专利名称：基于力视混合检测的对接/分离装置及其方法
技术领域：
本发明涉及无扰动分离技术领域，特别涉及用于洁净和真空环境中，对位置、态姿、温度等指标的扰动要求严苛、生命周期极短的空间目标或对时间敏感的目标对象的保护罩进行对接抓取和快速分离作业的对接/分离装置及其方法。
背景技术：
在无扰动分离技术领域，在进行对接抓取时，必须保证夹持器精确的抓取目标，避免在对接抓取过程中夹持器动作带给目标对象的空间位姿精度的扰动，将对目标在抓取过程中导致的位置偏差控制在IOum量级范围内。同时，对接抓取还必须最小化对接产生的冲击能量对目标对象温度等物理特性的影响。另一方面，夹持器还必须夹持器提供足够的夹持力，抓紧目标对象跟随分离装置运动。在进行快速分离时，首先，保证撤离运动的方向与目标对象的分离运动方向平行。此外，还必须快速撤离装置在规定的极短时间内撤离要求的较大距离，并可安全制动。通常是要求在百毫秒的工作时间内范围，安全撤离距离为米级。另外，对接/分离装置工作还要求不污染环境，产生尽量少的电磁、热扰动。在实现本发明的过程中，发明人发现目前还没有一套完整的装置能够做到大的分离行程、空间姿态的精确调整、高精度的对接，同时还能适应真空或洁净环境。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明设计了一种基于力视混合检测的对接/分离装置，其特征在于，该装置包括:安装基座、并联六自由度运动平台、机械转接罩、快速撤离系统、视觉检测装置、力觉检测装置和夹持器装置；其中，所述安装基座包括一安装底板和一安装面板，其中所述安装面板上与所述并联六自由度运动平台连接，所述安装底板与固定平台或运动平台连接；所述并联六自由度运动平台，其固定于所述安装基座上，并通过所述机械转接罩与所述快速撤离装置相连，所述并联六自由度运动平台用于调整快速撤离装置的位置和姿态；所述转接罩为一个桶状中空结构，其具有相互平行的两个安装面，并分别与并联六自由度运动平台和快速撤离装置连接；所述快速撤离装置，其一端与所述转接罩的一安装面连接，另一端与所述力觉检测装置连接，用于实现对被夹持对象与与其相连接的目标的快速分离；所述视觉检测装置，其安装于所述快速撤离装置上，用于检测被夹持对象在视场空间内位置姿态，并根据检测结果获得被夹持对象与快速撤离装置的位置和姿态；所述力觉检测装置，其具有一后连接板、一前连接板以及在后连接板与前连接板之间的一六维力矩传感器，其中所述后连接板、前连接板分别与快速撤离装置、夹持器装置连接，所述六维力矩传感器用于检测夹持器与被夹持对象之间的在各个方向的力和力矩关系;所述夹持器装置包括一夹持器安装基座和多套压电驱动夹持爪，所述安装基座的中心开有圆形通孔，以容纳被夹持的物体进入此空间内；所述多套压电驱动夹持爪完全相同，均匀布置并固定在安装基座的圆周安装面上，其中通过压电驱动器来控制对应的压电驱动夹持爪的运动，以实现压电驱动夹持爪对被夹持对象的逼近或远离；其中，所述并联六自由度运动平台根据所述视觉检测装置检测出当前夹持器与被夹持对象之间的位置偏差和姿态偏差来调整姿态；其中，所述夹持器装置根据所述力觉检测装置检测出的夹持器与被夹持对象之间的在各个方向的力和力矩关系来辅助实现对被夹持对象的夹持。特别的，所述安装基座还包括一直角三角形筋板，其中，通过螺栓，将两条直角三角形筋板的两个直角面分别与安装底板的上表面和安装面板的背面连接在一起；通过螺栓，将安装面板的背面与安装底板的前端面连接在一起。