CN111745536B - 一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台、通过导向装置能相对于定平台运动的动平台。动平台与定平台之间设有并联布置的空气伸缩弹簧和直线电机，用于驱动动平台沿导向装置轴向运动；导向装置上设有用于检测动平台移动位置的位移传感器；动平台上设有压力传感器和倾角传感器；位移传感器、压力传感器和倾角传感器向控制器发送反馈信号，控制器对空气伸缩弹簧和直线电机的输出力进行调节，实现机械臂力/位控制的解耦。本发明采用了气电混合驱动，具有精度高、响应快、柔性好、力控调节范围大、质量轻、成本低等优点，可实现对连续曲面进行表面光整，尤其适用于抛光打磨行业。

Description

一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器

技术领域

本发明涉及工业机器人领域的末端执行器装置，具体涉及一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器。

背景技术

在机械加工制造和模具生产过程中，加工后的工件表面经常会出现一些问题，例如表面粗糙，表面划伤和边缘毛刺等，这些问题严重影响了工件的表面质量，进一步导致产品的废品率增加。为了提高工件的表面质量，降低产品的废品率，通常需要对加工后的工件进行表面光整。

随着科技的发展，工业机器人在机械生产中的应用更加广泛，不仅可以应用于非连续接触式作业，如上下料、焊接、喷涂等，还可以用于接触式作业，如抛光打磨、去毛刺、装配等。目前现有的对工件表面光整的方法主要有手工抛光、数控机床抛光和工业机器人抛光。传统手工抛光加工效率低，人工成本高，并且抛光质量不均匀，抛光精度过分依赖于工人的工作经验和作业的熟练程度。另外手工抛光工作环境差，危险系数高，容易对员工的身体造成伤害，以至于很多工人不愿从事该工作。数控机床抛光可以实现自动化，能有效减轻工人体力劳动，但是其工作空间小，灵活性差，机器设备占据成本高，中小型企业难以接受其巨额资本。机器人抛光具备数控机床抛光的优点，同时还具有工作空间大，灵活性好，成本低等优点，所以采用机器人抛光是目前抛光打磨行业的主要发展趋势。

当采用机器人抛光时，由于待抛光工件表面可能是一些不规则变化的连续曲面，容易导致抛光工具与工件之间的接触力变化，进一步导致工件表面出现过抛或欠抛现象，最终影响工件表面质量，所以控制抛光力是工件抛光打磨的核心技术。

目前机器人抛光实现力控制有两种方式，一种是直接力控制，另一种是间接力控制。直接力控制是通过机械臂的关节力矩控制机械臂末端输出力，这种方法需建立准确的机器人动力学模型，根据末端输出力反解出机械臂各个关节的输出力矩，并且要开发实时、鲁棒的控制算法。同时由于机械臂的惯性较大，易导致力控精度差，这种力控制方法适用于轻量型机械臂。间接力控制是通过在机械臂末端安装末端执行器来实现力控制，这种控制方法由机械臂实现末端执行器的位置控制，由末端执行器实现输出力控制，能够实现机械臂力/位控制解耦，同时具备动态响应好，力控精度高，通用性好等特点，因此这种力控制方法成为机械臂力控制的主流。

