一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器

1.本申请涉及机器人自动化技术领域，尤其涉及一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器。


背景技术：

2.随着现代工业的快速发展，工业机器人在各个领域中越来越被普遍应用，尤其是在一些工作环境恶劣、需重复大量繁重工作的领域。在一些需要接触式的作业环境中，往往要求工业机器人拥有一定的接触感知与调节能力，以达到工作要求的完成如夹持、打磨、抛磨、装配等作业。其中，在机器人抛磨过程中，恒力抛磨是影响加工件表面质量的关键因素，而抛磨工具和被加工件发生相对移动或者其他相互作用都会使抛磨工具产生振动，从而影响工具的力控制精度。因此，实现抛磨工具与工件接触力的恒力控制是有必要的，并且实现具有主动阻尼的恒力控制对完成高精度作业有着很重要的意义。
3.工业机器人力控制的方法主要分为直接力控制和间接力控制两种，其中直接力控制是通过控制机械臂驱动关节的力矩实现的，间接力控制是通过附加力控末端执行器实现的。两种方法各有优缺点：前者需建立准确的机器人动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法，通常适用于新一代轻量化机器人的力控制；后者通过附加的力控末端执行器实现力位混合控制的解耦，虽然系统成本略微提高，但力控制的动态特性和通用性更好，通常适用于高速重载机器人，具有广阔的应用前景。总体上来说，直接力控制响应速度慢，算法稳定性较差，难以实现工业生产，因此力控末端执行器实现力控制是合理选择，而开发带有主动阻尼的力控抛磨末端执行器是实现机器人恒力抛磨的合理途径，在这方面，现有的力控抛磨末端执行器还存在一些不足，需要进一步改进和完善。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本申请的目的是提供一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器，能够提高力控抛磨末端执行器恒力控制的稳定性。
5.为达到上述技术目的，本申请提供了一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器，包括恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；
6.所述恒力调整组件包括气缸、音圈电机定子、音圈电机动子、线性导向轴、直线轴承、下连接板、多维力传感器与t型连接板；
7.所述下连接板沿所述花键轴远离所述电机的轴向方向与所述t型连接板间隔设置；
8.所述气缸包括缸体与缸杆；
9.所述缸体的第一端固定连接所述t型连接板的肋板，第二端与所述缸杆的第一端配合连接；
10.所述缸杆的第二端固定连接所述下连接板；
11.所述音圈电机定子与所述音圈电机动子组成音圈电机设于所述下连接板与所述t
型连接板之间，且所述音圈电机定子的端部固定连接所述t型连接板的肋板，所述音圈电机动子的端部固定连接所述下连接板；
12.所述线性导向轴第一端连接所述t型连接板的肋板，第二端连接所述下连接板；
13.所述直线轴承套设于所述线性导向轴外周，用于限制所述线性导径轴的径向运动；
14.所述多维力传感器安装于所述t型连接板的翼板上；
15.所述旋转运动组件包括电机、电机支架、花键轴、花键轴轴承与第一联轴器；
16.所述电机安装于所述电机支架上；
17.所述电机支架安装于所述t型连接板的肋板上；
18.所述花键轴通过所述第一联轴器与所述电机的输出轴连接，并且通过所述花键轴轴承与所述t行连接板的肋板连接；
19.所述运动解耦组件包括滚珠花键与旋转轴承；
20.所述花键轴依次穿过所述t型连接板的肋板、所述音圈电机定子、所述音圈电机动子、所述下连接板后，与所述滚珠花键同步旋转连接；
21.所述旋转轴承与所述下连接板轴向固定连接，并与所述滚珠花键轴向固定连接，用于将所述下连接板的轴向动力传递给所述滚珠花键；
22.所述抛磨盘组件包括抛磨盘安装件与抛磨盘；
23.所述抛磨盘安装件一端与所述滚珠花键固定连接，另一端与所述抛磨盘连接。
24.优选地，还包括供气组件；所述供气组件包括两个气压计、两个四通阀、两个比例阀、供气罐与气压机；
25.两所述气压计连接所述气缸，分别用于测量所述气缸内无杆腔与有杆腔的气压；
