CN110193817A - 一种用于工业机器人的单自由度主动自适应力控法兰 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于工业机器人的单自由度主动自适应力控法兰，主要包括定平台、动平台、直线电机、空气弹簧和导向装置等；并具有同轴心嵌套安装的内筒形支架和外筒形支架，导向装置设置在内筒形支架外侧壁与外筒形支架内侧壁之间；外筒形支架的一端具有容纳内筒形支架的开口，另一端与定平台固定连接；内筒形支架位于外筒形支架中的内端部，与定平台之间设有空气弹簧，内筒形支架的外端部与动平台固定连接；直线电机的电机定子安装在外筒形支架开口部；电机动子安装在动平台的内侧，并且与内筒形支架同轴心布置。本发明具有较高的力控精度、较好动态响应性能和较大的力控范围，适用于零件装配和抛光打磨等行业。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人末端装置，具体涉及一种用于零件装配、抛光打磨等作业形式的工业机器人末端力控装置。
背景技术
在零件装配、抛光打磨等行业，传统的作业方式是人工作业，需要大量的人力资源，成本较高，并且作业的质量往往依赖于工人的经验和熟练程度，并不能保证质量完全一致。同时，人工作业的方式生产效率低，工作环境对工人的安全健康存在较大的威胁。传统人工作业的种种弊端迫使该技术领域的作业方式向新的高效高质量方向变革。
随着科技的进步，工业机器人以灵活性好，工作空间大，控制简单，成本低，效率高等优势逐渐得到各大企业的青睐。工业机器人在生产作业中的工作方式主要可分为接触式作业和非接触式作业，在接触式作业中，工业机器人的控制方式可分为位置控制和力控制。位置控制是靠调节工业机器人的各个关节来实现末端的姿态变化，而力控制是靠调节工业机器人的各个关节力矩来实现末端输出力，也称直接力控制，这种方法需建立准确的机器人动力学模型，根据末端输出力反解出工业机器人各个关节的输出力矩，实现起来比较麻烦。而工业机器人的间接力控制是在机器人的末端安装力控装置，由工业机器人负责位置控制，力控装置负责末端输出力控制，两者相互结合实现工业机器人的力/位解耦。
现有的力控装置大多采用气压驱动或电机驱动。气压驱动在控制中存在严重的非线性，力控精度低，并且气体存在响应迟滞的缺点，不能够实现快速调节接触力大小。而电机驱动的方式柔性较差，作业时易产生振动，并且单一电机驱动的力控装置质量较大，不符合轻量化的设计要求。为满足零件装配和抛光打磨等行业的需求，亟待研发一种精度高、响应快、柔性好、质量轻、力控范围大的力控装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种单自由度主动自适应力控法兰，以解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于工业机器人的单自由度主动自适应力控法兰，主要包括定平台、动平台、直线电机、空气弹簧和导向装置；并具有同轴心嵌套安装的内筒形支架和外筒形支架，导向装置设置在内筒形支架外侧壁与外筒形支架内侧壁之间；外筒形支架的一端具有容纳内筒形支架的开口，另一端与定平台固定连接；内筒形支架位于外筒形支架中的内端部，与定平台之间设有空气弹簧；内筒形支架的外端部与动平台固定连接；直线电机的电机定子安装在外筒形支架开口部；电机动子安装在动平台的内侧，并且与内筒形支架同轴心布置。
作为上述技术方案的进一步改进，单自由度主动自适应力控法兰设有用于检测动平台位移的位移传感器、以及用于检测末端执行工具实际接触力的压力传感器；位移传感器和压力传感器将实际测量值反馈给控制器，控制器调节直线电机中的电流进行实际接触力与期望力之间的力偏差调节。
作为上述技术方案的进一步改进，外筒形支架的开口侧具有三个间隔120°的安装支架，导向装置中的滑块与安装支架连接；内筒形支架位于外筒形支架内的部位具有三个间隔120°的引脚支架，导向装置中的导轨与引脚支架连接。
作为上述技术方案的进一步改进，导向装置沿圆周间隔120°均布，每根导轨采用双滑块结构。
作为上述技术方案的进一步改进，内筒形支架在引脚支架之间具有镂空结构；外筒形支架在安装支架之间具有镂空结构。
作为上述技术方案的进一步改进，空气弹簧和直线电机两者同轴心安装，分别位于内筒形支架的两端，既有利于直线电机的散热，同时又避免温度对空气弹簧内气体性能造成影响。
作为上述技术方案的进一步改进，电机定子具有圆环槽，在圆环槽的内壁和外壁设有内外辐射永磁环；所述的电机动子嵌装在所述的内外辐射永磁环之间形成的圆环内，电机动子与内外永磁环形成双边气隙，并与永磁环相互作用。
作为上述技术方案的进一步改进，动平台与外筒形支架之间设有机械弹簧。
作为上述技术方案的进一步改进，机械弹簧数量为多根，沿动平台和外筒形支架的圆周均匀分布。
作为上述技术方案的进一步改进，位移传感器为高精度光栅传感器，包括贴片支架、光栅片、光栅读头和光栅读头安装架；光栅读头通过光栅读头安装架与外筒形支架固定连接；光栅片贴在贴片支架上，贴片支架固定于动平台上，随动平台运动。
