CN114833811B - 一种用于智能装配的6pus机构及6pus-2pp双平台设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于智能装配的6PUS机构及6PUS‑2PP双平台设备，6PUS机构包括：上平台，所述上平台包括：多个PUS支链，所述PUS支链包括：移动副P副、万向节U副以及球副S副，所述万向节U副的一侧与所述移动副P副转动连接，所述万向节U副的另一侧还与所述球副S副转动连接。双平台设备，包括：上平台以及下平台，所述上平台安装在所述下平台上；所述下平台包括：多个并联设置的P‑P串联机构；所述P‑P串联机构包括：主动移动副以及安装在所述主动移动副上的被动移动副；所述被动移动副上还安装有承载平台。本申请上平台和下平台具有多个自由度，可高精度，高效率地执行需要多个自由度方可完成的空间装配任务。

Description

一种用于智能装配的6PUS机构及6PUS-2PP双平台设备

技术领域

本申请属于自动化及机器人技术领域，具体涉及一种用于智能装配的6PUS机构及6PUS-2PP双平台设备。

背景技术

自动化装配是制造业中的重要技术，当前加工设备多依赖于传统机床，而装配工业则多依赖于人工。为提高工业生产过程中的装配效率，减小装配误差，同时提升制造业自动化水平，需要设计出精度高和速度快的自动化智能装配设备。此外，现存的自动装配设备自由度数量较少，大多难以完成复杂的、需要多方向运动的装配任务。

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种用于智能装配的6PUS机构及6PUS-2PP双平台设备。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

本申请提出了一种用于智能装配的6PUS机构，包括：上平台，

所述上平台包括：多个PUS支链，所述PUS支链包括：移动副P副、万向节U副以及球副S副，

所述万向节U副的一侧与所述移动副P副转动连接，所述万向节U副的另一侧还与所述球副S副转动连接。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS机构，其中，所述移动副P副包括：第一驱动电机、联轴器、第一导轨、滚珠丝杠以及第一滑块，所述第一驱动电机通过所述联轴器与安装在所述第一导轨上的滚珠丝杠连接并驱动所述滚珠丝杠转动并带动所述滚珠丝杠上的第一滑块上下移动，其中，所述第一滑块安装在所述滚珠丝杠上。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS机构，其中，还包括：连杆，所述连杆的第一端通过所述万向节U副与所述第一滑块连接；所述万向节U副包括两个旋转轴线相互正交的旋转副构成的万向节；

和/或，所述连杆的第二端与另一PUS支链中的连杆的第二端与所述球副S副连接；所述球副S副包括三个旋转轴线相互正交且轴线相交于一点而构成的复合球铰；

和/或，在所述所述连杆的第二端与另一PUS支链中的连杆的第二端之间还安装有轴承。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS机构，其中，所述第一导轨上还安装有电子限位开关。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS机构，其中，在所述上平台的底部还安装有六维力与力矩传感器；和/或，在所述六维力与力矩传感器的下端还安装有末端执行器；和/或，在所述末端执行器上还安装有用于检测夹紧力的力传感器。

本申请另一方面还提出了一种用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，

包括：上平台以及下平台，所述上平台安装在所述下平台上；

所述下平台包括：多个并联设置的P-P串联机构；

所述P-P串联机构包括：主动移动副以及安装在所述主动移动副上的被动移动副；所述被动移动副上还安装有承载平台。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其中，所述主动移动副具有横向自由度以及纵向自由度，所述横向自由度通过第一横向导轨以及安装在所述第一横向导轨上的第一滑块螺母实现，安装在第一滚珠丝杠上的第一滑块螺母由第一驱动机构驱动；

和/或，所述纵向自由度通过第一纵向导轨以及安装在所述第一纵向导轨上的第二滑块螺母实现，安装在第二滚珠丝杠上的第二滑块螺母由第二驱动机构驱动。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其中，所述下平台还包括：与所述第一滑动螺母连接的纵向被动移动副以及与所述第二滑动螺母连接的横向被动移动副；和/或，在所述纵向被动移动副和所述横向被动移动副上还安装有所述承载平台。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其中，所述上平台包括：6PUS机构，所述6PUS机构具有横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动自由度，即六个自由度；所述下平台包括：2PP机构，所述2PP机构具有两个方向的自由度，即两个自由度；所述双平台设备具有八个自由度。

