CN112091819A - 一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，包括旋转运动组件、恒力调整组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；所述旋转运动组件通过花键轴将旋转动力传递给滚珠花键；所述恒力调整组件将轴向力传递给滚珠花键，滚珠花键可轴向移动的同时与电机同步旋转，从而实现旋转与轴向移动解耦，同时实时监测抛磨盘组件的受力情况；所述抛磨盘组件与滚珠花键连接，实现与滚珠花键同步旋转与同步伸缩运动。本申请可实现对轴向力与转速的精准控制，同时主动抑制抛磨过程中的振动，整体结构简洁紧凑、控制方便、力控精度高且响应带宽高。

Description

一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器

技术领域

本申请涉及机器人自动化技术领域，尤其涉及一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器。

背景技术

随着现代工业的快速发展，工业机器人在各个领域中越来越被普遍应用，尤其是在一些工作环境恶劣、需重复大量繁重工作的领域。在一些需要接触式的作业环境中，往往要求工业机器人拥有一定的接触感知与调节能力，以达到工作要求的完成如夹持、打磨、抛磨、装配等作业。其中，在机器人抛磨过程中，恒力抛磨是影响加工件表面质量的关键因素，而抛磨工具和被加工件发生相对移动或者其他相互作用都会使抛磨工具产生振动，从而影响工具的力控制精度。因此，实现抛磨工具与工件接触力的恒力控制是有必要的，并且实现具有主动抑制振动的恒力控制对完成高精度作业有很重要的意义。

工业机器人力控制的方法主要分为直接力控制和间接力控制两种，其中直接力控制是通过控制机械臂驱动关节的力矩实现的，间接力控制是通过附加力控末端执行器实现的。两种方法各有优缺点：前者需建立准确的机器人动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法，通常适用于新一代轻量化机器人的力控制；后者通过附加的力控末端执行器实现力位混合控制的解耦，虽然系统成本略微提高，但力控制的动态特性和通用性更好，通常适用于高速重载机器人，具有广阔的应用前景。总体上来说，直接力控制响应速度慢，算法稳定性较差，难以实现工业生产，因此力控末端执行器实现力控制是合理选择，而开发带有主动抑制的力控抛磨末端执行器还存在一些不足，需要进一步改进和完善。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，能够提高力控抛磨末端执行器恒力控制的稳定性。

为达到上述技术目的，本申请提供了一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，包括恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；

所述恒力调整组件包括主音圈电机定子、主音圈电机动子、辅音圈电机定子、辅音圈电机动子、线性导向轴、直线轴承、多维力传感器、T型连接板与下连接板；

所述下连接板沿所述花键轴远离所述电机的轴向方向与所述T型连接板间隔设置；

所述主音圈电机定子与所述辅音圈电机定子设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且端部均固定连接所述T型连接板的肋板；

所述主音圈电机动子与所述辅音圈电机动子设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且均固定连接所述下连接板；

所述线性导向轴设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且第一端连接所述T型连接板的肋板，第二端连接所述下连接板；

所述直线轴承套设于所述线性导向轴外周，用于限制所述线性导径轴的径向运动；

所述多维力传感器安装于所述T型连接板的翼板上；

所述旋转运动组件包括电机、电机支架、花键轴、花键轴轴承与第一联轴器；

所述电机安装于所述电机支架上；

所述电机支架安装于所述T型连接板的肋板上；

所述花键轴通过所述第一联轴器与所述电机的输出轴连接；

所述运动解耦组件包括滚珠花键与旋转轴承；所述花键轴依次穿过所述T型连接板的肋板、所述主音圈电机定子、所述主音圈电机动子、所述下连接板后，与所述滚珠花键同步旋转连接；