26.两所述四通阀的第一通口分别连接所述气缸的无杆腔与有杆腔；
27.两所述比例阀分别连接两所述四通阀的第二通口；
28.所述气压机连接所述供气罐；
29.所述供气罐连接两所述比例阀，用于将所述气压机供应的气体控制到预设定的气压值后输送给气缸；
30.两所述四通阀的第三通口连接外部，第四通口处于封闭状态。
31.优选地，所述气缸具体为单杆双作用气缸。
32.优选地，所述线性导向轴第一端与所述t型连接板的肋板轴向可活动连接，第二端与所述下连接板固定连接；
33.所述直线轴承设置于所述t型连接板与所述下连接板之间，且一端固定连接所述t型连接板的肋板。
34.优选地，所述恒力调整组件还包括轴端挡片；
35.所述轴端挡片与穿过所述t型连接板的所述线性导向轴的第一端连接，用于限制所述线性导向轴的轴向运动距离。
36.优选地，所述运动解耦组件还包括花键套；所述运动解耦组件还包括第二联轴器；
37.所述花键套内周壁固定套接所述滚珠花键，所述花键套的外周壁轴向固定并可旋转套接于所述旋转轴承内；
38.所述抛磨盘安装件通过所述花键套与所述滚珠花键固定连接；
39.所述抛磨盘安装件与所述抛磨盘通过第二联轴器固定连接。
40.优选地，所述运动解耦组件还包括轴承外壳与卡簧；
41.所述轴承外壳套接于所述旋转轴承外周壁，与所述旋转轴承过盈连接；
42.所述旋转轴承通过所述轴承外壳与所述下连接板轴向固定连接；
43.所述卡簧安装于所述轴承外壳，用于限制所述旋转轴承相对于所述轴承外壳轴向运动。
44.优选地，所述多维力传感器具体为六维力传感器。
45.优选地，所述气缸具体为两个；
46.所述线性导向轴具体为两根；
47.两所述气缸与两所述线性导向轴关于所述音圈电机定子的中心轴呈圆周均匀对称分布。
48.从以上技术方案可以看出，本申请设置恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件，具备以下优点：
49.(1)恒力调整组件采用音圈电机提供轴向力，由于音圈电机是一种依靠电力转化为磁力的电机，轴向力的大小仅与供给的电流以及音圈电机的电流参数大小有关，因此轴向力的大小可直接通过供给的电流控制；恒力调整组件还通过气缸提供阻尼，能够有效地限制音圈电机因抛磨过程末端执行器改变抛磨位置或者其他外部条件引起的抛磨盘振动，实现轴向接触力恒定；同时，恒力调整组件采用多维力传感器将测得的抛磨盘组件实际接触力作为恒力调整组件的轴向输出力的调整数据实时反馈给系统，实现对抛磨盘组件的精准力控；多维力传感器安装于t型连接板的翼板上，t型连接板左右对称的设计使多维力传感器的受力更加精准，同时，t型连接板的肋板上下两端分别与旋转运动组件以及恒力调整组件连接，既减少了中间连接部件的数量，又提高了连接板的结构强度；
50.(2)旋转运动组件使用电机作为切削动力源，在保证满足转速范围、切削力要求与重量适合的条件下，具有转速稳定且易控制的优点；
51.(3)运动解耦组件采用花键结构，旋转轴承的内周壁配合滚珠花键旋转的同时又可将下连接板的轴向力传递给抛磨盘，减少了旋转相应零部件从而降低了转动惯量；同时，由于旋转轴承的外周壁可设置成不旋转的形式，减少了因解耦组件整体转动带来的安全问题；
52.(4)抛磨盘组件与滚珠花键固定连接，实现与滚珠花键同步旋转和轴向力传递，从而达到恒力控制的目的，整体传动距离短同时提高了响应速度，提高了花键轴的使用寿命。
附图说明
53.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
54.图1为本申请中提供的一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器的整体结构示意图；
55.图2为本申请中提供的一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器电机的中
心线沿线性导向轴中心线方向的半剖图；
56.图3为本申请中提供的一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器电机的中心线沿气缸中心线方向的半剖图；
57.图4为本申请中提供的一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器供气组件的气路图；
