一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人的制作方法

本发明属于机器人的技术领域，尤其涉及一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人。

背景技术：

相对于传统人工打磨，机器人等机动化装备的打磨具有目标定位精确、打磨质量高、稳定性高等优点，为打磨行业的自动化奠定了技术基础，能提高打磨效率、改善工人劳动条件、降低工人操作技术的要求等。目前市面上主要的自动化打磨装备是平面磨床，这种装备的结构由花岗岩底座，砂轮架，以及打磨用的砂轮组成。这种平面磨床的优点是打磨非常平稳，但是自动化程度不高，需要工作人员的协作，且打磨精度不高。在随着机器人的发展过程中，打磨机器人逐渐成熟，很多机器人集成商采用在六轴工业机器人的基础上，在其末端添加打磨机的方式开发的打磨机器人，这种打磨机器人由于本体设计完全是机器人本体制造商设计制作，因此整体的打磨机器人开发效率很高，但是这种方式有两个缺点，一是成本较高，二是打磨方式还是和平面磨床的打磨一样刚性打磨，精度不高。奥地利ferrobotics公司研发了气动被动柔顺装置，为打磨行业带来了一个重要的转变。而这种被动柔顺装置结构复杂，虽然性能良好，但成本非常高。打磨行业目前一些研究所开始将六轴工业机器人和被动柔顺打磨装置进行有效的结合，但是由于成本异常昂贵，而且和实际打磨行业亟待解决的实际问题不完全符合，因此出现了研究和实际应用的无法接轨问题。

现在打磨亟待解决的问题是快速高效的进行大批量的平面件打磨，因此大多数工厂仍然保持着传统的平面磨床的打磨方式，这种方式虽然在打磨精度上不高，但是可以有效的解决快速高效打磨平面工件的实际问题。综合以上实际情况，非常有必要设计一种打磨高效、精度高、成本低的打磨设备，以改善我国的打磨行业。我们从打磨的精度、效率、成本、市场等几个方面出发，提出一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人。本发明设计的被动柔顺打磨机器人具有3个机构自由度，利用了轻量化和模块化的设计思想，可以最简单的实现平面打磨的要求，由于创新性的引入被动柔顺控制方式，避免了刚性打磨的缺点，同时通过基于优化的模糊pid控制算法，通过力传感器检测打磨过程的接触力的变化，进行快速的响应，保证打磨过程中的恒力保持。

因此，本发明在被动柔顺装置设计方面具有良好的创新型，对ferrobotics公司的气动被动柔顺装置进行了结构简化，根据平面打磨的特点进行的设计，而且设计的为被动柔顺打磨装置，一体化的设计使得力控方面的误差更小。本发明在机器人机构上具有较好的创新，配合设计的轻量化平面直角坐标机器人，专注于平面打磨的效率和精度出发，设计出一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人。本发明的被动柔顺打磨机器人在控制方法方面创新，采用了解耦的系统设计方法，并利用优化的模糊pid算法对关键的被动柔顺打磨系统进行了优化设计，系统响应快。整个被动柔顺打磨机器人及打磨方法具有开发效率高、运行可靠、系统响应快、机器人维护方便、成本低等优点。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本发明目的在于提供一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人，具有3个运动自由度的机构和一个柔顺打磨机构，本发明具体技术方案如下：

一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人，包括直角坐标机器人1和被动柔顺打磨装置2，直角坐标机器人1包括安装架11、一对x轴线性驱动机构12、y轴线性驱动机构13和z轴线性驱动机构14，所述安装架11包括水平的矩形框111，所述被动柔顺打磨装置通过法兰固定安装在z轴线性驱动机构14的底端，使得被动柔顺打磨装置2实现x、y、z轴方向的三自由度的运动；

所述被动柔顺打磨装置包括被动柔顺机构21和打磨机构22，打磨机构22通过打磨机安装框221和被动柔顺机构21固定连接；

所述被动柔顺机构21包括上下相对水平设置的上基座211和下基座212、配合的滚珠花键套筒213和滚珠花键214、气缸套筒连接件215、竖直平行的气缸216、以及电气比例阀217。

