CN112440293B - 一种力控末端执行器及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力控末端执行器及工业机器人。所述力控末端执行器包括定平台、动平台及多组运动组件，每组运动组件包括主动平动关节和运动链组件，主动平动关节一端与定平台相连，另一端与运动链组件的一端相连，运动链组件的另一端与动平台相连；主动平动关节上设有位移传感器，动平台上设有压力传感器，位移传感器和压力传感器均与一控制器相连，控制器根据位移传感器反馈的位移信号与接触力信号，对主动平动关节的输出力进行调节，从而调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力。本发明提供了一种具有低惯量、大承载力、高刚度、抗冲击、高动态响应的刚柔混合冗余驱动的力控末端执行器。

Description

一种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技术领域，具体涉及一种力控末端执行器及工业机器人。

背景技术

在现代机械加工中，工件表面常常会出现毛刺，表面粗糙和边缘尖锐等现象。而工件表面质量不仅影响着工件的外观，也对工件的耐磨性、配合质量、抗疲劳强度、耐腐蚀性等重要性能有着重大影响。随着人们对产品质量及外观要求的提高，抛光打磨被广泛应用于机械零件的生产，模具加工，航空航天等领域。传统的抛光打磨由人工完成，存在生产效率低，需要较大的劳动强度，但抛光质量不稳定，且环境恶劣，对加工人员身体有害等问题。而工业机器人具有工作空间大、可扩展性强、灵活性高等优势，但缺乏连续接触式操作的力控技术，因此力控技术是实现机器人化狭小空间精密光整加工的关键技术，亟待解决。

目前实现机器人力控的方式可分为被动式和主动式。被动式主要利用工具或机械结构固有的柔性来实现，结构简单但仅可以避免抛光力过大而无法实现精确的力控制。主动式力控制主要有通过控制机械臂关节力矩进行力控制的直接力控制和利用机械臂外部的附加装置进行力控制的间接力控制这两种方法。前者适用于轻量化机械臂，安全性好；而工业机器人由于惯性大、关节弹性、传动机构摩擦力等因素，难以实现直接力控制，现有机械臂生产商采用在工业机器人腕部添加力传感器然后装上抛光打磨工具来实现抛光打磨，但这种方式存在精度不高而且时延严重。而在机器人末端安装一个力控末端执行器，依靠末端执行器进行力控制具有精度高、无时延等优点，因此基于力控末端执行器的间接力控方式更适用于高速重载的工业机器人。

根据驱动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被动柔顺，优点是结构简单，但其力控制精度较低。气动式通过调节气体压力来实现末端执行器的输出力，优点是具有较好的柔性、结构简单，但存在响应慢、精度低等缺点。电驱式是通过电机来控制末端执行器的力输出，优点是力控精度高和响应速度快，但存在质量大、柔性差、承载力小等缺点。而气电混合式结合了电驱式和气动式的优点，但仍然存在质量大的问题。

在狭小空间磨抛加工过程中需要进行侧向力的控制，即当机器人在狭小空间中时，末端执行器必需要有局部位置调整功能，才能满足狭小空间磨抛作业的需求。因此，三平移的并联机构成为力控末端执行器的首选，而这样的机构大多用于分拣，刚度不足，且不具有力控功能，难以作为机器人的力控末端执行器。