特别的，所述并联六自由度运动平台包括动平台、伸缩杆、铰链和静平台，其中每条伸缩杆和一对铰链构成一套运动驱动装置，通过多套伸缩杆和铰链组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台和动平台连接在一起，在静平台固定的情况下，实现动平台沿着x，y，z三个轴的平移和旋转。特别的，所述转接罩腰部按照90°均布开有圆角矩形孔，转接罩两个安装面具有突出外沿，外沿上开有与安装对象位置一致的螺纹孔。特别的，所述对接/分离装置中包括两套视觉检测装置；所述视觉检测装置包括C⑶相机、可调镜头、三角形安装座、镜头安装座、镜头卡箍、镜头焦距调整电机驱动装置和镜头工作距离调整电机驱动装置；其中，CCD相机和可调镜头通过螺纹连接为一体；镜头焦距调整电机驱动装置和镜头工作距离调整电机驱动装置采用螺钉连接在镜头筒身上，通过步进电机齿轮传动方式对镜头进行调节；通过螺钉，将镜头安装座安装在三角形安装座的斜面上；通过两条镜头卡箍将整个的可变镜头相机装置固定到镜头安装座的弧形凹槽上。特别的，所述前连接板和后连接板具有相似的结构，所述力学检测装置的前、后连接板与所述六维力矩传感器连接面具有一圆形凸台，凸台上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，通孔位置与六维力矩传感器6的安装孔位置对应；所述力学检测装置的前、后连接板与其他器件的连接面具有一个圆形沉孔，以减轻连接板的质量，同时在连接转接板与力矩传感器时，将连接螺钉的头部隐藏着大沉孔内，在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，所述通孔分别与视觉检测装置及夹持器装置的安装孔位置对应。特别的，当所述安装底板与运动平台连接时，所述对接/分离装置随着运动平台一起运动，用于对远距离目标的实施操作。特别的，所述压电驱动夹持爪包括压电驱动器、位移传感器、应变式力传感器、伸缩杆、夹持爪；所述压电驱动器与伸缩杆相连接，用于实现对伸缩杆的移动；在压电驱动器的顶端安装有位移传感器，用以检测伸缩杆的运动量；伸缩杆上还安装有应变式力传感器，通过检测应变式力传感器的应变信息，实现对夹持力的大小检测；所述夹持爪为圆柱形结构，夹持爪端部120° V型开口 ；所述夹持爪的尖端磨平，以避免损伤被夹持对象的表面；在夹持爪的上端面开有长孔，与伸缩杆端部相互配合，在夹持爪的下端面开有沉孔，在沉孔与长孔之间采用圆孔贯通，通过螺钉将夹持爪固定在伸缩杆上，实现压电驱动器利用伸缩杆来带动夹持爪的伸缩运动。本发明还提供了一种应用于上述力视混合检测的对接/分离装置的对接/分离方法，其包括如下步骤:通过与安装基座固定连接的运动平台或并联六自由度运动平台，使所述夹持器装置接近被夹持对象；通过视觉装置检测快速撤离装置的运动轴线与被夹持对象的中心轴线存在位置和姿态的偏差；调整并联六自由度运动平台的姿态，使得快速撤离装置的运动轴线与被夹持目标的中心轴线重合；调整并联六自由度运动平台进行微动运动，使得夹持器在保持姿态不变的前提下，逐渐接近被夹持对象，直至被夹持对象进入夹持器的基座中心孔内；当被夹持对象进入夹持器的基座上的中心通孔内时，控制夹持器的压电驱动夹持爪快速接近被夹持对象，当任何一个应变式力传感器检测到力变化信号，控制对应压电驱动夹持爪后退0.5um，保证六维力矩传感器无变化，停止此压电驱动夹持爪的工作；依次控制其他压电驱动夹持爪进行微动，直到最后一个压电驱动器上的应变式力传感器感受到力的变化，控制其对应的压电驱动夹持爪后退0.5um，保证与其对应的六维力矩传感器无变化，停止此压电驱动器工作；将此刻的位置定义为夹持器调整的位移对接基准点；协同控制压电驱动器运动，按照夹持力大则做反向微动，夹持力小则做正向微动的原则，直至六维力矩传感器受力各方向力增量均为0，三个压电夹持爪的夹持力大小一致，且达到预先设定的可稳定夹持的力阈值，夹持工作完成；控制并联六自由度运动平台保持现有姿态，沿快速撤离装置的轴线方向以微小步距后退，使被夹持对象与其相连接的目标无振动、无位姿偏移的分离；将被夹持对象与其连接对象分离至无物理连接后，启动快速撤离装置将夹持器及被夹持对象撤离到被连接保护对象的安全距离外，快速撤离装置制动；控制压电夹持爪释放被夹持对象。