CN113199507A - 一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法，包括机器人本体，用于实现抓放、搬运物体或操持工具的工作；平衡缸执行装置，用于平衡重力对机器人两轴所产生的力矩，降低因重力引起的关节驱动力矩变化，安装在机器人本体上；控制装置，用于计算平衡缸执行装置承受负载，并辅助微调，与平衡缸执行装置相连。上述技术方案通过采用液压缸作为平衡缸，控制伺服电机的运动来实现动作，在整个传动机构中，利用减速机构作为第一次扭矩增大，将蜗轮蜗杆结构作为第二级扭矩增大，将两个液压油缸的配合作为第三级扭矩增大，充分发挥液压驱动方式大功率质量比的优点，结构简单，安装和拆卸方便，通过伺服电机上的力矩反馈使运动控制更精确。

Description

一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法

技术领域

本发明涉及工业机器人的生产制造领域，尤其涉及一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法。

背景技术

工业机器人按负载大小一般分为大，中，小三种类型，一般大型工业机器人都需要有平衡装置，平衡缸主要用来平衡重力对机器人两轴所产生的力矩，降低因重力引起关节驱动力矩变化，使机器人运动更加稳定，目前工业机器人采用弹簧平衡缸、液压平衡缸、气动平衡缸等多种方式，各有优缺点。

有资料显示，重力平衡机构最简单，但只适用于载荷不变的场合，如采用配重，会使手臂的质量和惯性增加，从而使得动力学特性变坏，所需驱动力矩增加。弹簧平衡方式具有结构简单重量轻，对环境温度不敏感，调整使用方便等优点，但是弹簧刚度不能调节，故难以实现不同载荷，不同位置下的完全平衡。现有技术中工业机器人采用平衡缸多采用氮气平衡缸，这种平衡缸压力机正常工作时，平衡缸内流速较高，缸内气体不断压缩或者压缩空气经由平衡缸进气口会不断充入缸内，如处理不当容易导致平衡缸温升较高，而且为了防止缸体内高压气体的泄露，对密封、压力充注和调节方面提出了更高的要求。

中国专利文献CN109986598A公开了一种“平衡缸及工业机器人”。采用了弹性部件一端抵靠在所述右端盖上，另一端抵靠在所述挡板上，所述挡板临近所述左端盖设置；所述平衡缸处于工作状态时，所述弹性部件呈压缩状，所述弹性部件为所述挡板提供一个朝向所述左端盖的推力，进而给所述缸轴提供一个朝向所述左端盖的推力。上述技术方案采用弹簧进行工业机器人平衡，但是弹簧刚度不能调节，故难以实现不同载荷，不同位置下的完全平衡。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案调节精度低，难以实现完全平衡的技术问题，提供一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法，通过采用液压缸作为平衡缸，控制伺服电机的运动来实现动作，在整个传动机构中，利用减速机构作为第一次扭矩增大，将蜗轮蜗杆结构作为第二级扭矩增大，将两个液压油缸的配合作为第三级扭矩增大，充分发挥液压驱动方式大功率质量比的优点，结构简单，安装和拆卸方便，同时大幅降低管线磨损故障，提高安全性与可靠性，通过伺服电机上的力矩反馈使运动控制更精确。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，包括：

机器人本体，用于实现抓放、搬运物体或操持工具的工作；

平衡缸执行装置，用于平衡重力对机器人两轴所产生的力矩，降低因重力引起的关节驱动力矩变化，安装在机器人本体上；

控制装置，用于计算平衡缸执行装置承受负载，并辅助微调，与平衡缸执行装置相连。

作为优选，所述的机器人本体包括下部机械臂，所述下部机械臂一端可旋转的安装在腰座上，下部机械臂的另一端与上部机械臂的一端可相对转动的相连，上部机械臂的另一端与操作端相连，所述腰座底部设有底座。腰座实现机械臂的固定及辅助控制，上部机械臂的另一端根据需求安装不同功能的操作端，底座起着支撑及平衡中心的作用。

