一种空间三自由度并联柔顺操作装置及其柔顺方式的制作方法

技术领域

本发明专利涉及机器人有约束操作工艺，特别涉及一种空间三自由度并联柔顺操作装置及其柔顺方式。

背景技术：

针对机器人有约束操作工艺，如打磨、抛光、擦洗、装配、搬运等，需要过程中控制工具作用于工件表面的作用力，采用机器人进行定位和工具作用力的控制对于很多应用而言一般不太精确。以打磨和搬运为例说明机器人使用柔顺装置的意义：在机器人打磨过程中，由于机器人末端绝对定位精度低、运行轨迹一般无法做到精确的直线或圆弧，甚至有几mm的轨迹误差，因此采用主动柔顺装置可以实现主动力控和被动位置补偿，有效提高打磨质量；在机器人高节拍重物搬运场合，由于机器人末端与重物之间是刚性接触，往往会导致货物损坏，尤其是脆性材料的物体，因此需要一种同时满足快速高响应且接触界面柔顺性好的装置，以有效提高搬运节拍。故在公开号为CN 103429400A的中国专利申请中给出了一种接触操作的主动接触法兰和方法，采用主动接触法兰实现近似恒力输出，从而降低机器人本身的控制难度，并且有效保证加工过程对于接触力的要求。

然而采用单自由度主动接触法兰并不能完全解决相关加工过程中存在的问题，由于上述装置的输出力方向恒定以及机器人位姿定位精度低，不能根据工件表面曲面形貌进行输出力方向的实时自适应，故对于加工过程中接触力方向的调整仍需通过机器人精确控制的方式实现，而该过程相当繁琐且误差大。由于并联机构具有刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、响应速度快、运动惯性小和便于实时控制等优点，故将其应用到柔顺操作装置设计中，实现加工过程加工力方向的自适应，可有效解决上述问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有柔顺装置只有一个自由度，难以实现机器人末端一平动和二转动的三维柔顺操作，以满足工具面与工件面的完全贴合；为解决所述问题，本发明提供一种空间三自由度并联柔顺操作装置及其柔顺方式。

本发明提供的空间三自由度并联柔顺操作装置包括：机械接口、工具连接支架、连接于机械接口与支架之间的至少三组运动支链、控制器；所述控制器控制操作装置输出的力。

进一步，所述机械接口，用于将此并联柔顺操作装置固定连接于机器人末端或基座上。

进一步，所述工具连接支架具有其法线方向的平动自由度，绕其平面内相互垂直两轴转动的转动自由度。

进一步，所述运动支链为无静态摩擦的致动器或者弹簧；所述运动支链与机械接口、支架通过运动副连接。

进一步，所述并联柔顺操作装置采用3-UPS&UP或3-RPS或3-PRS机构构型，其中P为移动副、S为球面副、R为转动副、U为万向节。

本发明还提供所述的空间三自由度并联柔顺操作装置的柔顺方式，装置采用3-UPS&UP或3-RPS或3-PRS（下划线表示为主动副）机构构型，三组运动支链驱动支架主动控制工具表面相对于工件表面的姿态以及工具与工件的接触力，所述主动控制包括沿工件表面法线方向力的主动控制和位姿的被动柔顺。

本发明还提供所述的空间三自由度并联柔顺操作装置的柔顺方式，装置采用3-UPS&UP机构构型， 1组UP支链的移动副P主动控制致动器输出力大小，其它3组UPS支链的移动副P均是通过弹簧沿杆件被动伸缩的方式实现。该柔顺方式下装置的支架相对于被操作接触面的姿态通过弹簧的伸缩实现被动柔顺调整，同时沿着接触面法线方向的力可进行主动控制。

本发明的优点包括：

装置结构紧凑，常固定于机器人末端，也有固定在地面工作台。其主要功能之一是机器人操作过程中使得工具与工件之间的接触力可控（大小保持近似恒定，或者过程中实时变化），另一特点是位移随动且响应速度快。

附图说明

图1所示为采用本发明实施例提供的并联柔顺操作装置的机器人辅助自动磨削设备示意图；

图2所示为本发明实施例所提供的空间三自由度并联柔顺操作装置的结构示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