根据力控制方式可将现有的力控末端执行器分为机械式、气动式、电驱式和气电混合式。其中，机械式一般在末端执行器上安装弹簧实现力控制，这种方法属于被动式控制，优点是结构简单，但其力控制精度较低，在企业中已逐渐被淘汰。气动式根据具体的实现形式又可分为气囊式，气缸式和人工肌肉式，三种方式都是以气体压力作为动力源，通过调节气体压力来实现末端执行器的输出力。其优点是具有较好的柔性、力重比大、控制简单。由于气动系统本身存在响应慢，精度低，迟滞时间长等缺点，所以并不能很好的满足抛光过程中实时快速力控制要求。电驱式是通过直线电机伸缩运动来实现末端执行器的力输出，优点是力控精度高和响应速度快，但是这种方式存在柔性差，质量偏大等缺点，并且抛光过程中易产生振动。现有的气电混合式弥补了电驱式柔性差的缺点，但是质量依然较大，并且输出力偏大，力调节范围小，不能满足实际工况的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于机器人的新型气电混合式力控末端执行器，以解决上述现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台、通过导向装置能相对于定平台运动的动平台。动平台与定平台之间设有并联布置的空气伸缩弹簧和直线电机，用于驱动动平台沿导向装置轴向运动；导向装置上设有用于检测动平台移动位置的位移传感器；动平台上设有压力传感器和倾角传感器；位移传感器、压力传感器和倾角传感器向控制器发送反馈信号，控制器对空气伸缩弹簧和直线电机的输出力进行调节，实现机械臂力/位控制的解耦。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，空气伸缩弹簧为双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧，直线电机为音圈电机，音圈电机位于双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧的中心容腔内，两者同轴心安装在动平台和定平台之间。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，音圈电机包括音圈电机动子和音圈电机定子，音圈电机动子与音圈电机定子同轴心安装；音圈电机定子与定平台相连接，音圈电机动子与动平台相连接；控制器以空气伸缩弹簧的输出力为主，通过控制音圈电机的电流方向，使音圈电机既可以向外输出推力又可以向内输出拉力，以实现对实际接触力进行调节。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，空气伸缩弹簧包括用于连接动平台的顶部安装座、用于连接定平台的底部安装座、密封安装在顶部安装座和底部安装座之间的空气伸缩弹簧内层和空气伸缩弹簧外层；空气伸缩弹簧内层和空气伸缩弹簧外层分别是能轴向伸缩的波纹状密封圆筒，在波纹状密封圆筒的内部沿周向设有防膨胀的钢丝；在空气伸缩弹簧内层与空气伸缩弹簧外层之间构成封闭容腔。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，顶部安装座具有顶部凹槽，空气伸缩弹簧内层的上部和空气伸缩弹簧外层的上部安装于顶部凹槽的内部，在顶部凹槽内设有顶部橡胶塞块；底部安装座具有底部凹槽，空气伸缩弹簧内层的下部和空气伸缩弹簧外层的下部安装于底部凹槽的内部，在底部凹槽内设有底部橡胶塞块，以实现空气伸缩弹簧具有良好的密封性。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，空气伸缩弹簧通过定平台上的气管接头连接用于调节气体压力的伺服阀、用于改变气体的流动方向的电磁换向阀、以及气源装置；气管接头的数量为2至6个，沿定平台圆周均匀间隔分布；气源装置通过多个支路气管分别与对应的气管接头连接，同时为空气伸缩弹簧充气，实现动平台受力均匀。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，导向装置包括与动平台连接的滑块架、与定平台连接的导轨架；滑块架通过导轨和滑块相对于导轨架滑动；导向装置的数量为2至4组，围绕直线电机圆周均匀间隔分布，实现动平台和定平台之间的导向作用。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，位移传感器包括磁片、磁栅读头和磁栅安装架；磁片安装于滑块架的背部，磁栅读头安装于磁栅安装架上，用于检测动平台的位移。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，压力传感器安装于动平台的末端法兰上，用于检测抛磨工具与工件之间的实际接触力，并反馈给控制器；倾角传感器安装于动平台上，用于检测末端执行器与竖直方向的夹角，以便控制器进行重力补偿。

较优的，在上述的气电混合式力控末端执行器中，空气伸缩弹簧的外部设有防护罩；防护罩的外形呈波纹形，两端分别通过卡箍与动平台和定平台的侧面固定连接，并能随动平台伸缩运动。

与现有的末端执行器相比，本发明的气电混合式力控末端执行器具有以下优点：

1、双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧具有力重比大、柔性好、成本低等优点；同时采用气电混合并联控制方式，既具备力控精度高、响应快等特点，又具备一定的柔性和减震性能；

