CN111216162B - 一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，属于机器人智能加工技术领域。该恒力浮动装置包括气动浮动机构、基体连接件、压力控制机构、力传感器和工业机器人；所述压力控制机构为调压阀，所述压力控制机构的一端通过中间过渡法兰与所述气动浮动机构相连接，压力控制机构的另一端通过尾部过渡支撑座与所述力传感器连接，同时所述力传感器通过末端连接法兰安装在工业机器人的第六轴法兰上；所述气动浮动机构还通过工具连接法兰安装加工工具，气动浮动机构能够对所安装的加工工具施加恒定推力。本发明实现机器人末端恒力柔性加工能力，能够提升加工工件表面的质量，满足机器人智能加工的需求。

Description

一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置

技术领域

本发明涉及机器人智能加工技术领域，具体涉及一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置。

背景技术

目前，我国工业产品表面加工主要依靠人工手动完成，人工操作费时费力，工作环境恶劣，而且加工质量得不到保证。加工过程中的工具对工件表面的接触压力是影响工件表面质量的关键因素，接触压力的突然变化将会导致工件材料去除量的变化，影响表面质量甚至造成工件的报废，接触压力的恒定对表面加工质量的好坏有十分重要的作用。

目前，我国尚未出现基于工业机器人末端的通用型恒力浮动装置，传统的人工加工依靠工人手持施加压力，虽具有一定的柔性但不能保证工件与工具接触压力恒定。一些基于自动化设计的专用加工工具由于精度、通用性等问题，也不能实现多工具通用的实时柔性恒力加工。

发明内容

针对现在技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，该装置通过特定结构的设计，能够安装在不同的工业机器人末端，并通过连接不同的加工工具实现对工件柔性、恒压力、高效、高质的加工。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，该恒力浮动装置包括气动浮动机构、基体连接件、压力控制机构、力传感器和工业机器人；所述基体连接件包括工具连接法兰、中间过渡法兰、尾部过渡支撑座和末端连接法兰；其中：所述压力控制机构为调压阀，所述压力控制机构的一端通过中间过渡法兰与所述气动浮动机构相连接，压力控制机构的另一端通过尾部过渡支撑座与所述力传感器连接，同时所述力传感器通过末端连接法兰安装在工业机器人的第六轴法兰上；所述气动浮动机构还通过工具连接法兰安装加工工具，气动浮动机构能够对所安装的加工工具施加恒定推力。所述气动浮动机构根据力传感器及工业机器人反馈的位姿变化及接触力变化量通过调压阀调节气动浮动机构的输入气压来实现气动浮动单元输出推力恒定。

所述气动浮动机构包括气缸本体和滑动导杆，所述气缸本体内设有活塞、活塞杆与磁环，磁环设于活塞上；所述滑动导杆为两组，设置于所述气缸本体内并平行于气缸本体内的活塞杆，所述滑动导杆的末端与所述工具连接法兰相固定连接；其中：所述活塞杆向加工工具提供推力，由两组滑动导杆为工具连接法兰提供支撑及导向。

所述气缸本体的外侧设有前端电磁检测开关和后端电磁检测开关，用于检测内部活塞上磁环所处的位置，防止气动浮动机构在使用过程中过载导致气缸活塞超程造成气缸损坏。

所述气缸本体上设有尾部进气端与头部进气端，尾部进气端与头部进气端均安装气管接口用于输入相同压力的驱动空气；所述驱动空气由压力控制机构输入，驱动空气的压力由压力控制机构进行闭环控制。

所述压力控制机构上设有调压进气口和调压出气口，调压出气口连接三通的一个接口，三通的另两个接口分别连接所述气缸本体上的尾部进气端与头部进气端；工作气体由调压进气口进入压力控制机构，由调压出气口同时输出至头部进气端及尾部进气端。

所述力传感器接收的受力信息由数据传输接口进行信号采集，并上传给控制单元；所述压力控制机构由伺服信号传递模块与控制单元通信。

所述恒力浮动装置根据工业机器人在任意时刻反馈的位姿变化，能够实时计算整个装置重力及接触力补偿量，然后反馈给压力控制机构，进行气压调整，最终使工具连接法兰受到的推力沿活塞杆轴向保持恒定。

当工业机器人中控制器接收所述力传感器的受力信息后，通过PID算法实现恒力控制，包括如下步骤：

(1)根据恒力给定值与力传感器给出值计算控制偏差e(t)，控制偏差根据公式(1)计算；

e(t)＝r(t)-y(t) (1)；

公式(1)中：e(t)为控制偏差，r(t)为恒力给定值，y(t)为力传感器给出值；

(2)通过PID算法进行恒力控制，PID算法表达式如公式(5)所示；

定义

公式(5)中：u(k)为输出的控制量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；e(k)为当前时刻设定值和实际值之间的偏差，e(k-1)为上一时刻的偏差；