所述上基座211的下端面竖直固定安装着滚珠花键套筒213，滚珠花键214从下至上配合插设在滚珠花键套筒213内，且滚珠花键214的底端通过滚珠花键连接块固定安装在下基座212上；

所述滚珠花键套筒213的底端和气缸套筒连接件215的一端固定连接，气缸套筒连接件215的另一端和气缸216的底端固定连接，气缸216的活塞杆从下至上配合插设在气缸216内，且活塞杆的底端通过活塞杆连接块固定安装在下基座212上；所述气缸216的进气口连通着电气比例阀217，且电气比例阀217安装在上基座211；

工作时，直角坐标机器人1带动着被动柔顺打磨装置2定位在待打磨的平面工件表面处，被动柔顺机构21通过气缸活塞杆给气动打磨机222向下的推力，并开启气动打磨机222，使得气动打磨机222的转动板转动，打磨平面工件的表面。

进一步，所述每个x轴线性驱动机构12、y轴线性驱动机构13和z轴线性驱动机构14均包括基板31、滚珠丝杆32和滑块33；所述滚珠丝杆32延伸方向和基板31的延伸方向一致，并通过两端的丝杆安装板34安装在基板31上，且滚珠丝杆32的一端通过联轴器35连接有电机36，所述基板31的两侧对应布设有一对滑轨37，所述滑块33通过丝杆滚轴配合安装在滚珠丝杆32上，且滑块33的下端对应着一对滑轨37固定安装有一对导轨滑块，使得一对导轨滑块在对应一对滑轨37上滑动；所述基板31的侧边安装有四个光电感应开关38，滑块上对应着光电感应开关38设有感应片39。

进一步，所述一对x轴线性驱动机构12上的基板31对应固定设于矩形框111的相互平行的一对框边上，且一对x轴线性驱动机构12上的一对基板的延伸方向和对应的一对框边延伸方向相同；所述y轴线性驱动机构13的基板两端和一对x轴线性驱动机构12上对应的一对滑块固定连接，使得y轴线性驱动机构13水平架设在一对x轴线性驱动机12上，所述z轴线性驱动机构14上的滑块33和y轴线性驱动机构13上的滑块33固定连接，使得z轴线性驱动机构14垂直安装在y轴线性驱动机构13上。

进一步，所述气缸套筒连接件215为水平的板状，且一端部为圆形套筒，圆形套筒的中间开设有花键孔，圆形套筒配合固定套设在滚轴花键套筒213的底端，滚珠花键214穿过花键孔插设在滚轴花键套筒213内，所述气缸套筒连接件215的另一端部为方形板，方形板和气缸216的底端固定连接；使得滚珠花键214和气缸216的活塞杆同步上下运动。

进一步，所述被动柔顺机构21还包括长方形的位移传感器218，且位移传感器218通过竖直的安装板垂直固定安装在上基座211上，位移传感器218的测量杆的下端通过测量杆安装块固定安装在下基座212上。

进一步，所述打磨机安装框221包括竖直平行的一对连接板和水平的带有半圆形缺口的一对固定板，一对连接板的上端和下基座212固定连接，一对固定板上的一对半圆形缺口对合，将气动打磨机222和打磨机安装框221固定连接，且气动打磨机222下端的转动板水平位于打磨机安装框221外。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明结构轻量化，具有上下、左右、前后3个自由度，结构设计简单且姿态运动空间大，成本低。

