CN209868599U - 一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台、能相对于定平台作一平移两旋转运动的动平台、以及安装于两平台之间的组合式气动装置，定平台与动平台之间设有三个结构相同、并联对称布置的PPS支链；每个PPS支链包括由音圈电机驱动的主动平动关节、由柔性铰链组成的被动平动关节和被动球关节；由控制器处理反馈信号，对组合式气动装置和音圈电机的输出力进行调节，实现执行器末端与工件之间恒定的接触力控制。本实用新型采用了气电混合驱动方式，具有质量轻、精度高、响应快、抗冲击能力强、承载能力大等优点，可实现复杂曲面表面光整加工，尤其适用于机器人磨抛行业。

Description

一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器

技术领域

本实用新型涉及自动化设备及机器人技术领域，具体地说是适用于机器人磨抛作业的一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器。

背景技术

复杂零件的表面精整加工作为精密模具、航空航天、汽车船舶等制造业中一项至关重要的后处理加工过程。此类零件表面几何形状复杂，对轮廓精度尤其表面粗糙度要求高，且表面精整加工属于连续接触式操作，自动化难度大。现阶段精整加工仍需有经验的工人来完成，存在危险性高，工作环境差，劳动强度大，作业效率低精度低，质量稳定性差的问题。而工业机器人具有灵活性高、工作空间大、可扩展性强、成本低等优势，但其缺乏面向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复杂曲面精密光整加工的关键技术，亟待解决。

目前实现机器人柔顺行为的方式可分为被动柔顺和主动力控两种方式。被动柔顺主要利用工具或机械结构固有的柔性，结构简单但无法实现精确的力控制。实现机器人主动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；而工业机器人由于运动质量大、关节弹性、传动机构摩擦力等因素，难以实现直接力控制，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、力重比大、控制简单，但存在响应慢、精度低、迟滞等缺点。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、抗冲击振动能力差等缺点。而传统的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。

在磨抛加工过程中存在力-位姿耦合问题，即当机器人存在法向偏差时，末端执行器必需要有局部位姿调整功能，才能满足复杂曲面磨抛作业的需求。因此，一平移二旋转的并联机构成为力控末端执行器的首选，而且这样的并联机构构型已应用于数控机床的工具头设计。然而现有基于三自由度并联机构的工具头大多庞大而笨重，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。避免使用联轴器从而降低机构复杂性，结构更加紧凑。气动马达的旋转运动通过滚珠花键将旋转运动传递给打磨头部分，使得打磨头的两个自由度在滚珠花键处实现了机械解耦。但其为单自由度设计，不具备位置和姿态的调整能力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种具有低惯量、大承载力、抗冲击、高动态响应的气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台、能相对于定平台作一平移两旋转运动的动平台、以及安装于两平台之间的组合式气动装置，定平台与动平台之间设有三个结构相同、并联对称布置的PPS支链；每个PPS支链包括由音圈电机驱动的主动平动关节、由柔性铰链组成的被动平动关节和被动球关节；主动平动关节设有检测音圈电机运动行程的位移传感器，动平台上设有压力传感器，由控制器处理反馈信号，对组合式气动装置和音圈电机的输出力进行调节，实现执行器与工件之间恒定的接触力控制。

作为优选的方案，三个PPS支链沿圆周相互间隔120°均布，每条PPS支链有五个自由度，为了减少被动关节的个数，每条PPS支链均使用了一个被动球关节。动平台上的压力传感器优选采用六维力传感器。

作为进一步的改进方案，主动平动关节与定平台直接连接，被动球关节与动平台活动连接，被动平动关节安装在主动平动关节与被动球关节之间。

作为进一步的改进方案，三个PPS支链中的主动平动关节的运动方向垂直于定平台，被动平动关节的运动方向均平行于定平台；每一条PPS支链上的主动平动关节与被动平动关节相互垂直，且三个被动关节的运动方向所形成的平面相交于定平台的中轴线。

作为进一步的改进方案，主动平动关节包括用于连接音圈电机动子与定子的导向装置，导向装置布置在音圈电机的两侧构成双导轨对称导向结构，位移传感器设置在导向装置上。

作为进一步的改进方案，PPS支链中的柔性铰链采用双复合平行板簧结构。

作为进一步的改进方案，组合式气动装置包括一个气动驱动器和三个沿圆周相隔120°均布的机械弹簧；气动驱动器和机械弹簧的运动方向均垂直于定平台。

作为进一步的改进方案，气动驱动器可以是空气弹簧、气缸或气动肌肉。

作为进一步的改进方案，气动驱动器的一端通过螺纹与定平台连接，另一端通过球铰与动平台连接；机械弹簧为拉伸弹簧，两端分别与动平台和定平台相连。

作为进一步的改进方案，通过调节气动驱动器的内部压力、以及选择不同刚度的机械弹簧平衡末端工具的自重，同时气动驱动器和音圈电机的输出并联设置，降低对音圈电机的出力要求。

