一种助力机械手及其控制系统的制作方法

本申请主要涉及机械制造技术领域特别是一种助力机械手及其控制系统。

背景技术：

在飞机装配车间，为了完成零组件的组合装配和柔性对接，常常需要对零组件进行位置和姿态的调整。对于大型精密装配和对接，常常用到三坐标或者更多坐标构成的柔性装配系统，该装配系统往往具有复杂的机械结构和控制系统，研制、使用和维护成本非常好，专用型也非常强；对于大多数一般的装配和对接，常常都采用手工搬运、调整和装配，就出现了工作强度大、效率低和装配质量差的问题；而对于需要厂房吊车配合才能完成零部件装配，也存在占用厂房吊车周期过长，影响其它生产进度的问题。

为了解决飞机零部件装配和物料搬运过程中工作强度大、效率低和装配质量差等现实问题，需要一种助力机械来帮助工人进行零部件装配是物料搬运过程的起吊。

本申请的助力机械手及其控制系统，

技术实现要素：

为了解决上述问题本申请提供了一种助力机械手及其控制系统，通过力平衡自适应和气动原理的结合运用，实现物体的“漂浮”，对物体进行“零重力”搬运和装配，通过人手的微力实现重物的提升、平面移动和翻转，运动过程平衡、平滑。

一种助力机械手，含有固定立柱、旋转关节、旋转立柱、平衡气缸、平行四边形机构、轨迹自平衡机构、摆动关节、末端执行机构、夹具，固定立柱固定在地面上，在固定立柱的上端面通过旋转关节安装有旋转立柱，旋转 立柱可以绕旋转关节的竖直轴线做旋转运动；轨迹自平衡机构安装在旋转立柱的上端面，在轨迹自平衡机构的一侧安装有平行四边形机构的短臂端，在相反的另一侧安装有平衡气缸，平衡气缸对平行四边形机构施加恒定的作用力，同时轨迹自平衡机构对平行四边形机构作用力臂进行自适应调整，使平行四边形机构一直保持平衡状态；平行四边形机构的长臂端安装有摆动关节，在摆动关节的下端面安装有旋转关节，在旋转关节的下端面安装有末端执行机构，由摆动关节和旋转关节构成的组合关节能使平行四边形机构的长臂端的受力始终竖直向下，末端执行机构的下端面安装有夹具，夹具上夹持有工件，末端执行机构可以带动夹持有工件的夹具做90°的俯仰转动，从而实现工件从水平状态到垂直状态的任意切换。

旋转关节含有带法兰盘的轴、带法兰盘的轴套、轴承、带内V型槽和内圆柱孔的刹车盘、外V型制动蹄、制动气缸、L型法兰座和轴锁螺母，轴承安装在轴套的内圆柱空腔内，轴穿过轴承的内径孔与轴套构成一对转动副，并在轴的轴端用轴锁螺母进行锁紧防止轴与轴套脱离，刹车盘通过内圆柱孔套入轴套的外圆柱面，在刹车盘的V型槽底面与内圆柱面间设置了一圈均布的沉头螺纹孔，通过旋入螺钉施加预紧力实现刹车盘在轴套的紧固连接，外V型制动蹄通过螺纹配合安装在制动气缸的活塞杆前端上，随活塞杆的伸出和收回，外V型制动蹄与刹车盘内V型槽进行带压贴合和自由分离，从而实现旋转关节转动副的锁紧和松开。

平行四边形机构通过铰轴将主杆、副杆、连杆、工作杆构成一个平行四边形的连杆机构，主杆含有间距为E和F的三个铰轴孔，其中尺寸为E的端头铰轴孔为平行四边形机构的短臂平衡交点，副杆含有间距为F的两个铰轴孔，连杆含有间距为G的两个铰轴孔，其中与副杆相连的铰轴孔为平行四边形机构5的水平游动支撑交点，工作杆含有间距为G和H的三个铰轴孔，其 中尺寸为H的端头铰轴孔为平行四边形机构的长臂平衡交点，平行四边形机构须设置E与F的比值等于G与H的比值，以实现助力功能。

轨迹自平衡机构是一个腔体结构，在轨迹自平衡机构的前端面和后端面上设置有一对水平游动支撑导向槽和一对垂直游动支撑导向槽，水平游动支撑导向槽的长度决定了平行四边形机构中工作杆的水平行程，垂直游动支撑导向槽的长度决定了平行四边形机构中工作杆的高低行程。

平行四边形机构和轨迹自平衡机构构成的助力机构，平行四边形机构中的水平游动支撑交点和短臂平衡交点通过X向铰轴和Y向铰轴分别连接在轨迹自平衡机构的水平游动支撑导向槽和垂直游动支撑导向槽内，水平游动支撑交点的水平位置量A与长臂平衡交点的水平位置量B的比值恒等于短臂平衡交点的垂直位置量C与长臂平衡交点的垂直位置量D的比值，即满足长臂平衡交点不论是水平位置量还是垂直位置量发生变化时，A/B恒等于C/D。

