CN112238396A - 一种紧凑型高精度恒力执行器及应用方法 - Google Patents

一种紧凑型高精度恒力执行器及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型高精度恒力执行器及其应用方法。一种紧凑型高精度恒力执行器，包括动力组件、传动组件、控制系统、动力控制组件和传感器组件；动力组件通过传动组件输出动力，传感器组件获取传动组件的输出力和姿态信息并发送至控制系统，控制系统根据输出力信息通过动力控制组件调节动力组件的输出力。本发明提出一种紧凑型高精度恒力执行器，通过装置的伸缩来补偿机器人的位置误差，并且根据设定值的大小进行接触力的精确调节，能有效提高加工件的产品质量，降低生产成本。

Description

一种紧凑型高精度恒力执行器及应用方法
技术领域
本发明涉及一种紧凑型高精度恒力执行器及应用方法。
背景技术
随着自动化水平不断提高，机器人被广泛应用在磨抛、装配这类接触式作业中，这些场合下要求机器人具有一定力感知和力控制能力，因为在接触式作业中，机器人自身的位置误差和工件的刚度及形状变化会导致接触力的波动，从而影响加工效果。
中国专利公开号CN105234807A一种工业机器人抛磨作业的力控法兰、及抛磨方法和中国专利公开号CN105458857A一种恒力补偿装置，这些发明主体结构都由可伸缩的气缸连接，接触力以及接触面形状变化时，整体会自适应的伸缩调节，它通过减压阀内置的气压传感器间接反映出接触力的大小，通过调节气压值的恒定来保证输出力的恒定。CN110919535A一种恒力执行器，该方案中使用接触端的推拉力传感器来感知输出力的大小，并在末端加入万向摆角机构提升系统的柔性。中国专利公开号CN105234807A一种工业机器人抛磨作业的力控法兰、及抛磨方法和CN105458857A一种恒力补偿装置的缺点：(1)力控制精度不高。首先由于气体的可压缩性和摩擦力的存在，通过气压值间接地反映实际接触力会存在较大的误差，力感知精度较低导致力控制精度欠缺；其次该气动系统是典型非线性系统，并存在滞后性需要在控制方法上进行创新以提高快速响应能力和动态精度；(2)结构不够紧凑，给机器人本身带来较大的额外负载。
中国专利公开号CN110919535A一种恒力执行器，采用力传感器代替气压传感器进行力感知,可提升力感知精度。但由于力的控制环在气压的控制环之外，其响应速度逊于气压传感器，系统响应速度和动态精度的问题更加突出，此外加入力传感器在结构紧凑化方面的难度更大。正是由于加入力传感器在提升力的感知精度的同时，损失了结构的紧凑型和部分控制品质，导致基于力传感器的恒力执行器在实际应用中效果差于基于气压传感器的方案。
发明内容
本发明提出一种紧凑型高精度恒力执行器，通过装置的伸缩来补偿机器人的位置误差，并且根据设定值的大小进行接触力的精确调节，能有效提高加工件的产品质量，降低生产成本。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种紧凑型高精度恒力执行器，其特殊之处在于：
包括动力组件、传动组件、控制系统、动力控制组件和传感器组件；
动力组件通过传动组件输出动力，传感器组件获取传动组件的输出力和姿态信息并发送至控制系统，控制系统根据输出力信息通过动力控制组件调节动力组件的输出力。
进一步地，上述动力组件包括气缸、电磁换向阀，所述电磁换向阀用于控制气缸的运动方向。优选地，该气缸采用低摩擦气缸。
进一步地，上述传动组件包括滑台和导轨，所述滑台沿滑轨进行移动，滑台的一端与气缸的动力输出端相连，另一端通过伸缩执行部分与加工工具相连。
进一步地，上述动力控制组件包括比例减压阀，比例减压阀与气缸相连，用于控制气缸的进气压力。
进一步地，上述传感器组件包括力传感器、倾角传感器、气缸位移传感器；所述力传感器获取滑台的输出力信息；倾角传感器用于获取装置的姿态信息，气缸位移传感器用于获取气缸的活塞杆移动距离，根据位移信息确保气缸在合适行程内。
进一步地，上述所述控制系统包括上位机和智能控制器，
所述上位机根据倾角传感器提供的姿态信息抵消加工工具重力的影响，再将力传感器反馈的接触力数值与预先设定值对比较，智能控制器根据比较结果调节比例减压阀的控制电压，比例减压阀111根据控制电压的大小调节输出气体压力，实现通过调节气缸的气压值来调节输出力；
所述智能控制器包括SMITH预估器和优化神经网络ANN1和PID控制器，并且传感器组件的信息通过低通滤波器后输入上位机。
进一步地，上述导轨上同时连接有限位结构，保障气缸在适宜行程内。
进一步地，上述电磁换向阀、比例减压阀和气缸被连接在气动底座上，气动底座内部气体通道将三者的气路连通，无需过多的气管连接，使得内部结构更加美观紧凑。
进一步地，上述倾角传感器通过螺栓连接在导轨上，导轨、气缸和气动底座均通过螺栓与底座连接。
