专利名称：抛光机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在较大三维空间，在金属做的空间曲面上完成抛光任务的智能型机器人。它用于在各种汽车和火车壳体的冲压模具表面抛光，用在抹好腻子的各种汽车和火车壳体表面抛光。
各种汽车和火车壳体的冲压模具表面抛光，抹好腻子的各种汽车和火车壳体表面的抛光，现在都是工人用简单的工具手工操作。这样，不仅工人的劳动强度大，施工周期长，工件质量难以保证，而且加工工件成本高，工件质量不稳定，影响产品更新换代，影响产品在市场上的市场竞争力。
可以加工空间曲面的现有数控机床，它们都是由几个电机分别带动各自滚珠丝杠以不同的运动状态旋转，在它们控制下的刀具就实现加工空间曲面任务。由于丝杠的制造工艺决定丝杠不可能太长。如去掉丝杠的支撑部分，去掉安装刀具的溜板箱所占的空间，实际上刀具可移动的距离(即刀具工作空间)是有限的，因此刀具可加工工件就不能太大。也就是说，像汽车壳体、火车壳体这样大的空间曲面抛光，用现有数控机床原理和结构设计是无法实现的。
本实用新型的目的在于克服上述缺点，提供一种结构简单、动作灵活、适应性强、工作可靠、加工精度高和机器本身的成本低，可在金属做的较大的空间曲面上抛光任务的智能型机器人。
为达到此目的，本实用新型智能型抛光机器人是由检测系统、控制系统、驱动系统、执行机构所组成。检测系统包括被加工工件的局部宏观形状检测和工作时手部附近环境的检测；手部的位置、姿态、运动参数(速度、加速度)、动力参数(工作阻力)的检测；立轴、大臂和小臂的位置、运动参数(角速度、角加速度)动力参数(驱动力矩)。局部宏观形状检测有两种一是由装在和手掌固连的几个位置磁力传感器测得磁力，然后转化为相对于参考平面的相对位置坐标；二是由装在和手掌固连的几个位置的接触式传感器，测得的相对于参考平面的相对位置坐标。参考平面是和手掌底面平行，始终和手掌固连的，始终随手掌一起运动的假想平面。几个相对位置坐标经数据处理后，得到相对于该参考平面的被加工工件的局部曲面形状。立轴、大臂和小臂的位置、运动参数(角速度、角加速度)动力参数(驱动力矩)、它们的检测都是通过应变片测量得到。上述检测系统提供的信息，是实时控制系统选择最佳运动方案的依据。手部的姿态是由自适应性柔性手部自动实现。
实时控制系统有两大部分组成一是为实现手部预定位置及其运动状态和满足手部预定位置精度可靠度，各关节变量所必需的位置、运动状态和必需的驱动系统精度的所有可能方案；二是综合考虑结构、位置精度可靠度、驱动系统精度，各种附加动载荷等，选择最佳运动方案的优选部分。
执行机构是由立轴、大臂、小臂和自适应性柔性手部组成，大臂回转中心是可变的关节式机械手。立轴的作用和人的腰很类似，可原地转动，大臂回转中心、小臂回转中心分别和人的肩关节、肘关节很类似，它们都是圆柱铰链连接。立轴、大臂和小臂三轴联动手部就可以实现三维空间曲面运动。关节式机械手的优点是结构简单、动作灵活、适应性强；最大不足是其手部工作刚度差，特别是当手部到较大空间工作，运动速度比较快时，它的大臂和小臂的重力、手部工作阻力和运动件的惯性力对手部工作刚度都会产生不同程度的影响，甚至使机器人不能正常工作。本实用新型专利——抛光机器人的手部是要到较大空间去工作的。如何保证手部所必需的工作刚度，正是本专利要解决的技术关键。本专利选择的工作对象是在已做好的金属表面上进行抛光，和金属切削比较，抛光所需的工作阻力是比较小的。抛光工作中手部移动的速度也比较低，由此产生的惯性是很小的。在结构上，各关节均用永磁型直流力矩电机和磁力牙嵌离合器组成；大臂和小臂均是采用重量很轻的铝合金制造的中空薄壳结构，同时大臂和小臂的长度选择尽量减小，立轴、大臂和小臂三轴联动只是满足手部三维空间曲面运动的需要，手部工作空间是靠调整大臂回转中心位置来实现的。大臂回转中心可在一个平面的两个方向移动，工作时根据需要大臂回转中心移动到预定位置。大臂回转中心位置和运动状态的调整，不仅可增加手部工作空间，而且可改变手部运动状态，减少对机器人工作不利的各种附加动载荷。