可选地，上述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其中，所述上平台通过第一机架与箱体连接，所述箱体安装在所述下平台上；

和/或，所述下平台通过第二机架安装在电器柜上；

和/或，所述箱体内安装有第一驱动控制器、第一散热风扇以及第一传感器主板；

和/或，所述电器柜内安装有第二驱动控制器、第二散热风扇以及第二传感器主板；

和/或，所述电器柜采用封装箱体形式，其侧面还设置有外设接口、急停开关、状态显示灯以及电源和控制开关。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请上平台和下平台具有多个自由度，可高精度，高效率地执行需要多个自由度方可完成的空间装配任务，在实际生产过程中，大量简单的装配任务需要被高精度地重复执行，例如常见的3C行业的内存条装卡、螺栓拧紧等工序，鼠标接收器与电池装配等均可以通过本实施例执行此类装配任务；本申请还具有自由度高、精度高，速度快，运动灵活，能够重复执行装配动作等优势；

在本申请中，所述上平台具有完整的空间六个运动自由度，即可实现横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动。因此上平台具备完成一定空间内的所有装配任务的可能性，但在实际装配工艺流程中的装配过程，需要有较大的横向和纵向移动空间，因此还可搭配所述的下平台对此二维的运动空间进行拓展。

在本申请中，为提高装配过程中的精度与效率，同时提高装配过程的容错性，在末端执行工具处安装了六维力与力矩传感器，从而在装配过程中通过检测到的力实时反馈并对装配过程加以控制。同时，在装配不同工件时，可根据夹爪上安装的力传感器调整对应的夹紧力，保证工件在装配过程中不会脱落的同时能够不以过大的力损坏被装配件。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：本申请一实施例用于智能装配的6PUS机构的示意图；

图2：本申请一实施例用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备的结构图；

图3：本申请一实施例中下平台的结构示意图一；

图4：本申请一实施例中下平台的结构示意图二；

图5：本申请一实施例中6PUS机构的坐标系结构图；

图6：本申请一实施例中6PUS机构的单条支链的矢量闭环图；

图7：本申请一实施例中2PP机构的坐标系结构图；

图8：本申请一实施例用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备的坐标系结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，在本申请的其中一个实施例中，一种用于智能装配的6PUS机构，包括：上平台1，

所述上平台1包括：多个PUS支链，所述PUS支链包括：移动副P副、万向节U副15以及球副S副17，

所述万向节U副15的一侧与所述移动副P副转动连接，所述万向节U副15的另一侧还与所述球副S副17转动连接。

其中，可选地，所述移动副P副为主动副，所述万向节U副15为被动副，所述球副S副17为被动副。

进一步可选地，在本实施例中，所述上平台1优选地采用六个PUS支链，即6PUS机构，所述6PUS机构具有横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动自由度，即完整的空间六自由度，分别有对应的六个下文所述的第一驱动电机26进行可控制。其六个自由度通过6个PUS副构成的支链实现。

进一步地，在本实施例中，如图1所示，所述移动副P副包括：第一驱动电机11、联轴器12、第一导轨13、滚珠丝杠以及第一滑块14，所述第一驱动电机11通过所述联轴器12与安装在所述第一导轨13上的滚珠丝杠连接并驱动所述滚珠丝杠转动并带动滚珠丝杠上的第一滑块14上下运动，所述第一滑块14安装在所述滚珠丝杠上。其中，所述移动副P副为主动副，由对应的所述第一驱动电机11通过所述联轴器12与安装在所述第一导轨13上的所述滚珠丝杠连接，从而驱动所述滚珠丝杠旋转，带动所述滚珠丝杠上的所述第一滑块14上下移动，并通过所述滚珠丝杠将旋转运动转化为直线移动。

可选地，所述第一滑块14优选地采用滑块螺母。

所述上平台1还包括：连杆110，所述连杆110的第一端通过所述万向节U副15与所述第一滑块14连接；所述万向节U副15包括两个旋转轴线相互正交的旋转副构成的万向节，即等效U副。其中，在本实施例中，所述万向节U副15的设置数量优选为六个。

可选地，所述连杆110的第二端与另一PUS支链中的连杆110的第二端与所述球副S副17连接；所述球副S副17包括三个旋转轴线相互正交且轴线相交于一点而构成的复合球铰，即等效S副。上述的两两连杆110相互配合用于形成所述球副S副17，在本实施例中，所述球副S副17的设置数量优选为三个。