进一步地，上述伸缩执行部分通过螺纹可与加工工具连接，其外围有一圈伸缩防尘套7。
进一步地，还包括外壳，动力组件、传动组件、动力控制组件和传感器组件设置在外壳内，外壳表面有三个连接口：供气口、排气口和电缆接头，空气压缩机压缩后的洁净空气经供气口给气缸提供气源，各气动元件通过排气口排出空气，电缆接头负责内部元件的供电以及传感器的信号传递。
进一步地，固定环通过螺纹连接滑台主体部分，并将力传感器夹住固定在滑台上。
另外，本发明还提出一种上述紧凑型高精度恒力执行器的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将伸缩执行部分1与加工工具连接，恒力执行器保持竖直，通过力传感器12得到加工工具的重力大小，通过倾角传感器17获取装置的姿态信息，并求出加工工具在该姿态下自身重力的分量G，接触力Fa为力传感器12显示的数值Fp和加工工具重力的分量G的差值；
2)打磨过程中，接触力Fa不断变化，上位机将接触力Fa与设定力Fd进行比较，求出两者的差值ΔFd，ΔFd除以气缸腔的截面积后得到压力的待调整量ΔPd，ΔPd再加上内环气压调节设定值与实际值的误差得到ΔP作为智能传感器的输入，智能传感器的输出为比例减压阀的控制电压u，若二者和在误差范围以内，比例减压阀的控制电压u保持不变，若实际接触力偏大或者偏小，控制器相应地减小或者增大控制电压，并不断循环此过程，直到ΔP在误差范围内。
本发明的优点：
1、本发明在装置接触端加入了力传感器提升了装置的力感知精度，低摩擦气缸降低摩擦力的影响，倾角传感器补偿重力影响，并使用双闭环控制方案，比例减压阀内置的气压传感器的数值用于内环调节，力传感器的数值用于外环调节，并且经过低通滤波器滤波处理，使得控制系统在提高感知精度的同时，保障系统的快速响应性能，降低外界干扰的影响；
2、本发明进行了精简化结构设计，气动底座14减少了不必要的气管连接，提升内部结构的美观与紧凑性；滑台与导轨的重新设计，使得装置主体具有更好的强度和更紧凑的结构，同时更轻的重量对机器人本体有更小的负荷；
3、本发明中的智能控制器，其可以减小静态误差，神经网络的加入提升该控制器在非线性系统中的动态精度，SMITH预估器的加入则能补偿系统中的纯滞后环节，提升系统的快速响应能力，多方面共同提高装置的控制精度，优化控制效果。
附图说明
附图1是本发明实施例的外观图；
附图2是本发明实施例的内部结构图；
附图3图2的另一个方向视图；
附图4是本发明实施例的控制系统示意图；
附图5是本发明实施例的智能控制器结构图。
其中：1、伸缩执行部分，2、供气口，3、排气口，4、电缆接头，5、固定法兰，6、外壳，7、伸缩防尘套，8、智能控制器，11、力传感器，12、固定环,13、低摩擦气缸，14、气动底座,15、底座，16、气缸位移传感器,17、倾角传感器，18、限位结构,19、滑台，110、导轨，111、比例减压阀，112、电磁换向阀，81、SMITH预估器，82、优化神经网络ANN1，83、PID控制器。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
一种紧凑型高精度恒力执行器，包括外壳6、动力组件、传动组件、控制系统、动力控制组件和传感器组件；动力组件、传动组件、动力控制组件和传感器组件设置在外壳6内。
外壳6表面有三个连接口：供气口2、排气口3和电缆接头4；经供气口2给气缸13提供气源，各气动元件通过排气口3排出空气，电缆接头4用于供电以及传感器组件的信号传递。
动力组件通过传动组件输出动力，传感器组件获取传动组件的输出力和姿态信息并发送至控制系统，控制系统根据输出力信息通过动力控制组件调节动力组件的输出力。
作为本发明的一个优选实施例，动力组件包括气缸13、电磁换向阀112，所述电磁换向阀112用于控制气缸13的运动方向，气缸13优选低摩擦气缸。所述动力控制组件包括比例减压阀111，所述比例减压阀111用于控制气缸13的进气压力。
作为本发明的一个优选实施例，所述传动组件包括滑台19和导轨110，所述滑台19沿滑轨进行移动，所述滑台19的一端与气缸13的动力输出端相连，另一端与伸缩执行部分1相连。
本发明中，所述传感器组件包括力传感器11、倾角传感器17、气缸位移传感器16；所述力传感器11获取滑台19的输出力信息；倾角传感器17用于获取装置的姿态信息，气缸位移传感器16用于获取气缸13的活塞杆移动距离，根据位移信息确保气缸13在合适行程内。
本发明中的控制系统包括上位机和智能控制器8。
所述上位机根据倾角传感器17提供的姿态信息抵消加工工具重力的影响，再将力传感器11反馈的接触力数值与预先设定值对比较，智能控制器8根据比较结果调节比例减压阀111的控制电压，比例减压阀111根据控制电压的大小调节输出气体压力，实现通过调节气缸13的气压值来调节输出力；所述智能控制器8包括SMITH预估器81和优化神经网络ANN182和PID控制器83。