在力控末端执行器研究领域，中国专利CN201911347674.8中公开了一种抛磨力控末端执行器，执行器采用音圈电机，具有高响应、高带宽、直驱无转换等优点。中国专利CN201810803256.4中公开了一种机器人抛磨力控末端执行器，执行器采用气动马达为动力源，有效减小执行器的总质量。但是，上述2种末端执行器的缺点是为单自由度，不具备多方向位置的调整能力。中国专利CN202010029488.6中公开了一种具有两个自由度的末端执行器，但其在力控时只测量气缸上的压力，而不是实际的接触力，无法实现接触力的准确跟踪。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种力控末端执行器，从而克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供与力控末端执行器相连的工业机器人。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种力控末端执行器，所述力控末端执行器与一控制器相连，所述力控末端执行器包括定平台、动平台及多组运动组件，所述多组运动组件位于定平台和动平台之间且连接定平台和动平台，所述动平台在多组运动组件的驱动下相对于定平台作三平移运动；每组所述运动组件包括一主动平动关节和一运动链组件，所述主动平动关节一端与定平台相连，另一端与所述运动链组件的一端相连，所述运动链组件的另一端与动平台相连，且所述主动平动关节包括执行器；所述主动平动关节上设有检测所述执行器运动行程的位移传感器，所述动平台上设有检测与工件之间的接触力的压力传感器，所述位移传感器和压力传感器均与控制器相连，所述控制器根据位移传感器反馈的位移信号与接触力信号，对主动平动关节的输出力进行调节，从而调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力。

在一优选实施例中，多组运动链组件沿圆周方向间隔分布，且每组运动链组件均向靠近定平台的中心轴线的方向聚拢设置。

在一优选实施例中，每组所述运动链组件包括多个虎克铰，所述多个虎克铰和动平台、主动平动关节连接形成一平行四边形运动链。

在一优选实施例中，所述力控末端执行器包括四组运动链组件，所述四组运动链组件沿圆周方向间隔90°均匀分布。

在一优选实施例中，每个所述主动平动关节还包括柔性导向装置和机械弹簧，所述执行器的上下两端各设置一所述柔性导向装置，所述机械弹簧设置于执行器的内部，且所述机械弹簧的两端分别与定平台和一连接件相连，所述连接件与运动链组件相连。

在一优选实施例中，所述控制器包括与执行器相连的力控制模块及与力控制模块相连的阻抗控制模块，所述阻抗控制模块用于接收压力传感器反馈的接触力信号与期望接触力信号之差以及位移传感器反馈的位移信号与期望位移信号之差，并输出控制力信号给力控制模块；所述力控制模块用于接收所述控制力信号及执行器输出的驱动力信号之差，调节主动平动关节的输出力。

在一优选实施例中，所述主动平动关节的运动方向垂直于定平台。

在一优选实施例中，所述机械弹簧和执行器的输出并联设置。

在一优选实施例中，所述压力传感器为六维力传感器。

本发明实施例提供了一种工业机器人，所述工业机器人的末端与所述的力控末端执行器相连。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明提供了一种具有低惯量、大承载力、高刚度、抗冲击、高动态响应的刚柔混合冗余驱动的力控末端执行器，通过在动平台上设置压力传感器及在执行器上设置位移传感器，根据这些传感器反馈的信号计算输出实际的控制力，由此来对主动平动关节的输出力进行调节，从而调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力，可以实现对末端执行器与工件之间的接触力的准确跟踪。

2、本发明采用向心设置的多组运动链组件来实现力控末端执行器三个平移方向的运动，且提高末端执行器的刚度和精度，每组运动链组件采用平行四边形运动链，因平行四边形运动链具有冗余驱动的特性，从而改善其几何特性(减少奇异位姿)，并增加末端执行器的承载能力和刚度，使运动更加平稳。

3、本发明采用柔性导向装置代替传统的滑块导轨，减小了摩擦力和运动质量。

4、本发明采用在电机内侧集成机械弹簧，通过适当的选择弹簧刚度可以平衡重力和摩擦力，减小了对执行器的出力要求，降低执行器质量。

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是本发明一实施方式中力控末端执行器的整体装配结构示意图；

图2是本发明一实施方式中4条P2UU支链的分布结构示意图；

图3是本发明一实施方式中主动平动关节的结构示意图；

图4是本发明一实施方式中接触力控制的结构框图。

附图标记：

10、定平台，20、动平台，21、压力传感器，30、运动组件，31、主动平动关节，311、连接件，312、执行器，313、柔性导向装置，314、机械弹簧，32、运动链组件，4、位移传感器。