与现有的力控装置相比，本发明的单自由度主动自适应力控法兰具有以下优点：
1、单自由度主动自适应力控法兰中空气弹簧和直线电机两者通过嵌套安装的内筒形支架和外筒形支架实现同轴心、空间上上下错开安装，既有利于电机散热，也有效避免了直线电机发热对空气弹簧内气体性能造成影响；
2、在单自由度主动自适应力控法兰中增加了机械弹簧，有效的弥补了空气弹簧作为高阻尼元件响应速度慢的缺点，提高了系统的动态响应；
3、直线电机采用内外辐射永磁环结构，不仅使气隙磁场强度更加均匀，还有利于提高气隙磁密，使电机具有更大的推力密度和更快的响应时间；
4、单自由度主动自适应力控法兰由直线电机和空气弹簧并联作为驱动原件，两者取长补短，相得益彰，以“宏+微”的力控方式，具有较高的力控精度。
附图说明
图1是本实施例中单自由度主动自适应力控法兰的结构图。
图2是本实施例中单自由度主动自适应力控法兰的俯视图。
图3是本实施例中内筒形支架和外筒形支架的结构图。
图4是本实施例中直线电机的剖视图。
图5是本实施例中永磁体辐射充磁图。
图1至图5中的附图标记为：动平台1、位移传感器2、贴片支架21、光栅片22、光栅读头23、光栅读头安装架24、机械弹簧3、直线电机4、电机定子41、永磁环42、电机动子43、导向装置5、挡块51、导轨52、滑块53、外筒形支架6、内筒形支架7、空气弹簧8、定平台9、气管接头10、连接法兰11。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的用于工业机器人的单自由度主动自适应力控法兰，主要包括定平台9、动平台1、直线电机4、空气弹簧8和导向装置5，并具有同轴心嵌套安装的内筒形支架7和外筒形支架6。导向装置5设置在内筒形支架7外侧壁与外筒形支架6内侧壁之间。外筒形支架6的一端具有容纳内筒形支架7的开口，另一端与定平台9固定连接。
内筒形支架7位于外筒形支架6中的内端部，与定平台9之间设有空气弹簧8。内筒形支架7的外端部与动平台1固定连接。直线电机4的电机定子41安装在外筒形支架6开口部。电机动子43安装在动平台1的内侧，并且与内筒形支架7同轴心布置。
空气弹簧8一端与定平台9连接，另一端与内筒形支架7连接，通过内筒形支架7作用于动平台1，与直线电机4构成并联驱动。
单自由度主动自适应力控法兰设有用于检测动平台1位移的位移传感器2、以及用于检测末端执行工具实际接触力的压力传感器。位移传感器2和压力传感器将实际测量值反馈给控制器，控制器调节直线电机4中的电流进行实际接触力与期望力之间的力偏差调节。
外筒形支架6的开口侧具有三个间隔120°的安装支架，导向装置5中的滑块53与安装支架连接。内筒形支架7位于外筒形支架6内的部位具有三个间隔120°的引脚支架，导向装置5中的导轨52与引脚支架连接。
在本实施例中，内筒形支架7外形采用圆柱形，内部中空，用于放置直线电机4，顶部有三个间隔120°的引脚支架，用于放置导向装置5中的导轨52。外筒形支架6外形也呈圆柱形，下半部中空，用于放置空气弹簧8，上半部凸出三个间隔120°的安装支架，用于安装导向装置5中的滑块53。内筒形支架7和外筒形支架6不仅要求同轴心嵌套安装，而且外筒形支架6的三个滑块53安装支架与内筒形支架7的三个引脚支架也要对正安装。
内筒形支架7在引脚支架之间具有镂空结构。外筒形支架6在安装支架之间具有镂空结构。内筒形支架7和外筒形支架6采用的整体式镂空结构既有助于该力控法兰的轻量化设计，又使得该装置结构紧凑、稳定性好，同时也有利于减小零件的安装误差。
空气弹簧8和直线电机4两者同轴心安装，分别位于内筒形支架7的两端。空气弹簧8和直线电机4两者的空间上下错开式结构既有利于直线电机4的散热，同时又避免温度对空气弹簧8内气体性能造成影响。
直线电机4包括电机定子41、永磁环42和电机动子43，电机定子41安装于外筒形支架6上，电机动子43与动平台1相连。外筒形支架6和动平台1上均开有凹槽，用于电机定子41和电机动子43的定位，以保证两者同轴心安装。电机定子41具有圆环槽，在圆环槽的内壁和外壁设有内外辐射永磁环42；所述的电机动子43嵌装在所述的内外辐射永磁环42之间形成的圆环内，电机动子43与内外永磁环42形成双边气隙，并与永磁环42相互作用。采用内外辐射永磁环42不仅增加了气隙边数，而且还有利于提高气隙磁密，使电机具有更大的推力密度和更快的响应时间。
动平台1与外筒形支架6之间设有机械弹簧3。机械弹簧3数量为多根，沿动平台1和外筒形支架6的圆周均匀分布。
在本实施例中，动平台1和外筒形支架6之间沿圆周均布有三根机械弹簧3。在该系统中空气弹簧8属于高阻尼元件，响应速度较慢，添加机械弹簧3有助于增加系统刚度，提高系统的动态响应特性。