从而使运动中各构件的惯性力和重力对手部工作刚度的影响是最小。更重要的是采用自适应性柔性手部，在手部磁压杆产生的磁场力作用下使手部砂轮紧紧的压在金属表面上，立轴、大臂和小臂的转动只是克服比较小的横向磁力。手部是由手掌、抛光轮、磁力压杆、磁力传感器、柔型组织所组成的自适应性柔性手部。圆周呈球面的抛光轮和分装式永磁型直流力矩电机的定子固连，该电机的转子和手掌固连，与抛光轮轴平行通过弹簧和螺母与手掌连接的磁力压杆产生的磁力和手部柔性组织配合实现手部姿态自动控制。手部各磁力传感器(或接触式传感器)得到的信息经数据处理就可得到手部加工部位附近工件曲面形状，得到手部工作附近的情况。
当立轴、大臂和小臂在电机驱动力矩作用下以一定运动状态运动时，由于某种原因(如停电)电机的驱动力矩一旦取消，大臂和小臂会在重力产生的力矩作用下有反向运动的趋势，单靠电机本身的锁紧力矩有时是不够的。为了保证机器人工作的可靠性，本专利的大臂和小臂各关节都是由牙嵌离合器和分装式直流力矩电机组成的。分装式直流力矩电机的转子通过键与回转轴固连，小臂回转轴与大臂固连，该电机的定子和端面有三角形牙的小臂固连，端面有三角形牙的离合器通过花键装在小臂回转轴上，它可以在磁场力(或弹簧力)作用下在小臂回转轴上移动。控制离合器的移动电路和控制小臂回转轴上的直流力矩电机转动的电路是密切配合的，离合器在磁场力作用下首先脱开，与此同时小臂回转轴上的电机立刻开始转动，两个运动几乎同时进行。反之，小臂回转轴上的电机转动一停，离合器在弹簧立的作用下立刻和小臂结合，小臂在离合器作用下立刻和大臂呈刚性连接。
工作结束时，大臂回转中心的移动到极限位置，大臂和小臂均收回体积变小重心降低，固定机器人的磁力拉杆脱开，机器人进入行走状态，行走时靠底座下的四个脚轮。工作开始前，机器人移动到工件附近合适位置，靠磁力拉杆把机器人牢固地固定在地面上，大臂回转中心移动到适当位置，手部接触到工件，检测系统检测此时大臂回转中心、大臂、小臂和手部的初始位置。调整手部磁压拉杆的位置，保证手部砂轮的压力合适。工作开始时，控制系统首先根据检测系统提供的各种信息和本身承担的任务，选择最佳运动方案，同时向有关驱动系统发送各种指令，机器人工作开始。机器人工作时，检测系统随时把检测到各种信息转化为电流输送到机器人电脑系统，机器人电脑控制系统立刻把检测系统提供的各种信息进行数据处理，同时根据本身承担的任务选择下一步的行动方案，并向有关驱动系统发送各种指令。装有各种工具的手部就在驱动系统控制下以预定的运动状态运动。手部工作所需姿态靠其特殊结构自动形成的。本实用新型智能型机器人手部就这样，以最合理的姿态和运动状态沿着预定的空间曲面运动，从而完成各种曲面精加工任务。
以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型施实例的机器人在工件表面进行抛光时的工作情况。图中4个装在磁性拉杆(1)上的永久磁铁(2)与机器人工作现场附近重物(3)产生的磁场力把机器人牢固地固定在地面上。与机器人固连的坐标系Oxyz为定坐标系，立轴(4)在转动中始终和定坐标系Oxyz的Oz轴重合，立轴(4)与动坐标系O0x0z0的O0z0轴固连，大臂回转中心(5)和小臂回转中心(6)始终在动坐标系O0x0z0内运动。立轴(4)、大臂(7)和小臂(8)三轴联动就实现手部沿三维空间曲面运动，大臂回转中心(5)的水平方向(9)和垂直方向(10)的平面运动可调整自适应性柔性手手部(11)的运动空间和运动特性。