2、本发明采用线性驱动的方式，精确高，可实现长距传动，传动稳定。

3、本发明采用模块化的设计，设计过程简单化，开发效率高。

4、本发明采用步进电机与光电感应开关组合方式完成了伺服电机等效的功能，成本远低于伺服电机。

5、本发明的被动柔顺打磨装置采用一体化设计，避免了集成式开发的误差。

6、本发明的被动柔顺打磨装置结构简单，针对平面工件的定制化设计，开发效率高、精度高、成本低、柔顺性良好。

7、本发明整个柔顺打磨结构的驱动层都是气压驱动，动作更可靠，响应快。

8、本发明采用基于被动柔顺控制的设计方法，控制简单，控制精确。

9、本发明采用解耦的系统设计方法，机器人本体的运动控制和被动柔顺打磨装置柔顺控制分别独立设计各自的控制系统，通过通信进行系统关联。

10、本发明的打磨方法中的位姿补偿算法有效的解决被动柔顺打磨装置位姿误差问题，有效避免多次位置偏移引起系统错误以及对柔顺打磨装置的有效保护。

11、本发明采用了基于嵌入式的模糊pid算法，系统响应速度快，实时性良好。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为图1的另一角度具体结构示意图。

图3为本发明结构的安装架的结构示意图。

图4为本发明的单个的x轴线性驱动机构或y轴线性驱动机构或z轴线性驱动机构示意图。

图5为本发明被动柔顺机构的结构示意图。

图6为本发明被动柔顺打磨装置的结构示意图。

图7为图6的剖面图。

图8为气缸套筒连接件的立体示意图。

图9为本发明的总体控制图。

图10为本发明的打磨方法流程图。

图11为本发明的被动柔顺机构模糊pid调节方法流程图。

图12为本发明的位置补偿算法流程图。

其中：11-安装架；111-矩形框；12-一对x轴线性驱动机构；13-y轴线性驱动机构；14-z轴线性驱动机构；21-被动柔顺机构；22-打磨机构；211-上基座；212-下基座；213-滚珠花键套筒；214-滚珠花键；215-气缸套筒连接件；216-气缸；217-电气比例阀；218-位移传感器；221-打磨机安装框；222-气动打磨机；31-基板；32-滚珠丝杆；33-滑块；34-丝杆安装板；35-联轴器；36-电机；37-一对滑轨；38-光电感应开关；39-感应片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方法，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2和3所示，一种面向平面工件的被动柔顺打磨机器人，包括直角坐标机器人1和被动柔顺打磨装置2，直角坐标机器人1包括安装架11、一对x轴线性驱动机构12、y轴线性驱动机构13和z轴线性驱动机构14，所述安装架11包括水平的矩形框111，所述被动柔顺打磨装置2通过法兰固定安装在z轴线性驱动机构14的底端，使得被动柔顺打磨2装置实现x、y、z轴方向的三自由度的运动；

其中，一对x轴线性驱动机构12做同步直线运动，带动包括y轴线性驱动机构13和z轴线性驱动机构14以及被动柔顺打磨装置2整体进行前后位移；y轴线性驱动机构13带动包括z轴线性驱动机构14以及被动柔顺打磨装置2整体进行左右位移；z轴线性驱动机构14带动通过法兰连接的被动柔顺打磨装置2整体进行上下位移；以此相互关联的直线运动构成了被动柔顺打磨机器人的空间运动。

如图2和4所示，所述每个x轴线性驱动机构12、y轴线性驱动机构13和z轴线性驱动机构14均包括基板31、滚珠丝杆32和滑块33；所述滚珠丝杆32延伸方向和基板31的延伸方向一致，并通过两端的丝杆安装板34安装在基板31上，且滚珠丝杆32的一端通过联轴器35连接有电机36，所述基板31的两侧对应布设有一对滑轨37，所述滑块33通过丝杆滚轴配合安装在滚珠丝杆32上，且滑块33的下端对应着一对滑轨37固定安装有一对导轨滑块，使得一对导轨滑块在对应一对滑轨37上滑动；所述基板31的侧边安装有四个光电感应开关38，滑块上对应着光电感应开关38设有感应片39。

如图2和4所示，所述一对x轴线性驱动机构12上的基板31对应固定设于矩形框111的相互平行的一对框边上，且一对x轴线性驱动机构12上的一对基板的延伸方向和对应的一对框边延伸方向相同；所述y轴线性驱动机构13的基板31两端和一对x轴线性驱动机构12上对应的一对滑块33固定连接，同时y轴线性驱动机构13的基板31两端直立在一对x轴线性驱动机构12上对应的一对滑块33上，使得y轴线性驱动机构13水平架设在一对x轴线性驱动机12上，且y轴线性驱动机构13上的滑块33竖直布设；所述z轴线性驱动机构14上的滑块33和y轴线性驱动机构13上的滑块33对应固定连接，使得z轴线性驱动机构14垂直安装在y轴线性驱动机构13上。