作为优选，所述的平衡缸执行装置包括平衡缸，所述平衡缸的缸体安装在下部机械臂的腰部，所述平衡缸缸轴与腰座相连。通过平衡缸缸体、缸轴分别对下部机械臂的腰部、腰座做功，控制下部机械臂的角度变换。

作为优选，所述的平衡缸执行装置还包括副油缸，所述副油缸的缸体通过油路与平衡缸的缸体相连，所述副油缸的缸轴与推杆一端相连，所述推杆另一端与扭矩转化机构的输出端相连，所述扭矩转化机构的输入端与减速机构输出端相连，减速机构输入端与伺服电机输出端相连。伺服电机正转，通过减速机构放大扭矩，通过扭矩转化机构转化为直线运动，推杆伸出，推动副油缸的缸轴向左运动；然后副油缸中活塞左侧的液压油进入到油路；液压油通过油路进入到平衡缸，推动平衡缸的缸轴实现下部机械臂的角度变换。

作为优选，所述的扭矩转化机构包括蜗轮、蜗杆和齿条，所述蜗杆输入端与减速机构输出端固定连接，蜗杆与蜗轮啮合，同时蜗轮与齿条啮合，所述齿条与推杆另一端刚性连接。伺服电机转动带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动齿条直线运动，以带动副油缸中活塞移动。

作为优选，所述的控制装置包括MCU和分别与MCU相连的平衡缸力矩传感器、伺服电机力矩传感器、角度传感器和通信装置。MCU用于计算平衡缸所需力矩，并根据力矩转化计算伺服电机工作力矩，平衡缸力矩传感器、伺服电机力矩传感器和角度传感器用于测量计算所需数据，通信装置用于记录过程数据，更新力矩转化关系，便于优化。

作为优选，所述的平衡缸力矩传感器安装在平衡缸内部，所述伺服电机力矩传感器安装在伺服电机输出端，所述角度传感器安装在下部机械臂与腰座连接处。平衡缸力矩传感器用于监测平衡缸的负载力矩的变化，并反馈给控制装置，伺服电机力矩传感器用于采集伺服电机力矩传感器输出力矩，便于计算力矩转化关系。

一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统的工作方法，包括以下步骤：

S1控制装置采集运算数据进行一次采集；

S2通过采集的运算数据计算液压缸所需负载压力；

S3控制装置根据力矩转化控制伺服电机的输出力矩进行一次控制；

S4通过反馈实现精度调节实现二次控制。

作为优选，所述的运算数据包括：目标角度θ，通过角度传感器采集的下部机械臂旋转角度α，下部机械臂所受重力g，下部机械臂传动阻力F_阻。

作为优选，所述的步骤S4二次控制具体包括：

S4.1通过角度传感器采集的下部机械臂旋转角度β，通过安装在平衡缸内部平衡缸力矩传感器采集平衡缸力矩F₃，通过安装在伺服电机输出端的伺服电机力矩传感器采集伺服电机力矩F₁实现二次采集；

S4.2通过一次控制结果对力矩转化进行更新；

S4.3控制装置根据二次采集数据计算液压缸所需负载压力实现二次控制。

本发明的有益效果是：

1.采用液压缸作为平衡缸，通过控制伺服电机的运动来实现动作，在整个传动机构中，利用减速机构作为第一次扭矩增大，将蜗轮蜗杆结构作为第二级扭矩增大，将两个液压油缸的配合作为第三级扭矩增大，充分发挥液压驱动方式大功率质量比的优点。