摆动关节含有带法兰的叉型件、带法兰的耳型件和轴，叉型件和耳型件上都含有相同大小的铰轴孔，叉型件与耳型件构成叉耳配合，再将轴插入两者的铰轴孔构成了摆动关节，在负载重力作用下，不论叉型件还是耳型件的角度发生怎么的变化，轴的受力方向保持垂直向下。

一种助力机械手的控制系统，含有气源处理模块、开关模块、分气模块、控制界面和控制主机，气源处理模块将厂房气源调制成干燥恒压的气体后经过开关模块的通断控制，给分气模块供气或者断气，分气模块通过软管将弱气和强气分别输出给控制界面中各个模块的信号输入端口和控制主机中各个模块的动力输入端口，控制界面中各个模块的输出端口将调制好的信号气输出给控制主机中各个模块的控制端口，控制主机中各个模块的动力输出端根据控制端口的信息控制输出状态，从而实现对各个执行件的控制。控制界面含有空载/负载选择模块、制动/松开选择模块、正转/停止/反转选择模块、 真空/大气选择模块、模块安装板，模块安装板按一字排开制有四个等距的安装孔用于安装上述四个选择模块，控制界面安装在末端执行机构的前端面上以便于操作。控制主机含有空载/负载控制模块、制动/松开控制模块、正转/停止/反转控制模块、真空/大气选控制块、控制柜，上述四个控制模块均带有控制端口、动力输入端口、动力输出端口，空载/负载控制模块的动力输出端口用软管与平衡气缸4连接，使长臂平衡交点处于漂浮状态，起到助力功能；制动/松开控制模块的动力输出端口用软管与制动气缸连接，使旋转关节根据工作需要进行制动或者松开，从而实现各个立柱和动构件的锁紧和放开；正转/停止/反转控制模块的动力输出端口用软管与旋转气缸连接，使末端执行机构根据需要进行相应的正转、停止、反转运动；真空/大气控制模块的动力输出端口用软管与真空发生器连接，真空发生器用软管与吸盘连接，使吸盘根据工作需要进行工件的吸附与放开。

这种助力机械手及其控制系统能使工件处于“漂浮”状态，就如已经平衡的天平一样，不论天平两端的重量有多大，只要有一个微力来破坏这个平衡，天平就会朝着这个微力的方向倾斜，从而实现助力功能。相比天平有更进一步的功能是，当助力机械手一端的力臂发生变化时，另一端的力臂也跟随发生变化，并保持固定的比例关系，从而实现了不管工件高低运动、左右运动，旋转运动，总是有一个反力和反力臂与之平衡，工件始终处于“漂浮”状态，克服了重力，也就实现了助力功能。

以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述：

附图说明

图1和图2是助力机械手组成示意图。

图3是旋转关节组成示意图。

图4是轨迹自平衡机构组成示意图。

图5是平行四边形机构组成示意图。

图6是助力机构组成示意图。

图7摆动关节结构组成示意图。

图8是末端执行机构组成示意图。

图9是夹具的结构组成示意图。

图10是控制界面结构组成示意图。

图11是控制系统框架图。

图中编号说明：1固定立柱、2旋转关节、3旋转立柱、4平衡气缸、5平行四边形机构、6轨迹自平衡机构、7摆动关节、8末端执行机构、9夹具、10控制系统、11分气模块、12控制主机、13工件、14气源处理模块、15开关模块、16安装法兰、17带法兰盘的轴、18带法兰盘的轴套、19轴承、20带V型槽和内圆柱孔的刹车盘、21外V型制动蹄、22制动气缸、23L型法兰座、24主杆、25副杆、26连杆、27工作杆、28垂直游动支撑导向槽、29水平游动支撑导向槽、30带法兰的叉型件、31带法兰的耳型件、32轴/平衡交点、33安装杆、34旋转关节、35旋转气缸、36摇臂、37安装法兰、38主铝型材、39辅铝型材、40真空发生器、41真空压力表、42真空过滤器、43挠性接头、44真空吸盘、45操纵杆、46控制盒、47空载/负载选择模块、48制动/松开选择模块、49正转/停止/反转选择模块、50真空/大气选择模块、51夹持法兰、52控制柜、53高精密大流量气控减压阀、54空载用高精密机械式减压阀、55负载用高精密机械式减压阀、56气控方向控制阀、57控制界面、58X向铰轴、59Y向铰轴、60水平游动支撑交点、61短臂平衡交点、62长臂平衡交点、63轴锁螺母、64模块安装板、65空载/负载控制模块、66制动/松开控制模块、67正转/停止/反转控制模块、68真空/大气控制模块