工作时，直角坐标机器人1带动着被动柔顺装置21定位在待打磨的平面工件表面处，被动柔顺机构21通过气缸活塞杆给气动打磨机222向下的推力，并开启气动打磨机222，使得气动打磨机222的转动板转动，打磨平面工件的表面。

如图5到8所示，所述被动柔顺打磨装置包括被动柔顺机构21和打磨机构22，打磨机构22通过打磨机安装框221与被动柔顺机构21的底端下基座212连接在一起；

所述被动柔顺打磨装置2将被动柔顺机构21和打磨机构22设计为一体，该设计中不采用法兰连接的方式，通过一体化设计有效避免打磨机和柔顺装置不匹配的问题，导致气动打磨机222的安装位置在轴向与被动柔顺机构21出现位置偏差，以避免被动柔顺力控的误差，提高力控精度。

所述被动柔顺机构21包括上下相对水平设置的上基座211和下基座212、配合的滚珠花键套筒213和滚珠花键214、气缸套筒连接件215、以及竖直平行的气缸216、电气比例阀217和位移传感器218。

所述上基座211的下端面竖直固定安装着滚珠花键套筒213，滚珠花键214从下至上配合插设在滚珠花键套筒213内，且滚珠花键214的底端通过滚珠花键连接块固定安装在下基座212上；

所述滚珠花键套筒213的底端和气缸套筒连接件215的一端固定连接，气缸套筒连接件215的另一端和气缸216的底端固定连接，气缸216的活塞杆从下至上配合插设在气缸216内，且活塞杆的底端通过活塞杆连接块固定安装在下基座212上；所述气缸216的进气口连接有安装在上基座211上的电气比例阀217；

所述气缸套筒连接件215为水平的板状，且一端部为圆形套筒，圆形套筒的中间开设有花键孔，圆形套筒配合固定套设在滚轴花键套筒213的底端，滚珠花键214穿过花键孔插设在滚轴花键套筒213内，所述气缸套筒连接件215的另一端部为方形板，方形板和气缸216的底端固定连接；使得滚珠花键214和气缸216的活塞杆同步上下运动。

配合的滚珠花键套筒213和滚珠花键214为整个被动柔顺装置的导向元件，使被动柔顺装置保持在上下一个自由度上的直线运动，气动打磨机222为被动柔顺装置的执行机构，被动柔顺机构21和打磨机构22整体偏转小于2°。电气比例阀217是整个被动柔顺装置的力控元件，根据反馈的接触力大小进行输出气压的调整。气缸216为驱动元件，根据平面工件的薄厚程度进行被动的位移的柔顺调整，被动柔顺装置处采用了气动驱动的方式，响应速度快；打磨接触力在0n到200n可调，精度小于1n。

所述被动柔顺机构21采用集中设计，将控制元件电气比例阀217安装在被动柔顺打磨装置2的内部而不是放置在控制柜中，避免由于长距离加上气体泄漏，导致气压的误差，进一步导致打磨接触力的误差增大。

所述被动柔顺机构21还包括长方形的位移传感器218，且位移传感器218通过竖直的安装板垂直固定安装在上基座211上，位移传感器218的上的传感器测量杆的下端通过测量杆连接块固定安装在下基座212上。位移传感器218对打磨过程的位移量进行时刻监测，同时该位移量也是打磨方式中进行位姿补偿的关键信号量。

所述打磨机安装框221的上端和下基座212固定安装，打磨机安装框221包括竖直平行的一对连接件和带有半圆形缺口的一对固定板，一对连接件用于和下基座212连接，将被动柔顺机构21和打磨机构22连接成一体，一对固定板水平布设，且一对固定板上的一对半圆形缺口对合，将气动打磨机和打磨机安装框固定连接，且气动打磨机222下端的转动板水平位于打磨机安装框221外。