还需要说明地是，所述球副S副17并非传统的完整独立的S副。具体地，当三个转动副的转动轴线相交于一点时，在机构学上认为其运动表现以及计算方式均与S副等效，因此称为等效球铰副(S副)。

其中，在所述所述连杆110的第二端与另一PUS支链中的连杆110的第二端之间还安装有轴承111，通过所述轴承111安装于所述所述球副S副17上。

所述第一导轨16上还安装有电子限位开关118，其用于检测第一滑块14移动的位置并保证其不超过运动范围。

在所述上平台1的底部还安装有六维力与力矩传感器112，其用于检测作业过程中产生接触时的接触力和接触力矩大小，上述设置可提高装配过程中的精度与效率，同时提高装配过程的容错性。通过所述六维力与力矩传感器112的设置，可在装配过程中通过检测到的力实时反馈并对装配过程加以控制。同时，可以在上平台1搭配视觉设备进行辅助视觉定位，进一步提高自动化装配水平。

在所述六维力与力矩传感器112的下端还安装有末端执行器-电动夹爪113，所述的电动夹爪113具有可控的张开与收缩功能。由于上平台1可以横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动，因此可控制所述的上平台1使末端执行器抓取和安放被装配件。

在所述末端执行器上还安装有用于检测夹紧力的力传感器114。

进一步可选地，在本实施例中，所述上平台1通过第一机架19与箱体3连接，所述箱体3安装在所述下平台2上。进一步地，可选地，所述箱体3内安装有第一驱动控制器、第一散热风扇以及第一传感器主板。

如图2至图4所示，本实施例另一方面还提出了一种用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，

包括：上平台1以及下平台2，所述上平台1安装在所述下平台2上；

所述下平台2包括：多个并联设置的P-P串联机构；

所述P-P串联机构包括：主动移动副以及安装在所述主动移动副上的被动移动副；所述被动移动副上还安装有承载平台24。

进一步地，其中，上平台1具有横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动的六个自由度，下平台2具有横向移动、纵向移动两个运动自由度。本实施例以上平台1具有六个自由度，下平台2具有两个自由度进行举例说明。

在具体应用时，装配对象和工件可放置于所述承载平台24上，利用一定的工装固定装配母件。通过下平台2的横向和纵向移动，可以以较高精度定位装配位置和取件位置。

所述主动移动副具有横向自由度以及纵向自由度，其中，所述横向自由度通过第一横向导轨22以及安装在所述第一横向导轨22上的第一滑块螺母23实现，安装在第一滚珠丝杠21上的第一滑块螺母23由第一驱动机构驱动；所述纵向自由度通过第一纵向导轨212以及安装在所述第一纵向导轨212上的第二滑块螺母211实现，安装在第二滚珠丝杠210上的第二滑块螺母211由第二驱动28机构驱动。

其中，所述第一驱动机构包括：第一驱动电机26以及与所述第一驱动电机26匹配设置的第一齿轮及第一齿条带25，安装在第一滚珠丝杠21上的第一滑块螺母23由对应的所述第一驱动电机26以及第一齿条带25驱动。

所述第二驱动机构包括：第二驱动电机28以及与所述第二驱动电机28匹配设置的第二齿轮及第二齿条带29，安装在第二滚珠丝杠210上的第二滑块螺母211由对应的所述第二驱动电机28以及第二齿条带29驱动。

所述下平台2还包括：与所述第一滑动螺母23连接的纵向被动移动副214以及与所述第二滑动螺母211连接的横向被动移动副213。

进一步地，在所述纵向被动移动副214和所述横向被动移动副213上还安装有所述承载平台24，通过上述设置从而实现相对于第二机架27的横向和纵向移动自由度。

该二自由度并联的所述下平台2采用两个串联支链的主要设计目的在于使得两个垂直正交的移动方向在运动过程中的互不干涉，每个支链上的第一个移动副为主动副，第二个移动副为被动副。