当偏差的绝对值超出阈值A的时候，积分项不起作用，控制器由PID变为PD控制器；当偏差绝对值在阈值A的范围内时，积分才起作用，控制器变为PID控制器。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明提出一种应用于机器人末端的恒力浮动装置，可以集成在不同种类的工业机器人末端，拓展机器人的加工能力，使之具备恒力浮动柔性加工的能力。

2.本发明中的恒力浮动装置中的通用工具法兰可以安装不同的加工工具，使机器人具备多种加工方式，包括但不限于机器人恒力打磨，机器人恒力抛光，机器人恒力浮动抓取等不同的作业任务。

3.本发明中浮动机构具备杠杆活塞位置检测功能，防止浮动机构在加工过程中到达活塞行程的极限位置，保护浮动机构不被超载、超限外力损坏。

4.本发明中的压力调节模块为闭环控制模块，可以根据输入信号调节浮动机构的输入气压进而调节浮动机构的推力，并能根据最终的输出气压与目标气压进行比对，进行输出气压的实时修正，达到精确控制输出气压的目的。

5.本发明中的力传感模块具备恒力浮动装置的轴向力检测功能，根据力传感器在任意时刻的力值实时反馈，上位机可以实时对整个装置的推力进行闭环补偿，使通用法兰受到的推力沿活塞杆轴向保持恒定。

6.本发明中力传感模块具有实时称重功能，不同的加工工具在安装到通用法兰上后，机器人自动将恒力浮动装置末端连接法兰的端面平行于地面，此时力传感器自动对加工工具进行称重，并同过传输模块将重力信息传递至上位机，为接下来恒力浮动装置位姿变换时对重力进行补偿进行数据准备。

7.本发明采用触摸屏一体机作为控制单元，机构小巧，人机交互方便。通过力传感器采集接触力值后经过AD/DA转换模块传输至PLC，由控制算法计算后再由AD/DA转换模块传输至比例调压阀，完成对气缸推力的控制。

附图说明

图1为本发明恒力浮动装置整体结构图；

图2为本发明恒力浮动装置结构示意图；

图3为图2中A-A剖视图。

图4为控制系统组成图。

图5为PID控制器框图。

图6为PD-PID控制算法流程图。

其中：1-气动浮动机构，2-工业机器人，3-压力控制机构，4-力传感器，5-活塞，6-工具连接法兰，7-活塞杆，8-滑动导杆，9-气缸本体，10-前端电磁检测开关，11-后端电磁检测开关，12-气管接口，13-中间过渡法兰，14-尾部进气端，15-伺服信号传递模块，16-尾部过渡支撑座，17-调压出气口，18-数据传输接口，19-末端连接法兰，20-调压进气口，21-头部进气端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明为应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，其结构如图1-3。该恒力浮动装置包括气动浮动机构1、基体连接件、压力控制机构3、力传感器4和工业机器人2；所述基体连接件包括工具连接法兰6、中间过渡法兰13、尾部过渡支撑座16和末端连接法兰19；其中：所述压力控制机构3为调压阀，所述压力控制机构3的一端通过中间过渡法兰13与所述气动浮动机构1相连接，压力控制机构3的另一端通过尾部过渡支撑座16与所述力传感器4连接，同时所述力传感器4通过末端连接法兰19安装在工业机器人2的第六轴法兰上；所述气动浮动机构1还通过工具连接法兰6安装加工工具，气动浮动机构1能够对所安装的加工工具施加恒定推力。当机构的姿态及接触应力发生变化时，由力传感器4反馈接触力变化值，不同的工具安装至通用的工具连接法兰6上时，力传感器4在机器人控制恒力浮动单元姿态的条件下，对工具进行称重，最终由机器人反馈机构的重心坐标偏移量，通过控制软件计算重力及接触力补偿量，压力控制机构3改变气动浮动机构的驱动气压来实现整个机构的恒力输出。

所述气动浮动机构1包括气缸本体9和滑动导杆8，所述气缸本体9内设有活塞5、活塞杆7与磁环，磁环设于活塞5上；活塞杆7为加工工具提供推力；所述滑动导杆8为两组，设置于所述气缸本体9内并平行于气缸本体9内的活塞杆7，所述滑动导杆8的末端与所述工具连接法兰6相固定连接；两组滑动导杆8为工具连接法兰6提供支撑及导向。

所述气缸本体9的外侧设有前端电磁检测开关10和后端电磁检测开关11，用于检测内部活塞5上磁环所处的位置，防止气动浮动机构1在使用过程中过载。

所述气缸本体9上设有尾部进气端14与头部进气端21，尾部进气端14与头部进气端21均安装气管接口12用于输入相同压力的驱动空气；所述压力控制机构3上设有调压进气口20和调压出气口17，调压出气口17通过一根管路连接三通的一个接口，三通的另两个接口分别通过管路连接气缸本体9上的尾部进气端14与头部进气端21，这样能够使用大尺寸活塞在气压较大的条件下获得小且稳定的输出力。

