CN111015696B - 一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，包括下固定板、导杆、直线轴承、套筒、缸体组件、第一电‑气比例阀、第二电‑气比例阀、气泵、控制器、第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器；导杆固连于下固定板的底部；直线轴承滑动套设于导杆；套筒开设有通孔；导杆能穿设于通孔；直线轴承固定于通孔的内壁；缸体组件包括缸体和活塞杆；缸体固连于下固定板的底部；本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置的结构较为简单，省去了大量且复杂的力传感器，仅需要布置压力传感器和位移传感器即可实时对机器人工作过程的主动柔顺控制，成本较低，实用性较高。

Description

一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置

技术领域

本发明涉及工业机器人设备领域，特别涉及一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是一种靠自身动力和控制能力来实现各种功能的机器。相比人工生产，使用工业机器人进行生产具备稳定性好、效率高和精度高的优点，现已广泛应用于工业生产的各个环节中。

工业机器人在进行生产作业时，简单的位置控制已经不能适用于多变的生产环境；工件和机器人的末端之间微小的位置偏差都有可能对工业机器人造成巨大的接触力，进而对工件及机器人造成损伤，同时也影响生产成品的质量；对工业机器人的末端执行器进行力度控制和位置调节能很大程度上解决上述问题，目前比较主流的方案通过主动柔顺控制来对工业机器人的末端执行器进行力度控制和位置调节；但是现有的主动柔顺控制方案过于复杂，需要用到大量的力传感器，制造成本较高，故实用性较低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，旨在解决现有的主动柔顺控制方案过于复杂，制造成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，包括下固定板、导杆、直线轴承、套筒、缸体组件、第一电-气比例阀、第二电-气比例阀、气泵、控制器、第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器；

所述导杆固连于所述下固定板的底部；所述直线轴承滑动套设于所述导杆；所述套筒开设有通孔；所述导杆能穿设于所述通孔；所述直线轴承固定于所述通孔的内壁；所述缸体组件包括缸体和活塞杆；所述缸体固连于所述下固定板的底部；所述活塞杆连接于所述套筒；当所述活塞杆伸至最长时，所述直线轴承仍套设于所述导杆；

所述缸体包括第一接口和第二接口；所述第一电-气比例阀的出气端连通于所述第一接口；所述第二电-气比例阀的出气端连通于所述第二接口；所述第一电-气比例阀和所述第二电-气比例阀均与所述控制器电性连接；所述第一电-气比例阀和所述第二电-气比例阀均与所述气泵连通；所述第一压力传感器设置于所述第一接口内；所述第二压力传感器设置于所述第二接口内；所述套筒上设置有所述位移传感器；

所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述位移传感器均与所述控制器电性连接。

优选的，还包括上固定板、弹性元件和多角度连接元件；

所述上固定板通过所述多角度连接元件连接于所述下固定板的上方；所述多角度连接元件使得所述下固定板能相对所述上固定板进行扭转和偏转；所述上固定板和所述下固定板之间连接设置有所述弹性元件。

优选的，所述上固定板平行于所述下固定板；所述弹性元件为高刚度弹簧；所述弹性元件的数量为至少两个。

优选的，所述多角度连接元件为万向节。

优选的，所述导杆的数量为2个；所述直线轴承的数量为2个；2个所述直线轴承与所示下固定板之间的距离一致；2个所述直线轴承分别套设于2个所述导杆；所述通孔的数量为2个；2个所述直线轴承分别固定于2个所述通孔的内壁。