本发明中的一个多个技术方案具有以下技术效果:(I)采用了视觉检测装置，能够准确反馈被夹持对象与对接/分离装置之间的空间姿态，实现了对接过程的精确控制。(2)在视觉检测装置无法准确检测到被夹持目标时，采用6维力/力矩传感器作为辅助姿态反馈，使对接/分离装置与被夹持对象运动轴线同轴。(3)采用应变式力传感器反馈夹持力的大小及平衡关系，实现了对接过程的精确控制。(4)采用快速撤离装置前置并安装在并联6D0F平台上，便于实现精准对接，减小分离时对被夹持目标的位姿扰动。另外,本发明对分离对象的速度、加速度、运动方向性、力方向大小等均能实现控制，也能实现制动，适用于真空、洁净环境中作业。
图1是对接/分离装置的系统总体图。图2是安装基座的结构不意图。图3是并联6自由度运动平台的结构示意图。图4是机械转接罩的结构示意图。图5.1是快速撤离装置的总体结构图。图5.2是快速撤离装置的俯视图。图5.3是快速撤离装置的主视图。图5.4是沿图5.2中的A-A线的剖面图。图5.5是沿图5.2中的B-B线的剖面图。图5.6是沿图5.3中的C-C线的去除滚珠丝杠5_23遮挡的剖面图。图5.7是沿图5.3中的D-D线的去除快撤连接臂5_28遮挡的剖面图。图6是视觉检测装置的结构示意图。图7是力觉检测装置的结构示意图。图8是连接板安装面的示意图。图9是夹持器装置的示意图。图10是压电驱动夹持爪的示意图。图11是夹持爪的轴测图、剖面图及俯视图。图12是夹持器安装基座的结构示意图。图13是压电驱动器安装孔位置示意图。图14是安装好后带有力觉检测的夹持器的示意图。图15是视觉检测装置安装示意图。图16是夹持器与力觉检测装置安装示意图。图17是位置姿态微调装置的示意图。图18是连接完成的对接/分离装置总体图。图19是空间位置姿态存在偏差的示意图。图20是调整好后的空间位置姿态示意图。图21是基于力位混合反馈的精密夹持策略示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是对接/分离装置的系统总体图。如图1所示，所述对接/分离装置按照功能可分为7个组成部分，包括:a)安装基座b)并联6自由度运动平台c)机械转接罩
d)快速撤离装置e)视觉检测装置f)力觉检测装置g)夹持器装置一、系统结构图2是安装基座的结构示意图。安装基座是整个对接/分离装置的基础。如图2所示，安装基座由安装底板30、直角三角形筋板29和安装面板28组成。通过螺栓，将两条直角三角形筋板29的两个直角面分别与安装底板30的上表面和安装面板28的背面连接在一起；通过螺栓，将安装面板28的背面与安装底板30的前端面连接在一起，通过安装面板28、筋板29和安装底板30两两连接，并保证相互之间的垂直度要求，使得安装基座成为一个稳固的整体。安装底板30和安装面板28除了开有用于和筋板29连接的螺纹孔，还开有连接外部器件的孔洞。安装底板30开有孔间距50mm，直径6.5mm的两排通孔，与固定平台连接，可实现对整个对接/分离装置的整体固定。安装底板30也可以与运动平台连接，使得整个对接/分离装置能随着运动平台一起运动，实现整个对接/分离装置的宏动运动，便于对远距离目标的实施操作。