基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊的制作方法
【專利摘要】一種基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，屬于機(jī)械加工【技術(shù)領(lǐng)域】。包括殼體、置于殼體兩端的蓋板、柔性機(jī)構(gòu)、壓電驅(qū)動(dòng)器、預(yù)緊鋼球及傳感器，所述柔性機(jī)構(gòu)置于殼體兩蓋板之間，柔性機(jī)構(gòu)兩端與蓋板間分別設(shè)置壓電驅(qū)動(dòng)器，所述蓋板與壓電驅(qū)動(dòng)器間設(shè)有預(yù)緊鋼球，所述傳感器置于柔性機(jī)構(gòu)的輸出端。本發(fā)明在接觸式的操作過程中，其剛性是主動(dòng)式可變的，對(duì)于作用在物體上的接觸力和操縱器的位移就可以單獨(dú)進(jìn)行控制。本發(fā)明具有高精度、高動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能，這種高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可作為一個(gè)附加模塊為傳統(tǒng)位置控制系統(tǒng)提供高性能的動(dòng)作和直接力控能力。
【專利說明】基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于需要主動(dòng)力控的接觸式操作，例如磨削和去毛刺，現(xiàn)在可以通過使用工業(yè)化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和附加的終端模塊來實(shí)現(xiàn)。最近許多公司(像ABB, Fanuc, Pushcorp, ATI)已經(jīng)把力控特性整合到其現(xiàn)有的產(chǎn)品中。ABB和Fanuc公司就是通過每個(gè)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)和齒輪箱來實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸點(diǎn)的力控的，其他的則是通過包含氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附加終端模塊來實(shí)現(xiàn)力控的。但是這些力控操作都是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)的，存在著精度低和反應(yīng)遲滯等問題。
[0003]對(duì)于接觸式操作的力控性能，有效的任務(wù)空間慣量在其中扮演了一個(gè)很重要的角色。例如，降低空間慣量可以提高力控的帶寬，同時(shí)可以減小從空程到約束動(dòng)作的沖擊力。以下為對(duì)當(dāng)前力控解決方案存在的問題進(jìn)行論述:
商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)如工業(yè)機(jī)械手通常使用各個(gè)關(guān)節(jié)處的力矩執(zhí)行器來產(chǎn)生操作點(diǎn)所需的接觸力。由于關(guān)節(jié)執(zhí)行器需要對(duì)連桿重量和非線性關(guān)節(jié)干擾因素(如關(guān)節(jié)摩擦力)進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致所需的關(guān)節(jié)力/力矩大于直驅(qū)伺服執(zhí)行器所能提供的最大力/力矩，由此，變速箱被用來提高關(guān)節(jié)伺服執(zhí)行器所能提供的力/力矩。雖然變速箱的解決方案對(duì)大多數(shù)動(dòng)作控制應(yīng)用都有效，但不足之處是變速箱引入了非線性干擾因素(如關(guān)節(jié)摩擦力和關(guān)節(jié)的撓性變形)，同時(shí)變速箱提供的有效慣量同變速比的平方根成正比，因此就需要提供較高的任務(wù)空間慣量，這樣導(dǎo)致沖擊力(從自由運(yùn)動(dòng)到約束運(yùn)動(dòng))很高，可能導(dǎo)致工件或者機(jī)器人系統(tǒng)的損壞。伴隨著較高任務(wù)空間慣量的另一個(gè)問題是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變低，這就不適用于大多數(shù)交互式的任務(wù)。在當(dāng)今商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)里廣泛應(yīng)用的對(duì)于高沖擊力的解決方案是在靠近約束區(qū)域的時(shí)候限定機(jī)器人的速度，這個(gè)方法通常是要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行離線示教，而且這種方法只適用于有規(guī)律的環(huán)境中。這種離線示教所需要的工作量是非常大的而且低響應(yīng)存在于大多數(shù)商業(yè)化機(jī)器人系統(tǒng)中，如ABB，F(xiàn)anuc等等。