作为本发明的一个优选实施例，所述导轨110上连接有限位结构18，对气缸13行程进行限位。所述伸缩执行部分1通过螺纹与加工工具连接，其伸缩执行部分1外围有一圈伸缩防尘套7，防止灰尘进入壳体内，延长装置的使用寿命。
作为本发明的一个优选实施例，所述电磁换向阀112、比例减压阀111和气缸13设置在气动底座14上，气动底座14的内部气体通道将三者的气路连通，无需繁冗的气管连接，达到紧凑和美观设计的目的。
实施例1：
参见图1-3，一种紧凑型高精度恒力执行器，包括气缸13、力传感器11、固定法兰5、滑台19和导轨110。气缸13为低摩擦气缸。
结合附图1，恒力执行器通过固定法兰5被安装在工业机器人末端，经过空气压缩机压缩后的洁净空气经供气口2给气缸提供气源。外壳6表面有三个连接口，该装置内部的气动元件通过排气口3排出空气，电缆接头4负责内部元件的供电以及传感器的信号传递。伸缩执行部分1通过螺纹可与加工工具连接，其外围有一圈伸缩防尘套7。
结合附图2和附图3，该执行器内部集成了力传感器11、倾角传感器17、气缸位移传感器16、电磁换向阀112和比例减压阀111。固定环12通过螺纹连接滑台19主体部分，并将力传感器11夹住固定在滑台19上。滑台19的一端与气缸13的气缸杆连接。导轨110上同时连接有限位结构18，保障气缸13在适宜行程内。
电磁换向阀112、比例减压阀111和气缸13被连接在气动底座14上，气动底座14内部气体通道将三者的气路连通，无需过多的气管连接，使得内部结构更加美观紧凑。倾角传感器17通过螺栓连接在导轨110上，导轨110，气缸13和气动底座14均通过螺栓与底座15连接。
结合附图4和附图5，为进一步提升该装置的控制精度，将智能控制器应用在双闭环控制回路中，该控制器结合SMITH预估器81和优化神经网络ANN1 82和PID控制器83，并且在力反馈的回路中加入低通滤波器，降低来自外界的部分干扰。
在进行接触式作业时，恒力执行器通过滑台19与导轨110的配合具有伸缩性，使得恒力执行器末端式中与工件保持贴合，其内部的传感器(力传感器11、气缸位移传感器16、倾角传感器17)实时反馈接触力、位移和姿态信息，上位机根据姿态信息抵消加工工具重力的影响，再将反馈的接触力数值和设定值对比，重新调节比例减压阀111的控制电压，比例减压阀111根据控制电压的大小调节输出气体压力，气压的大小进一步影响恒力执行器的输出力，该系统就是通过调节气缸的气压值来调节输出力，并使得输出力保持在设定的范围内。
实施例2
本发明还公开了一种该装置的应用方法，包括：在开始作业之前，将伸缩执行部分1末端与加工工具连接，恒力执行器保持竖直，力传感器12反映出加工工具的重力大小。在打磨过程中，倾角传感器17会反映装置的姿态信息，求出加工工具在该姿态下自身重力的分量G，接触力Fa实际的大小则是力传感器12显示的数值Fp和加工工具重力的分量G的差值。打磨过程中，接触力Fa不断变化，上位机将接触力Fa与设定力Fd进行比较，求出两者的差值ΔFd，ΔFd除以气缸腔的截面积后得到压力的待调整量ΔPd，ΔPd再加上内环气压调节设定值与实际值的误差得到ΔP作为智能传感器的输入，智能传感器的输出为比例减压阀111的控制电压u，若二者和在误差范围以内，比例减压阀111的控制电压u保持不变，若实际接触力偏大或者偏小，控制器相应地减小或者增大控制电压，并不断循环此过程，直到ΔP在误差范围内。
ΔP被输入到控制器中，输出控制电压u，PID控制器83的积分项和微分项能够有效减少控制器的静态误差，神经网络ANN1 82负责PID参数的动态优化，提升控制器的动态控制精度，SMITH预估器81通过对该系统的纯滞后补偿，能够提升控制器的快速响应能力。在力反馈的回路中加入低通滤波器，降低来自外界的部分干扰。
在精度提升方面，本发明恒力执行器的接触端加入力传感器，并采用双闭环控制方案，内环检测气压变化并快速调节气压使得气压值恒定，内环提升响应速度，外环是力控制环，力传感器实时精确的传递接触力数值，有效提高感知精度。
本发明装置通过改变比例减压阀的控制电压来调节接触力的大小，使接触力稳定在设定范围内。装置主体部分有气缸位移传感器和倾角传感器分别检测气缸的位移信息和姿态信息，根据位移信息确保气缸在合适行程内，姿态信息用来抵消加工工具自身的重力变化；采用低摩擦气缸减小摩擦力的影响；针对该启动系统的非线性和滞后性提出了结合SMITH预估器和神经网络PID控制器的智能控制器，可以提高恒力执行器动态精度和响应速度。
在结构优化方面，采用了紧凑化的滑台导轨设计，同时气动底座连接比例减压阀、电磁换向阀和气缸的气体通道，无需繁冗的气管连接，达到紧凑和美观设计的目的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