58.图中：1、电机；2、电机支架；3、第一联轴器；4、花键轴；5、花键轴轴承；(6/23)、轴端挡片；7、t型连接板；(8/21)线性导向轴；(9/22)、直线轴承；10、音圈电机定子；11、音圈电机动子；12、下连接板；13、轴承外壳；14、旋转轴承；15、抛磨盘；16、第二联轴器；17、抛磨盘安装件；18、花键套；19、卡簧；20、滚珠花键；24、多维力传感器；(25/26)、气缸；(27/28)、气压计；(29/30)、四通阀；(31/32)、比例阀；33、供气罐；33、气压机。
具体实施方式
59.下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
60.在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
61.在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
62.本申请实施例公开了一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器。
63.请参阅图1至图4，本申请实施例中提供的一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器的一个实施例包括：恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；恒力调整组件包括音圈电机定子10、音圈电机动子11、气缸25、线性导向轴8下连接板12、直线轴承9、多维力传感器24与t型连接板7；多维力传感器24安装于t型连接板7的翼板上；下连接板13沿花键轴4远离电机1的轴向方向与t型连接板7间隔设置；音圈电机定子10端部固定连接t型连接板7的肋板；音圈电机动子11固定连接下连接板12；线性导向轴8第一端连接t型连接板7的肋板，第二端连接下连接板12；直线轴承9套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导向轴8径向运动；气缸25包括缸体与缸杆；缸体的第一端固定连接t型连接板的肋板，第二端与缸杆的第一端配合连接；缸杆第二端固定连接下连接板12；旋转运动组件包括电机1、电机支架2、花键轴4与第一联轴器3；电机1安装于电机支架2上；电机支架2安装于t型连接板7的肋板上；花键轴4通过第一联轴器3与电机1的输出轴连接；并通过花键轴轴承5与t型连接板7可转动连接；运动解耦组件包括滚珠花键20与旋转轴承14；花键轴4依次穿过t
型连接板7的肋板、主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、下连接板12后，与滚珠花键20同步旋转连接；旋转轴承14与下连接板12轴向固定连接，并与滚珠花键20轴向固定连接，用于将下连接板12的轴向动力传递给滚珠花键20；抛磨盘组件包括抛磨盘安装件17与抛磨盘15；抛磨盘安装件17一端与滚珠花键20固定连接，另一端与抛磨盘15连接。
64.具体来说，下连接板12通过旋转轴承14将音圈电机的输出力传递给滚珠花键20的方式，可以是通过将旋转轴承14的外周壁与连接板12连接，而旋转轴承14的内周壁与滚珠花键20套接的方式，旋转轴承14的外周壁不可旋转，内周壁可配合滚珠花键20旋转的同时将轴向力传递给滚珠花键。
65.具体来说，音圈电机动子11与音圈电机定子10组成音圈电机。音圈电机设置于t型连接板的肋板与下连接板12之间；音圈电机为下连接板通过轴向力，下连接板12将音圈电机提供的轴向力传递给与其固定连接的零部件，并通过线性导向轴8确保轴向力传递的过程中，t型连接件和下连接板的相对位置不会改变；其中，气缸25与线性导向轴8可以关于音圈电机圆周对称设置，以更好的保持平衡。
66.具体来说，气缸25用于为音圈电机的运动提供阻尼，设置的方式可以是将缸杆设于下连接板12与t型连接板7之间；缸体设置于t型连接板7的肋板上方，并穿过t型连接板7的肋板与缸杆配合连接的方式。也可以是将缸体与缸杆均设置于下连接板12与t型连接板7之间的方式，具体使得音圈电机运动过程中气缸可起到活塞运动产生阻尼即可。
67.需要说明的是，下连接板12与线性导向轴8配合的方式可以有多种，例如可以是线性导向轴8与t型连接板7的肋板固定连接，下连接板12与线性导向轴轴向可活动连接的形式；也可以是线性导向轴8与下连接板12固定连接，同时与t型连接板7轴向可活动连接的方式，不作限制。
