CN110160701B - 一种六维力标定设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力标定设备，包括多自由度工业机器人；内壁设有多个滑轨的空间桁架，全部滑轨形成用以供多自由度工业机器人环绕空间桁架的中心滑动的空间滑轨组；设置于多自由度工业机器人远离空间滑轨组的一端、用以当多自由度工业机器人沿空间滑轨组滑动时向位于空间桁架中心的待标定工件表面的任意一点施加力的力加载器。多自由度工业机器人在空间滑轨组内可环绕空间桁架的中心滑动，其运动轨迹能够覆盖待标定工件表面的任意一点，保证位于多自由度工业机器人前端的力加载器的加载位置灵活多变，从而借助力加载器对待标定工件所在的三维空间的三个力分量和三个力矩分量进行标定，实现六维力标定并提高标定效率和标定精度。

Description

一种六维力标定设备

技术领域

本发明涉及标定设备领域，尤其涉及一种六维力标定设备。

背景技术

多维力测量器材在各个领域中的应用已经越来越广泛，例如在航天领域中，多维力测量主要应用于空间微振动测量以及机械臂的关节力测量。

现阶段，国内外多维力测量大部分采用压阻式及压电式传感器，传感器的精度在理论上基本上都可以满足设计要求，但传统的标定设备由于接口以及加载形式比较单一，工作空间较小，尤其是对于动态标定而言，往往更依赖于人为操作，所以标定过程中不可避免的误差引入，造成精度损失。

综上所述，如何提高标定的精度，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种六维力标定设备，可以避免人为操作造成的主观误差，其工作空间及施加载荷方式较为灵活，能够提高传感器的测试精度。

为实现上述目的，本发明提供一种六维力标定设备，包括：

多自由度工业机器人；

内壁设有多个滑轨的空间桁架；全部所述滑轨形成用以供所述多自由度工业机器人环绕所述空间桁架的中心滑动的空间滑轨组；

设置于所述多自由度工业机器人远离所述空间滑轨组的一端、用以当所述多自由度工业机器人沿所述空间滑轨组滑动时向位于所述空间桁架中心的待标定工件表面的任意一点施加力的力加载器。

优选地，还包括设于所述多自由度工业机器人靠近所述空间滑轨组的一端、用以锁定所述多自由度工业机器人与所述空间滑轨组的位置的锁定部。

优选地，全部所述滑轨的交汇点设置于所述内壁的顶端。

优选地，还包括设置于所述交汇点、用以供所述多自由度工业机器人绕旋转轴转动的滑轨转台；其中，所述旋转轴为经过所述交汇点且垂直于所述内壁的顶端的直线。

优选地，位于所述内壁的顶端的全部所述滑轨呈十字型交错分布。

优选地，所述空间桁架的底端敞开、以实现待标定工件自所述空间桁架的底端放入所述空间桁架内。

优选地，所述多自由度工业机器人具体为并联机器人；还包括设置于所述并联机器人、用以实现定位的定位摄像头。

优选地，所述力加载器为用以向待标定工件表面施加动态力的动态力加载器；还包括设置于所述动态力加载器、用以检测所述动态力加载器向待标定工件施加的力的传感器。

优选地，所述动态力加载器包括管体、设置于所述管体前端的冲击加载头和同轴设置于所述管体内、用以调节所述冲击加载头的冲击距离的弹簧。

优选地，所述力加载器为用以向待标定工件表面施加静态力的静态力加载器；还包括设置于所述静态力加载器、用以检测所述静态力加载器向待标定工件施加的力的传感器。

相对于上述背景技术，本发明所提供的六维力标定设备包括多自由度工业机器人和内壁设有多个滑轨的空间桁架；全部滑轨形成用以供多自由度工业机器人环绕空间桁架的中心滑动的空间滑轨组；多自由度工业机器人远离空间滑轨组的一端还设有力加载器，用于向放置于空间滑轨组中心的待标定工件的表面施加力，进而实现力标定。

多自由度工业机器人在空间滑轨组内可环绕空间桁架的中心滑动，其运动轨迹能够覆盖待标定工件表面的任意一点，并借助力加载器对待标定工件所在的三维空间的三个力分量和三个力矩分量进行标定，从而实现待标定工件的六维力标定。

滑轨的分布位置结合多自由度工业机器人自身的运动特性能够保证位于多自由度工业机器人前端的力加载器的加载位置灵活多变，且不受人为因素的干扰，由此提高标定效率和标定精度。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的六维力标定设备的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的空间桁架的结构示意图；

图3为图2所示的空间桁架在另一方向上的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的并联机器人的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的并联机器人与力加载器的安装示意图；

其中，01-待标定工件、1-力加载器、2-并联机器人、21-机器人主体、22-机器人负载台、3-空间桁架、31-桁架框体、32-滑轨、33-滑轨转台、4-滑轮组、5-定位摄像头、6-传感器、7-冲击加载头、8-弹簧、9-管体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图5，图1为本发明实施例所提供的六维力标定设备的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的空间桁架的结构示意图；图3为图2所示的空间桁架在另一方向上的结构示意图；图4为本发明实施例所提供的并联机器人的结构示意图；图5为本发明实施例所提供的并联机器人与力加载器的安装示意图。

