用于自动装配的可变刚度且有六维力感知的被动柔顺装置的制作方法

本发明属于机器人自动装配领域，特别是一种用于机器人自动装配或对接的可变刚度且有六维力感知的被动柔顺装置。

背景技术：

在机器自动装配或对接过程中，由于机器人各种误差的存在导致其定位误差比装配对象间的配合误差高出1-2个数量级。如果在装配过程中忽视这种误差关系而强行进行装配，则会导致装配无法进行，甚至有可能损坏待装配零件的表面、装配执行器以及机器人。单从结构上提高机器人定位精度和采用先进控制技术提高装配过程运动精度都难以完成，因此需要在机器人末端与机械手等夹具之间安装有柔顺装置。目前机器人柔顺装配方法有主动柔顺和被动柔顺，其中：主动柔顺主要聚焦于力与环境的相互作用，通过力传感器感知接触环境并结合相应的控制方法来完成装配，但是该方式对传感器的精度要求高且控制算法复杂；被动柔顺主要是以其特定的结构对装配过程中的接触碰撞力作出被动的位姿调整，从而产生一定的柔顺性完成装配过程，但是该方式完全依赖于自身结构，缺少对复杂环境的主动适应能力，有一定的局限性。

专利cn1045515192a提出的一种面向自动化装配或者对接的被动柔顺装置，该装置里的活动体受到水平面的力和旋转力矩时，通过顶销将活动体受到的力与力矩借助置于本体内部的弹簧抵消，从而达到水平面方向的微小位置误差的被动柔顺的效果，虽然该装置也具备一定的柔顺特性调节以及安装有一维力传感器，但其被动柔顺效果有限，仅仅能用于平面柔顺，不能应用于有摆角偏差的装配任务。专利108908395a提出的一种用于机器人力控的多方向被动柔顺装置，该装置主要用于机器人打磨和抛光的场合，当该装置中枢轴受到法向力和切向力时，借助弹性元件使中枢轴发生微小的偏转和轴向位移，从而完成打磨任务，该装置的刚度特性不可调节，且柔顺范围较大，不适合复杂的装配任务。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于机器人自动装配或对接的可变刚度且有六维力感知的被动柔顺装置，以实现机器人自动装配过程中待装配零件微小位姿误差的被动柔顺。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于机器人自动装配或对接的可变刚度且有六维力感知的被动柔顺装置，包括静平台、第一可变刚度梁组件、第二可变刚度梁组件、第三可变刚度梁组件、第四可变刚度梁组件和动平台；

所述动平台设置在静平台的内部中间；四个可变刚度梁组件的一端均与静平台固连，另一端均与动平台固连；四个可变刚度梁组件设置在静平台的四周，且首尾循环形成口字型形状；四个可变刚度梁组件的轴向平行于动平台的对应侧边线，可变刚度梁组件可沿垂直于各自轴向发生弹性弯曲变形，用于动平台位姿的被动柔顺；第一可变刚度梁组件和第三可变刚度梁组件构成一组相互平行的可变刚度梁组件，该组可变刚度梁组件上的两个应变片均采用一种贴法：两个应变片轴向与可变刚度梁组件轴向的夹角均呈45°，且偏向相反；第二可变刚度梁组件和第四可变刚度梁组件构成另外一组平行的可变刚度梁组件，该组可变刚度梁组件上的两个应变片均采用一种贴法：两个应变片轴向平行，两个应变片轴向与可变刚度梁组件轴向的夹角均呈45°，且偏向相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过可变刚度梁组件的弹性变形，能够实现动平台微小位姿的调整，保证该装置具备很好的小范围柔顺性能；

(2)通过应变片的布置，可采集动平台受到的力与力矩的大小，为主动柔顺控制系统提供实时的力与力矩信息；

(3)通过可变刚度梁组件中的梁与螺杆配合，能够调节整个装置的刚度特性，以适应装配要素及相对定位精度变化的需要；

(4)整个装置结构紧凑，可实现装置的小型化。

附图说明

图1是本发明装置整体结构的等轴侧视图。

图2是本发明装置整体结构的具体实施实例示意图。

图3是螺杆与梁配合的剖视图。

图4是梁的等轴测视图。

图5是梁的主视图。

图6是梁上的较厚内螺纹管处的剖视图。

图7是梁上的较薄内螺纹管处的剖视图。

图8是中间连接件的等轴测视图。

图9是单向卸载联结件的等轴测视图。

图10是单向卸载联结件的平面示意图；

图11是单向卸载联结件的等效原理图；

图12为装置在不同方向的力与力矩作用原理俯视图。

图13为装置在不同方向的力与力矩作用原理侧视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1至图11，本发明的一种用于机器人自动装配或对接的可变刚度且有六维力感知的被动柔顺装置，包括静平台1、第一可变刚度梁组件2、第二可变刚度梁组件3、第三可变刚度梁组件4、第四可变刚度梁组件5和动平台6；