68.以上为本申请实施例提供的实施例一，以下为本申请提供的实施例二，具体请参阅图1至图4。
69.一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器，包括：恒力调整组件、旋转运动组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；恒力调整组件包括音圈电机定子10、直线轴承9、音圈电机动子11、气缸25、线性导向轴8、下连接板12、多维力传感器24与t型连接板7；多维力传感器24安装于t型连接板7的翼板上；下连接板13沿花键轴4远离电机1的轴向方向与t型连接板7间隔设置；音圈电机定子10端部固定连接t型连接板7的肋板；音圈电机动子11固定连接下连接板12；线性导向轴8第一端连接t型连接板7的肋板，第二端连接下连接板12；直线轴承9套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导向轴8径向运动；气缸25包括缸体与缸杆；缸体的第一端固定连接t型连接板的肋板，第二端与缸杆的第一端配合连接；缸杆第二端固定连接下连接板12；旋转运动组件包括电机1、电机支架2、花键轴4与第一联轴器3；电机1安装于电机支架2上；电机支架2安装于t型连接板7的肋板上；花键轴4通过第一联轴器3与电机1的输出轴连接；并通过花键轴轴承5与t型连接板7可转动连接；运动解耦组件包括滚珠花键20与旋转轴承14；花键轴4依次穿过t型连接板7的肋板、主音圈电机定子10、主音圈电机动子11、下连接板12后，与滚珠花键20同步旋转连接；旋转轴承14与下连接板12轴向固定连接，并与滚珠花键20轴向固定连接，用于将下连接板12的轴向动力传递给滚珠花键20；抛磨盘组件包括抛磨盘安装件17与抛磨盘15；抛磨盘安装件17一端与滚珠花键20固定连接，另一端与抛磨盘15连接。
70.进一步的，还包括供气组件；供气组件包括气压计27与气压计28、四通阀29与四通阀30、比例阀31与比例阀32、供气罐33与气压机34；气压计27连接气缸的无杆腔，气压计28连接气缸的有杆腔，分别用于测量气缸内无杆腔与有杆腔的气压；四通阀29的第一通口连接气缸的无杆腔，第二通口连接比例阀31；四通阀30的第一通口连接气缸的有杆腔，第二通口连接比例阀32；四通阀29与四通阀30的第三通口均连通空气，第四通口均处于封闭状态；气压机34连接供气罐33；供气罐33连接两比例阀29，用于将气压机34供应的气体输送给两比例阀，通过比例阀控制到预设定的气压值后输送给气缸。
71.具体来说，请参阅图4，气缸内部通过缸杆隔分成有杆腔与无杆腔，其中有缸杆的肋杆所在的腔体为有杆腔；在通过供气罐33往气缸内通入使无杆腔与有杆腔平衡的气压后密封，在下连接板12沿线性导向轴轴向运动的过程中，缸杆随之进行活塞运动，有杆腔与无杆腔内部气压失去平衡因而产生阻尼。
72.具体来说，由于气缸中有杆腔与无杆腔内的面积不同，而腔内的平衡与气压以及面积有关，故二者内部气压处于平衡状态时，气压的大小并不相同，因而使用两个比例阀29以及两个四通阀分别往二者通气，相应的配置两个四通阀与两个气压计；当气缸根据需要使用不同数量时，气压计、比例阀与四通阀的数量也可以随之相应更改或采用所有气缸的无杆腔均连接同一气压计和同一比例阀、所有气缸的有杆腔均连接另一气压计和另一比例阀的方式，不作限制。
73.其中，在本实施例中，四通阀可以是三位四通电磁阀，具有三个控制位，分布是左侧位置、中间位置与右侧位置。结构可参阅图4，四通阀29与四通阀30包括四个通口，按照图4中的方位来描述，左上的通口为第一通口连通气缸25；左下的通口为第二通口，连通比例阀31；右下的通口为第三通口，连通外部的空气；右上的通口为第四通口，处于封闭状态。
74.当四通阀开启左侧位置，则第一通口连通第二通口，第三通口连通第四通口，此时比例阀可以通过四通阀将气体通入气缸中。
75.当四通阀开启中间位置，则四个通口互不接通，主气路处于断路封闭状态。
76.当四通阀开启右侧位置，则第一通口连通第三通口，此时气缸内的气体可以通过四通阀28与四通阀29排出外部，不提供阻尼；第二通口连通第四通口，比例阀处于断路状态。
77.进一步地，气缸具体为两个，分别是气缸25与气缸26。