2、以空气伸缩弹簧的输出力为主，由直线电机的输出力调节抛磨工具与工件之间的实际接触力，具有较高的工作带宽，并且力控调节范围大，能有效地满足实际工况需求；

3、整体结构简单，质量小，生产成本低，适合抛光打磨行业推广。

附图说明

图1是本实施例中气电混合式力控末端执行器的内部剖视图。

图2是本实施例中气电混合式力控末端执行器的整体外观图。

图3是本实施例中气电混合式力控末端执行器的导向装置结构图。

图4是本实施例中气电混合式力控末端执行器的导向装置分布图。

图5是本实施例中气电混合式力控末端执行器的空气伸缩弹簧剖视图。

图1至图5中的附图标记为：连接法兰1、定平台2、气管接头3、导向装置4、滑块架41、导轨挡块42、导轨43、滑块44、导轨架45、位移传感器5、磁片51、磁栅读头52、磁栅安装架53、空气伸缩弹簧6、顶部安装座61、顶部橡胶塞块62、空气伸缩弹簧内层63、空气伸缩弹簧外层64、底部橡胶塞块65、底部安装座66、钢丝67、音圈电机7、音圈电机动子71、音圈电机定子72、防护罩8、卡箍9、动平台10、压力传感器11、倾角传感器12。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例中，气电混合式力控末端执行器包括与机械臂末端关节连接的定平台2、通过导向装置4能相对于定平台2运动的动平台10。在动平台10与定平台2之间设有并联布置的空气伸缩弹簧6和直线电机，用于驱动动平台10沿导向装置4轴向运动。导向装置4上设有用于检测动平台10移动位置的位移传感器5，动平台10上设有压力传感器11和倾角传感器12，位移传感器5、压力传感器11和倾角传感器12与控制器连接，控制器对空气伸缩弹簧6和直线电机的输出力进行调节，实现机械臂力/位控制的解耦。

气电混合式力控末端执行器通过连接法兰1与机械臂末端关节通过螺钉固定连接，连接法兰1的另一端通过螺栓螺母与定平台2连接，由机械臂实现所述的末端执行器的位置控制，由所述的末端执行器实现抛磨工具与工件之间的接触力控制。

本实施例中的直线电机采用的是音圈电机7，但也可以是其他形式的直线电机。音圈电机7包括音圈电机动子71和音圈电机定子72，音圈电机定子72和音圈电机动子71分别通过螺钉固定在动平台10和定平台2的中心位置，并且要求两者同轴心，音圈电机动子71的伸缩运动带动动平台10一起上下移动。

空气伸缩弹簧内层63和空气伸缩弹簧外层64分别是能轴向伸缩的波纹状密封圆筒，在波纹状密封圆筒的内部沿周向设有防膨胀的钢丝67。空气伸缩弹簧内层63和空气伸缩弹簧外层64分别与底部安装座66和顶部安装座61的凹槽壁贴合，构成封闭容腔。底部橡胶塞块65和顶部橡胶塞块62置于空气伸缩弹簧内层63和空气伸缩弹簧外层64之间，并且安装于空气伸缩弹簧6的底部安装座66和顶部安装座61中，用于保证空气伸缩弹簧6的密封性，防止漏气。

底部橡胶塞块65和空气伸缩弹簧6的底部安装座66上都有四个用于固定安装的螺纹孔和四个用于与气管接头3连接的螺纹孔。而顶部橡胶塞块62和空气伸缩弹簧6顶部安装座61上都只有四个用于固定安装的螺纹孔。空气伸缩弹簧6底部安装座66连同底部橡胶塞块65固定在定平台2上，空气伸缩弹簧6的顶部安装座61连同顶部橡胶塞块62固定在动平台10上，并且保证与音圈电机7同轴心。四个气管接头3沿定平台2圆周间隔90°分布，并且与底部橡胶塞块65联通，四个气管接头3同时对空气伸缩弹簧6供气，以使其内部气体均匀，进一步避免动平台10受力不均匀。

本实施例中的导向装置4主要包括滑块架41、导轨挡块42、导轨43、滑块44、导轨架45，其中，导轨43通过螺钉安装于导轨架45上，导轨架45通过螺钉固定在定平台2上，导轨43和滑块44相互配合实现导向作用，滑块44和滑块架41通过螺钉连接，滑块架41安装于动平台10上，导轨挡块42安装在导轨架45顶端，用于限制滑块44的最大位移，以免滑块44脱轨。图4所示为三个导向装置4的分布形式，三个导向装置4围绕音圈电机7沿圆周间隔120°分布。另外位移传感器5的磁片51贴在任一导向装置4的滑块架41后面，磁栅读头52固定在磁栅安装架53上，磁栅安装架53安装在定平台2上，并且保证磁栅读头52与磁片51之间有微小间隙，利用磁栅读头52读取磁片51的位移，也即是动平台10的位移。