图2为本实用新型实施例的自适应性柔性手部正在抛光时的工作情况示意图。图中装在手掌(12)上圆周呈球面(13)的抛光轮(14)正磨削工件(15)。装在手掌(12)上的磁性压杆(16)端部有固连的永久磁铁(17)，磁性压杆(16)通过圆柱螺旋压缩弹簧(18)、端部呈球面形状的垫圈(19)、螺母(20)、大孔(21)与手掌(12)浮动连接。调解螺母(20)的位置，可以改变永久磁铁(17)和工件(15)的距离，改变磁性压杆(16)的拉力，改变抛光轮(14)和工件(15)的接触压力。手掌(12)中部由球型孔(22)与球形拉杆(23)接触，球形拉杆(23)的端部通过螺母(24)和手掌(12)连接。断面呈球形(25)装有永久磁铁(26)的球面压盖(27)，通过磁力和手掌(12)连接。通过弹性垫片(28)，手掌(12)和手臂(29)连接。连接手臂(29)和小臂(8)是柔性组织(30)。柔性组织(30)有两种，一种柔性组织(30)是橡胶做，另一种柔性组织(30)是由圆柱螺旋压缩弹簧(31)和拉杆(32)组成的，拉杆(32)的端部呈球面形状(33)，拉杆的通孔(34)也是较大的。由于磁性压杆(16)和手掌(12)，手掌(12)通过球形拉杆(23)和手臂(29)连接，他们的接触面都是球面，再加上弹性垫片(24)的配合、磁性压杆(16)的通孔(21)比磁性压(16)杆直径大。这些都是在结构上为手部(11)具有自适应性柔性创造条件，工作时使手部抛光轮(14)始终保持理想的压力和姿态，不会因为曲面形状变化改变。由磁力压杆(16)和柔性组织(30)共同承担了手部姿态的控制任务。
图3为本实用新型施实例的手部抛光轮结构示意图。图中端面呈球形(13)的抛光轮(14)和分装式永磁型直流力矩电机的定子(35)固连，该电机的转子(36)和转子轴(37)固连，转子轴(37)和手臂(29)固连，磁力传感器(38)通过弹簧(39)和手臂(29)呈浮动连接。
图4为本实用新型实施例的小臂正在工作时的关节部结构示意图。图中分装式永磁型直流力矩电机的定子(40)和小臂(8)固连，该电机的转子(41)和小臂回转轴(42)固连。通过花键(43)装在小臂回转轴(42)上可在小臂回转轴(42)移动的牙嵌离合器(45)靠近小臂端的牙(46)和小臂端的牙(47)正脱离。这时，控制小臂(8)转动的永磁型直流力矩电机的电路和控制牙嵌离合器(45)的电路都通电，装在大臂上衔铁(49)和大臂固连，装在牙嵌离合器(45)圆周上的磁轭(48)就产生一个轴向吸力，在磁力作用下牙嵌离合器(45)就克服弹簧(50)的压力被吸向磁轭(48)，小臂(8)上的牙(47)和牙嵌离合器(45)上的牙(46)就脱开。同时，小臂(8)在和小臂(8)固连的定子(40)作用下就以预定的运动状态旋转。如控制小臂(8)转动的永磁型直流力矩电机的电路和控制牙嵌离合器(45)的电路都切断，衔铁(49)和磁轭(48)产生的轴向力取消，牙嵌离合器(45)在螺旋压缩弹簧(50)的弹性恢复力作用下推向小臂(8)使牙嵌离合器(45)端面的牙(46)和小臂(8)端面的牙(47)结合。牙嵌离合器(45)立刻和小臂(8)结合，小臂(8)在压嵌离合器(45)作用下和大臂呈刚性连接立刻停止运动。控制牙嵌离合器(45)移动的电路和控制小臂回转轴转动的直流力矩电机的电路是密切配合的，牙嵌离合器(45)首先脱开，小臂立刻转动；反之小臂回转轴(43)电机驱动力矩一停，牙嵌离合器(45)立刻结合。
权利要求1一种在金属做的较大的空间曲面上完成抛光工作的智能型机器人，它由检测系统、控制系统、驱动系统、执行机构所构成；其特征在于执行机构是由立轴(4)、大臂(7)、小臂(8)和手部(11)组成，大臂回转中心(5)是可变的关节式机器人，大臂回转中心(5)和小臂回转中心(6)都是在一个平面中的园柱铰链连接，大臂回转中心(5)可以做平面运动，手部(11)是自适应性柔性手。
2根据权力要求1所述的智能型机器人，其特征在于自适应性柔性手部(11)是由手掌(12)、磁性压杆(16)、圆柱螺旋压缩弹簧(18)、端部呈球面形状的垫圈(19)、螺母(20)、球形拉杆(23)、螺母(24)、球面压盖(27)、弹性垫片(28)、手臂(29)、柔性组织(30)、圆柱螺旋压缩弹簧(31)、拉杆(32)所构成。