安装面板28正面铣有环形安装面，并开有M6的螺纹孔，用于安装并联6D0F平台，安装面板28安装面的开孔位置与并联6D0F平台的静平台位置相对应。图3是并联6自由度运动平台的结构示意图。如图3所示，并联6自由度运动平台b由动平台24、伸缩杆25、铰链(虎克铰)26和静平台27组成。每条伸缩杆24和一对铰链26构成一套运动驱动装置，通过6套伸缩杆和铰链组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台27和动平台24连接在一起，在保证静平台固定的情况下，可以实现动平台沿着X，Y, z三个轴的精确平移和旋转。图4是机械转接罩的结构示意图。如图4所示，转接罩c为一个桶状中空结构，腰部按照90°均布开有圆角矩形孔，以上结构在保证转接罩刚度的前提下，可以有效减轻转接罩的重量，同时，中空结构便于容纳快速撤离装置的突出电机，圆角矩形孔也便于控制线缆走线，方便安装检修连接在转接罩上的安装部件。转接罩两个安装面相互平行，具有突出外沿，外沿上开有与安装对象位置一致的螺纹孔。通过转接罩c的23-A和23-B两个连接面可以将并联6D0F平台和快速撤离装置连接到一起，以将快速撤离装置安装到并联6D0F平台上。本领域技术人员应当认识到，本发明中的快速撤离装置既可以是现有技术中的快速撤离装置，也可以采用特殊结构的快速撤离装置，例如图5.1所示的一种优选的快速撤
离装置。图5.1为一种快速撤离装置的系统结构图。如图5.1所示，该快速撤离装置按照功能分为8个子装置:5.a，快速撤离子装置；5.b，势动能转换(蓄能)子装置；5.C，检测子装置；5.d，支撑导向子装置；
5.e，锁紧触发子装置；5.f，缓冲制动子装置；5.g，安全辅助子装置；5.h，加载子装置。图5.2是快速撤离装置的俯视图，图5.3是快速撤离装置的主视图，图5.4是沿图
5.2中的A-A线的剖面图，图5.5是沿图5.2中的B-B线的剖面图，图5.6是沿图5.3中的C-C线的去除滚珠丝杠5-23遮挡的剖面图，图5.7是沿图5.3中的D-D线的去除快撤连接臂5-28遮挡的剖面图，如图5.2-5.7所示:所述支撑导向子装置5.d是整个快速撤离装置的安装基础，其包括电机连接架5-3、导向杆5-10 (又包括上导向杆5-10-1和下导向杆5-10-2)、导轨5_11 (又包括上导轨5-11-1和下导轨5-11-2)、后挡板5-17、连接横梁5_22、前挡板5_29和底板5_32。其中，所述后挡板5-17、前挡板5-29与连接横梁5-22和底板5_32采用螺钉连接，组成所述快速撤离子装置5.a的基本框架；所述导轨5-11通过螺钉安装在所述底板5-32的导轨安装槽内，导轨5-11中，下导轨5-11-2为基准导轨，上导轨5-11-1为浮动导轨；导轨安装必须保证两条导轨的平面度和平行度，而所述安全辅助子装置中的导轨压条5-12就是用于调节和限定所述基准导轨5-11-2的形位的。所述导向杆5-10两端的头部攻有反向螺纹，分别与所述前挡板5-29和后挡板5-17的螺纹孔连接，为所述势动能转换(蓄能)子装置5.b和所述缓冲制动子装置5.f中的弹簧起到导向作用，同时所述导向杆5-10也作为加强筋，提高整个支撑导向子装置5.d的刚度；所述电机连接架5-3用于将驱动用的所述加载子装置5.h和支撑导向子装置5.d连接起来。所述加载子装置5.h包括:伺服电机5-1、减速器5-2、联轴器5_4、低速滑块5-8 (又包括上低速滑块5-8-1和下低速滑块5-8-2)、轴承座5_18、丝杠螺母5_20、施力块5-21和滚珠丝杠5-23。