进一步地，在本实施例中，所述下平台2通过第二机架27安装在电器柜4上，所述电器柜4内安装有第二驱动控制器、第二散热风扇以及第二传感器主板。

进一步可选地，所述电器柜4采用封装箱体3形式，其侧面还设置有外设接口、急停开关、状态显示灯以及电源和控制开关。

所述上平台1包括：6PUS机构，所述6PUS机构具有横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动自由度，即六个自由度；所述下平台2包括：2PP机构，所述2PP机构具有两个方向的自由度，即两个自由度；所述双平台设备具有八个自由度。在执行装配任务时，对装配工件和被装配母件的定位，可根据确定的固定位置进行测量和定位，也可使用视觉定位设备。该八自由度双运动平台支持搭载工业视觉相机进行定位和工件检测，使装配流程更加智能化。

下文将对本实施例的控制过程进行详细说明。

首先，针对6PUS机构的运动控制过程。

如图5和图6所示，为便于表达该6PUS机构的运动学，取基坐标系中心O到基座上C_i点的矢量为c_i，移动副的运动方向的单位向量为e_i，万向节到基座上C_i点的距离为q_i，也就是机构的驱动变量，万向节到球铰A_i的杆长为L_i，矢量为l_i，基坐标系中心O到动坐标系中心O′的矢量为p。动坐标系中心O′到动平台上球副中心A_i的矢量在动坐标系下表示为a_i′(这里将三个球副中心扩充为六个，是为了方便表达与计算，在进行理论计算时对计算结果没有影响。)另外，记基坐标系到动坐标系的旋转矩阵为R。

由图中的闭环可以得到矢量闭环方程：

p+Ra_i′＝c_i+q_ie_i+l_i (1)

其中q_i为待求的输出量，在化简后的公式中应保留。l_i的长度不变且方向不方便表示，可以通过取模利用其避免其计算其方向，令d_i＝p+Ra′_i-c_i，则矢量闭环方程可以被整理为：

l_i＝d_i-q_ie_i (2)

两边同时平方，可得：

求解一元二次方程组可得：

由上式可知，每一个末端位姿都对应两个不同的位移量，该六自由度并联机构由于设计参数、装配方式等因素限制，因此只需要考虑基于机构初始状态的一组解即可。代入机构的尺寸参数，以及末端姿态：x＝[0 0 0 0 0 0]^T，可得：

式(5)即为该6-PUS并联机构单个支链的运动学反解。将i取为1～6即可得到各个支链的驱动量。

其次，针对2PP机构的运动控制过程。

如图7所示，建立2PP平台的基坐标系o-xyz和动坐标系o″-x″y″z″，x轴与移动副q₁运动方向e₁平行，y轴与移动副q₂方向e₁平行。

初始状态下，o″在基坐标系o-xyz下的位姿为[l₇,l₈,h,0,0,0]，h为动平台到平面xoy的垂直距离，为定值。因为机构只存在x、y两个方向的自由度，且运动空间与平面xoy平行，所以记动平台位姿为：X_2pp＝[x_2pp y_2pp]^T。记移动副输入为q＝[q₁ q₂]^T因为两个移动副互相垂直，对动平台的作用线性不相关，又因为各个移动副与基坐标轴之间的平行关系，可以得到该动平台坐标系的正解：

该机构的运动学反解为：

再次，针对6PUS-2PP双平台设备的运动控制过程。

如图8所示，6PUS与2PP平台的组合共有8个输入和8个输出，记为：

[q₁ q₂ q₃ q₄ q₅ q₆ q₇ q₈]^T (8)

[p_x p_y p_z α β γ s_x s_y]^T (9)

将6PUS与2PP并联机构的动平台相对于二自由度并联移动平台的相对位姿表示为：

若记6PUS并联机构的动坐标系在基坐标系下的位置为：P＝[p_x p_y p_z]^T，记二自由度并联移动平台的动坐标系在基坐标系下的位置为：S＝[s_x s_y s_z]^T，这里的s_z为定值。记6PUS并联机构的动平台相对于二自由度并联移动平台的相对位置为P_r＝[p_rx p_ry p_rz]^T，相对姿态用R_r表示，则三个位姿矩阵可分别表示为：

式(12)中E为三阶单位矩阵，根据式(13)计算可得：

由于下平台2-2PP机构不具有旋转自由度，因此6-PUS相对于并联移动平台的姿态等于其6-PUS相对于基坐标系的姿态。根据旋转矩阵可反算出两平台的相对旋转角。因此，可以得到二者相对位姿表达式：