[0004]由于現(xiàn)存的大部分工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)都是基于位置的系統(tǒng)，可以通過一個(gè)附加的模塊來實(shí)現(xiàn)力控能力，進(jìn)而擴(kuò)展了系統(tǒng)在接觸式操作中的能力?，F(xiàn)有的商業(yè)話解決方案由PushCorp, ATI等公司以氣動(dòng)或液壓的形式提供。雖然這些方案可以讓傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人具備力控的能力，但是較慢的反應(yīng)時(shí)間這個(gè)問題依然存在，尤其是在需要更高接觸力的時(shí)候就變得尤為突出。
[0005]對(duì)于可調(diào)的被動(dòng)服從式或者是可變剛度機(jī)構(gòu)，現(xiàn)今有很多的實(shí)現(xiàn)方式。但是這些方式都是使用宏觀結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)馬達(dá)，因此這些機(jī)構(gòu)往往是很笨重的，而且剛度的變化速度也是很遲緩的，因?yàn)樨?fù)責(zé)調(diào)節(jié)剛性的齒輪傳動(dòng)馬達(dá)的慣量很大。這些限制導(dǎo)致他們不適用于接觸式機(jī)加過程中的交互式力控,這個(gè)過程中需要10Hz或者更高的帶寬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明提供一種聞精度、聞動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能的的基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊。這種高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可作為一個(gè)附加模塊為傳統(tǒng)位置控制系統(tǒng)提供高性能的動(dòng)作和直接力控能力。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明包括殼體、置于殼體兩端的蓋板、柔性機(jī)構(gòu)、壓電驅(qū)動(dòng)器、預(yù)緊鋼球及傳感器，所述柔性機(jī)構(gòu)置于殼體兩蓋板之間，柔性機(jī)構(gòu)兩端與蓋板間分別設(shè)置壓電驅(qū)動(dòng)器，所述蓋板與壓電驅(qū)動(dòng)器間設(shè)有預(yù)緊鋼球，所述傳感器置于柔性機(jī)構(gòu)的輸出端。
[0008]進(jìn)一步地，所述柔性機(jī)構(gòu)包括至少兩排、兩列縱橫交錯(cuò)的彈片和輸出軸，所述輸出軸連接于縱橫交錯(cuò)的整體彈片之間，輸出軸上設(shè)置有傳感器；兩橫向彈片端部分別與壓電驅(qū)動(dòng)器接觸。
[0009]進(jìn)一步地，所述兩排橫向彈片間留有的距離為彈片長(zhǎng)度的十分之一至二分之一，每個(gè)彈片的寬度為彈片長(zhǎng)度的十分之一至三分之一。
[0010]進(jìn)一步地，所述輸出軸端還設(shè)置有連接法蘭。
[0011]進(jìn)一步地，所述蓋板上設(shè)置有容置預(yù)緊鋼球的凹槽。
[0012]進(jìn)一步地，所述蓋板與殼體之間留有調(diào)整間隙，通過預(yù)緊螺栓調(diào)整。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明在接觸式的操作過程中，其剛性是主動(dòng)式可變的，這樣對(duì)于作用在物體上的接觸力和顯微操縱器的位移就可以單獨(dú)進(jìn)行控制。
[0014]本發(fā)明應(yīng)用壓電驅(qū)動(dòng)器來改變?nèi)嵝詸C(jī)構(gòu)的剛度，由于壓電驅(qū)動(dòng)器具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和高輸出力，因此具有高精度、高動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能，可用于需要接觸力控制的制造過程(如去毛刺，倒角，磨削，鉆孔和銑削加工)。這種高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可作為一個(gè)附加模塊為傳統(tǒng)位置控制系統(tǒng)提供高性能的動(dòng)作和直接力控能力。例如工業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和CNC機(jī)床，由此可令這些傳統(tǒng)系統(tǒng)獲得力控加工能力而不需要進(jìn)行整體更換。且本發(fā)明具有反應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，可同比例放大或縮小以滿足不同應(yīng)用需求。