本实施例中的压力传感器11安装于动平台10的末端法兰上，用于检测抛光工具与工件之间的实际接触力，并将实际接触力反馈给控制器，构成力闭环控制。倾角传感器12安装于动平台10上，用于检测所述的末端执行器与竖直方向之间的夹角，将此角度值反馈给控制器以便对所述的力控末端执行器进行重力补偿。

动平台10和定平台2的最外层包裹有防护罩8，用两个卡箍9分别将防护罩8的底部和顶部固定于动平台10和定平台2的侧面，由于防护罩8的外形也是呈波纹形，故其可以随动平台10伸缩，此外还可以防止抛磨产生的高速度高温度碎屑损坏空气伸缩弹簧外层64，同时也具有防尘作用。

本发明实施例的气电混合式力控末端执行器的工作原理为：

首先要设置期望的目标接触力Fr,控制器接受到指令后产生两个控制信号，一个信号输出到伺服阀，用于调节气管中气体压力，进一步实现调节空气伸缩弹簧6的输出力Fa，另一个信号输出到直线电机驱动器，用于调节直线电机的输出力Fe。当抛磨工具未与工件接触时，压力传感器11反馈给控制器的值为0，此时直线电机与空气伸缩弹簧6同时向外伸出，驱动抛磨工具靠近工件。当抛磨工具与工件开始接触后，压力传感器11的反馈值逐渐增大，由控制器判断当前的反馈值是否达到目标接触力的90％，此数值可以人为自主设定，这里只是为了说明实施例控制过程。如果未达到，则空气伸缩弹簧6和直线电机两者继续同时工作，向外输出力。如果达到了目标接触力的90％，则控制器控制伺服阀两端电压恒定，即伺服阀输出气体压力恒定，也即是空气伸缩弹簧6对外输出力恒定，此时直线电机单独工作，继续向外输出力，直到实际接触力Fc达到目标接触力值。另外，待抛光工件表面可能是不规则变化的连续曲面，会导致实际接触力变化。由压力传感器11将此变化值反馈给控制器，此时控制器控制空气伸缩弹簧6的输出力保持不变，通过控制直线电机中的电流或电压的大小和方向，实现音圈电机7向外推力或向内拉力，进一步实现对抛磨工具与工件之间的实际接触力Fc的调节,以满足期望的目标接触力大小恒定，利用此力闭环反馈实现对实际接触力Fc的实时调节。综上所述，抛磨工具与工件之间的实际接触力Fc满足以下关系：

Fc＝Fa±Fe

在本发明实施例中，气电混合式力控末端执行器安装在机械臂末端关节，其姿态受机械臂控制，在实际的抛光作业过程中需克服所述的力控末端执行器及抛光工具自身重力对工作的影响。倾角传感器12安装于动平台10上，用于实时检测所述的末端执行器与竖直方向的夹角，并将此数值反馈给控制器，控制器根据夹角的具体数值对所述的末端执行器进行重力补偿，以减小所述的末端执行器及抛光工具自身重力对工件抛光质量的影响。

此外，在本实施例中，虽然采用的导向装置4是三个导轨43和滑块44围绕直线电机间隔120°圆周分布，但是本领域的技术人员可以理解，也可以采用其他数目或其他形式的导向装置4沿圆周分布，如直线轴承，滚珠花键等。空气伸缩弹簧6在本实施例中为双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧，仅是为了使所述的力控末端执行器结构更加紧凑，也可以做成其他形状。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台(2)、通过导向装置(4)能相对于定平台(2)运动的动平台(10)，其特征在于：所述的动平台(10)与定平台(2)之间设有并联布置的空气伸缩弹簧(6)和直线电机，用于驱动动平台(10)沿导向装置(4)轴向运动；所述的导向装置(4)上设有用于检测动平台(10)移动位置的位移传感器(5)；所述的动平台(10)上设有压力传感器(11)和倾角传感器(12)；所述的位移传感器(5)、压力传感器(11)和倾角传感器(12)向控制器发送反馈信号，所述的控制器对空气伸缩弹簧(6)和直线电机的输出力进行调节，实现机械臂力/位控制的解耦；所述的空气伸缩弹簧(6)为双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧，所述的直线电机为音圈电机(7)，所述的音圈电机(7)位于双层容腔式圆柱形空气伸缩弹簧的中心容腔内，两者同轴心安装在动平台(10)和定平台(2)之间；