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。

如图1所示，本发明实施例所揭示的一种力控末端执行器，其与一控制器(图未示)相连，在控制器输出的控制力信号作用下，调节整个力控末端执行器与工件(图未示)之间的接触力。

所述力控末端执行器具体包括定平台10、动平台20及多组运动组件30，其中，定平台10和动平台20上下相对设置，定平台10与机械臂的末端关节(图未示)连接，多组运动组件30设置于定平台10和动平台20之间且连接定平台10和动平台20，动平台20在多组运动组件30的驱动下相对于定平台10作三平移运动。

多组运动组件30沿圆周方向间隔分布，且每组运动组件30的结构均相同。本实施例中，设置了四组运动组件30，四组运动组件30沿圆周方向间隔90°均匀分布。本发明在定平台10与动平台20之间设置四组运动组件30(本实施例中具体为四条P2UU支链)，具有冗余驱动的特性，改善其几何特性(减少奇异位姿)，并增加末端执行器的承载能力，使运动更加平稳，而且可以减少对UU运动链安装精度的要求，提高力控末端执行器的精度。

每组运动组件30包括一主动平动关节31和一运动链组件32，其中，主动平动关节31垂直于定平台10，使得主动平动关节31的运动方向垂直于定平台10，且主动平动关节31的一端与定平台10相连，另一端与运动链组件32的一端相连，运动链组件32的另一端与动平台20相连。

四组运动链组件32沿圆周方向间隔90°均匀分布，且每组运动链组件32包括多个虎克铰321，多个虎克铰321和动平台20、主动平动关节31连接形成一平行四边形运动链，可以增加动平台20的运动精度，本实施例中，每组运动链组件32包括四个虎克铰321，其中两个虎克铰321相连形成平行四边形的一条边，另两个虎克铰321相连形成平行四边形的另一条平行的边，且四个虎克铰321中，位于下端的两个虎克铰321均与主动平动关节31相连，位于上端的两个虎克铰321均与动平台20相连。

且每组运动链组件32均向靠近定平台10的中心轴线的方向聚拢设置，即相连的两个虎克铰321的连线的延伸线相交于定平台10的中心轴线。

每个主动平动关节31包括一连接件311、执行器312、两个柔性导向装置313和一机械弹簧314，其中，连接件311与运动链组件32相连，执行器312位于连接件311与定平台10之间，两个柔性导向装置313分别位于执行器312的上下两侧，使得执行器312可以以其中心为原点，向上下两侧运动；机械弹簧314位于执行器312内且其两端分别连接连接件311和定平台10。本发明的导向装置采用柔性元件组成，本发明采用柔性导向装置313替代传统的滑块导轨，减小了执行器312驱动时的摩擦力。本发明将机械弹簧314装设于执行器312的内部，通过选择不同刚度的机械弹簧314平衡末端工具的自重，提升了系统的承载能力，并且可增加系统阻尼以减少振动影响。实施时，执行器312可以是音圈电机、直线电机等实现直线运动的执行器，本实施例中，执行器312采用音圈电机，采用音圈电机来驱动主动平动关节31，可以减少主动平动关节31的运动质量。机械弹簧314和执行器312的输出并联布置，降低对执行器312的出力要求。机械弹簧314实施时可以是拉伸或压缩弹簧。

另外，主动平动关节31上设有位移传感器4，用于检测执行器312的运动行程并反馈位移信号给控制器，动平台20上设有压力传感器21，用于检测力控末端执行器与工件之间的接触力并反馈接触力信号给控制器，实施时，位移传感器4设置于定平台10的中心位置处，压力传感器21可采用六维力传感器。