[0015]本發(fā)明中的柔性結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①可減少構(gòu)件數(shù)目，無需裝配，從而降低了成本；②無需鉸鏈或軸承等運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)和力的傳遞是利用組成它的的某些或全部構(gòu)件的變形來實(shí)現(xiàn)；③無摩擦，磨損及傳動(dòng)間隙，無效行程小，且不需要潤(rùn)滑，可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)，避免污染，提高壽命；④可存儲(chǔ)彈性能，自身具有回程反力。⑤易于小型化和大批量生產(chǎn)易于和其他非機(jī)械動(dòng)力相匹配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2本發(fā)明的力控系統(tǒng)原理圖。
[0018]圖3是本發(fā)明安裝在打磨機(jī)器人上的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1.蓋板，2.預(yù)緊螺栓，3.預(yù)緊鋼球，4.壓電驅(qū)動(dòng)器，5.傳感器，6.法蘭，7.輸出軸，8.柔性機(jī)構(gòu)，9.殼體，10.機(jī)器人手臂，11.主軸，12.磨削刀具。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面通過實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0021]實(shí)施例:如圖1所不，本發(fā)明包括殼體9、置于殼體9兩端的蓋板1、柔性機(jī)構(gòu)8、壓電驅(qū)動(dòng)器4、預(yù)緊鋼球3及傳感器5，所述柔性機(jī)8構(gòu)置于殼體9兩蓋板I之間，柔性機(jī)構(gòu)8兩端與蓋板I間分別設(shè)置壓電驅(qū)動(dòng)器4，所述蓋板I與壓電驅(qū)動(dòng)器4間設(shè)有預(yù)緊鋼球3，所述傳感器5置于柔性機(jī)構(gòu)8的輸出端。
[0022]所述柔性機(jī)構(gòu)8包括至少兩排、兩列縱橫交錯(cuò)的葉形彈片和輸出軸7，輸出軸7上設(shè)置有傳感器5 ;所述所述輸出軸7連接于縱橫交錯(cuò)的整體葉形彈片之間，兩橫向葉形彈片端部分別與壓電驅(qū)動(dòng)器4接觸。所述輸出軸端7還設(shè)置有連接法蘭6。所述兩排橫向彈片間留有的距離為彈片長(zhǎng)度的十分之一至二分之一，每個(gè)彈片的寬度為彈片長(zhǎng)度的十分之一至三分之一。所述蓋板I上設(shè)置有容置預(yù)緊鋼球3的凹槽。所述輸出軸7端還設(shè)置有連接法蘭6。
[0023]所述蓋板I與殼體9之間留有調(diào)整間隙，通過預(yù)緊螺栓2調(diào)整。
[0024]本發(fā)明的工作原理:
本發(fā)明主要用于精密快速力控操作，是在機(jī)器人手臂或操作機(jī)械前端增此發(fā)明可變剛度柔性機(jī)構(gòu)力控模塊。柔性機(jī)構(gòu)一般是指通過其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移，傳動(dòng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明機(jī)構(gòu)是通過基于葉形彈片的柔性機(jī)構(gòu)及施加在同平面內(nèi)的合適的壓力來實(shí)現(xiàn)的。葉形彈片(圖1中柔性機(jī)構(gòu)8號(hào)零件中所示的薄片結(jié)構(gòu))是一種細(xì)支梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)法向外力施加在其上的時(shí)候，就會(huì)彎曲變形同時(shí)產(chǎn)生線性位移，是常用的柔性機(jī)構(gòu)基本構(gòu)件之一。當(dāng)切向力張力施加在葉形彈片上，其內(nèi)部應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，其所表現(xiàn)出來的彎曲剛度會(huì)增加，同理當(dāng)切向壓縮力施加在細(xì)支梁上，其彎曲剛度就會(huì)減少。剛度可變的柔性機(jī)構(gòu)意味著其內(nèi)部剛度可以不隨外部位置的改變而單獨(dú)改變，基于這種工作方式，其柔性關(guān)節(jié)的機(jī)械特性是可調(diào)整的。
[0026]本例中柔性機(jī)構(gòu)8由十二根葉形彈片和輸出軸7組合而成并固定在殼體9之內(nèi)。其中橫向的兩排左右對(duì)置的共四根葉形彈片的剛度通過兩端的兩塊壓電驅(qū)動(dòng)器4所施加的不同壓力而被改變。橫向彈片與中間輸出軸為一體或通過緊固件緊密連接。兩排彈片之間留有一定距離，同時(shí)彈片具有一定寬度，以限制輸出軸在輸出方向上的剛度比其他方向低，保證輸出軸運(yùn)動(dòng)的單一方向性。橫向彈片至少需要兩排，可以根據(jù)需要的初始剛度增加排數(shù)。彈片的厚度與寬度根據(jù)剛度需要選取。