作为进一步的改进方案，刚柔混合型力控末端执行器具有接受位移传感器反馈的音圈电机动子位移信号，形成音圈电机动子的位置闭环控制模块；具有接受压力传感器反馈的工具与工件之间接触力信号，并转换为相对应的末端位置补偿信号并输出的力转换器模块；具有将末端位置补偿信号与参考值Ur进行比较，得到补偿后参考信号Ug的第一计算模块；以及具有通过逆运动学解算，得到关节层的参考信号Uj，由此调节主动平动关节的位移来调节接触力大小的调节驱动模块。

与现有的末端执行器相比，本实用新型气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器具有以下优点：

1、通过采用轻量化的柔性平动关节替代传统的大质量刚性平动关节，降低三自由度力控末端执行器的运动质量；

2、采用气动驱动器提升力控执行器的承载能力和抗冲击性能；

3、采用机械弹簧可增加系统刚度，提升动态响应；

4、采用气动驱动器和机械弹簧组合布置的方式，经过适当地配置可实现粗调接触力和补偿重力的要求，也可减小对电机的出力要求，降低电机质量。

附图说明

图1是本实施例中刚柔混合型力控末端执行器的整体装配结构示意图。

图2是本实施例中袖式空气弹簧、机械弹簧和音圈电机的分布结构示意图。

图3是本实施例中柔性铰链的结构示意图。

图4是本实施例中气电混合驱动的接触力控制框图。

图1至图3中的附图标记为：动平台1、被动球关节2、袖式空气弹簧3、机械弹簧4、导向装置5、定平台6、位移传感器7、动子8、定子9、柔性铰链10、六维力传感器11。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本实用新型的一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台6、能相对于定平台6作一平移两旋转运动的动平台1、以及安装于两平台之间的组合式气动装置。

在定平台6与动平台1之间设有三个结构相同、并联对称布置的PPS支链，可以实现动平台1零扭转的一平移二旋转运动。PPS支链包括由音圈电机驱动的主动平动关节、由柔性铰链10组成的被动平动关节和被动球关节2。主动平动关节设有检测音圈电机运动行程的位移传感器7，动平台1上设有压力传感器，由控制器处理反馈信号，对组合式气动装置和音圈电机的输出力进行调节，实现执行器与工件之间恒定的接触力控制。

三个PPS支链沿圆周相互间隔120°均布，每条PPS支链有五个自由度，为了减少被动关节的个数，每条PPS支链均使用了一个被动球关节。动平台1上的压力传感器为六维力传感器11。

主动平动关节与定平台6直接连接，被动球关节2与动平台1活动连接，被动平动关节安装在主动平动关节与被动球关节2之间。

三个PPS支链中的主动平动关节的运动方向垂直于定平台6，被动平动关节的运动方向均平行于定平台6。每一条PPS支链上的主动平动关节与被动平动关节相互垂直，且三个被动关节的运动方向所形成的平面相交于定平台6的中轴线。

主动平动关节包括用于连接音圈电机动子8与定子9的导向装置5，导向装置5布置在音圈电机的两侧构成双导轨对称导向结构，可以保证主动平动关节的刚度。位移传感器7设置在导向装置5上。本实用新型的主动平动关节直接与定平台6相连，并优选动圈式音圈电机作为驱动单元，以减少运动质量。

通过前期分析得知被动平动关节位移仅需毫米级行程，故采用如图3所示的双复合平行板簧结构的柔性铰链10替代传统线性导轨作为被动平动关节以减少运动质量，提高系统的动态响应能力。

组合式气动装置包括一个气动驱动器和三个沿圆周相隔120°均布的机械弹簧4。气动驱动器和机械弹簧4的运动方向均垂直于定平台6。

气动驱动器可以是袖式空气弹簧3、气缸或气动肌肉，本实施例中以袖式空气弹簧3为例。

袖式空气弹簧3垂直于定平台6布置，运动轴线与定平台6的圆心轴线重合。袖式空气弹簧3与定平台6为螺纹连接，作轴向伸缩运动，其与动平台1通过球铰连接，使得动平台1的一平移二旋转运动不受影响。

如图2所示，在定平台6与动平台1之间添加机械弹簧4，机械弹簧4优选采用拉伸弹簧，分布在袖式空气弹簧3的外围，沿圆周分隔120°均布，可增加系统刚度以提高动态响应。通过合适的选型搭配气动驱动器与机械弹簧4，可减小音圈电机的出力要求进而减小电机质量。