所述动平台6设置在静平台1的内部中间；并且动平台6的底面和侧面与静平台内侧面与内底面不接触，保持一定的空隙以便动平台6进行微小的位姿调整。所述静平台1用于与装配机器人末端固定连接；四个可变刚度梁组件的一端通过螺钉与静平台1固定连接，另一端通过螺钉与动平台6固定连接；所述动平台6用于与机械手等夹取装置固定连接。四个可变刚度梁组件设置在动平台6的四周，且首尾循环形成口字型形状；四个可变刚度梁组件的轴向平行于动平台6的对应侧边线，可沿垂直于可变刚度梁组件的轴向发生弹性弯曲变形，用于动平台6位姿误差的补偿；其中第一可变刚度梁组件2轴向平行于第三可变刚度梁组件4轴向；第二可变刚度梁组件3轴向平行于第四可变刚度梁组件5；每个可变刚度梁组件2上设有两个应变片，两个应变片贴在可变刚度梁组件2两个相互垂直的面上。

其中第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4构成一组相互平行的可变刚度梁组件，该组可变刚度梁组件上的两个应变片均采用一种贴法。第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5构成另外一组平行的可变刚度梁组件，该组变刚度梁组件上的两个应变片均采用另外一种贴法：

第一组贴法：两个应变片轴向方向呈90°，两个应变片轴向与可变刚度梁组件2轴向的夹角均呈45°，且偏向相反：即一个应变片轴向与可变刚度梁组件2轴向的夹角向左侧偏，另一个应变片轴向与可变刚度梁组件2轴向的夹角向右侧偏；

第二组贴法：两个应变片轴向平行，两个应变片轴向与可变刚度梁组件3轴向的夹角均呈45°，且偏向相同。

其中第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4上，各取一个平行于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量垂直于可变刚度梁组件2轴向方向上的力；第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5上，各取一个平行于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量垂直于可变刚度梁组件3轴向方向上的力；四个可变刚度梁组件上，各取一个垂直于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量垂直于动平台6上表面方向的力；第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5上，各取一个垂直于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量绕垂直于可变刚度梁2轴向方向上的旋转力矩；第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4上，各取一个垂直于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量绕垂直于可变刚度梁3轴向方向上的旋转力矩；四个可变刚度梁组件上，各取一个平行于动平台6上表面的应变片组成一组应变片，用于测量绕垂直于动平台6上表面方向的旋转力矩。

进一步的，所述四个可变刚度梁组件结构相同，均包括螺杆2-1、梁2-2、中间连接件2-3以及单向卸载联结件2-4；所述梁2-2的一端通过螺钉与静平台1固定连接，另一端通过螺钉与中间连接件2-3固定连接；单向卸载联结件2-4的一端通过螺栓螺母与中间连接件2-3固定连接，另一端通过螺钉与动平台6固定连接；螺杆2-1的外螺纹与梁2-2的内螺纹配合，可调节螺杆2-1的伸入伸出长度来改变整个梁2-2的刚度特性；当动平台6受到平行于对应侧可变刚度梁组件2轴向方向的力时，该侧的可变刚度梁组件2的单向卸载联结件2-4发生平行于该侧可变刚度梁组件2轴向的微小位移，使得该侧可变刚度梁组件2不受力。

进一步的，所述梁2-2采用整体式加工，包括固定块2-2-1、圆管2-2-2、翼板2-2-4；所述固定块2-2-1上加工有螺纹孔，用于通过螺钉将梁2-2与静平台1固定连接；圆管2-2-2一端与固定块2-2-1相连。圆管2-2-2一周设有四个翼板2-2-4，四个翼板2-2-4呈十字分布，用于应变片的黏贴；翼板2-2-4一端与固定块2-2-1相连，另一端设有安装孔，用来与中间连接件2-3连接。圆管2-2-2靠近连接件2-3侧外壁上设有凹槽2-2-3，使得该侧圆管2-2-2管壁较薄、刚度较小，使梁2-2具备很好的受力弹性变形能力，而靠近固定块2-2-1侧圆管壁较厚、刚度较大，使梁2-2具备一定的载荷承载能力。

