CN110509309B - 一种研抛机器人的腕关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研抛机器人的关节，特别是一种研抛机器人的腕关节，包括一个主要由一个多维力传感器、一个倾角传感器、一个控制器、四个伺服气缸、一个空压机、一个电机安装座和四个摆杆组成的力位控制装置；其中，所述控制器用于接收研抛过程中多维力传感器测量的四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及倾角传感器测量的电机安装座的位姿，根据所更新的电机安装座的位姿作为反馈对腕关节进行柔顺控制，调节四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及电机安装座的位姿。本发明适合在研抛机器人上结合使用，可以实现力和位移较高精度的控制以及对研抛头位姿的调整，达到柔顺控制的目的，特别适合于复杂曲面的研抛加工。

Description

一种研抛机器人的腕关节

技术领域

本发明涉及一种研抛机器人的关节，特别是一种研抛机器人的腕关节。

背景技术

目前在以机器人等自动化装备代替手工劳动实现曲面研抛作业的柔顺控制中，通过在其末端执行器安装弹簧、阻尼等被动柔顺结构并且采用位姿自适应曲面方式以实现柔顺控制的做法较为普遍。这种力/位混合控制方法是一种时变的强耦合性和高度非线性弱化的策略，实现位移-位姿-力的控制非常困难而且精度较低、控制不平稳，且对于加工复杂曲面的位姿无法主动控制，不能解决研抛加工时要求的产生任意力的高柔性和机器人本身在操作时的位置和结构的高刚度之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种腕关节，其适合在研抛机器人上结合使用，可以实现力和位移较高精度的控制以及对研抛头位姿的调整，达到柔顺控制的目的，特别适合于复杂曲面的研抛加工。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种研抛机器人的腕关节，其包括：

一个管状的基座，其侧壁上设有绕着中心线均匀环布的四个槽体，四个

槽体均邻近基座的第一端部，且延伸方向均与基座的中心线保持平行；在第二端部的外侧设有一个法兰盘，且与第二端部相固定；所述基座上形成一个内存储设定气压值的压缩空气的储存腔室，且邻近基座的第二端部；

一个力位控制装置，其包括一个多维力传感器、一个倾角传感器、一个控制器、四个伺服气缸、一个空压机、一个电机安装座和四个摆杆；

其中，电机安装座位于基座的管腔内，且通过球形的表面与四个槽体相配合；四个摆杆与基座上的四个槽体逐一对应，且均贯穿其对应的槽体，每个摆杆均仅限于在其对应的槽体内自转以及沿着该槽体的延伸方向往复移动；四个伺服气缸环布于基座的四周，且基座上的压缩空气储存腔室通过独立的第一气路分别为四个伺服气缸供气；每个伺服气缸的气缸座均铰接至法兰盘上，气缸杆则在基座的轴向上均可实现伸缩，且在背离气缸座的端部均安装一个第二铰接座；在四个第二铰接座上均通过一个铰接轴安装一个轴承安装座；在四个轴承安装座内均设有一个轴承，且与四个摆杆逐一对应；每个轴承的轴承外圈均与其对应的轴承安装座固定，且中心线均与其对应的铰接轴垂直；每个摆杆的一侧端部均与电机安装座固定，另一侧端部则均贯穿其对应的轴承，且均与轴承内圈固定；一个多维力传感器和一个倾角传感器均固定至电机安装座上，并与控制器分别电连接，一个控制器与四个伺服气缸的气动伺服阀均电连接，一个空压机通过第二气路为压缩空气储存腔室供气；

以及，一个电机，其固定至电机安装座上，且电机轴沿着基座的轴向延伸出基座；在电机轴的端部上安装一个三爪卡头；

其中，所述控制器用于接收研抛过程中多维力传感器测量的四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及倾角传感器测量的电机安装座的位姿，根据所更新的电机安装座的位姿作为反馈对腕关节进行柔顺控制，调节四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及电机安装座的位姿。