2.本发明采用内部走油摆动缸一体化机械机构，无需大量液压管路和电气线路的连接，结构简单，安装和拆卸方便。

3.同时管线磨损故障大幅降低，安全性与可靠性提高。

4.一体化机械机构使整个机器人结构紧凑。

5.通过伺服电机上的力矩反馈可以经过换算精确得知当前负载力矩，并以此进行更精确的运动控制。

附图说明

图1是本发明的一种多关节机器人结构示意图。

图2是本发明的一种平衡缸系统结构示意图。

图3是本发明的一种流程图。

图中1机器人本体，2下部机械臂，3上部机械臂，4平衡缸，5平衡缸缸轴，6腰座，7底座，8油路，9副油缸，10推杆，11扭矩转化机构，12减速机构，13伺服电机。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例：本实施例的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，如图1所示，包括机器人本体1和安装在机器人本体1上的平衡缸执行装置、控制装置。机器人本体1用于实现抓放、搬运物体或操持工具的工作。平衡缸执行装置，用于平衡重力对机器人两轴所产生的力矩，降低因重力引起的关节驱动力矩变化。控制装置，用于计算平衡缸执行装置承受负载，并辅助微调。

机器人本体1包括下部机械臂2，所述下部机械臂2一端可旋转的安装在腰座6上，下部机械臂2的另一端与上部机械臂3的一端可相对转动的相连，上部机械臂3的另一端与操作端相连，所述腰座6底部设有底座7。腰座实现机械臂的固定及辅助控制，上部机械臂的另一端根据需求安装不同功能的操作端，底座起着支撑及平衡中心的作用。

如图2所示，平衡缸执行装置包括平衡缸4，所述平衡缸4的缸体安装在下部机械臂2的腰部，所述平衡缸缸轴5与腰座6相连。通过平衡缸缸体、缸轴分别对下部机械臂的腰部、腰座做功，控制下部机械臂的角度变换。平衡缸执行装置还包括副油缸9，所述副油缸9的缸体通过油路8与平衡缸4的缸体相连，所述副油缸9的缸轴与推杆10一端相连，所述推杆10另一端与扭矩转化机构11的输出端相连，所述扭矩转化机构11的输入端与减速机构12输出端相连，减速机构12输入端与伺服电机13输出端相连。工作时，伺服电机正转，通过减速机构放大扭矩，通过扭矩转化机构转化为直线运动，推杆伸出，推动副油缸的缸轴向左运动；然后副油缸中活塞左侧的液压油进入到油路；液压油通过油路进入到平衡缸，推动平衡缸的缸轴实现下部机械臂的角度变换。

扭矩转化机构11包括蜗轮、蜗杆和齿条，所述蜗杆输入端与减速机构12输出端固定连接，蜗杆与蜗轮啮合，同时蜗轮与齿条啮合，所述齿条与推杆10另一端刚性连接。伺服电机转动带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动齿条直线运动，以带动副油缸中活塞移动。

控制装置包括MCU和分别与MCU相连的平衡缸力矩传感器、伺服电机力矩传感器、角度传感器和通信装置。MCU用于计算平衡缸所需力矩，并根据力矩转化计算伺服电机工作力矩，平衡缸力矩传感器、伺服电机力矩传感器和角度传感器用于测量计算所需数据，通信装置用于记录过程数据，更新力矩转化关系，便于优化。平衡缸力矩传感器安装在平衡缸4内部，所述伺服电机力矩传感器安装在伺服电机13输出端，所述角度传感器安装在下部机械臂2与腰座6连接处。平衡缸力矩传感器用于监测平衡缸的负载力矩的变化，并反馈给控制装置，伺服电机力矩传感器用于采集伺服电机力矩传感器输出力矩，便于计算力矩转化关系。

当工业机器人需要变化到某一姿态时，控制装置提前计算出动作过程中平衡缸4所承受负载的变化曲线，并通过计算控制伺服电机进行输出力矩的微调。在计算过程中，需要考虑液压缸的传动效率及动作延迟，以及通过PID控制等方式调节电机的运行平稳度。在整个动作过程中，平衡缸的负载数据通过平衡缸内部的力传感器实时传递给控制装置，控制装置通过计算来调整伺服电机的力矩，并通过伺服电机本身的力矩反馈进行整套系统的闭环控制。