进一步的，所述螺杆2-1中心设有通孔，螺杆2-1的长度大于梁2-2上内螺纹圆管结构的长度。螺杆2-1的外螺纹始终与梁2-2上靠近固定块2-2-1侧的圆管2-2-2内螺纹配合，此时梁2-2的刚度特性基本不变。只有当螺杆2-1靠近梁2-2上凹槽2-2-3处时，整个梁2-2的刚度特性才开始改变。随着螺杆2-1拧进长度的增加，相当于变相增加梁2-2上凹槽2-2-3处内螺纹圆管的壁厚，进而增加了整个梁2-2的刚度，在同样大小的载荷作用下梁2-2的弹性变形量减小，相应地动平台6的位姿补偿范围变小。因此，可根据具体的自动装配任务的位姿补偿范围需求来调节梁2-2的刚度特性。

进一步地，上述的单向卸载联结件2-4参照圆弧形柔性铰链和平行铰链四杆机构的原理设计，，可很好地抵消平行于该侧可变刚度梁组件2轴向(图2中y方向)的载荷力，并且能完美地传递垂直于该侧可变刚度梁组件2轴向(图2中x方向)和垂直于动平台6上表面方向(z方向)的载荷力；

单向卸载联结件2-4上设有连接块2-40，连接块2-40用于动平台6固定；单向卸载联结件2-4上设有四个第一圆孔2-41，四个第一圆孔2-41构成长方形分布，长方形长边方向垂直于该侧可变刚度梁组件2轴向；平行于长方形长边方向的第一圆孔2-41之间通过第一通槽2-42相连，靠近连接块2-40的两个第一圆孔2-41之间通过第二通槽2-43相连，远离连接块2-40的两个第一圆孔2-41之间不连接。靠近第一圆孔2-41处，单向卸载联结件2-4外壁上设有四个第一半圆孔2-44；四个第一半圆孔2-44与四个第一圆孔2-41之间构成一级柔性四边形铰链2-4-1。所述第一通槽2-42上靠近连接块2-40侧设有两个第二半圆孔2-45，第二半圆孔2-45凹向长方形内侧；四个第一圆孔2-41内侧设有四个第二圆孔2-46，四个第二圆孔2-46构成长方形分布，平行于长方形长边方向的第二圆孔2-46之间通过第三通槽2-47相连，远离固定块2-40的两个第二圆孔之间通过通过第四凹槽2-48相连，靠近固定块2-40的两个第二圆孔之间不连接；远离连接块2-40的两个第二圆孔2-46靠近对应侧的第一圆孔2-41；靠近连接块2-40的两个第二圆孔2-46靠近对应侧的第二半圆孔2-45；第一圆孔2-41与第二圆孔2-46之间以及第二半圆孔2-45与第二圆孔2-46之间构成二级柔性四边形铰链2-4-2。形成二级柔性四边形铰链结构，其目的在于提高单向卸载联结件2-4的卸载能力且能使结构紧凑。单向卸载联结件2-4中心设有两个安装孔，用来与中间连接件2-3固定连接。当动平台6受到垂直于第一可变刚度梁组件2轴向方向的力f(图11中y方向)时，一级柔性四边形铰链2-4-1和二级柔性四边形铰链2-4-2处的柔性铰链通过绕自身轴线发生弹性扭转变形来产生微小的角位移，进而使单向卸载联结件2-4的中间部分沿力f的方向发生微小的位移，最后不将力f传递到第一可变刚度梁组件2上的梁2-2上；而当受到与上述方向相垂直的另外两个方向(图11中x或z方向)的力作用时，单向卸载联结件2-4在这两个方向上具备一定的刚度而不易发生变形，因此能很好地传递这两个方向上得到的载荷力。

进一步的，上述的第一可变刚度梁组件2的梁2-2上相互垂直的翼板侧面贴有电阻应变片r21和电阻应变片r22，应变片r21以第一可变刚度梁组件2轴向右偏45°贴放，应变片r22以第一可变刚度梁组件2轴向左偏45°贴放；第二可变刚度梁组件3的梁2-2上相互垂直的翼板侧面贴有电阻应变片r31和电阻应变片r32，应变片r31和应变片r32都以第二可变刚度梁组件3轴向左偏45°贴放；第三可变刚度梁组件4的梁2-2上相互垂直的翼板侧面贴有电阻应变片r41和电阻应变片r42，应变片r41以第三可变刚度梁组件4轴向右偏45°贴放，应变片r42以第三可变刚度梁组件4轴向左偏45°贴放；第四可变刚度梁组件5的梁2-2上相互垂直的翼板侧面上贴有电阻应变片r51和电阻应变片r52，应变片r51和应变片r52都以第四可变刚度梁组件5左偏45°贴放。