工作时，工作气体由调压进气口20进入压力控制机构3，由调压出气口17同时输出至头部进气端21及尾部进气端14。驱动空气的压力由压力控制机构3进行闭环控制。

所述力传感器4接收的受力信息由数据传输接口18进行信号传输，上传给控制单元；调压阀由伺服信号传递模块15与控制单元通信。

根据机器人在任意时刻的姿态的实时反馈，控制单元可以实时对整个装置的重力补偿进行数值计算，然后通过伺服信号传递模块15反馈至调压阀，进行气压调整，最终使末端通用工具连接法兰6受到的推力沿活塞杆7轴向保持恒定。

根据力传感器在任意时刻的力值实时反馈，上位机可以实时对整个装置的推力进行闭环补偿，使工具连接法兰6受到的推力沿活塞杆7轴向保持恒定。

不同的加工工具在安装到工具连接法兰6上后，机器人自动将恒力浮动装置末端的工具连接法兰6的端面平行于地面，此时力传感器4自动对加工工具进行称重，并同过数据传输模块18将重力信息传递至上位机，为接下来恒力浮动装置位姿变换时对重力进行补偿进行数据准备。

工业机器人采用PLC触摸屏一体机控制器，所述PLC触摸屏一体机控制器为高度集成产品，可以存储恒力浮动装置的控制算法并能够在触摸屏幕上完成对恒力浮动机构的控制。

控制器接收所述力传感器的受力信息后，通过PID算法实现恒力控制，如图4-6所示。

PID控制器根据恒力给定值与力传感器给出值计算控制偏差e(t)，控制偏差根据公式(1)计算；

e(t)＝r(t)-y(t) (1)；

公式(1)中：e(t)为控制偏差，r(t)为恒力给定值，y(t)为力传感器给出值；

PID的控制规律为如公式(2)所示：

传递函数的形式为公式(3)：

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数。

由于计算机控制是一种采样控制，其控制原理是根据采样时刻的偏差量来计算控制量。因此需要将其离散化，使用数字PID控制器。

按照模拟PID控制算法，以一系列采样时刻点KT代表连续时间t以矩阵法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即可得出位置式离散化的PID控制器表达式如式(4)所示：

其中，u(k)为控制器输出，K_p为比例系数，积分系数K_i，微分系数K_d。e(k)为当前时刻设定值和实际值之间的偏差，e(k-1)为上一时刻的偏差。触摸屏设定值，在恒力打磨过程中，被控对象与地面的角度是实时变化的，作用在打磨面上的力为气缸压力和被控对象重力分力，通过PID算法来补偿掉被控对象重力，使作用在打磨面上的力与上位机设定的值之间的误差为零。在PID控制算法中引入积分环节的目的就是为了消除静差，使控制精度更加准确，但在实际工程和实践过程中，由于启动、停止和输入信号有较大变化的情况下，系统会产生较大的偏差，若采用位置式PID控制器，则控制算法中积分项在极端的的时间内累加甚至使得控制量达到了饱和的状态，也达到了执行机构的机械极值，从而导致控制系统这时候处于非线性的状态。偏差的变化无法按照预期的控制规律正确地修改控制量导致控制系统不能按照控制器的设定变化。由于积分项的过大，误差要通过很长时间才能调节下来，因此这时候系统会产生严重超调。这种现象在实际工程的控制系统当中是必须要避免的，因此需要改进。这种现象主要原因是由于积分累加导致控制量饱和引起的，这时候需要将积分从PID控制算法中分离出来。

其实现步骤如下：

(1)根据实际情况，人为设定阈值K₁>0，

(2)|e(k)|>K₁时采用PD控制，为了避免产生过大的超调，又使系统有较为快速的响应；

(3)|e(k)|≤K₁时采用PID控制，以保证系统的控制精度。

构成积分分离的PID控制算法。算法表达式如式(5)所示：

其中

当偏差的绝对值超出阈值A的时候，积分项不起作用，控制器由变PID为PD控制器；当偏差绝对值在阈值A的范围内，积分才起作用，控制器变为PID控制器。恒力浮动单元使用这个算法进行控制，提高了响应速度，保证了控制精度，整个控制过程都在触摸屏上实现，操作非常简单、方便。