本发明提供一种六维力标定设备，包括多自由度工业机器人、内壁设有多个滑轨32的空间桁架3以及设置于多自由度工业机器人远离滑轨32一端、用以当多自由度工业机器人沿滑轨32滑动时向位于空间桁架3中心的待标定工件01表面的任意一点施加力的力加载器1。

其中，空间桁架3指的是由多根交错连接的杆件所形成的具有空间结构的桁架框体31。前述桁架框体31内部中空，用于放置待标定工件01；杆件内壁也即杆件朝向空间桁架3中心的一面设有滑轨32，全部滑轨32围设成用以供多自由度工业机器人绕空间桁架3中心滑动的空间滑轨组。

多自由度工业机器人可采用串联机器人或并联机器人2。多自由度工业机器人的一端嵌入滑轨32中滑动，通过控制多自由度工业机器人在滑轨32内移动能够调整多自由度工业机器人与放置于空间桁架3中心的待标定工业的相对位置。例如当多自由度工业机器人连接于滑轨面朝下设置的滑轨32内时，多自由度工业机器人的另一端朝下设置且位于待标定工件01的上方，能够自上而下向待标定工件01的上端面施加力；当多自由度工业机器人连接于滑轨面朝后设置的滑轨32时，多自由度工业机器人的另一端朝后设置且位于待标定工件01的前方，能够从前而后向待标定工件01的前端面施加力。

根据多自由度工业机器人的自身特性，例如并联机器人2工作空间小、无累计误差、动态响应好、各向异性良好等特点，结合空间桁架3以及空间滑轨组的分布形式，能够利用固定于多自由度工业机器人顶端的力加载器1灵活、精确地向待标定工件01表面的任意一点施加力。

下面结合附图和实施方式，对本发明所提供的六维力标定设备做更进一步的说明。

请参考图1、图2和图3，本申请所提供的六维力标定设备还包括设于多自由工业机器人靠近空间滑轨组一端、用以锁定多自由度工业机器人相对于空间滑轨组的位置的锁定部。

当操控多自由度工业机器人沿滑轨32移动时，锁定部随多自由度工业机器人同步运动，当多自由度工业机器人的位置调整到预设位置、以便向待标定工件01表面的指定点施加力时，锁定部背离多自由度工业机器人的一端卡紧滑轨32，使得多自由度工业机器人与滑轨32固定连接，避免在力加载器1向待标定工件01施加力的过程中多自由度工业机器人移动或者偏转，避免实际施加的力与理论上应当施加的力不符。

锁定部卡紧滑轨32的方式可采用吸附或者机械抱紧的形式，以前者为例，锁定部朝向滑轨32的一端设有电磁铁，当多自由度工业机器人运动沿滑轨32运动至指定位置后，接通锁定部的电路，使电磁铁与滑轨32紧紧吸附，从而实现多自由度工业机器人与滑轨32的固定连接；需要移动多自由度工业机器人时，切断锁定部的电路，使电磁铁与滑轨32分离。

多自由度工业机器人能够沿任意一条滑轨32滑动，也就是说，全部滑轨32至少存在一个交叉点、以使多自由度工业机器人能够移动至不同的滑轨32进行滑动。在一种具体实施方式中，全部滑轨32的交汇点设置于内壁的顶端，也就是说，全部滑轨32集中于空间桁架3的顶面的内侧。若多自由度工业机器人需要从空间桁架3的左侧移动至右侧，多自由度工业机器人需沿空间桁架3左侧的滑轨32滑动至空间桁架3的顶面，再沿空间桁架3顶面的滑轨32滑动至空间桁架3右侧的滑轨32。

考虑到多自由度工业机器人沿空间滑轨组滑动时，多自由度工业机器人设有力加载器1的一端相对于空间桁架3的中心的运动范围有限，尤其当多自由度工业机器人并非完全对称结构时，沿某一滑轨32滑动的多自由度工业机器人相对于滑轨32的左右两侧所能覆盖的范围并不相等，这样一来，对于一些体积较大或者形状特殊的待标定工件01而言会存在不能标定的死角。

针对上述问题，本申请所提供的六维力标定设备还包括设置于前述交汇点的滑轨转台33；滑轨转台33的旋转轴经过交汇点且垂直于空间桁架3的顶面也即内壁的顶端，当多自由度工业机器人朝滑轨32一侧存在不能标定的死角时，将多自由度工业机器人移动至交汇点，借助滑轨转台33改变多自由度工业机器人的角度，例如使多自由度工业机器人绕旋转轴定轴旋转180°。

考虑到多自由度工业机器人自身的运动特性，空间桁架3的内壁无需设置过多的滑轨32也能够满足标定需求，因此，为了减少滑轨32的数目也即简化空间滑轨组的设置形式，在本实施例中，位于内壁的顶端的全部滑轨32呈十字型交错分布，换句话说，空间桁架3的前、后、左、右四个面各设置一个滑轨32，四个滑轨32集中于内壁的上端面且呈十字交错。