工作时，本发明腕关节通过基座上的法兰盘安装在研抛机器人的机械臂上，在电机轴的三爪卡头上安装一个研抛头，研抛头与待加工曲面接触，电机带动研抛头旋转，转速随加工曲面的部位以及研抛合力的变化而变化，机械臂带着研抛头沿曲面移动，完成对曲面的研抛加工。

因本发明腕关节，其结构中电机安装座的自由度被基座限制，控制四个伺服气缸的气缸杆伸缩便可直接调整电机安装座的位姿以及施加于电机安装座上的合力大小与方向。

在研抛机器人对复杂曲面研抛作业过程中，上述腕关节的柔顺控制过程如下：

控制器根据所更新的研抛头的位姿作为反馈，对电机安装座的倾角进行闭环控制，使电机安装座上研抛头的倾角紧紧跟随复杂曲面的曲率任意变化，实时调整研抛头的位姿来适应曲面斜率；考虑到不同曲面均对应有适合其工况的研抛力给定值，因此在上述研抛头的位姿调整过程中控制器需要同步对四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力（即研抛头的研抛力）进行闭环控制，使实际研抛力紧紧跟随给定值的任意变化，对研抛力进行精准控制。

由此可见，采用本发明腕关节的研抛机器人驱动研抛头完成进给运动时，研抛机器人本体不干扰研抛头对工件曲面的形貌自适应过程和研抛力自治伺服过程。

因此，采用本发明腕关节的研抛机器人可以（以独立的形式同时控制力和位置）实时地将力/力矩控制过程与运动控制过程严格地限定在两个互为正交的子空间内，解除柔顺控制中力/位间的耦合交互关系，很好的实现力和位置的柔顺控制来保证研抛的精度。

作为一种优选，上述一种研抛机器人的腕关节，其结构中所述电机、多维力传感器以及倾角传感器在电机安装座上的安装结构为：所述电机安装座为壳体结构，电机、多维力传感器以及倾角传感器均位于电机安装座的腔室内，并均固定至腔室内壁上。

上述优选技术方案中电机、多维力传感器以及倾角传感器均内藏式安装至电机安装座的腔室内，能够有效地避免电机、多维力传感器以及倾角传感器在使用过程中发生磕碰，同时还能够提升腕关节结构设计的紧凑性。

采用本发明腕关节的研抛机器人在研抛加工时，其采用主动柔顺结构，在研抛过程中方便对研抛头实现位置-位姿-力的精确控制，因此控制稳定性好，研抛精度高，特别适合于复杂曲面的研抛加工。

附图说明

图1是本发明中一种研抛机器人的腕关节的结构示意图一；

图2是图1中A处的局部放大示意图；

图3是图1中B处的局部放大示意图；

图4是本发明中气缸杆、轴承安装座以及轴承三者的分解图；

图5是图1中一种研抛机器人的腕关节的顶部结构示意图；

图6是本发明中一种研抛机器人的腕关节的结构示意图二。

图中：基座1、槽体2、第一端部3、第二端部4、法兰盘5、储存腔室6、多维力传感器7、倾角传感器8、控制器9、伺服气缸10、空压机11、电机安装座12、摆杆13、管腔14、气缸座15、第一铰接头16、第一铰接座17、气缸杆18、第二铰接座19、第一通孔20、轴承安装座21、管状本体22、管外壁23、第二铰接头24、第二通孔25、第二铆钉26、轴承27、轴承外圈28、管内壁29、轴承内圈30、电机31、电机轴32、三爪卡头33、研抛头34、第一铆钉35。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-5所示，本实施例提供的一种研抛机器人的腕关节，其包括：

一个管状的基座1，其侧壁上设有绕着中心线均匀环布的四个槽体2，四

个槽体2均邻近基座1的第一端部3，且延伸方向均与基座1的中心线保持平行；在第二端部4的外侧设有一个法兰盘5，且与第二端部4通过焊接固定；所述基座1上形成一个内存储设定气压值的压缩空气的储存腔室6，且邻近基座1的第二端部4；本实施例中储存腔室6内压缩空气的气压值设定为一般气缸的工作气压0.6兆帕（6公斤/平方厘米）；