78.在机器人抛磨的过程中，当末端执行器到达指定位置，抛磨盘15与工件接触，并施加理想轴向力时，两四通阀开启左侧位置，气路处于连通状态，气压机34将空气压缩后供给供气罐33，供气罐通过比例阀31与比例阀32分别将气路气压控制到预设定的气压值，再通过两四通阀分别将气体输送至气缸25与气缸26内。完成气体输送后，气缸有杆腔与无杆腔内气压达到平衡值，则控制两四通阀开启中间位置，此时两气缸处于封闭状态，缸杆做伸缩运动将产生阻尼，从而限制音圈电机因抛磨过程末端执行器改变抛磨位置或者其他外部条件引起的抛磨盘振动，以减小轴向力的变化。当理想轴向力需要较大调整或者需要更换工序时，则控制四通阀28开启右侧位置，完成排气后，需要其产生阻尼时再将通气过程重复，重新通气回到平衡状态。
79.进一步地，在本实施例中，气缸25与气缸26具体为单杆双作用气缸。
80.进一步地，在本实施例中，线性导向轴8第一端与t型连接板7的肋板轴向可活动连
接，第二端与下连接板12固定连接；直线轴承9设置于t型连接板7与下连接板12之间，且一端固定连接t型连接板7的肋板，并套设于线性导向轴8外周，用于限制线性导径轴8的径向运动，更好的起到导向作用。
81.具体来说，线性导向轴8与下连接板12固定连接，跟随下连接板12沿着自身轴向运动。
82.进一步地，恒力调整组件还包括轴端挡片6；轴端挡片6与穿过t型连接板7的线性导向轴8的第一端连接，用于限制线性导向轴8的轴向运动距离，当下连接板12带动线性导向轴8往下运动时，轴端挡片6用于限位，避免整个线性导向轴8完全滑离t型连接板。
83.进一步地，运动解耦组件还包括花键套18；花键套18内周壁固定套接滚珠花键20，花键套18的外周壁轴向固定并可旋转套接于旋转轴承14内。
84.具体来说，本申请实施例一为可实现滚珠花键20即可以旋转又可以传递来自下连接板12的轴向力情况下机械装置有可能的结构设置。在实际应用中，为了使滚珠花键20更好的适应旋转轴承的尺寸，同时更好把运动和力传递给抛磨盘连接件，花键轴4与滚珠花键20还配置有花键套18；其中，滚珠花键20通过螺钉与花键套18固定连接，同时滚珠花键20的外圆周面与花键套18的内表面间隙配合，因此可以将旋转动力从滚珠花键20传递给花键套18；整体旋转响应零件减少，降低转动惯量的，提高响应速度与花键轴4的使用寿命；花键套18外圆周与旋转轴承14配合；下连接板12通过旋转轴承14将音圈电机的输出力传递给花键套18。
85.进一步地，抛磨盘安装件17通过花键套18与滚珠花键20固定连接。
86.具体来说，抛磨盘安装件17与花键套18下端面通过螺钉相连，通过花键套18接收旋转动力与直线动力。
87.进一步地，运动解耦组件还包括轴承外壳13与卡簧19；轴承外壳13套接于旋转轴承14外周壁，与旋转轴承14过盈连接；旋转轴承14通过轴承外壳13与下连接板12轴向固定连接；卡簧19安装于轴承外壳13，用于限制旋转轴承14相对于轴承外壳的轴向运动。
88.具体来说，要使运动解耦组件的外周不需旋转从而减少因解耦组件整体旋转带来的安全问题，在本实施例中，是通过使旋转轴承14外圆周壁与轴承外壳13过盈连接固定，内圆周壁与花键套18配合可旋转的方式；同时，通过卡簧19更加稳固的限制旋转轴承14的轴向运动；整体结构更加安全牢固。
89.具体来说，旋转轴承14可以是双列角接触球轴承等，根据实际需要选用即可，不作限制。
90.进一步地，多维力传感器24具体为六维力传感器。
91.具体来说，多维力最完整的形式是六维力传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，可以更加准确的实现对抛磨盘的精准力控。
92.进一步地，线性导向轴具体为两根，分别为线性导向轴8与线性导向轴21；相应的，直线轴承与轴端挡片同样分别具有两个，其中直线轴承9和轴端挡片6与线性导向轴8配合连接，直线轴承22和轴端挡片23与线性导向轴21配合连接。
93.为了使得下连接板12的受力更加均匀，反馈调整更加准确，两个气缸与两根线性导向轴关于音圈电机定子10的中心轴圆周均匀分布，也即气缸25、气缸26、线性导向轴8与线性导向轴21四者关于音圈电机定子10的中心轴呈圆周阵列分布，两两之间与音圈电机定
子10的中心轴连线夹角为90
°
。
94.进一步地，抛磨盘安装件17与抛磨盘15通过第二联轴器16固定连接，可以实现不同尺寸与目数抛磨盘的按需快速切换。
95.进一步地，第一联轴器3可以是膜片联轴器等；第二联轴器16可以是刚性联轴器等，不作限制。
96.需要说明的是，以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。