作为本发明的一个实施例，图1示出了本发明所要求保护的并联柔顺操作装置用于机器人有约束操作工艺，具体为机器人辅助磨削过程中的应用。结合参考图2，所述操作装置2设置在机器人1的末端法兰和磨削工具3之间，通过并联柔顺操作装置2的接口11连接于机器人的手臂，通过支架33与磨削工具3连接；并联柔顺操作装置2主要用于精确控制或调节磨削工具3施加于待加工工件4上的作用力，保证作用力沿着工件4待加工面的法线方向并且具有预设值大小。机器人1的作用主要是将磨削工具3定位到待加工工件表面上，使得磨削工具压紧待加工工件。此时，并联柔顺操作装置2输出预设的力并且进行位姿柔顺调整，从而实现磨削工具在工件表面进行磨削加工时，磨削力大小的恒定和方向与工件表面法向的跟随。

机器人1手臂直接安装磨削工具3，以精准定位磨削工具3、调整作用力的方式对机器人的精度等提出很高要求，且示教过程繁琐。如图2所示，本发明实施例提供的并联柔顺操作装置包括均匀分布于机械接口11和支架33之间至少三组无静态摩擦致动器或弹簧支链22；所述三组无静态摩擦致动器或弹簧支链分别采用运动副44与支架和机械接口连接；三组无静态摩擦致动器或弹簧支链各由一组驱动系统独立驱动，比如由压缩机、减压阀和气动执行器组成的驱动系统进行驱动。控制系统接收机械接口表面感受到的磨削工具表面的受力情况，并向三组驱动系统输出指令，在三组驱动系统的协调驱动下，机械接口沿法线方向运动，并可以绕工具与工件接触表面相互垂直的两个轴转动；实现对磨削工具的三维调整柔顺运动，以及对磨削工具表面作用力的有效控制；保证磨削力大小的恒定、以及方向与工件表面法向的跟随。

图2示出了本发明所要求保护的并联柔顺操作装置的一个具体实施例。该装置的机械接口11用于实现与机器人末端法兰的固连，相对机械接口11具有一个平动和两个转动自由度的支架33用于连接工具。如上所述的3个自由度则由无静态摩擦致动器或弹簧22与机械接口11、支架5之间通过运动副连接形成并联机构的方式来实现。该并联机构可以采用3-UPS&UP、3-RPS、3-PRS等结构形式。各种形式的并联结构都是为了保证支架33相对于机械接口11具有沿着机械接口11平面法线方向的平移和绕该平面内两轴方向的转动。在该实施例中，无静态摩擦致动器采用以气缸为执行元件的气动恒力输出伺服系统的形式。除此之外，无静态摩擦的致动器或弹簧22还可以采用无活塞的气动致动器（气动人工肌肉）、具有无静态摩擦方式安装的活塞式气缸（例如采用石墨活塞的玻璃气缸）以及具有以无静态摩擦方式（例如磁浮或者气浮轴承）安装的动圈的无齿轮电气先行元件。

在该实施例中，操作装置的柔顺性有两种方式可供选择。在第一种柔顺方式下，并联柔顺操作装置中机械接口11、致动器22、支架33、运动副44构成的并联机构采用3-UPS&UP或3-RPS或3-PRS等形式。此时装置采用3个均匀分布的无静态摩擦致动器用于实现移动副的移动功能。该方式下装置支架33相对于被操作接触面的姿态可通过3个致动器间的协调控制来实现主动控制，同时可实现沿被操作接触面法线方向力的主动控制以及位置的被动柔顺，避免刚性冲击同时实现恒力输出。该方式装置输出恒力范围大，但控制难度也较大。

第二种柔顺方式，并联柔顺操作装置中机械接口11、致动器22、支架33、运动副44构成的并联机构采用3-UPS&UP等形式。此时操作装置采用1个置于机械接口11和支架33对称中心的无静态摩擦致动器实现中心移动副的移动，其它3个移动副通过弹簧沿杆件被动伸缩的方式实现。该方式下装置支架33相对于被操作接触面的姿态通过弹簧的伸缩实现被动柔顺调整，同时沿着接触面法向方向的力可进行主动控制。该种该方式装置输出力范围较小，控制难度也相应较低。

本发明所提供的并联柔顺操作装置将机器人对工具的控制问题分解，降低对机器人本体和控制的要求。此外，由于机器人和工具运动惯性的影响，在开始接触工件时如无柔顺装置，冲击式接触力是在所难免的，这对于加工处理非常敏感的薄壁件等会产生恶劣的影响。而采用本发明所述并联柔顺操作装置，由于采用了无静态摩擦的致动器，故可以实现工具与工件接触过程中的有效缓冲。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。