具体实施方式

参见图1和图2，助力机械手及其控制系统包括的主要部件有：固定立柱1、旋转关节2、旋转立柱3、平衡气缸4、平行四边形机构5、轨迹自平衡机构6、摆动关节7、末端执行机构8、夹具9、控制系统10。

固定立柱1固定在地面上，在固定立柱1的上端面通过旋转关节2安装有旋转立柱3，旋转立柱3可以绕旋转关节2的竖直轴线做旋转运动；轨迹自平衡机构6安装在旋转立柱3的上端面，在轨迹自平衡机构6的一侧安装有平行四边形机构5的短臂端，在相反的另一侧安装有平衡气缸4，平衡气缸4对平行四边形机构5施加恒定的作用力，同时轨迹自平衡机构6对平行四边形机构5作用力臂进行自适应调整，使平行四边形机构5一直保持平衡状态；平行四边形机构5的长臂端安装有摆动关节7，在摆动关节7的下端面安装有旋转关节2，在旋转关节2的下端面安装有末端执行机构8，由摆动关节7和旋转关节2构成的组合关节能使平行四边形机构5的长臂端的受力始终竖直向下，末端执行机构8的下端面安装有夹具9，夹具9上夹持有工件13，末端执行机构8可以带动夹持有工件13的夹具9做90°的俯仰转动，从而实现工件从水平状态到垂直状态的任意切换。

零组件制造实施方式：

固定立柱1和旋转立柱3均由相应截面的方管、加强筋板和平板焊接而成。

气源处理模块14与开关模块15经过螺纹连接后整体用安装法兰16安装在固定立柱1的适当高度，以便于人手的操作。

参见图3所示,旋转关节2由带法兰盘的轴17、带法兰盘的轴套18、轴承19、带内V型槽和内圆柱孔的刹车盘20、外V型制动蹄21、制动气缸22、L型法兰座23和轴锁螺母63组成。轴承19安装在轴套18的内圆柱空腔内，轴17穿过轴承19的内径孔与轴套18构成一对转动副，并在轴17的轴端用 轴锁螺母63进行锁紧防止轴17与轴套18脱离，刹车盘20通过内圆柱孔套入轴套18的外圆柱面，在刹车盘20的V型槽底面与内圆柱面间设置了一圈均布的沉头螺纹孔，通过旋入螺钉施加预紧力实现刹车盘20在轴套18的紧固连接，外V型制动蹄21通过螺纹配合安装在制动气缸22的活塞杆前端上，根据工作需要，随活塞杆的伸出和收回，外V型制动蹄21与刹车盘20内V型槽进行带压贴合和自由分离，从而实现旋转关节2转动副的锁紧和松开。

平衡气缸4应尽可能的选用低摩擦气缸，低摩擦阻力有利于提高助力灵敏度，平衡气缸4的缸径由负载决定，平衡气缸4的活塞杆端用Y向铰轴59与平行四边形机构5的短臂平衡交点61连接在一起，平衡气缸4的法兰座端用螺栓连接在旋转立柱2的适当位置，安装平衡气缸4时，要尽可能的使活塞杆轴线与垂直游动支撑导向槽28平行。

参见图4所示，轨迹自平衡机构6是一个腔体结构，在轨迹自平衡机构6的前端面和后端面上设置有一对水平游动支撑导向槽29和一对垂直游动支撑导向槽28，水平游动支撑导向槽29的长度决定了平行四边形机构5中工作杆27的水平行程，垂直游动支撑导向槽28的长度决定了平行四边形机构5中工作杆27的高低行程。在制造中，要使垂直游动支撑导向槽28与水平游动支撑导向槽29严格垂直，为了防止磨损，还应对两个导向槽进行硬化处理。

参见图5所示，平行四边形机构5通过铰轴将主杆24、副杆25、连杆26、工作杆27构成一个平行四边形的连杆机构，上述四杆均选用方管型材，主杆24含有间距为E和F的三个铰轴孔，其中尺寸为E的端头铰轴孔为平行四边形机构5的短臂平衡交点61，副杆25含有间距为F的两个铰轴孔，连杆26含有间距为G的两个铰轴孔，其中与副杆相连的铰轴孔为平行四边形机构5的水平游动支撑交点60，工作杆含有间距为G和H的三个铰轴孔， 其中尺寸为H的端头铰轴孔为平行四边形机构5的长臂平衡交点62，平行四边形机构5须设置E与F的比值等于G与H的比值，这是实现助力功能的关键所在。在制造中，要使E、F、G、H四个参数有尽可能精密的尺寸公差。