导向装置5沿圆周间隔120°均布，每根导轨52采用双滑块53结构。在本实施例中，导向装置5包括挡块51、导轨52和滑块53。其中导轨52安装于内筒形支架7上，滑块53安装于外筒形支架6上，挡块51用于限制滑块53位移，以防止滑块53脱轨。三个导向装置5沿圆周间隔120°均布，并且采用双滑块53结构，有效提高了导向装置5的承载能力。
该单自由度主动自适应力控法兰的位移传感器2采用高精度光栅传感器，包括贴片支架21、光栅片22、光栅读头23和光栅读头安装架24，用于检测动平台1的位移，以实现对系统的精准位置控制。其中，光栅读头23通过光栅读头安装架24与外筒形支架6固定连接，光栅片22贴在贴片支架21上，贴片支架21固定于动平台1上，随动平台1运动。
虽然在本实施例中采用的导向装置5和机械弹簧3均为3个沿圆周间隔120°均布，但是本领域的技术人员可是理解，也可以采用其它数目的导向装置5和机械弹簧3，以及采用非均匀布置方式。
另外，本领域内的技术人员可以理解，气缸、人工肌肉等气动元件也可作为本实施例中空气弹簧的替代方案，气缸、人工肌肉等气动元件也应该在本专利的保护范围之内。
以上实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于工业机器人的单自由度主动自适应力控法兰，主要包括定平台(9)、动平台(1)、直线电机(4)、空气弹簧(8)和导向装置(5)；其特征是：具有同轴心嵌套安装的内筒形支架(7)和外筒形支架(6)，所述的导向装置(5)设置在内筒形支架(7)外侧壁与外筒形支架(6)内侧壁之间；所述外筒形支架(6)的一端具有容纳内筒形支架(7)的开口，另一端与定平台(9)固定连接；内筒形支架(7)位于外筒形支架(6)中的内端部，与定平台(9)之间设有所述的空气弹簧(8)；内筒形支架(7)的外端部与动平台(1)固定连接；所述直线电机(4)的电机定子(41)安装在外筒形支架(6)开口部；电机动子(43)安装在所述动平台(1)的内侧，并且与内筒形支架(7)同轴心布置。
2.根据权利要求1所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：设有用于检测动平台(1)位移的位移传感器(2)、以及用于检测末端执行工具实际接触力的压力传感器；所述的位移传感器(2)和压力传感器将实际测量值反馈给控制器，所述的控制器调节直线电机(4)中的电流进行实际接触力与期望力之间的力偏差调节。
3.根据权利要求1所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述外筒形支架(6)的开口侧具有三个间隔120°的安装支架，所述导向装置(5)中的滑块(53)与所述的安装支架连接；所述内筒形支架(7)位于外筒形支架(6)内的部位具有三个间隔120°的引脚支架，所述导向装置(5)中的导轨(52)与引脚支架连接。
4.根据权利要求3所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的导向装置(5)沿圆周间隔120°均布，每根导轨(52)采用双滑块(53)结构。
5.根据权利要求3所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的内筒形支架(7)在引脚支架之间具有镂空结构；所述的外筒形支架(6)在安装支架之间具有镂空结构。
6.根据权利要求1所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的空气弹簧(8)和直线电机(4)两者同轴心安装，分别位于内筒形支架(7)的两端。
7.根据权利要求1所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的电机定子(41)具有圆环槽，在圆环槽的内壁和外壁设有内外辐射永磁环(42)；所述的电机动子(43)嵌装在所述的内外辐射永磁环(42)之间形成的圆环内，电机动子(43)与内外永磁环(42)形成双边气隙，并与永磁环(42)相互作用。
8.根据权利要求1所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的动平台(1)与外筒形支架(6)之间设有机械弹簧(3)。
9.根据权利要求8所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的机械弹簧(3)数量为多根，沿动平台(1)和外筒形支架(6)的圆周均匀分布。
10.根据权利要求2所述的单自由度主动自适应力控法兰，其特征在于：所述的位移传感器(2)为高精度光栅传感器，包括贴片支架(21)、光栅片(22)、光栅读头(23)和光栅读头安装架(24)；所述的光栅读头(23)通过光栅读头安装架(24)与外筒形支架(6)固定连接；所述的光栅片(22)贴在贴片支架(21)上，所述的贴片支架(21)固定于动平台(1)上，随动平台(1)运动。
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