所述旋转轴承与所述下连接板轴向固定连接，并与所述滚珠花键轴向固定连接，用于将所述下连接板的轴向动力传递给所述滚珠花键；

所述抛磨盘组件包括抛磨盘安装件与抛磨盘；所述抛磨盘安装件一端与所述滚珠花键固定连接，另一端与所述抛磨盘连接。

优选地，所述线性导向轴第一端与所述T型连接板的肋板轴向可活动连接，第二端与所述下连接板固定连接；

所述直线轴承设置于所述T型连接板的肋板与下连接板之间，且一端固定连接所述T型连接板的肋板。

优选地，所述恒力调整组件还包括轴端挡片；

所述轴端挡片与穿过所述T型连接板的所述线性导向轴的第一端连接，用于限制所述线性导向轴的轴向运动距离；

优选地，所述运动解耦组件还包括花键套；

所述花键套内周壁固定套接所述滚珠花键，所述花键套的外周壁轴向固定并可旋转套接于所述旋转轴承内。

优选地，所述抛磨盘安装件通过所述花键套与所述滚珠花键固定连接。

优选地，所述运动解耦组件还包括轴承外壳与卡簧；

所述轴承外壳套接于所述旋转轴承外周壁，与所述旋转轴承过盈连接；

所述旋转轴承通过所述轴承外壳与所述下连接板轴向固定连接；

所述卡簧安装于所述轴承外壳，用于限制所述旋转轴承相对于所述轴承外壳轴向运动。

优选地，所述多维力传感器具体为六维力传感器。

优选地，所述辅音圈电机定子与所述辅音圈电机动子具体均为两个。

优选地，所述线性导向轴具体为两根；

一所述辅音圈电机定子与一所述辅音圈电机动子组成一辅音圈电机；

两所述辅音圈电机与两所述线性导向轴关于所述主音圈电机定子的中心轴呈圆周均匀对称分布。

优选地，所述抛磨盘安装件与所述抛磨盘通过第二联轴器固定连接。

从以上技术方案可以看出，本申请设置恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件，具备以下优点：

(1)恒力调整组件采用主音圈电机与辅音圈电机组合提供轴向力，由于音圈电机是一种依靠电力转化为磁力的电机，轴向力的大小仅与供给的电流以及音圈电机的电流参数大小有关，因此轴向力的大小可直接通过供给的电流控制，主音圈电机与辅音圈电机一起构成一套宏微机构，在主音圈电机提供期望力的同时，辅音圈电机可以起到反馈调整的效果，实现快速响应轴向接触力的变化从而实现轴向接触力恒定；同时，恒力调整组件采用多维力传感器将测得的抛磨盘组件实际接触力作为恒力调整组件的轴向输出力的调整数据实时反馈给系统，实现对抛磨盘组件的精准力控；多维力传感器安装于T型连接板的翼板上，T型连接板左右对称的设计使多维力传感器的受力更加精准，同时，T型连接板的肋板上下两端分别与旋转运动组件以及恒力调整组件连接，既减少了中间连接部件的数量，又提高了连接板的结构强度；

(2)旋转运动组件使用电机作为切削动力源，在保证满足转速范围、切削力要求与重量适合的条件下，具有转速稳定且易控制的优点；

(3)运动解耦组件采用花键结构，旋转轴承的内周壁配合滚珠花键旋转的同时又可将下连接板的输出力传递给抛磨盘，减少了旋转相应零部件从而降低了转动惯量，同时，由于旋转轴承的外周壁可设置成不旋转的形式，减少了因解耦组件整体转动带来的安全问题；

(4)抛磨盘组件与滚珠花键固定连接，实现与滚珠花键同步旋转和轴向力传递，从而达到恒力控制的目的，整体传动距离短同时提高了响应速度，提高了花键轴的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请中提供的一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器的整体结构示意图；

图2为本申请中提供的一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器电机的中心线沿线性导向轴中心线方向的半剖图；

图3为本申请中提供的一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器电机的中心线沿辅音圈电机中心线方向的半剖图；