一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统的工作方法，包括以下步骤：

S1控制装置采集运算数据进行一次采集，运算数据包括：目标角度θ，通过角度传感器采集的下部机械臂2旋转角度α，下部机械臂2所受重力g，下部机械臂2传动阻力F_阻。

S2通过采集的运算数据计算液压缸4所需负载压力。

S3控制装置根据力矩转化控制伺服电机13的输出力矩进行一次控制。

S4通过反馈实现精度调节实现二次控制，二次控制具体包括：

S4.1通过角度传感器采集的下部机械臂2旋转角度β，通过安装在平衡缸4内部平衡缸力矩传感器采集平衡缸力矩F₃，通过安装在伺服电机13输出端的伺服电机力矩传感器采集伺服电机力矩F₁实现二次采集；

S4.2通过一次控制结果对力矩转化进行更新；

S4.3控制装置根据二次采集数据计算液压缸4所需负载压力实现二次控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了平衡缸执行装置、控制装置等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，其特征在于，包括：

机器人本体(1)，用于实现抓放、搬运物体或操持工具的工作；

平衡缸执行装置，用于平衡重力对机器人两轴所产生的力矩，降低因重力引起的关节驱动力矩变化，安装在机器人本体(1)上；

控制装置，用于计算平衡缸执行装置承受负载，并辅助微调，与平衡缸执行装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，其特征在于，所述机器人本体(1)包括下部机械臂(2)，所述下部机械臂(2)一端可旋转的安装在腰座(6)上，下部机械臂(2)的另一端与上部机械臂(3)的一端可相对转动的相连，上部机械臂(3)的另一端与操作端相连，所述腰座(6)底部设有底座(7)。

3.根据权利要求2所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，其特征在于，所述平衡缸执行装置包括平衡缸(4)，所述平衡缸(4)的缸体安装在下部机械臂(2)的腰部，所述平衡缸缸轴(5)与腰座(6)相连。

4.根据权利要求3所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，其特征在于，所述平衡缸执行装置还包括副油缸(9)，所述副油缸(9)的缸体通过油路(8)与平衡缸(4)的缸体相连，所述副油缸(9)的缸轴与推杆(10)一端相连，所述推杆(10)另一端与扭矩转化机构(11)的输出端相连，所述扭矩转化机构(11)的输入端与减速机构(12)输出端相连，减速机构(12)输入端与伺服电机(13)输出端相连。

5.根据权利要求4所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统，其特征在于，所述扭矩转化机构(11)包括蜗轮、蜗杆和齿条，所述蜗杆输入端与减速机构(12)输出端固定连接，蜗杆与蜗轮啮合，同时蜗轮与齿条啮合，所述齿条与推杆(10)另一端刚性连接。

6.根据权利要求1所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法，其特征在于，所述控制装置包括MCU和分别与MCU相连的平衡缸力矩传感器、伺服电机力矩传感器、角度传感器和通信装置。

7.根据权利要求6所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法，其特征在于，所述平衡缸力矩传感器安装在平衡缸(4)内部，所述伺服电机力矩传感器安装在伺服电机(13)输出端，所述角度传感器安装在下部机械臂(2)与腰座(6)连接处。

8.一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1控制装置采集运算数据进行一次采集；

S2通过采集的运算数据计算液压缸(4)所需负载压力；

S3控制装置根据力矩转化控制伺服电机(13)的输出力矩进行一次控制；

S4通过反馈实现精度调节实现二次控制。

9.根据权利要求8所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统的工作方法，其特征在于，所述运算数据包括：目标角度θ，通过角度传感器采集的下部机械臂(2)旋转角度α，下部机械臂(2)所受重力g，下部机械臂(2)传动阻力F_阻。

10.根据权利要求1所述的一种混合驱动的工业机器人平衡缸系统及方法，其特征在于，所述步骤S4二次控制具体包括：

S4.1通过角度传感器采集的下部机械臂(2)旋转角度β，通过安装在平衡缸(4)内部平衡缸力矩传感器采集平衡缸力矩F₃，通过安装在伺服电机(13)输出端的伺服电机力矩传感器采集伺服电机力矩F₁实现二次采集；

S4.2通过一次控制结果对力矩转化进行更新；

S4.3控制装置根据二次采集数据计算液压缸(4)所需负载压力实现二次控制。

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