CN112008710B - 单自由度气电混合力控末端执行器及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度气电混合力控末端执行器及工业机器人。该力控末端执行器包括定平台、动平台、氮气弹簧和设于定平台与动平台间的直线电机、固定外套和滑动内套，直线电机内部设有氮气弹簧，氮气弹簧的一端与定平台相连，另一端与直线电机的电机动子相连，滑动内套套设于直线电机的外部并与动平台相连，固定外套套设于滑动内套的外部并与定平台相连。本发明将氮气弹簧设置在中空的直线电机内部，使得力控末端执行器的结构更加紧凑，大幅度减少了轴向长度；并且采用的氮气弹簧无需外接气源，在整个行程具有恒定的弹力，有利于直线电机进行快速的接触力补偿；并在电机动子和动平台间设置压力传感器和导向机构，从而实现接触力的精确控制。

Description

单自由度气电混合力控末端执行器及工业机器人

技术领域

本发明属于工业机器人末端工具技术领域，具体涉及一种用于机器人打磨抛光等接触式作业的单自由度气电混合力控末端执行器及工业机器人。

背景技术

零件的打磨抛光作为工件加工的一道重要工序，传统的工作模式是依靠人力作业，加工效率低，工作环境差，零件的一致性不能保证。近年来，采用工业机器人替换人工的方式进行打磨抛光成为主流的加工方式。而机器人打磨抛光属于连续接触式作业，控制抛光过程中的压力恒定成为提高加工质量的关键因素。目前，工业机器人进行力控制的方法主要有两种，一种是通过控制机械臂的关节力矩进行力控制，另一种是利用机械臂外加的力控装置进行力控制，前者主要适用于轻量化机械臂，后者由机械臂进行位置控制，力控末端执行器进行力控制，可实现机器人力/位解耦控制，是未来的主要发展趋势。

目前，单自由度的力控末端执行器大多都是电动式或气动式的，其中，气动式的力控末端执行器的柔性较好，可抗冲击，但普遍存在响应速度慢、力控精度差等缺点，而电动式力控末端执行器的响应快、力控精度高，但缺乏柔性，工作过程中易振动，并且为了适应大的接触力，力控装置整体质量较大。为了克服电动式或气动式力控末端执行器的缺点，采用气电混合式的力控末端执行器应运而生。目前的气电混合式的力控末端执行器存在轴向长度较大，导致抛光过程中径向刚度不足；结构不紧凑、重量较重；没有在内部集成力反馈功能等问题，限制了气电混合末端执行器的推广应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种单自由度气电混合力控末端执行器及工业机器人，从而克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种单自由度气电混合力控末端执行器，所述单自由度气电混合力控末端执行器包括定平台、动平台、直线电机、固定外套、滑动内套和和氮气弹簧，所述定平台和动平台之间设置所述直线电机，所述直线电机包括与定平台相连的电机定子和与所述动平台相连的电机动子，所述电机定子内部设有用于收容所述氮气弹簧的收容空间，所述氮气弹簧设于所述收容空间内，且所述氮气弹簧的一端与定平台相连，另一端与电机动子相连，所述滑动内套和固定外套设于定平台和动平台之间，所述滑动内套套设于直线电机的外部并与动平台相连，所述固定外套套设于滑动内套的外部并与定平台相连。

优选地，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测接触力的压力传感器，所述压力传感器设于电机动子和动平台之间。

优选地，所述电机动子和动平台之间还设有至少一个第一导向机构，所述第一导向机构包括导向杆和套设于导向杆上的导套，所述导套设于动平台上，所述导向杆的一端与电机动子相连，另一端伸入导套内。

优选地，所述电机动子和动平台之间还设有连接件，所述导向杆通过连接件与电机动子相连。

优选地，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测动平台位置的位移检测机构，所述位移检测机构设于滑动内套和固定外套之间，所述位移检测机构包括光栅尺和用于读取光栅尺上刻度的光栅读头，所述光栅尺设于滑动内套的外侧壁上并沿滑动内套的轴向延伸设置，所述光栅读头设于固定外套上。

优选地，所述位移检测机构还包括用于安装光栅读头的安装支架，所述光栅读头通过安装支架安装于固定外套上。

优选地，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括设于滑动内套和固定外套之间的第二导向机构，所述第二导向机构包括导轨和滑动设于导轨上的至少一个滑块，所述导轨设于滑动内套的外侧壁上并沿滑动内套的轴向延伸设置，所述滑块与固定外套相连。

优选地，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于对动平台进行限位的至少一个限位机构，所述限位机构包括限位槽和限位块，所述限位槽设于固定外套上，所述限位块与滑动内套相连并位于所述限位槽内。

