的编码器Ⅱ11连接，而编码器Ⅱ11则通过轴承III 12与支撑壳体Ⅱ13连接，消除编码器Ⅱ11的轴向位移。旋转时，编码器Ⅰ4配合读头Ⅰ 14读取电机输出的实时位置和转速，编码器Ⅱ11配合读头Ⅱ16读出负载端的实时位置和转速，通过两编码器的位置关系与输入输出速度可以对控制系统进行位置控制、速度控制、力矩控制与阻抗控制。
电机与负载在发生相对的轴向运动(距离增大或减小时)，弹性体6会被拉伸或压缩，此时，可以通过检测轴向相对位移配合胡克定律，计算出轴上的拉力或压力的大小。由于外壳固定，轴向运动时，输入轴5与壳体在轴向上相对静止，输出轴7会随着弹性体的形变发生轴向运动，由于输出轴7和编码器Ⅱ11的连接是通过轴上凹槽利用滚珠与编码器内侧连接，当输出轴7轴向运动时，编码器Ⅱ11无轴向运动，保证了编码器Ⅱ11的安全。轴向位移的检测则是利用输出轴7通过止动环Ⅱ9和轴承Ⅱ10与位移标志滑块8连接，位移标志滑块8由于只能沿着壳体的凹槽进行轴向移动，输出轴7的位移则可以通过位移检测块8和固定在外壳上的位移传感单元15检测。通过检测到的位移与已知弹性体的弹性系数可以计算出轴向的力的大小，从而实现力与位置的精准控制。
由公式
Figure RE-GDA0002087559740000051
可以得到模块在较小力与力矩的作用下(轴向形变不超过原长的1/10时)，弹性体的线性耦合关系，通过力传感器和力矩传感器进行静态标定，可以得到式中的耦合矩阵，通过矩阵反解确定力与力矩计算值，多次实验验证耦合矩阵，求出最优解。
形变较大(轴向形变大于原长的1/10)时，考虑使用关系式F＝a11Δl、
Figure RE-GDA0002087559740000052
来确定形变与力和力矩的关系，多次测量静态实验时形变与力和力矩的关系，通过曲线拟合的方式求出合适的系数。
在不同的拉力或者压力的条件下，逐渐加大扭力，测试形变与扭力的关系曲线，选取其中的线性部分，记录线性部分对应的最大扭矩值，画出力与力矩的关系的闭合曲线，则弹性模块的工作区间在此曲线内部。

Claims (6)

1.两自由度弹性模块，其特征在于，包括弹性模块连接装置和弹性模块主体，弹性模块连接装置将弹性模块主体分别与输入轴和输出轴连接，输入轴与电机连接，输出轴与负载连接，弹性模块主体包括弹性体、输入轴角度测量装置、输出轴角度测量装置和输出轴轴向位移测量装置，弹性体产生旋转方向与轴向方向上的弹性形变，电机、输入轴、弹性体、输出轴和负载处在同一轴线上；所述弹性模块连接装置包括支撑壳体Ⅰ、中间壳体和支撑壳体Ⅱ，支撑壳体Ⅰ与输入轴连接，支撑壳体Ⅱ和输出轴连接，支撑壳体Ⅰ通过中间壳体和支撑壳体Ⅱ连接；所述输出轴轴向位移测量装置包括位移标志滑块和固定在中间壳体上的位移传感器，位移标志滑块通过止动环Ⅱ和轴承Ⅱ与输出轴连接，同时位移标志滑块利用凹槽和滚珠与带有对应凹槽的中间壳体连接；所述输出轴角度测量装置包括编码器Ⅱ和固定在中间壳体上的读头Ⅱ，编码器Ⅱ利用凹槽和滚珠与带有对应凹槽的输出轴连接，同时通过轴承III和支撑壳体Ⅱ连接。
2.根据权利要求1所述的两自由度弹性模块，其特征在于，所述弹性体为橡胶体。
3.根据权利要求1所述的两自由度弹性模块，其特征在于，支撑壳体Ⅰ与输入轴的连接是利用止动环Ⅰ将轴承Ⅰ内轴固联在输入轴上，将轴承Ⅰ外轴固定在支撑壳体Ⅰ上。
4.根据权利要求1所述的两自由度弹性模块，其特征在于，所述输入轴角度测量装置包括固定在输入轴上的编码器Ⅰ和固定在中间壳体上的读头Ⅰ。
5.权利要求1-4任一权利要求所述的两自由度弹性模块的测量方法，其特征在于，通过输出轴轴向位移测量装置得到弹性体长度变化Δl，通过输入轴角度测量装置和输出轴角度测量装置得到形变角度φ。
6.权利要求1-4任一权利要求所述的两自由度弹性模块的控制方法，其特征在于，通过输出轴轴向位移测量装置得到弹性体实时长度变化Δl，通过输入轴角度测量装置和输出轴角度测量装置得到实时形变角度φ，实时计算旋转力矩和轴向力，配合电机与传动装置，实现速度、力矩和轴向力的精准控制。
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