本发明的的打磨控制方法控制原理如下：

如图9所示，控制系统采用了解耦的设计方法，直角坐标机器人采用独立的位置控制方法，被动柔顺打磨装置采用了模糊pid控制算法，两者之间通过位姿补偿算法进行系统配合。当系统完成初始化之后（机器人初始化过程包含原点回归，参数配置等）。到达打磨初始点，此时根据触摸屏上设置接触力，被动柔顺机构21的控制系统将进行模糊pid调节，当气压达到稳态输出环境时，机器人控制器进行机器人的位置运动控制，执行打磨的轨迹规划算法。当柔顺打磨系统在打磨过程中遇到超过一定值时候，为避免被动柔顺机构21受到损伤以及提高柔顺打磨系统在打磨过程中的响应速度，将通过位姿补偿算法对被动柔顺机构21进行位姿补偿。

如图10所示，机器人本体采用位置控制方法，采用了常用的示教点位结合轨迹规划算法进行位置控制，首先打磨机器人根据各线性驱动机构侧面安装的光电感应开关，在机器人进行初始化的时候，首先依据设定的光电感应开关38位置找寻坐标原点，同时对机器人运行速度等参数进行初始化。当在人机界面上按下“开始”按钮，机器人通过位置控制，运动到打磨初始点，等待打磨初始化，当打磨准备就绪后，机器人按照设计的轨迹进行打磨。当打磨结束后，机器人首先移动到打磨结束点，等待工件更换完成，然后再次运动到打磨初始点。

如图11所示，进一步说，柔顺控制系统采用了模糊pid控制算法，首先，在触摸屏设置一个打磨接触力，由于反馈装置传回来的数据一开始是0，当整个控制系统上电后，必然做出快速响应，通过控制仪将力数据转化为电压信号传递给电气比例阀217，电气比例阀217依据电压的大小控制内部给气阀的开度，控制输出气流的大小，气流进入气缸216上腔后，原本的控制仪发出的电压信号转化为气体压强，这股气压推动着气缸216的活塞杆进行伸长，当活塞杆下端的气动打磨机22的旋转板（大打磨头）接触到工件后，活塞杆由于两端受力将保持一个平衡位置进行上下振动，此时模糊pid控制器根据反馈力和设置的接触力进行对比，根据模糊控制规则，选择最适合的pid参数，系统依据pid参数，对输出电信号进行快速调节，经过约6s的调节，系统将第一次达到气压稳态输出环境。在稳态输出环境下可以进行打磨作业，后续打磨过程中系统会多次出现非稳态环境，系统依据模糊pid进行快速响应进行输出电压信号的调节，在打磨作业过程中由于装置只在很小的位移区间内进行柔顺调节，因此系统的响应速度非常快，低于0.5s，不影响打磨作业。

其中，系统的稳态环境判断是依据打磨接触力的精度（1n）设计的，当反馈力在给定力正负1n以内时，认为处于稳态环境。

如图12所示，被动柔顺装置和直角坐标机器人之间彼此高度解耦，利用位移传感器218检测被动柔顺装置位移量，如果在5mm之内，直角坐标机器人2的z轴线性驱动机构保持固定，当位移量大于等于5mm时，直角坐标机器人通过获取信号，采取位姿补偿算法对被动柔顺装置进行位姿补偿，保证整个机器人处于安全打磨状态。

本发明的机器人本体采用直角坐标的设计方式，可以实现在空间三坐标内进行轨迹运动。采用轻量化的设计思想，使得整个设备在重量上小于30kg。被动柔顺装置处采用了气动驱动的方式，响应速度快。打磨接触力在0n到200n可调，精度小于1n。柔顺位移量最大为30mm，偏转误差2°以内。打磨方法采用了解耦的系统设计方法，并利用优化的模糊pid算法对关键的被动柔顺打磨系统进行了优化设计，系统响应快。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。