优选地，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括多个用于抵消氮气弹簧弹力的弹性件，所述弹性件设于所述定平台和动平台之间，且所述弹性件的一端与所述定平台相连，另一端与所述动平台相连。

优选地，所述氮气弹簧包括缸体和设于所述缸体内的活塞杆，所述活塞杆通过弹性垫块与所述电机动子相连。

本发明还揭示了一种工业机器人，包括上述单自由度气电混合力控末端执行器、机械臂、卡盘、抛光工具，所述抛光工具通过卡盘与动平台固定连接，所述机械臂的末端与定平台固定连接。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

（1）本发明通过在直线电机内部设置收容空间，收容空间内设置氮气弹簧，使得单自由度气电混合力控末端执行器的结构更加紧凑，可大大减少单自由度气电混合力控末端执行器的轴向长度，从而提高径向刚度。

（2）本发明通过在单自由度气电混合力控末端执行器内部设置压力传感器和位移检测机构，使得单自由度气电混合力控末端执行器内部集成了力反馈和位置反馈的功能，并且通过设置第一导向机构，避免压力传感器承受径向作用力，提高了单自由度气电混合力控末端执行器的可靠性。

（3）本发明还通过在定平台和动平台之间设置弹性件，可抵消部分氮气弹簧出力，进而减轻电机重量，并提高系统的刚度和响应速度。

（4）本发明采用高压的氮气弹簧，不需要外接气源，简化了系统的组成；并具有尺寸小，结构紧凑等特点；且在整个行程中，可以保持恒定的弹力，这对于直线电机实现快速的力补偿有很大促进作用。

（5）本发明所述的单自由度气电混合力控末端执行器集成了电动式和气动式单自由度气电混合力控末端执行器的优点，具有力控精度高、响应速度快、抗冲击、结构紧凑、力控范围大的优点，可应用于机器人打磨抛光等接触式作业领域。

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中记载的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是单自由度气电混合力控末端执行器零行程时立体图；

图2是单自由度气电混合力控末端执行器满行程时立体图；

图3是单自由度气电混合力控末端执行器零行程时剖视图；

图4是单自由度气电混合力控末端执行器满行程时剖视图；

图5是图4中沿A-A剖视图；

图6是图5中A处的局部放大视图。

附图标记：10、定平台；11、支座；20、动平台；30、直线电机；31、电机定子；32、电机动子；40、固定外套；50、滑动内套；60、氮气弹簧；61、缸体；62、活塞杆；63、弹性垫块；70、第一导向机构；71、导向杆；72、导套； 80、位移检测机构；81、光栅尺；82、光栅读头；83、安装支架；90、第二导向机构；91、导轨；92、滑块；100、限位机构；101、限位槽；102、限位块；110、弹性件；M、收容空间；a、压力传感器；b、连接件。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

结合图1-图4所示，为本发明所揭示的一种单自由度气电混合力控末端执行器，包括定平台10、动平台20、直线电机30、固定外套40、滑动内套50和氮气弹簧60，其中，定平台10和动平台20之间设置直线电机30，直线电机30为中空结构，其包括固定不动的电机定子31和设于电机定子31上并可直线运动的电机动子32，电机定子31与定平台10通过止口定位并固定连接，并且电机定子31上设有用于收容氮气弹簧60的收容空间M，电机动子32与动平台20活动连接，电机动子32可相对动平台20产生一定的位移，直线电机优选音圈电机；氮气弹簧60设于所述收容空间M内，并与电机定子31同轴设置，其一端通过支座11与定平台10固定连接，另一端与电机动子32相连，氮气弹簧60可作用于电机动子32，使得电机动子32相对电机定子31产生一定的位移；滑动内套50和固定外套40设于定平台10和动平台20之间，滑动内套50套设于直线电机30的外部，与电机动子32同轴设置的同时还与动平台20相连，固定外套40套设于滑动内套50的外部，与电机定子31同轴设置的同时还与定平台10通过止口定位并固定连接。本发明通过在直线电机30内部设置收容空间M，收容空间M内设置氮气弹簧60，使得单自由度气电混合力控末端执行器的结构更加紧凑，可大大减少单自由度气电混合力控末端执行器的轴向长度，从而提高其径向刚度。