所述伺服电机5-1和减速器5_2通过螺钉安装在一起，所述伺服电机5-1和减速器5-2整体安装在所述支撑导向子装置5.d中的电机连接架5-3上；所述轴承座5-18通过螺钉安装在所述底板5-32上；所述丝杠螺母5-20通过螺钉连接在所述施力块5-21 一端的端面上，所述低速滑块5-8通过螺钉安装在所述施力块5-21的底面上，所述安装必须保证减速器5-2、轴承座5-18、丝杠螺母5-20的中轴线同轴；所述滚珠丝杠5_23安装在所述轴承座5-18内，其一端与所述丝杠螺母5-20连接，另一端通过联轴器5-4与减速器5-2连接；所述施力块5-21采用中空结构，当伺服电机5-1驱动滚珠丝杠5-23旋转时，滚珠丝杠5-23可穿过施力块5-21中空部分，驱动施力块5-21沿着导轨前后运动。所述快速撤离子装置5.a包括:高速滑块5-13 (又包括上高速滑块5_13_1和下高速滑块5-13-2)、配重块5-24、多功能连接座5-25、快撤连接臂5_28、推力翼板5_35和双向制动锚钩5-39。所述配重块5-24和快撤连接臂5-28通过螺钉与多功能连接座5_25的前后连接端面连接，所述配重块5-24 —方面起到调整平衡整个快速撤离子装置中心的作用，另一方面作为与所述加载子装置5.h接触的机械接口，接受来自加载子装置的动能，所述快撤连接臂5-28提供标准的机械接口，用于连接夹持器或其他需要实现快撤工作的设备，所述夹持器用于对目标对象进行夹持；所述推力翼板5-35与所述缓冲制动子装置5.f或所述势动能转换(蓄能)子装置5.b进行机械接触，将快速撤离子装置的动能传递给弹簧子装置，所述推力翼板5-35通过螺钉与所述多功能连接座5-25的底面连接，并通过螺钉连接在上下高速滑块5-13上；所述双向制动锚钩5-39通过螺钉连接在推力翼板5-35的底部，用来配合锁定所述锁紧触发子装置5.e的释放触发器5-30和5-34来锁定和释放快速撤离子装置5.a。所述势动能转换(蓄能)子装置5.b包括:加载弹簧座5-14 (又包括上加载弹簧座5-14-1和下加载弹簧座5-14-2)、加载弹簧5-15(又包括上加载弹簧5_15_1和下加载弹簧5-15-2)和加载端可调弹簧座5-16(又包括上加载端可调弹簧座5-16-1和下加载端可调弹簧座5-16-2)，用于实现动能和势能的转换。所述加载弹簧5-15安装在加载弹簧座5-14和可调弹簧座5-16之间的圆柱腔内；所述加载弹簧座5-14的一端与弹簧5_15连接，另一端与所述推力翼板5-35连接，用于实现势动能的转换；所述可调弹簧座5-16的另一端攻有细牙螺纹，与所述支撑导向子装置5.d的前挡板5-29连接，起到势动能转换(蓄能)的作用，同时可通过螺纹进行微调，以调整上下加载弹簧5-15-1和5-15-2之间的力平衡关系。所述加载弹簧座5-14、加载弹簧5-15和可调弹簧座5-16均为中空设计，所述支撑导向子装置5.d的导向杆5-10穿过所述势动能转换(蓄能)子装置，以约束弹簧沿导向杆10轴向压缩和释放。所述缓冲制动子装置5.f的功能与所述势动能转换(蓄能)子装置5.b的功能相似，主要是起到吸收快撤子装置的动能，降低快撤子装置的速度的作用，同时，也作为位置调节的一种手段。所述缓冲制动子装置5.f包括:调节套管5-5 (又包括上调节套管5-5-1和下调节套管5-5-2)、制动端可调弹簧座5-6 (又包括上制动端可调弹簧座5-6-1和下制动端可调弹簧座5-6-2)、制动弹簧5-7 (又包括上制动弹簧5-7-1和下制动弹簧5_7_2)、制动弹簧座5-9 (又包括上制动弹簧座5-9-1和下制动弹簧座5-9-2)。