本发明采用阻抗控制算法来对主动平动关节31的输出力进行调节，其内环是力控制环，外环是位置控制环，控制器控制音圈电机312。具体地，如图4所示，控制器包括力控制模块和阻抗控制模块，其中，力控制模块与执行器312相连，阻抗控制模块与力控制模块相连，阻抗控制模块用于接收压力传感器21反馈的接触力信号Ft与期望接触力信号Fr之差以及位移传感器4反馈的位移信号Xt与期望位移信号Xr之差，并输出控制力信号给力控制模块；力控制模块用于接收控制力信号及执行器312输出的驱动力信号之差，调节主动平动关节31的输出力，从而调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力的恒定输出控制。

其中，根据加工需求所需的期望接触力信号Fr，由控制器控制音圈电机的电流实现，具体过程如下：内部的力环通过检测音圈电机的实时电流，形成音圈电机的力闭环控制；外部的位置控制环通过位移传感器4检测音圈电机的位移信号Xt与期望位移信号Xr之差、通过压力传感器21将工具与工件之间的接触力信号Ft与期望接触力信号Fr之差并转换到关节空间，一起输入给阻抗控制器，然后由阻抗控制器输出实际的控制力，由此通过调节主动平动关节31的输出力，进而来调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力的大小。

本发明实施例所揭示的一种工业机器人(图未示)，其末端与上述力控末端执行器相连，具体与力控末端执行器的定平台10相连，用于机器人磨抛作业。

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)

1.一种力控末端执行器，其特征在于，所述力控末端执行器与一控制器相连，所述力控末端执行器包括定平台、动平台及多组运动组件，所述多组运动组件位于定平台和动平台之间且连接定平台和动平台，所述动平台在多组运动组件的驱动下相对于定平台作三平移运动；每组所述运动组件包括一主动平动关节和一运动链组件，所述主动平动关节一端与定平台相连，另一端与所述运动链组件的一端相连，所述运动链组件的另一端与动平台相连，且所述主动平动关节包括一连接件、执行器、两个柔性导向装置和一机械弹簧，所述连接件与运动链组件相连，所述执行器位于连接件与定平台之间，两个所述柔性导向装置分别设置于执行器的上下两端，使得执行器能够以执行器的中心为原点向上下两侧运动，所述机械弹簧位于执行器内且两端分别连接连接件和定平台，所述机械弹簧和执行器的输出并联设置；所述主动平动关节上设有检测所述执行器运动行程的位移传感器，所述动平台上设有检测与工件之间的接触力的压力传感器，所述位移传感器和压力传感器均与控制器相连，所述控制器根据位移传感器反馈的位移信号与压力传感器反馈的接触力信号，采用阻抗控制算法对主动平动关节的输出力进行调节，其中内环是力控制环、外环是位置控制环，从而调节整个力控末端执行器与工件之间的接触力。

2.根据权利要求1所述的一种力控末端执行器，其特征在于，多组运动链组件沿圆周方向间隔分布，且每组运动链组件均向靠近定平台的中心轴线的方向聚拢设置。

3.根据权利要求2所述的一种力控末端执行器，其特征在于，每组所述运动链组件包括多个虎克铰，所述多个虎克铰和动平台、主动平动关节连接形成一平行四边形运动链。

4.根据权利要求2或3所述的一种力控末端执行器，其特征在于，所述力控末端执行器包括四组运动链组件，所述四组运动链组件沿圆周方向间隔90°均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种力控末端执行器，其特征在于，所述控制器包括与执行器相连的力控制模块及与力控制模块相连的阻抗控制模块，所述阻抗控制模块用于接收压力传感器反馈的接触力信号与期望接触力信号之差以及位移传感器反馈的位移信号与期望位移信号之差，并输出控制力信号给力控制模块；所述力控制模块用于接收所述控制力信号及执行器输出的驱动力信号之差，调节主动平动关节的输出力。

6.根据权利要求1所述的一种力控末端执行器，其特征在于，所述主动平动关节的运动方向垂直于定平台。

7.根据权利要求1所述的一种力控末端执行器，其特征在于，所述压力传感器为六维力传感器。

8.一种工业机器人，其特征在于，所述工业机器人的末端与权利要求1~7任意一项所述的力控末端执行器相连。

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