如图4所示，氮气弹簧60包括固定不动的缸体61和设于缸体61内并可直线移动的活塞杆62，其中，缸体61通过支座11与定平台10定位并固定连接，并且缸体61还与电机定子31同轴设置，也就是说，固定外套40、电机定子31和缸体61从外至内依次同轴心安装于定平台10上，形成固定组件；活塞杆62与电机动子32相连，并且活塞杆62与电机动子32同轴设置，也就是说，滑动内套50、电机动子32和活塞杆62从外至内依次同轴心安装于动平台20上，形成活动组件。本实施例中，活塞杆62通过弹性垫块63与电机动子32相连，在弹性垫块的作用下，可缓解直线电机30快速运动过程中产生的冲击力。弹性垫块优选弹性的橡胶块或聚氨酯块，可根据实际需求进行选择。

本实施例中，氮气弹簧60优选氮气弹簧，并且氮气弹簧60的缸体61与定平台10固定连接，当然，在其他实施例中，也可将氮气弹簧60的缸体61与电机动子32相连，活塞杆62与定平台10相连，可根据实际需求进行设置。本发明采用高压的氮气弹簧，不需要外接气源，简化了系统的组成，同时还具有尺寸小，结构紧凑等特点，在整个行程中，可以保持恒定的弹力，这对于直线电机实现快速的力补偿有很大促进作用。

如图3所示，单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测接触力的压力传感器a，也即压力传感器a可用于检测抛光过程中的压力，压力传感器a设于电机动子32和动平台20之间。实施时，抛光工具与动平台20连接，当抛光工具与工件接触时，压力传感器a可检测出实际的接触力，并将信号输出至控制系统中，控制系统控制直线电机30产生期望的力，继而实现了期望力的跟踪，保证抛光过程的压力恒定，提高了抛光质量。

进一步地，如图4所示，为了避免压力传感器a受到径向作用力，电机动子32和动平台20之间还设有一个或多个第一导向机构70。具体地，第一导向机构70包括导向杆71和套设于导向杆71上的导套72，其中，导套72设于动平台20上，导向杆71的一端与电机动子32相连，另一端伸入导套72内，当然，在其他实施例中，也可将导套72设于电机动子32上，导向杆71的一端与动平台20相连，另一端与伸入导套72内，可根据实际需求进行设置。通过在电机动子32和动平台20之间设置压力传感器a，使力控末端执行器内部集成了力控功能，同时，通过设置第一导向机构70，一方面使得电机动子32可在轴向上相对动平台20稳定移动，避免了压力传感器a受到径向作用力，提高压力传感器a的寿命和精度，另一方面可通过动平台20来定位电机动子32，保证了电机动子32和电机定子31之间的气隙恒定。

如图3所示，电机动子32和动平台20之间还设有连接件b，连接件b通过螺栓固定等方式与电机动子32固定连接，第一导向机构70中的导向杆71与连接件b相连，也就是说导向杆71通过连接件b与电机动子32相连。

本实施例中，电机动子32和动平台20之间共设有三个第一导向机构70，当然，在其他实施例中，可根据实际需求设置第一导向机构70的数量。

结合图1、图5和图6所示，单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测动平台20位置的位移检测机构80，位移检测机构80设于滑动内套50和固定外套40之间，位移检测机构80优选光栅位移传感器，其包括光栅尺81和光栅读头82，其中，光栅尺81设于滑动内套50的外侧壁上并沿滑动内套50的轴向延伸设置，光栅读头82设于固定外套40上，实施时，动平台20相对定平台10运动时，动平台20带动滑动内套50移动，滑动内套50在相对固定外套40移动过程中，光栅读头82读取光栅尺81上的刻度，进而可实时检测动平台20的位置。

进一步地，位移检测机构80还包括用于安装光栅读头82的安装支架83，光栅读头82通过安装支架83安装于固定外套40上。

本实施例中，光栅尺81通过胶粘方式固定于滑动内套50的外侧壁上，当然，在其他实施例中，光栅尺81也可以采用其他方式固定于滑动内套50的外侧壁上，如螺栓固定等等。

如图5所示，单自由度气电混合力控末端执行器还包括一个或多个第二导向机构90，第二导向机构90设于滑动内套50和固定外套40之间。第二导向机构90包括导轨91和滑动设于导轨91上的一个或多个滑块92，其中，导轨91设于滑动内套50的外侧壁上，并沿滑动内套50的轴向延伸设置，滑块92与固定外套40相连。实施时，在第二导向机构90的作用下，动平台20在直线电机30的驱动下可进行单自由度直线运动。当然，在其他实施例中，还可将导轨91设于固定外套40的内侧壁上，滑块92与滑动内套50的外侧壁相连。通过设置第二导向机构90，大幅度提高了单自由度气电混合力控末端执行器的径向刚度，提高了抛光的稳定性。