本发明的整个装置均使用螺钉进行相互连接，便于装配及维修。

实施例1：

如图1、3所示，气缸的尾部进气端14与头部进气端21分别安装气管接口12输入相同压力的驱动空气，驱动空气压力由压力控制机构3进行闭环控制，压力控制机构3的控制气由调压进气口20进入调压阀，由调压出气口17输出，经过三通后同时从头部进气端21及尾部进气端14进入气缸内。这样活塞杆7所提供的推力仅由作用在其横截面积的气体压强提供，通过实验样机测定，活塞能够在6bar气压时提供120N的推力，这样能够在1bar至6bar气压范围内随意调整，获得稳定的目标推力，如果使用常规气体接法，即尾部进气端14进气，头部进气端21接口排气，想要获得120N的推力供气压力为1.5bar，若需要更小的目标推力，则需要将输入气压调的更低，但此时由于活塞外壁与活塞组件及滑动导杆8之间存在摩擦力，活塞在小于1bar的输入气压时低速移动会出现爬行情况，影响恒力浮动单元所连工具的加工状态，进而影响待加工工件表面的表面形貌，因此使用本发明中设计的双路同时供气模式可以避免这种情况的发生。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，其特征在于：该恒力浮动装置包括气动浮动机构(1)、基体连接件、压力控制机构(3)、力传感器(4)和工业机器人(2)；所述基体连接件包括工具连接法兰(6)、中间过渡法兰(13)、尾部过渡支撑座(16)和末端连接法兰(19)；其中：所述压力控制机构(3)为调压阀，所述压力控制机构(3)的一端通过中间过渡法兰(13)与所述气动浮动机构(1)相连接，压力控制机构(3)的另一端通过尾部过渡支撑座(16)与所述力传感器(4)连接，同时所述力传感器(4)通过末端连接法兰(19)安装在工业机器人(2)的第六轴法兰上；所述气动浮动机构(1)还通过工具连接法兰(6)安装加工工具，气动浮动机构(1)能够对所安装的加工工具施加恒定推力；所述气动浮动机构(1)包括气缸本体(9)和滑动导杆(8)；

所述气缸本体(9)上设有尾部进气端(14)与头部进气端(21)，尾部进气端(14)与头部进气端(21)均安装气管接口(12)用于输入相同压力的驱动空气；所述驱动空气由压力控制机构(3)输入，驱动空气的压力由压力控制机构(3)进行闭环控制；

所述压力控制机构(3)上设有调压进气口(20)和调压出气口(17)，调压出气口(17)连接三通的一个接口，三通的另两个接口分别连接所述气缸本体(9)上的尾部进气端(14)与头部进气端(21)；工作气体由调压进气口(20)进入压力控制机构(3)，由调压出气口(17)同时输出至头部进气端(21)及尾部进气端(14)；

所述力传感器(4)接收的受力信息由数据传输接口(18)进行信号采集，并上传给控制单元；所述调压阀由伺服信号传递模块(15)与控制单元通信；

所述恒力浮动装置根据工业机器人(2)在任意时刻反馈的位姿变化，能够实时计算整个装置重力及接触力补偿量，然后反馈给压力控制机构，进行气压调整，最终使工具连接法兰(6)受到的推力沿活塞杆(7)轴向保持恒定；

机器人接收所述力传感器的受力信息后，通过PID算法实现恒力控制，包括如下步骤：

(1)根据恒力给定值与力传感器给出值计算控制偏差e(t)，控制偏差根据公式(1)计算；

e(t)＝r(t)-y(t) (1)；

公式(1)中：e(t)为控制偏差，r(t)为恒力给定值，y(t)为力传感器给出值；

(2)通过PID算法进行恒力控制，PID算法表达式如公式(5)所示；

定义

公式(5)中：u(k)为输出的控制量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；e(k)为当前时刻设定值和实际值之间的偏差，e(k-1)为上一时刻的偏差；

当偏差的绝对值超出阈值A的时候，积分项不起作用，控制器由PID变为PD控制器；当偏差绝对值在阈值A的范围内时，积分才起作用，控制器变为PID控制器。

2.根据权利要求1所述的应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，其特征在于：所述气缸本体(9)内设有活塞(5)、活塞杆(7)与磁环，磁环设于活塞上；所述滑动导杆(8)为两组，设置于所述气缸本体(9)内并平行于气缸本体(9)内的活塞杆(7)，所述滑动导杆(8)的末端与所述工具连接法兰(6)相固定连接；其中：所述活塞杆(7)向加工工具提供推力，由两组滑动导杆(8)为工具连接法兰(6)提供支撑及导向。

3.根据权利要求2所述的应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，其特征在于：所述气缸本体(9)的外侧设有前端电磁检测开关(10)和后端电磁检测开关(11)，用于检测内部活塞(5)上磁环所处的位置，防止气动浮动机构(1)在使用过程中过载。

4.根据权利要求1所述的应用于工业机器人末端的恒力浮动装置，其特征在于：所述加工工具为打磨工具、抛光工具或抓取工具。

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