袖式空气弹簧3的进气口为侧向布置，在动平台1调整位姿时通过外部气路控制保持恒定压力，并可根据加工需要实时调整。通过调节袖式空气弹簧3的内部压力、以及选择不同刚度的机械弹簧4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。同时袖式空气弹簧3和音圈电机的输出并联设置，降低对音圈电机的出力要求。

如图4所示，本技术方案中采用了显式的导纳控制算法，其内环是位置控制环，外环是力控制环，控制器同时控制组合式气动装置和音圈电机。刚柔混合型力控末端执行器的控制系统具有接受位移传感器7反馈的音圈电机动子8位移信号，形成音圈电机动子8的位置闭环控制模块；具有接受压力传感器反馈的工具与工件之间接触力信号，并转换为相对应的末端位置补偿信号并输出的力转换器模块；具有将末端位置补偿信号与参考值Ur进行比较，得到补偿后参考信号Ug的第一计算模块；以及具有通过逆运动学解算，得到关节层的参考信号Uj，由此调节主动平动关节的位移来调节接触力大小的调节驱动模块

在具体实施例中，根据加工需求，由控制器使组合式气动装置输出部分的接触力，起到粗调接触力的作用。为了提高整体的动态响应能力，由音圈电机实现细调接触力的目标，具体过程如下：内部的位置环通过位移传感器7将音圈电机动子8的位移反馈给控制器，形成音圈电机的位置闭环控制；外部的力控制环通过六维力传感器11将工具与工件之间的接触力反馈给力转换器，由其将力传感器的读数转换为相对应的末端位置补偿信号，并与参考值Ur进行比较，得到补偿后的参考信号Ug。经过逆运动学解算，得到关节层的参考信号Uj，由此通过调节主动关节的位移来调节接触力的大小。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器，包括与机械臂末端关节连接的定平台(6)、能相对于定平台(6)作一平移两旋转运动的动平台(1)、以及安装于两平台之间的组合式气动装置，其特征是：所述的定平台(6)与动平台(1)之间设有三个结构相同、并联对称布置的PPS支链；所述的PPS支链包括由音圈电机驱动的主动平动关节、由柔性铰链(10)组成的被动平动关节和被动球关节(2)；所述的主动平动关节设有检测音圈电机运动行程的位移传感器(7)，所述的动平台(1)上设有压力传感器。

2.根据权利要求1所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：三个所述的PPS支链沿圆周相互间隔120°均布，每条所述的PPS支链有五个自由度；所述动平台(1)上的压力传感器为六维力传感器(11)。

3.根据权利要求1所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述的主动平动关节与定平台(6)直接连接，所述的被动球关节(2)底座与动平台(1)直接连接，所述的被动平动关节安装在主动平动关节与被动球关节(2)之间。

4.根据权利要求1所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：三个PPS支链中的主动平动关节的运动方向垂直于定平台(6)，被动平动关节的运动方向均平行于定平台(6)；每一条PPS支链上的主动平动关节与被动平动关节相互垂直，且三个被动关节的运动方向所形成的平面相交于定平台(6)的中轴线。

5.根据权利要求1所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述的主动平动关节包括用于连接音圈电机动子(8)与定子(9)的导向装置(5)，所述的导向装置(5)布置在音圈电机的两侧构成双导轨对称导向结构，所述的位移传感器(7)设置在导向装置(5)上。

6.根据权利要求1所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述PPS支链中的柔性铰链(10)采用双复合平行板簧结构。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述的组合式气动装置包括一个气动驱动器和三个沿圆周相隔120°均布的机械弹簧(4)；所述气动驱动器和机械弹簧(4)的运动方向均垂直于定平台(6)。

8.根据权利要求7所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述的气动驱动器为空气弹簧、气缸或气动肌肉。

9.根据权利要求7所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：所述气动驱动器的一端通过螺纹与定平台(6)连接，另一端通过球关节(2)与动平台(1)连接；所述的机械弹簧(4)为拉伸弹簧，两端分别与动平台(1)和定平台(6)相连。

10.根据权利要求7所述的刚柔混合型力控末端执行器，其特征在于：具有接受位移传感器(7)反馈的音圈电机动子(8)位移信号，形成音圈电机动子(8)的位置闭环控制模块；具有接受压力传感器反馈的工具与工件之间接触力信号，并转换为相对应的末端位置补偿信号并输出的力转换器模块；具有将末端位置补偿信号与参考值Ur进行比较，得到补偿后参考信号Ug的第一计算模块；以及具有通过逆运动学解算，得到关节层的参考信号Uj，由此调节主动平动关节的位移来调节接触力大小的调节驱动模块。