优选的，所述缸体连接于所述下固定板的底部的中心位置；所述缸体垂直于所述下固定板；2个所述导杆均垂直于所述下固定板；2个所述导杆以所述缸体对称设置。

优选的，所述通孔与穿设其中的所述导杆共轴线设置。

优选的，还包括输入法兰；所述输入法兰固连于所述上固定板的顶部。

优选的，还包括输出法兰；所述输出法兰固连于所述套筒的底部。

优选的，还包括防尘罩；所述防尘罩罩设于用于工业机器人柔性作业的力控连接装置。

与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

具体应用时，将本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置的下固定板连接于机器人的的机械臂的末端，将操作工具(以打磨件为例)连接于套筒的底部；开始工作时，首先通过第一电-气比例阀将压力气体通过第一接口充入缸体的无杆腔，通过第二电-气比例阀将压力气体通过第二接口充入缸体的有杆腔；以此将活塞杆停留于某一位置点，然后通过机器人的机械臂将打磨件与工件接触，在打磨件的工作过程中，通过设置第一电-气比例阀的输出压力及第二电-气比例阀的输出压力，使得无杆腔和有杆腔之间产生压力差(无杆腔的压力大于有杆腔的压力)，该压力差值恒定，进而会使得活塞杆输出一个恒定的力作用于套筒进而作用于打磨件；使得打磨件始终贴合工件；

但因工件表面并非完全平顺，会存在一定的凸起或者凹陷，而机械臂的位置已经完全设定好，不能随意更改；当遇到凸起和凹陷时，工件会对操作件产生反作用力，使得活塞杆产生回缩或者伸长，活塞杆的回缩或者伸长能够通过设置于套筒上的位移传感器实时测量，且这些回缩或者伸长会使得缸体的无杆腔和有杆腔内部的气压产生变化；气压的变化能够通过第一压力传感器和第二压力传感器实时测量；控制器通过实时采集并分析上述位移数据和压力数据，进而反馈控制第一电-气比例阀和第二电-气比例阀，使得输出于第一接口和第二接口的气压产生变化，始终维持无杆腔和有杆腔之间的气压差值为恒定，使得打磨件对工件的作用力为恒定值，以实现机器人工作过程的主动柔顺控制。

且本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置的结构较为简单，省去了大量且复杂的力传感器，仅需要布置压力传感器和位移传感器即可实时对机器人工作过程的主动柔顺控制，成本较低，实用性较高。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置一实施例的立体外观示意图；

图2为本发明一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置一实施例的内部结构分离时的示意图；

图3为本发明一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置一实施例的内部结构组合时的示意图；

图4为本发明一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置一实施例与工业机器人的配合连接示意图；

图5为本发明一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置一实施例的的部分部件连接示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置。

如附图1～附图5，一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100，包括下固定板230、导杆410、直线轴承420、套筒430、缸体组件、第一电-气比例阀(未示出)、第二电-气比例阀(未示出)、气泵(未示出)、控制器(未示出)、第一压力传感器(未示出)、第二压力传感器(未示出)和位移传感器330。

如附图1～附图3，导杆410固连于下固定板230的底部；直线轴承420滑动套设于导杆410；套筒430开设有通孔431；导杆410能穿设于通孔431；直线轴承420固定于通孔431的内壁；缸体组件包括缸体310和活塞杆320；缸体310固连于下固定板230的底部；活塞杆320的末端连接于套筒430；当活塞杆320伸至最长时，直线轴承420仍套设于导杆410(防止出现直线轴承420脱离导杆410的情况)。

如附图5所示，缸体310包括第一接口(未示出)和第二接口(未示出)，第一接口连通于缸体310的无杆腔(未示出)，第二接口连通于缸体310的有杆腔(未示出)；第一电-气比例阀的出气端连通于第一接口；第二电-气比例阀的出气端连通于第二接口；第一电-气比例阀和第二电-气比例阀均与控制器电性连接；第一电-气比例阀和第二电-气比例阀均与气泵连通；第一压力传感器设置于第一接口内；第二压力传感器设置于第二接口内；套筒430上设置有位移传感器330(本实施例中，位移传感器为拉杆式位移传感器，拉杆式位移传感器的拉杆一端连接于下固定板230)。这里的第一电-比例阀和第二电-气比例阀的作用是通过电信号控制并调整输出一定压力的气体。第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器330均与控制器(本实施例中的控制器均为嵌入式单片机)电性连接。