O″X_O′＝[p_rx p_ry p_rz α_r β_r γ_r] (15)

根据式(16)可以得到上平台1和下平台2的相对位姿关系，结合对6PUS机构和2PP机构自身运动学，可便于在利用八个驱动电机对上平台1和下平台2进行控制时，得到上平台1和下平台2在实现协调运动时的各驱动电机运动量，从而对各个驱动电机相应进行控制。

本申请上平台1和下平台2具有多个自由度，可高精度，高效率地执行需要多个自由度方可完成的空间装配任务，在实际生产过程中，大量简单的装配任务需要被高精度地重复执行，例如常见的3C行业的内存条装卡、螺栓拧紧等工序，鼠标接收器与电池装配等均可以通过本实施例执行此类装配任务；本申请还具有自由度高、精度高，速度快，运动灵活，能够重复执行装配动作等优势。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其特征在于，

包括：上平台以及下平台，所述上平台安装在所述下平台上；

所述下平台包括：两个并联设置的P-P串联机构；

所述P-P串联机构包括：主动移动副以及安装在所述主动移动副上的被动移动副；所述被动移动副上还安装有承载平台；

所述上平台包括：六个PUS支链，所述PUS支链包括：移动副P副、万向节U副以及球副S副，所述移动副P副包括：第一驱动电机、联轴器、第一导轨、滚珠丝杠以及第一滑块，所述第一驱动电机通过所述联轴器与安装在所述第一导轨上的滚珠丝杠连接并驱动所述滚珠丝杠转动并带动所述滚珠丝杠上的第一滑块上下移动，其中，所述第一滑块安装在所述滚珠丝杠；

所述万向节U副的一侧与所述移动副P副转动连接，所述万向节U副的另一侧还与所述球副S副转动连接；

所述PUS支链包括：连杆，所述连杆的第一端通过所述万向节U副与所述第一滑块连接；所述万向节U副包括两个旋转轴线相互正交的旋转副构成的万向节；

其中，一PUS支链的连杆的第二端与相邻的一PUS支链中的连杆的第二端还安装有轴承，进而通过所述轴承与所述球副S副连接；所述球副S副包括三个旋转轴线相互正交且轴线相交于一点而构成的复合球铰；

所述球副S副的数量为所述PUS支链的数量的二分之一；

在所述上平台的底部还安装有六维力与力矩传感器；

在所述六维力与力矩传感器的下端还安装有用于抓取待装配件的末端执行器，其中，所述末端执行器为具有可控的张开与收缩功能的夹爪；

在所述末端执行器上还安装有用于检测夹紧力的力传感器；

所述下平台还包括：与第一滑块螺母连接的纵向被动移动副以及与第二滑块螺母连接的横向被动移动副；在所述纵向被动移动副和所述横向被动移动副上还安装有所述承载平台；

所述主动移动副具有横向自由度以及纵向自由度，所述横向自由度通过第一横向导轨以及安装在所述第一横向导轨上的第一滑块螺母实现，安装在第一滚珠丝杠上的第一滑块螺母由第一驱动机构驱动；

所述纵向自由度通过第一纵向导轨以及安装在所述第一纵向导轨上的第二滑块螺母实现，安装在第二滚珠丝杠上的第二滑块螺母由第二驱动机构驱动。

2.根据权利要求1所述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其特征在于，所述上平台包括：6PUS机构，所述6PUS机构具有横向、纵向、上下的移动以及俯仰、偏航、滚转三个维度的转动自由度，即六个自由度；所述下平台包括：2PP机构，所述2PP机构具有两个方向的自由度，即两个自由度；所述双平台设备具有八个自由度。

3.根据权利要求1所述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其特征在于，

所述上平台通过第一机架与箱体连接，所述箱体安装在所述下平台上；

和/或，所述下平台通过第二机架安装在电器柜上；

和/或，所述箱体内安装有第一驱动控制器、第一散热风扇以及第一传感器主板；

和/或，所述电器柜内安装有第二驱动控制器、第二散热风扇以及第二传感器主板；

和/或，所述电器柜采用封装箱体形式，其侧面还设置有外设接口、急停开关、状态显示灯以及电源和控制开关。

4.根据权利要求1所述的用于智能装配的6PUS-2PP双平台设备，其特征在于，所述第一导轨上还安装有电子限位开关。