包括动力组件、传动组件、控制系统、动力控制组件和传感器组件；
动力组件通过传动组件输出动力，传感器组件获取传动组件的输出力和姿态信息并发送至控制系统，控制系统根据输出力信息通过动力控制组件调节动力组件的输出力。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述动力组件包括气缸(13)、电磁换向阀(112)，所述电磁换向阀(112)用于控制气缸(13)的运动方向。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述传动组件包括滑台(19)和导轨(110)，所述滑台(19)沿滑轨进行移动，所述滑台(19)的一端与气缸(13)的动力输出端相连，另一端与伸缩执行部分(1)相连。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述动力控制组件包括比例减压阀(111)，所述比例减压阀(111)用于控制气缸(13)的进气压力。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述传感器组件包括力传感器(11)、倾角传感器(17)、气缸位移传感器(16)；所述力传感器(11)获取滑台(19)的输出力信息；倾角传感器(17)用于获取装置的姿态信息，气缸位移传感器(16)用于获取气缸(13)的活塞杆移动距离，根据位移信息确保气缸(13)在合适行程内。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述控制系统包括上位机和智能控制器(8)，
所述上位机根据倾角传感器(17)提供的姿态信息抵消加工工具重力的影响，再将力传感器(11)反馈的接触力数值与预先设定值对比较，智能控制器(8)根据比较结果调节比例减压阀(111)的控制电压，比例减压阀(111)根据控制电压的大小调节输出气体压力，实现通过调节气缸(13)的气压值来调节输出力；
所述智能控制器(8)包括SMITH预估器(81)和优化神经网络ANN1(82)和PID控制器(83)。
7.根据权利要求6所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述导轨(110)上连接有限位结构(18)，对气缸(13)行程进行限位。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述电磁换向阀(112)、比例减压阀(111)和气缸(13)设置在气动底座(14)上，气动底座(14)的内部气体通道将三者的气路连通。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述倾角传感器(17)通过螺栓连接在导轨(110)上，导轨(110)、气缸(13)和气动底座(14)均通过螺栓固定在底座(15)上。
10.根据权利要求3所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
所述伸缩执行部分(1)通过螺纹与加工工具连接，其伸缩执行部分(1)外围有一圈伸缩防尘套(7)。
11.根据权利要求2-10任一所述的一种紧凑型高精度恒力执行器，其特征在于：
还包括外壳(6)，动力组件、传动组件、动力控制组件和传感器组件设置在外壳(6)内，
外壳(6)表面有三个连接口：供气口(2)、排气口(3)和电缆接头(4)；经供气口(2)给气缸(13)提供气源，各气动元件通过排气口(3)排出空气，电缆接头(4)用于供电以及传感器组件的信号传递。
12.一种紧凑型高精度恒力执行器的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将伸缩执行部分(1)与加工工具连接，恒力执行器保持竖直，通过力传感器(11)得到加工工具的重力大小，通过倾角传感器(17)获取装置的姿态信息，并求出加工工具在该姿态下自身重力的分量G，接触力Fa为力传感器(11)显示的数值Fp和加工工具重力的分量G的差值；
2)当接触力Fa变化时，上位机将接触力Fa与设定力Fd进行比较，求出两者的差值ΔFd，ΔFd除以气缸腔的截面积后得到压力的待调整量ΔPd，ΔPd再加上内环气压调节设定值与实际值的误差得到ΔP作为智能传感器的输入，智能传感器的输出为比例减压阀(111)的控制电压u，若二者和在误差范围以内，比例减压阀(111)的控制电压u保持不变，若实际接触力偏大或者偏小，控制器相应地减小或者增大控制电压，并不断循环此过程，直到ΔP在误差范围内。
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