工作原理：如附图4所示，具体应用时，将本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100的下固定板230连接于工业机器人800的的机械臂的末端，将作业工具700(作业工具700指的是具体的操作工具，包括但不限于打磨工具、切割工具等等，不同的生产流程可连接安装不同的作业工具700)连接于套筒430的底部；开始工作时，首先通过第一电-气比例阀将压力气体通过第一接口充入缸体310的无杆腔，通过第二电-气比例阀将压力气体通过第二接口充入缸体310的有杆腔；以此将活塞杆320停留于某一位置点，然后通过工业机器人800的机械臂将作业工具700与工件接触，在作业工具700的工作过程中，通过设置第一电-气比例阀的输出压力及第二电-气比例阀的输出压力，使得无杆腔和有杆腔之间产生压力差(无杆腔的压力大于有杆腔的压力)，该压力差值恒定，从而使得活塞杆320输出一个恒定的力作用于套筒430进而作用于作业工具700；使得打磨件700始终贴合工件；

但因工件表面并非完全平顺，会存在一定的凸起或者凹陷，而工业机器人800的机械臂的位置已经完全设定好，不能随意更改；当遇到凸起和凹陷时，工件会对操作件产生反作用力，使得活塞杆320产生回缩或者伸长，活塞杆320的回缩或者伸长能够通过设置于套筒430上的位移传感器330实时测量，且这些回缩或者伸长会使得缸体310的无杆腔和有杆腔内部的气压产生变化；缸体内气压的变化能够通过第一压力传感器和第二压力传感器实时测量；控制器通过实时采集并分析上述位移数据和压力数据，进而反馈控制第一电-气比例阀和第二电-气比例阀，使得输出于第一接口和第二接口的气压产生相应的变化，始终维持无杆腔和有杆腔之间的气压差值为恒定，使得作业工具700对工件的作用力为恒定值，以实现工业机器人800工作过程的主动柔顺控制。

且本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100的结构较为简单，省去了大量且复杂的力传感器，仅需要布置压力传感器和位移传感器330即可实时对工业机器人800工作过程的主动柔顺控制，成本较低，实用性较高。

此外，如附图2和附图3所示，本发明提出的用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100还包括上固定板210、弹性元件240和多角度连接元件220。

上固定板210通过多角度连接元件220连接于下固定板230的上方；多角度连接元件220使得下固定板230能相对上固定板210进行扭转和偏转；上固定板210和下固定板230之间连接设置有弹性元件240。

通过于下固定板230的上方设置上固定板210和弹性元件240，具体应用时，将工业机器人800的机械臂的末端连接于上固定板210，便能够使得本用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100具备被动柔顺的功能，即当工件对作业工具700产生扭转和偏转力时，弹性元件240会使得作业工具700快速恢复为原状。

此外，如附图2和附图3所示，上固定板210平行于下固定板230，上固定板210和下固定板230均呈圆形，且上固定板210和下固定板230的尺寸一致，上固定板210和下固定板230正相对设置；弹性元件240为高刚度弹簧；弹性元件240的数量为至少两个(本实施例优选为4个)，且4个弹性元件240的分布位置于俯视方向上构成正方形，且该正方形的中心点与下固定板230的圆心点重合。多角度连接元件220设置于上固定板210的圆心和下固定板230的圆心之间。同时，多角度连接元件220为万向节(还可以是关键轴承或球头销等其他能多角度活动连接件)。

通过上述技术方案，进一步完善了本用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100的被动柔顺功能；四个高刚度弹簧能够增强对作业工具700的出现偏转和扭转后的恢复能力。

此外，如附图2和附图3所示，导杆410的数量为2个；直线轴承420的数量为2个；2个直线轴承420与下固定板230之间的距离一致；2个直线轴承420分别套设于2个导杆410；通孔431的数量为2个；2个直线轴承420分别固定于2个通孔431的内壁。

同时，缸体310连接于下固定板230的底部的中心位置；缸体310垂直于下固定板230；2个导杆410均垂直于下固定板230；2个导杆410以缸体310对称设置。此外，通孔431和导杆410均呈圆柱体状；通孔431与穿设其中的导杆410共轴线设置。