图中：1、电机；2、电机支架；3、第一联轴器；4、花键轴；5、花键轴轴承；(6/23)、轴端挡片；7、T型连接板；(8/21)线性导向轴；(9/22)、直线轴承；10、主音圈电机定子；11、主音圈电机动子；12、下连接板；13、轴承外壳；14、旋转轴承；15、抛磨盘；16、第二联轴器；17、抛磨盘安装件；18、花键套；19、卡簧；20、滚珠花键；24、多维力传感器；(25/28)、辅音圈电机定子；(26/27)、辅音圈电机动子。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1至图3，本申请实施例中提供的一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器的一个实施例包括：恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；恒力调整组件包括主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、辅音圈电机定子25、辅音圈电机动子26、线性导向轴8、直线轴承9、多维力传感器24、T型连接板7与下连接板12；多维力传感器24安装于T型连接板7的翼板上；下连接板12沿花键轴4远离电机1的轴向方向与T型连接板7间隔设置；主音圈电机定子10与辅音圈电机定子25端部均固定连接T型连接板7的肋板；主音圈电机动子11与辅音圈电机动子26均固定连接下连接板12；线性导向轴8第一端连接T型连接板7的肋板，第二端连接下连接板12；直线轴承9套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导向轴8径向运动；旋转运动组件包括电机1、电机支架2、花键轴4与第一联轴器3；电机1安装于电机支架2上；电机支架2安装于T型连接板7的肋板上；花键轴4通过第一联轴器3与电机1的输出轴连接；并通过花键轴轴承5与T型连接板7可转动连接运动解耦组件包括滚珠花键20与旋转轴承14；花键轴4依次穿过T型连接板7的肋板、主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、下连接板12后，与滚珠花键20同步旋转连接；旋转轴承14与下连接板12轴向固定连接，并与滚珠花键20轴向固定连接，用于将下连接板12的轴向动力传递给滚珠花键20；抛磨盘组件包括抛磨盘安装件17与抛磨盘15；抛磨盘安装件17一端与滚珠花键20固定连接，另一端与抛磨盘15连接。

具体来说，下连接板12通过旋转轴承14将音圈电机输出力传递给滚珠花键20的方式，例如可以是通过将旋转轴承14的外周壁与连接板12连接，而旋转轴承14的内周壁与滚珠花键20套接的同时，不与下连接板12固定连接的方式，旋转轴承14的外周壁不可旋转，内周壁可配合滚珠花键20旋转的同时将轴向力传递给滚珠花键。

具体来说，主音圈电机动子11与主音圈电机定子10组成主音圈电机。辅音圈电机动子26与辅音圈电机定子25组成辅音圈电机。主音圈电机与辅音圈电机均设置于T型连接板的肋板与下连接板12之间；主音圈电机与辅音圈电机共同为下连接板12提供轴向力，其中，主音圈电机提供期望轴向力；辅音圈提供轴向补偿力，用于根据多维力传感器24的监测结果作出反馈调整。下连接板12将主音圈电机与辅音圈电机提供的轴向力传递给与其固定连接的零部件，并通过线性导向轴8确保轴向力传递的过程中，T型连接件和下连接板的相对位置不会改变；其中，辅音圈电机与线性导向轴8可以关于主音圈电机对称设置，以更好的保持平衡。

需要说明的是，下连接板12与线性导向轴8配合的方式可以有多种，例如可以是线性导向轴8与T型连接板7的肋板固定连接，下连接板12与线性导向轴轴向可活动连接的形式；也可以是线性导向轴8与下连接板12固定连接，同时与T型连接板7轴向可活动连接的方式，不作限制；直线轴承9固定连接T型连接板7的肋板，并套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导径轴8的径向运动，更好的起到导向作用。

以上为本申请实施例提供的实施例一，以下为本申请提供的实施例二，具体请参阅图1至图3。

一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，包括：恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；旋转运动组件包括电机1、电机支架2、花键轴4与第一联轴器3；恒力调整组件包括主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、辅音圈电机定子25、辅音圈电机动子26、线性导向轴8、直线轴承9、多维力传感器24、T型连接板7与下连接板12；电机1安装于电机支架2上；电机支架2安装于T型连接板7的肋板上；花键轴4通过第一联轴器3与电机1的输出轴连接；并通过花键轴轴承5与T型连接板7可转动连接；多维力传感器24安装于T型连接板7的翼板上；下连接板12沿花键轴4远离电机1的轴向方向与T型连接板7间隔设置；主音圈电机定子10与辅音圈电机定子25端部均固定连接T型连接板7的肋板；主音圈电机动子11与辅音圈电机动子26均固定连接下连接板12；线性导向轴8第一端连接T型连接板7的肋板，第二端连接下连接板12；直线轴承9套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导向轴8径向运动；运动解耦组件包括滚珠花键20与旋转轴承14；花键轴4依次穿过T型连接板7的肋板、主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、下连接板12后，与滚珠花键20同步旋转连接；旋转轴承14与下连接板12轴向固定连接，并与滚珠花键20轴向固定连接，用于将下连接板12的轴向动力传递给滚珠花键20；抛磨盘组件包括抛磨盘安装件17与抛磨盘15；抛磨盘安装件17一端与滚珠花键20固定连接，另一端与抛磨盘15连接。