[0027]壓電驅(qū)動(dòng)器4為外購件具體型號(hào)根據(jù)需要選取，其一端推動(dòng)柔性機(jī)構(gòu)8，另一端通過一個(gè)預(yù)緊鋼球3頂在蓋板I上的凹槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)器4與蓋板間以點(diǎn)接觸的方式連接，防止壓電驅(qū)動(dòng)器4承受扭矩。蓋板I與殼體通過預(yù)緊螺栓2連接，中間留有空隙。通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓2可以改變施加在柔性機(jī)構(gòu)8上的預(yù)緊力。從而選擇柔性機(jī)構(gòu)8的初始剛度。壓電驅(qū)動(dòng)器4由壓電材料組成，壓電材料具有電致伸縮效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生長(zhǎng)度變化，應(yīng)變大小與電場(chǎng)平方成正比。柔性機(jī)構(gòu)8的剛度可變范圍由壓電驅(qū)動(dòng)器4的行程所定。上述系統(tǒng)工作流程如圖2所示，傳感器5 (外購)實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)構(gòu)所承受的外力，即相互作用力。并將信號(hào)反饋給主控制系統(tǒng)(現(xiàn)有結(jié)構(gòu))。主控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)力值與實(shí)測(cè)力值得差距計(jì)算出壓電驅(qū)動(dòng)器4所需的輸入電壓并傳遞給功率放大器對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器4驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而改變?nèi)嵝詸C(jī)構(gòu)8的剛度，完成作用力的最終控制。
[0028]圖3所示為本發(fā)明應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人打磨中的實(shí)際安裝方案。本發(fā)明可變剛度機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人手臂10前端與主軸11之間，磨削刀具12連接在主軸11之上。在打磨過程中，磨削刀具12于工件之間的作用力由本發(fā)明可變剛度機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由機(jī)器人手臂10進(jìn)行位置控制，從而實(shí)現(xiàn)力與位置的混合控制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:包括殼體、置于殼體兩端的蓋板、柔性機(jī)構(gòu)、壓電驅(qū)動(dòng)器、預(yù)緊鋼球及傳感器，所述柔性機(jī)構(gòu)置于殼體兩蓋板之間，柔性機(jī)構(gòu)兩端與蓋板間分別設(shè)置壓電驅(qū)動(dòng)器，所述蓋板與壓電驅(qū)動(dòng)器間設(shè)有預(yù)緊鋼球，所述傳感器置于柔性機(jī)構(gòu)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:所述柔性機(jī)構(gòu)包括至少兩排、兩列縱橫交錯(cuò)的彈片和輸出軸，所述輸出軸連接于縱橫交錯(cuò)的整體彈片之間，輸出軸上設(shè)置有傳感器；兩橫向彈片端部分別與壓電驅(qū)動(dòng)器接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:所述兩排橫向彈片間留有的距離為彈片長(zhǎng)度的十分之一至二分之一，每個(gè)彈片的寬度為彈片長(zhǎng)度的十分之一至三分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:所述輸出軸端還設(shè)置有連接法蘭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:所述蓋板上設(shè)置有容置預(yù)緊鋼球的凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊，其特征在于:所述蓋板與殼體之間留有調(diào)整間隙，通過預(yù)緊螺栓調(diào)整。
【文檔編號(hào)】B24B27/00GK104259991SQ201410440653
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙夙, 韓旭, 邢春貴 申請(qǐng)人:沈陽遠(yuǎn)大科技園有限公司