通过上述技术方案，设置2个导杆410、2个直线轴承420及带有2个通孔431的套筒430，使得套筒430的移动更加平顺，活塞杆320对于套筒430的作用力更加直接，进而对于作业工具700的控制更加精准。

同时，如附图2和附图3所示，本用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100还包括输入法兰110；输入法兰110固连于上固定板210的顶部。此外，本用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100还包括输出法兰120；输出法兰120固连于套筒430的底部。同时，本用于工业机器人柔性作业的力控连接装置100还包括防尘罩130；防尘罩130罩设于用于工业机器人800柔性作业的力控连接装置100。通过设置输入法兰110和输出法兰120使得本装置更便于连接于工业机器人800的机械臂和作业工具700之间，具体的，输入法兰110连接于工业机器人800的机械臂，输出法兰120连接于作业工具700。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，包括下固定板、导杆、直线轴承、套筒、缸体组件、第一电-气比例阀、第二电-气比例阀、气泵、控制器、第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器；

所述导杆固连于所述下固定板的底部；所述直线轴承滑动套设于所述导杆；所述套筒开设有通孔；所述导杆能穿设于所述通孔；所述直线轴承固定于所述通孔的内壁；所述缸体组件包括缸体和活塞杆；所述缸体固连于所述下固定板的底部；所述活塞杆连接于所述套筒；当所述活塞杆伸至最长时，所述直线轴承仍套设于所述导杆；

所述缸体包括第一接口和第二接口；所述第一电-气比例阀的出气端连通于所述第一接口；所述第二电-气比例阀的出气端连通于所述第二接口；所述第一电-气比例阀和所述第二电-气比例阀均与所述控制器电性连接；所述第一电-气比例阀和所述第二电-气比例阀均与所述气泵连通；所述第一压力传感器设置于所述第一接口内；所述第二压力传感器设置于所述第二接口内；所述套筒上设置有所述位移传感器；

所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述位移传感器均与所述控制器电性连接；

所述第一接口连通于所述缸体的无杆腔，所述第二接口连通于所述缸体的有杆腔；所述缸体内气压的变化能够通过所述第一压力传感器和所述第二压力传感器实时测量；所述控制器通过实时采集并分析位移数据和压力数据，进而反馈控制所述第一电-气比例阀和所述第二电-气比例阀，使得输出于所述第一接口和所述第二接口的气压产生相应的变化，始终维持所述无杆腔和所述有杆腔之间的气压差值为恒定；

还包括上固定板、弹性元件和多角度连接元件；所述上固定板通过所述多角度连接元件连接于所述下固定板的上方；所述多角度连接元件使得所述下固定板能相对所述上固定板进行扭转和偏转；所述上固定板和所述下固定板之间连接设置有所述弹性元件；

所述上固定板平行于所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均呈圆形，且所述上固定板和所述下固定板的尺寸一致，所述上固定板和所述下固定板正相对设置；所述弹性元件的数量为4个，且4个所述弹性元件的分布位置于俯视方向上构成正方形，且该正方形的中心点与所述下固定板的圆心点重合；所述多角度连接元件设置于所述上固定板的圆心和所述下固定板的圆心之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，所述弹性元件为高刚度弹簧；所述弹性元件的数量为至少两个。

3.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，所述多角度连接元件为万向节。

4.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，所述导杆的数量为2个；所述直线轴承的数量为2个；2个所述直线轴承与所示下固定板之间的距离一致；2个所述直线轴承分别套设于2个所述导杆；所述通孔的数量为2个；2个所述直线轴承分别固定于2个所述通孔的内壁。

5.根据权利要求4所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，所述缸体连接于所述下固定板的底部的中心位置；所述缸体垂直于所述下固定板；2个所述导杆均垂直于所述下固定板；2个所述导杆以所述缸体对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，所述通孔与穿设其中的所述导杆共轴线设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，还包括输入法兰；所述输入法兰固连于所述上固定板的顶部。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，还包括输出法兰；所述输出法兰固连于所述套筒的底部。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于工业机器人柔性作业的力控连接装置，其特征在于，还包括防尘罩；所述防尘罩罩设于用于工业机器人柔性作业的力控连接装置。

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