结合图12和图13,说明本发明装置在不同方向的力与力矩作用下实现被动柔顺和六维力感知的过程。首先，以第一可变刚度梁组件2轴向和第四可变刚度梁组件5轴向所在平面作为坐标系xoy平面，坐标原点o位于该平面的几何中心，平行于第四可变刚度梁组件5轴向方向为x轴的正方向，平行于第一可变刚度梁组件2轴向方向为y轴的正方向，以xoy平面的法线方向为z轴的正方向，构建空间坐标系(图12和图13中所示)；

当动平台6受到沿x方向的力fx时，第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4上的梁2-2受力发生微小的弹性变形，第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5上的梁2-2因单向卸载联结件的作用而不受力发生变形，进而动平台6沿x方向发生微小的位移，从而达到该装置在x方向上受力的柔顺效果；此时，应变片r21的阻值减小，应变片r41的阻值增大，应变片r31和应变片r51的阻值基本不变，因此将应变片r41阻值增大量与应变片r21阻值减小量之差作为沿x方向的力fx大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

进一步的，当动平台6受到沿y方向的力fy时，第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5上的梁2-2受力发生微小的弹性变形，第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4上的梁2-2因单向卸载联结件的作用而不受力发生变形，进而动平台6沿y方向发生微小的位移，从而达到该装置在y方向上受力的柔顺效果；此时，应变片r31的阻值减小，应变片r51的阻值增大，应变片r31和应变片r51的阻值基本不变，因此将应变片r31阻值增大量与应变片r51阻值减小量之差作为沿y方向的力fy大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

进一步的，当动平台6受到沿z方向的力fz时，四个可变刚度梁组件上的梁2-2都受力发生微小的弹性变形，进而动平台6沿z方向发生微小的位移，从而达到该装置在z方向上受力的柔顺效果；此时，应变片r22和应变片r52的阻值减小，应变片r32和应变片r42的阻值增大，因此将应变片r32和应变片r42总阻值增大量与应变片r22和应变片r52总阻值减小量之差作为沿z方向的力fz大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

进一步的，当动平台6受到沿x方向的力矩mx时，第一可变刚度梁组件2和第三可变刚度梁组件4上的梁2-2受力发生微小的弹性变形，进而动平台6绕x方向发生微小的旋转，从而达到该装置在x方向上受力矩的柔顺效果；此时，应变片r22的阻值增大，应变片r42的阻值增大，因此将应变片r22阻值增大量与应变片r42阻值增大量之和作为沿x方向的力矩mx大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

进一步的，当动平台6受到沿y方向的力矩my时，第二可变刚度梁组件3和第四可变刚度梁组件5上的梁2-2受力发生微小的弹性变形，进而动平台6绕y方向发生微小的旋转，从而达到该装置在y方向上受力矩的柔顺效果；此时，应变片r32的阻值减小，应变片r52的阻值减小，因此将应变片r32阻值减小量与应变片r52阻值减小量之和作为沿y方向的力矩my大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

进一步的，当动平台6受到沿z方向的力矩mz时，四个可变刚度梁组件上的梁2-2都受力发生微小的弹性变形，进而动平台6绕z方向发生微小的旋转，从而达到该装置在z方向上受力矩的柔顺效果；此时，应变片r21和应变片r41的阻值增大，应变片r31和应变片r51的阻值减小，因此将应变片r21和应变片r41总阻值增大量与应变片r31和应变片r51总阻值减小量之差作为沿z方向的力矩mz大小的评判标准，借助电桥电路测量得到相应的电压变化。

最后，分组采集上面8个电阻应变片的电压变化量信息即可获得动平台6受到的力与力矩大小，然后把这些力与力矩信息提供给机器人自动装配的主动控制系统，方便机器人进行主动柔顺装配过程。

本发明装置在动平台受到不同方向的力与力矩作用下实现一定范围的被动柔顺效果。在机器人自动装配过程中，由于机器人各种误差的存在，导致待装配零件之间位姿出现微小的偏差，进而机械手等夹取装置会受到装配阻力，该阻力会使动平台6受到力与力矩的作用，借助该装置中可变刚度梁组件的弹性变形，能够允许动平台6发生微小的位移或旋转，进而被动地调整待装配零件的位姿来完成装配任务。因此该发明装置可实现多个方向的小范围的被动柔顺功能。此外，通过本装置上贴放的电阻应变片，可精确获得装配过程中受到的力与力矩的大小信息，可将这些信息用于机器人主动柔顺装配过程。