为了方便待标定工件01的固定，前述空间桁架3的底端敞开，具体来说空间桁架3自上而下罩扣于标定工件外周，或者标定工件可以自空间桁架3的底端放入空间桁架3内。多自由度工业机器人能够对放置于空间桁架3内的待标定工件01除底面以外的任何一面施加力。显然，当待标定工件01还需对其底面进行标定时，只需将待标定工件01的底面翻转朝上固定即可。

请参考图1、图4和图5，在上述任一实施例的基础上，本申请中采用的多自由度工业机器人优选为并联机器人2，进一步还可采用具有对称结构的并联机器人2；本申请所提供的六维力标定设备还包括设置于并联机器人2、用于拍摄并测定待标定工件01以实现定位的定位摄像头5。

定位摄像头5可设置于并联机器人2的机器人负载台22，当力加载器1向待标定工件01施加冲击力时，定位摄像头5能够准确测定力加载器1与待标定工件01表面的标定点的距离，进而依据前述测定的距离对力加载器1进行精准控制。其中，并联机器人2的机器人主体21可通过滑轮组4滑动连接于空间滑轨组，相应地锁定部可设置于滑轮组4的滚轮的左右两侧。

力加载器1可采用用于向待标定工件01表面施加动态力的动态力加载器，还可以采用用于向待标定工件01表面施加静态力的静态力加载器；无论采用哪种力加载器1，还可在力加载器1上设置用以检测力加载器1向待标定工件01施加的力的传感器6。

以动态力加载器为例，动态力加载器可包括管体9、设置于管体9远离并联机器人2一端的冲击加载头7以及同轴设置于管体9内、用以调节冲击加载头7的冲击距离的弹簧8；在该实施例中，传感器6的数目为两个，且两个传感器6分别设置于管体9的两端。

冲击力的幅值调节可通过改变弹簧8的压缩量甚至改变弹簧8的刚度实现。以前者为例，当并联机器人2沿空间滑轨组移动至特定位置后，由定位摄像头5对冲击加载头7以及标定点的距离进行测算，并依据弹簧8的刚度以及弹簧8的压缩量调节冲击加载头7的位置，保证冲击加载头7向待标定工件01表面施力时弹簧8的伸长距离适宜，同时避免冲击加载头7出现连击或者偏移现象。与此同时，也可通过传感器6采集力传感器6的输出数据。

以上对本发明所提供的六维力标定设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种六维力标定设备，其特征在于，包括：

多自由度工业机器人；

内壁设有多个滑轨(32)的空间桁架(3)；全部所述滑轨(32)形成用以供所述多自由度工业机器人环绕所述空间桁架(3)的中心滑动的空间滑轨组；

设置于所述多自由度工业机器人远离所述空间滑轨组的一端、用以当所述多自由度工业机器人沿所述空间滑轨组滑动时向位于所述空间桁架(3)中心的待标定工件(01)表面的任意一点施加力的力加载器(1)；

所述多自由度工业机器人具体为并联机器人(2)；还包括设置于所述并联机器人(2)、用以实现定位的定位摄像头(5)。

2.根据权利要求1所述的六维力标定设备，其特征在于，还包括设于所述多自由度工业机器人靠近所述空间滑轨组的一端、用以锁定所述多自由度工业机器人与所述空间滑轨组的位置的锁定部。

3.根据权利要求2所述的六维力标定设备，其特征在于，全部所述滑轨(32)的交汇点设置于所述内壁的顶端。

4.根据权利要求3所述的六维力标定设备，其特征在于，还包括设置于所述交汇点、用以供所述多自由度工业机器人绕旋转轴转动的滑轨转台(33)；其中，所述旋转轴为经过所述交汇点且垂直于所述内壁的顶端的直线。

5.根据权利要求4所述的六维力标定设备，其特征在于，位于所述内壁的顶端的全部所述滑轨(32)呈十字型交错分布。

6.根据权利要求5所述的六维力标定设备，其特征在于，所述空间桁架(3)的底端敞开、以实现待标定工件(01)自所述空间桁架(3)的底端放入所述空间桁架(3)内。

7.根据权利要求1所述的六维力标定设备，其特征在于，所述力加载器(1)为用以向待标定工件(01)表面施加动态力的动态力加载器；还包括设置于所述动态力加载器、用以检测所述动态力加载器向待标定工件(01)施加的力的传感器(6)。

8.根据权利要求7所述的六维力标定设备，其特征在于，所述动态力加载器包括管体(9)、设置于所述管体(9)前端的冲击加载头(7)和同轴设置于所述管体(9)内、用以调节所述冲击加载头(7)的冲击距离的弹簧(8)。

9.根据权利要求8所述的六维力标定设备，其特征在于，所述力加载器(1)为用以向待标定工件(01)表面施加静态力的静态力加载器；还包括设置于所述静态力加载器、用以检测所述静态力加载器向待标定工件(01)施加的力的传感器(6)。

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