进一步地，在本实施例中，线性导向轴8第一端与T型连接板7的肋板轴向可活动连接，第二端与下连接板12固定连接。

具体来说，线性导向轴8与下连接板12固定连接，跟随下连接板12沿着自身轴向运动；直线轴承9设置于T型连接板7与下连接板12之间，且一端固定连接T型连接板7的肋板，并套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导径轴8的径向运动，更好的起到导向作用。

进一步地，恒力调整组件还包括轴端挡片6；轴端挡片6与穿过T型连接板7的线性导向轴8的第一端连接，用于限制线性导向轴8的轴向运动距离，当下连接板12带动线性导向轴8往下运动时，轴端挡片6用于限位，避免整个线性导向轴8完全滑离T型连接板。

进一步地，运动解耦组件还包括花键套18；花键套18内周壁固定套接滚珠花键20，花键套18的外周壁轴向固定并可旋转套接于旋转轴承14内。

具体来说，本申请实施例一为可实现滚珠花键20即可以旋转又可以传递来自下连接板12的轴向力情况下机械装置有可能的结构设置。在实际应用中，为了使滚珠花键20更好的适应旋转轴承的尺寸，同时更好把运动和力传递给抛磨盘连接件，花键轴4与滚珠花键20还配置有花键套18；其中，滚珠花键20通过螺钉与花键套18固定连接，同时滚珠花键20的外圆周面与花键套18的内表面间隙配合，因此可以将旋转动力从滚珠花键20传递给花键套18；整体旋转响应零件减少，降低转动惯量的，提高响应速度与花键轴4的使用寿命；花键套18外圆周与旋转轴承14配合；下连接板12通过旋转轴承14将音圈电机的输出力传递给花键套18。

进一步地，抛磨盘安装件17通过花键套18与滚珠花键20固定连接。

具体来说，抛磨盘安装件17与花键套18下端面通过螺钉相连，通过花键套18接收旋转动力与轴向力。

进一步地，运动解耦组件还包括轴承外壳13与卡簧19；轴承外壳13套接于旋转轴承14外周壁，与旋转轴承14过盈连接；旋转轴承14通过轴承外壳13与下连接板12轴向固定连接；卡簧19安装于轴承外壳13，用于限制旋转轴承14相对于轴承外壳轴向运动。

具体来说，要使运动解耦组件的外周不需旋转从而减少因解耦组件整体旋转带来的安全问题，在本实施例中，是通过使旋转轴承14外圆周壁与轴承外壳13过盈连接固定，内圆周壁与花键套18配合可旋转的方式；同时，通过卡簧19更加稳固的限制旋转轴承14的轴向运动；整体结构更加安全牢固。

具体来说，旋转轴承14可以是双列角接触球轴承等，根据实际需要选用即可，不作限制。

进一步地，多维力传感器24具体为六维力传感器。

具体来说，多维力最完整的形式是六维力传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，可以更加准确的实现对抛磨盘的精准力控。

进一步地，辅音圈电机定子具体均为两个，分别为辅音圈电机定子25与辅音圈电机定子18；辅音圈电机动子具体同样为两个，分别为辅音圈电机动子26与辅音圈电机动子27；辅音圈电机定子25与辅音圈电机动子26组成一套辅音圈电机；辅音圈电机定子28与辅音圈电机动子27组成一套辅音圈电机；

进一步地，线性导向轴具体为两根，分别为线性导向轴8与线性导向轴21；相应的，直线轴承与轴端挡片同样分别具有两个，其中直线轴承9和轴端挡片6与线性导向轴8配合连接，直线轴承22和轴端挡片23与线性导向轴21配合连接。