参见图6所示，由平行四边形机构5和轨迹自平衡机构6构成的助力机构，平行四边形机构5中的水平游动支撑交点60和短臂平衡交点61通过X向铰轴58和Y向铰轴59分别连接在轨迹自平衡机构6的水平游动支撑导向槽29和垂直游动支撑导向槽28内，不论平行四边形机构5按照轨迹自平衡机构6中两个导向槽发生怎么的形状变形(如从矩形变为棱形或者从棱形变为矩形)，水平游动支撑交点60的水平位置量A与长臂平衡交点62的水平位置量B的比值恒等于短臂平衡交点61的垂直位置量C与长臂平衡交点62的垂直位置量D的比值，即满足长臂平衡交点62不论是水平位置量还是垂直位置量发生变化时，A/B恒等于C/D。在制造中，为了减少摩擦阻力，应在X向铰轴58和Y向铰轴59上安装滚动轴承。

参见图7所示，摆动关节7由带法兰的叉型件30、带法兰的耳型件31和轴32组成，摆动关节7的作用是使末端执行机构8的安装杆33在重力作用下始终保持垂直状态，使轴32始终受垂直向下的作用力。

参见图8所示，末端执行机构8通过铰轴将安装杆33、旋转关节34、旋转气缸35、摇臂36、安装法兰37等安装成一个可以使安装法兰37作90°旋转运动的机构，安装法兰37上连接工件13后，通过控制，可以使工件13保持在水平面和铅垂面间的任意角度状态位置，其中，旋转气缸35应选用的为一款具备停气抱闸功能的气缸。

参见图9所示，夹具9的结构形式很多，如机械夹持式的、真空吸附式的、电磁吸附式的，本申请为真空吸附式夹具，含有一根主铝型材38、6个辅铝型材39、真空发生器40、真空压力表41、真空过滤器42、挠性接头43 和真空吸盘44等，这些结构件和元器件的规格是根据工件13的重量来确定的，通过对真空发生器40的控制，实现对工件13的吸盘和松开，在本申请中，真空发生器40选用的为文丘里原理真空发生器，根据本申请中工件13的外形结构，将夹具9设置成2x3的点阵吸附布局。

参见图10-11所示，控制系统10含有气源处理模块14、开关模块15、分气模块11、控制界面57和控制主机12，气源处理模块14将厂房气源调制成干燥恒压的气体后经过开关模块15的通断控制，给分气模块11供气或者断气，分气模块11通过软管将弱气和强气分别输出给控制界面57中各个模块的信号输入端口和控制主机12中各个模块的动力输入端口，控制界面57中各个模块的输出端口将调制好的信号气输出给控制主机12中各个模块的控制端口，控制主机12中各个模块的动力输出端根据控制端口的信息控制输出状态，从而实现对各个执行件的控制；控制界面57含有空载/负载选择模块47、制动/松开选择模块48、正转/停止/反转选择模块49、真空/大气选择模块50、模块安装板64，模块安装板64按一字排开制有四个等距的安装孔用于安装上述四个选择模块，控制界面57安装在末端执行机构8的前端面上以便于操作；控制主机12含有空载/负载控制模块65、制动/松开控制模块66、正转/停止/反转控制模块67、真空/大气选控制块68、控制柜52，上述四个控制模块均带有控制端口、动力输入端口、动力输出端口，空载/负载控制模块65的动力输出端口用软管与平衡气缸4连接，使长臂平衡交点62处于漂浮状态，起到助力功能；制动/松开控制模块66的动力输出端口用软管与制动气缸22连接，使旋转关节2根据工作需要进行制动或者松开，从事实现各个立柱和动构件的锁紧和放开；正转/停止/反转控制模块67的动力输出端口用软管与旋转气缸35连接，使末端执行机构8根据需要进行相应的正转、停止、反转运动；真空/大气控制模块68的动力输出端口 用软管与真空发生器40连接，真空发生器40用软管与吸盘44连接，使吸盘44根据工作需要进行工件的吸附与放开。

使用实施方式：

首先用气管将厂房气源接到本申请的气源处理模块14上进行过滤减压，打开开关模块15给系统充气，刚充气时，旋转关节2和旋转气缸35都处于制动状态，机械臂不能运动，通过操作控制界面57上的制动/松开选择按钮，解除系统的制动，移动操控杆45将真空吸盘44与工件13贴合，启动真空按钮50，工件12被吸附在夹具9上，启动负载按钮47，工件13被自动平衡，上下左右移动操控杆45，将工件13移动到目的位置，启动正转按钮49，工件13从水平状态旋转到垂直状态，将工件13靠近放置架，启动空载按钮47和大气按钮50，工件13脱离机械手夹具9，并且机械手重新获得平衡。停止工作时，要启动制动按钮48，使各个关节臂都处于制动状态，不能自由移动。

通过两处旋转关节2的竖直旋转运动、轨迹自平衡机构6的水平和高低运动、平行四边形5的剪叉运动、末端执行机构8的俯仰翻转运动的组合运动，可以实现工件13的任意六自由度调整，满足飞机工艺装配要求。