一个力位控制装置，其包括一个多维力传感器7、一个倾角传感器8、一个控制器9、四个伺服气缸10、一个空压机11、一个壳体结构的电机安装座12和四个摆杆13；

其中，电机安装座12位于基座1的管腔14内，且通过球形的表面与四个槽体2相配合；四个摆杆13与基座1上的四个槽体2逐一对应，且均贯穿其对应的槽体2，每个摆杆13均仅限于在其对应的槽体2内自转以及沿着该槽体2的延伸方向往复移动；四个伺服气缸10环布于基座1的四周，且基座1上的压缩空气储存腔室6通过独立的第一气路（图中未示出）分别为四个伺服气缸10供气；每个伺服气缸10的气缸座15底部均焊接一个第一铰接头16，并与法兰盘5上焊接的一个第一铰接座17通过第一铆钉35实现铰接，气缸杆18则在基座1的轴向上均可实现伸缩，且在背离气缸座15的端部均焊接一个第二铰接座19，在第二铰接座19上均设有一个第一通孔20；四个第二铰接座19逐一对应一个轴承安装座21，如图5所示，每个轴承安装座21均包括一个管状本体22，在管状本体22的管外壁23上均焊接了一个与其对应的第二铰接座19相配合的第二铰接头24，在第二铰接头24上均设有一个第二通孔25，相对应的每组轴承安装座21的第二铰接头24与气缸杆18上的第二铰接座19均通过一个依次贯穿第一通孔20与第二通孔25的第二铆钉26实现铰接；在四个轴承安装座21的管状本体22内均设有一个轴承27，且与四个摆杆13逐一对应；每个轴承27的轴承外圈28均与其对应的管状本体22的管内壁29焊接固定，且中心线均与其对应的第二铆钉26的中心线垂直；每个摆杆13的一侧端部均与电机安装座12焊接固定，另一侧端部则均贯穿其对应的轴承27，且均与轴承内圈30焊接固定；一个控制器9、一个多维力传感器7以及一个倾角传感器8均位于电机安装座12的腔室内，均通过紧固组件固定至腔室内壁上，一个多维力传感器7以及一个倾角传感器8均与控制器9分别电连接（图中未示出），一个控制器9与四个伺服气缸10的气动伺服阀（图中未示出）均电连接（图中未示出），一个空压机11通过第二气路（图中未示出）为压缩空气储存腔室6供气；

以及，一个电机31，其同样位于电机安装座12的腔室内，同样通过紧固组件固定至电机安装座12上，且电机轴32沿着基座1的轴向延伸出基座1；在电机轴32的端部上通过紧固组件固定了一个三爪卡头33；

其中，所述控制器9用于接收研抛过程中多维力传感器7测量的四个伺服气缸10施加在电机安装座12上的合力以及倾角传感器8测量的电机安装座12的位姿，根据所更新的电机安装座12的位姿作为反馈对腕关节进行柔顺控制，调节四个伺服气缸10施加在电机安装座12上的合力以及电机安装座12的位姿。

工作时，本发明腕关节通过基座1上的法兰盘5安装在研抛机器人的机械臂上，在电机轴32的三爪卡头33上安装一个研抛头34，研抛头34与待加工曲面接触，电机31带动研抛头34旋转，转速随加工曲面的部位以及研抛合力的变化而变化，机械臂带着研抛头34沿曲面移动，完成对曲面的研抛加工。

因本发明腕关节，其结构中电机安装座12的自由度被基座1限制，将电机轴32的延伸方向作为X-Y-Z坐标系中的Z轴，所述电机安装座12只能绕着X轴和Y轴转动,另外在Z轴方向平动，例如，如图6所示，相对于图1的图示内容，图6中电机安装座12绕Y（图中未示出）轴旋转一定角度，控制四个伺服气缸10的气缸杆18伸缩便可直接调整电机安装座12的位姿以及施加于电机安装座12上的合力大小与方向。