所述的音圈电机(7)包括音圈电机动子(71)和音圈电机定子(72)，音圈电机动子(71)与音圈电机定子(72)同轴心安装；所述的音圈电机定子(72)与定平台(2)相连接，所述的音圈电机动子(71)与动平台(10)相连接；所述的控制器以空气伸缩弹簧(6)的输出力为主，通过控制音圈电机(7)的电流方向，使音圈电机(7)既可以向外输出推力又可以向内输出拉力，实现对实际接触力进行调节；

所述的空气伸缩弹簧(6)包括用于连接动平台(10)的顶部安装座(61)、用于连接定平台(2)的底部安装座(66)、密封安装在顶部安装座(61)和底部安装座(66)之间的空气伸缩弹簧内层(63)和空气伸缩弹簧外层(64)；所述的空气伸缩弹簧内层(63)和空气伸缩弹簧外层(64)分别是能轴向伸缩的波纹状密封圆筒，在波纹状密封圆筒的内部沿周向设有防膨胀的钢丝(67)；在空气伸缩弹簧内层(63)与空气伸缩弹簧外层(64)之间构成封闭容腔；

所述的顶部安装座(61)具有顶部凹槽，所述空气伸缩弹簧内层(63)的上部和空气伸缩弹簧外层(64)的上部安装于顶部凹槽的内部，在所述的顶部凹槽内设有顶部橡胶塞块(62)；所述的底部安装座(66)具有底部凹槽，所述空气伸缩弹簧内层(63)的下部和空气伸缩弹簧外层(64)的下部安装于底部凹槽的内部，在所述的底部凹槽内设有底部橡胶塞块(65)，以实现空气伸缩弹簧(6)具有良好的密封性。

2.根据权利要求1所述的气电混合式力控末端执行器，其特征在于：所述的空气伸缩弹簧(6)通过定平台(2)上的气管接头(3)连接用于调节气体压力的伺服阀、用于改变气体的流动方向的电磁换向阀、以及气源装置；所述气管接头(3)的数量为2至6个，沿定平台(2)圆周均匀间隔分布；所述的气源装置通过多个支路气管分别与对应的气管接头(3)连接，同时为所述的空气伸缩弹簧(6)充气，实现动平台(10)受力均匀。

3.根据权利要求1所述的气电混合式力控末端执行器，其特征在于：所述的导向装置(4)包括与动平台(10)连接的滑块架(41)、与定平台(2)连接的导轨架(45)；所述的滑块架(41)通过导轨(43)和滑块(44)相对于导轨架(45)滑动；所述的导向装置(4)的数量为2至4组，围绕直线电机圆周均匀间隔分布，实现所述的动平台(10)和定平台(2)之间的导向作用。

4.根据权利要求1所述的气电混合式力控末端执行器，其特征在于：所述的位移传感器(5)包括磁片(51)、磁栅读头(52)和磁栅安装架(53)；所述的磁片(51)安装于滑块架(41)的背部，所述的磁栅读头(52)安装于磁栅安装架(53)上，用于检测动平台(10)的位移。

5.根据权利要求1所述的气电混合式力控末端执行器，其特征在于：所述的压力传感器(11)安装于动平台(10)的末端法兰上，用于检测抛磨工具与工件之间的实际接触力，并反馈给所述的控制器；所述的倾角传感器(12)安装于动平台(10)上，用于检测末端执行器与竖直方向的夹角，以便控制器进行重力补偿。

6.根据权利要求1所述的气电混合式力控末端执行器，其特征在于：所述空气伸缩弹簧(6)的外部设有防护罩(8)；所述防护罩(8)的外形呈波纹形，两端分别通过卡箍(9)与动平台(10)和定平台(2)的侧面固定连接，并能随动平台(10)伸缩运动。

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