本实施例中，共设置有三个第二导向机构90，三个第二导向机构90沿滑动内套50的周向方向等间隔设置，当然，在其他实施例中，可根据实际需求设置第二导向机构90的数量及第二导向机构90的排布方式，如设置四个第二导向机构90，并且四个第二导向机构90沿滑动内套50的周向方向非等间隔设置。

如图1和图3所示，还包括用于对动平台20进行限位的一个或多个限位机构100，限位机构100包括限位槽101和限位块102，限位槽101设于固定外套40上，限位块102与滑动内套50相连，并位于限位槽101内，当然，在其他实施例中，限位槽101也可以设于滑动内套50上，限位块102与固定外套40相连，并伸入限位槽101中，可根据实际需求进行设置。实施时，限位块102在限位槽101中移动，当限位块102移动至限位槽101的两端时，限位块102与限位槽101的内壁相抵接，限位块102无法移动，进而使得动平台20无法相对定平台10移动，实现对动平台20的限位。本实施例中，限位块102优选聚氨酯限位块，并且在限位机构100的作用下，动平台20的行程要稍小于直线电机30和氮气弹簧60的行程，以保护各元器件不被损坏。

如图1所示，动平台20和定平台10之间还设有一个或多个弹性件110，弹性件110的一端与动平台20相连，另一端与定平台10相连。通过设置弹性件110，一方面可抵消部分氮气弹簧60的弹力，减轻电机重量，另一方方面还可提高系统的刚度和响应速度。本实施例中，弹性件110优选弹簧，其数量可以是6根或更多或更少。

该实施例的单自由度气电混合力控末端执行器可以在工业机器人中应用。本发明还揭示了一种工业机器人，包括机械臂、卡盘、抛光工具及所述单自由度气电混合力控末端执行器，其中所述抛光工具通过卡盘与动平台固定连接，所述机械臂的末端与单自由度气电混合力控末端执行器固定连接。单自由度气电混合力控末端执行器的具体结构详见上述，在此不再一一赘述。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has 或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (8)

1.一种单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述单自由度气电混合力控末端执行器包括定平台、动平台、直线电机、固定外套、滑动内套和氮气弹簧，所述定平台和动平台之间设置所述直线电机，所述直线电机包括与定平台相连的电机定子和与所述动平台相连的电机动子，所述电机定子内部设有用于收容所述氮气弹簧的收容空间，所述氮气弹簧设于所述收容空间内，且所述氮气弹簧的一端与定平台相连，另一端与电机动子相连，所述滑动内套和固定外套设于定平台和动平台之间，所述滑动内套套设于直线电机的外部并与动平台相连，所述固定外套套设于滑动内套的外部并与定平台相连，所述电机动子和动平台之间还设有连接件和至少一个第一导向机构，所述第一导向机构包括导向杆和套设于导向杆上的导套，所述导套设于动平台上，所述导向杆的一端通过连接件与电机动子相连，另一端伸入导套内。

2.根据权利要求1所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测接触力的压力传感器，所述压力传感器设于电机动子和动平台之间。

3.根据权利要求1所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于检测动平台位置的位移检测机构，所述位移检测机构设于滑动内套和固定外套之间，所述位移检测机构包括光栅尺和用于读取光栅尺上刻度的光栅读头，所述光栅尺设于滑动内套的外侧壁上并沿滑动内套的轴向延伸设置，所述光栅读头设于固定外套上。

4.根据权利要求3所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述位移检测机构还包括用于安装光栅读头的安装支架，所述光栅读头通过安装支架安装于固定外套上。

5.根据权利要求1所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括设于滑动内套和固定外套之间的第二导向机构，所述第二导向机构包括导轨和滑动设于导轨上的至少一个滑块，所述导轨设于滑动内套的外侧壁上并沿滑动内套的轴向延伸设置，所述滑块与固定外套相连。

6.根据权利要求1所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括用于对动平台进行限位的至少一个限位机构，所述限位机构包括限位槽和限位块，所述限位槽设于固定外套上，所述限位块与滑动内套相连并位于所述限位槽内；所述单自由度气电混合力控末端执行器还包括多个用于抵消氮气弹簧弹力的弹性件，所述弹性件设于所述定平台和动平台之间，且所述弹性件的一端与所述定平台相连，另一端与所述动平台相连。

7.根据权利要求1所述的单自由度气电混合力控末端执行器，其特征在于，所述氮气弹簧包括缸体和设于所述缸体内的活塞杆，所述活塞杆通过弹性垫块与所述电机动子相连。

8.一种工业机器人，其特征在于，包括权利要求1~7中任一项的单自由度气电混合力控末端执行器、机械臂、卡盘、抛光工具，所述抛光工具通过卡盘与动平台固定连接，所述机械臂的末端与定平台固定连接。

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