在研抛机器人对复杂曲面研抛作业过程中，上述腕关节的柔顺控制过程如下：

控制器9根据所更新的研抛头34的位姿作为反馈，对电机安装座12的倾角进行闭环控制，使电机安装座12上研抛头34的倾角紧紧跟随复杂曲面的曲率任意变化，实时调整研抛头34的位姿来适应曲面斜率；考虑到不同曲面均对应有适合其工况的研抛力给定值，因此在上述研抛头34的位姿调整过程中控制器9需要同步对四个伺服气缸10施加在电机安装座12上的合力（即研抛头34的研抛力）进行闭环控制，使实际研抛力紧紧跟随给定值的任意变化，对研抛力进行精准控制。

由此可见，采用本实施例所提供一种腕关节的研抛机器人驱动研抛头34完成进给运动时，研抛机器人本体不干扰研抛头34对工件曲面的形貌自适应过程和研抛力自治伺服过程。

因此，采用本实施例所提供一种腕关节的研抛机器人可以（以独立的形式同时控制力和位置）实时地将力/力矩控制过程与运动控制过程严格地限定在两个互为正交的子空间内，解除柔顺控制中力/位间的耦合交互关系，很好的实现力和位置的柔顺控制来保证研抛的精度。

Claims (2)

1.一种研抛机器人的腕关节，其特征是包括：

一个管状的基座，其侧壁上设有绕着中心线均匀环布的四个槽体，四个

槽体均邻近基座的第一端部，且延伸方向均与基座的中心线保持平行；在第二端部的外侧设有一个法兰盘，且与第二端部相固定；所述基座上形成一个内存储设定气压值的压缩空气的储存腔室，且邻近基座的第二端部；

一个力位控制装置，其包括一个多维力传感器、一个倾角传感器、一个控制器、四个伺服气缸、一个空压机、一个电机安装座和四个摆杆；

其中，电机安装座位于基座的管腔内，且通过球形的表面与四个槽体相配合；四个摆杆与基座上的四个槽体逐一对应，且均贯穿其对应的槽体，每个摆杆均仅限于在其对应的槽体内自转以及沿着该槽体的延伸方向往复移动；四个伺服气缸环布于基座的四周，且基座上的压缩空气储存腔室通过独立的第一气路分别为四个伺服气缸供气；每个伺服气缸的气缸座均铰接至法兰盘上，气缸杆则在基座的轴向上均可实现伸缩，且在背离气缸座的端部均安装一个第二铰接座；在四个第二铰接座上均通过一个铰接轴安装一个轴承安装座；在四个轴承安装座内均设有一个轴承，且与四个摆杆逐一对应；每个轴承的轴承外圈均与其对应的轴承安装座固定，且中心线均与其对应的铰接轴垂直；每个摆杆的一侧端部均与电机安装座固定，另一侧端部则均贯穿其对应的轴承，且均与轴承内圈固定；一个多维力传感器和一个倾角传感器均固定至电机安装座上，并与控制器分别电连接，一个控制器与四个伺服气缸的气动伺服阀均电连接，一个空压机通过第二气路为压缩空气储存腔室供气；

以及，一个电机，其固定至电机安装座上，且电机轴沿着基座的轴向延伸出基座；在电机轴的端部上安装一个三爪卡头；

其中，所述控制器用于接收研抛过程中多维力传感器测量的四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及倾角传感器测量的电机安装座的位姿，根据所更新的电机安装座的位姿作为反馈对腕关节进行柔顺控制，调节四个伺服气缸施加在电机安装座上的合力以及电机安装座的位姿。

2.根据权利要求1所述的一种研抛机器人的腕关节，其特征是上述电机、多维力传感器以及倾角传感器在电机安装座上的安装结构为：所述电机安装座为壳体结构，电机、多维力传感器以及倾角传感器均位于电机安装座的腔室内，并均固定至腔室内壁上。

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