3根据权力要求1、2所述的智能型机器人，其特征在于装在手掌(12)上的磁性压杆(16)端部有固连的永久磁铁(17)，磁性压杆(16)通过圆柱螺旋压缩弹簧(18)、端部呈球面形状的垫圈(19)、螺母(20)、大孔(21)与手掌(12)浮动连接；调解螺母(20)的位置，可以改变永久磁铁(17)和工件(15)的距离，改变磁性压杆(16)的拉力，改变抛光轮(14)和工件(15)的接触压力；手掌(12)中部由球型孔(22)与球形拉杆(23)接触，球形拉杆(23)的端部通过螺母(24)和手掌(12)连接；断面呈球形(25)装有永久磁铁(26)的球面压盖(27)通过磁力和手掌(12)连接；通过弹性垫片(28)，手掌(12)和手臂(29)连接；连接手臂(29)和小臂(8)是柔性组织(30)；柔性组织(30)有两种，一种柔性组织(30)是橡胶做，另一种柔性组织(30)是由圆柱螺旋压缩弹簧(31)和拉杆(32)组成的，拉杆(32)的端部呈球面形状(33)，拉杆的通孔(34)也是较大的；由于磁性压杆(16)和手掌(12)，手掌(12)通过球形拉杆(23)和手臂(29)连接，他们的接触面都是球面，再加上弹性垫片(28)的配合、磁性压杆(16)的通孔(21)比磁性压(16)杆直径大；这些都是在结构上为手部(11)具有自适应性柔性创造条件，工作时使手部抛光轮(14)始终保持理想的压力和姿态，不会因为曲面形状变化改变；由磁力压杆(16)和柔性组织(30)共同承担了手部姿态的控制任务。
4根据权力要求1所述的智能型机器人，其特征在于大臂回转中心(5)和小臂回转中心(6)的结构都是由永磁型直流力矩电机的定子(40)和转子(41)、小臂回转轴(42)、牙嵌离合器(45)、衔铁(49)、磁轭(48)、弹簧(50)所构成。
5根据权力要求1、4所述的智能型机器人，其特征在于分装式永磁型直流力矩电机的定子(40)和小臂(8)固连，该电机的转子(41)和小臂回转轴(42)固连；通过花键(43)装在小臂回转轴(42)上可在小臂回转轴(42)移动的牙嵌离合器(45)靠近小臂端的牙(46)和小臂端的牙(47)正脱离；这时，控制小臂(8)转动的永磁型直流力矩电机的电路和控制牙嵌离合器(45)的电路都通电，装在大臂上衔铁(49)和大臂固连，装在牙嵌离合器(45)圆周上的磁轭(48)就产生一个轴向吸力，在磁力作用下牙嵌离合器(45)就克服弹簧(50)的压力被吸向磁轭(48)，小臂(8)上的牙(47)和牙嵌离合器(45)上的牙(46)就脱开；同时，小臂(8)在和小臂(8)固连的定子(40)作用下就以预定的运动状态旋转；如控制小臂(8)转动的永磁型直流力矩电机的电路和控制牙嵌离合器(45)的电路都切断，衔铁(49)和磁轭(48)产生的轴向力取消，牙嵌离合器(45)在螺旋压缩弹簧(50)的弹性恢复力作用下推向小臂(8)使牙嵌离合器(45)端面的牙(46)和小臂(8)端面的牙(47)结合；牙嵌离合器(45)立刻和小臂(8)结合，小臂(8)在牙嵌离合器(45)作用下和大臂呈刚性连接立刻停止运动；控制牙嵌离合器(45)移动的电路和控制小臂回转轴转动的直流力矩电机的电路是密切配合的，牙嵌离合器(45)上的牙(46)和小臂上的牙(47)首先脱开，小臂立刻转动；反之小臂回转轴(43)电机驱动力矩一停，牙嵌离合器(45)上的牙(46)和小臂上的牙(47)立刻结合，大臂(8)和小臂(7)立刻呈刚性连接。
6根据权力要求1所述的智能型机器人，其特征在于端面呈球形(13)的抛光轮(14)和分装式永磁型直流力矩电机的定子(35)固连，该电机的转子(36)和转子轴(37)固连，转子轴(37)和手臂(29)固连，磁力传感器(38)通过弹簧(39)和手臂(29)呈浮动连接。
专利摘要本实用新型公开了一种可在金属做的较大的空间曲面上完成抛光任务的智能型机器人。它由检测系统、控制系统、驱动系统、执行机构所构成，执行机构是由立轴、大臂、小臂和自适应性柔性手部组成的关节式机械手。工作时由实时控制系统根据检测系统提供的信息和本身承担的任务选择最佳运动方案，并向驱动系统发出各种指令，立轴、大臂和小臂三轴按要求联动，自适应性柔性手部就就在磁场力和关节式机械手作用下在空间曲面上完成抛光任务。
文档编号B24B39/00GK2548766SQ02267889
公开日2003年5月7日 申请日期2002年6月27日 优先权日2002年6月27日
发明者关多友 申请人:济南大学