为了使得下连接板12的受力更加均匀，反馈调整更加准确，两套辅音圈电机与两根线性导向轴关于主音圈电机定子10的中心轴圆周均匀对称分布，也即两套辅音圈电机与两根线性导向轴四者关于主音圈电机定子10的中心轴呈圆周阵列分布，两两之间与主音圈电机定子10的中心轴连线夹角为90°。

进一步地，抛磨盘安装件17与抛磨盘15通过第二联轴器16固定连接，可以实现不同尺寸与目数抛磨盘的按需快速切换。

进一步地，第一联轴器3可以是膜片联轴器等；第二联轴器16可以是刚性联轴器等，不作限制。

需要说明的是，以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，包括恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；

所述恒力调整组件包括主音圈电机定子、主音圈电机动子、辅音圈电机定子、辅音圈电机动子、线性导向轴、直线轴承、多维力传感器、T型连接板与下连接板；

所述旋转运动组件包括电机、电机支架、花键轴、花键轴轴承与第一联轴器；

所述多维力传感器安装于所述T型连接板的翼板上；

所述电机安装于所述电机支架上；

所述电机支架安装于所述T型连接板的肋板上；

所述花键轴通过所述第一联轴器与所述电机的输出轴连接，并且通过所述花键轴轴承与所述T行连接板的肋板连接；

所述下连接板沿所述花键轴远离所述电机的轴向方向与所述T型连接板间隔设置；

所述主音圈电机定子与所述辅音圈电机定子均设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且端部均固定连接所述T型连接板的肋板；

所述主音圈电机动子与所述辅音圈电机动子设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且均固定连接所述下连接板；

所述线性导向轴设于所述下连接板与所述T型连接板之间，且第一端连接所述T型连接板的肋板，第二端连接所述下连接板；

所述直线轴承套设于所述线性导向轴外周，用于限制所述线性导径轴的径向运动；

所述运动解耦组件包括滚珠花键与旋转轴承；

所述花键轴依次穿过所述T型连接板的肋板、所述主音圈电机定子、所述主音圈电机动子、所述下连接板后，与所述滚珠花键同步旋转连接；

所述旋转轴承与所述下连接板轴向固定连接，并与所述滚珠花键轴向固定连接，用于将所述下连接板的轴向动力传递给所述滚珠花键；

所述抛磨盘组件包括抛磨盘安装件与抛磨盘；

所述抛磨盘安装件一端与所述滚珠花键固定连接，另一端与所述抛磨盘连接。

2.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述线性导向轴第一端与所述T型连接板的肋板轴向可活动连接，第二端与所述下连接板固定连接；

所述直线轴承设置于所述T型连接板与所述下连接板之间，且一端固定连接所述T型连接板的肋板。

3.根据权利要求2所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述恒力调整组件还包括轴端挡片；

所述轴端挡片与穿过所述T型连接板的所述线性导向轴的第一端连接，用于限制所述线性导向轴的轴向运动距离。

4.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述运动解耦组件还包括花键套；

所述花键套内周壁固定套接所述滚珠花键，所述花键套的外周壁轴向固定并可旋转连接所述旋转轴承的内周壁。

5.根据权利要求4所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述抛磨盘安装件通过所述花键套与所述滚珠花键固定连接。

6.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述运动解耦组件还包括轴承外壳与卡簧；

所述轴承外壳套接于所述旋转轴承外，并与所述旋转轴承过盈连接；

所述旋转轴承通过所述轴承外壳与所述下连接板轴向固定连接；

所述卡簧安装于所述轴承外壳，用于限制所述旋转轴承相对于所述轴承外壳轴向运动。

7.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述多维力传感器具体为六维力传感器。

8.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述辅音圈电机定子与所述辅音圈电机动子具体均为两个。

9.根据权利要求8所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述线性导向轴具体为两根；

一所述辅音圈电机定子与一所述辅音圈电机动子组成一辅音圈电机；

两所述辅音圈电机与两所述线性导向轴关于所述主音圈电机定子的中心轴线呈圆周均匀对称分布。

10.根据权利要求1所述的带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，其特征在于，所述抛磨盘安装件与所述抛磨盘通过第二联轴器固定连接。

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