所述调节套管5_5采用一端内螺纹，一端外螺纹的结构形式，外螺纹一端连接到所述后挡板5-17上，内螺纹一端与所述制动端可调弹簧座5-6连接，所述调节套管5-5的螺纹和所述制动端可调弹簧座5-6的螺纹均为细牙螺纹，用于微调所述制动弹簧5-7的受力平衡，所述调节套管5-5可采用级联方式，用于调节所述缓冲制动子装置5.f距离所述后挡板5-17的距离，为所述加载子装置5.h的设备留出工作空间，调节对快撤子装置5.a的制动距离，还可适应不同弹性系数的弹簧对制动距离的要求，满足最佳制动效果的实现；所述制动弹簧5-7安装在所述可调弹簧座5-6和所述制动弹簧座5-9之间的圆柱腔内，起到将快撤子装置5.a的动能转换为势能的作用；所述制动弹簧座5-9套在导向杆5-10上，一端与制动弹簧5-7连接，另一端可与推力翼板接触，实现势动能转换，通过对所述可调弹簧座5-6的螺纹进行微调，可以调整上下制动弹簧5-7-1和5-7-2之间的力平衡关系；所述制动端可调弹簧座5-6、制动弹簧5-7、制动弹簧座5-9均为中空设计，所述导向杆5-10穿过所述势动能转换(蓄能)子装置，即依次穿过可调弹簧座5-6、制动弹簧5-7和制动弹簧座5-9，从而约束弹簧沿所述导向杆5-10轴向压缩和释放。所述检测子装置5.c包括光栅尺5-19、光栅尺测头5-26、后触发状态光电检测开关5-31、前触发状态光电检测开关5-33、驱动端复位光电检测开关5-36(又包括上驱动端复位光电检测开关5-36-1和下驱动端复位光电检测开关5-36-2)、加载限位光电检测开关5-40(又包括上驱动端复位光电检测开关5-40-1和下驱动端复位光电检测开关5-40-2)，用于检测快撤子装置5.a在运动过程中的速度位移特性，考核验证快撤子装置5.a的性能指标。所述光栅尺5-19和所述光栅尺测头5-26用于检测快撤子装置5.a的位置和速度，所述光栅尺5-19通过螺钉安装在所述支撑导向子装置5.d中的连接横梁5-22的背部；所述光栅尺测头5-26通过所述安全辅助子装置5.g中的光栅尺测头安装座5-27安装在所述快撤子装置5.a的多功能安装座5-25上，随所述快撤子装置5.a 一起运动；所述光电检测开关5-31、5-33、5-36、5-40采用螺钉安装在底板5_32上，安装位置可根据实际需要进行调整；所述后触发状态光电检测开关5-31、前触发状态光电检测开关5-33、驱动端复位光电检测开关5-36、加载限位光电检测开关5-40均为限位开关，用来检测各个运动部件的状态是否就位，具体地，光电检测开关5-36、5-40用来检测快撤子装置5.a的位置，光电检测开关5-31、5-33用来检测锁紧触发子装置5.e是否进入可触发状态。所述锁紧触发子装置5.e为一体化设备，其包括后锁定释放触发器5-30和前锁定释放触发器5-34，分别用于对快撤子装置5.a在不同运动方向上的锁定和释放。所述锁紧触发子装置5.e采用螺钉连接方式整体安装在底板5-32上，且安装在快撤子装置5.a的运动方向上，具体安装位置根据撤离的要求确定。所述安全辅助子装置5.g包括导轨压条5-12、光栅尺测头安装座5-27、缓冲器5-37和缓冲器安装座5-38。所述导轨压条5-12通过螺钉安装在所述底板5_32的楔形压条槽内，通过调节螺钉来调节和限定所述基准导轨5-11-2的形位；所述光栅尺测头安装座5-27用于将所述光栅尺测头5-26转接到所述快撤子装置5.a的所述多功能安装座5_25上。所述缓冲器5-37用来消除所述快撤子装置5.a在回撤过程中没有被制动弹簧完全吸收掉的残余动能，保护缓冲器之后的设备不受冲击，所述缓冲器5-37采用螺钉安装在所述缓冲器安装座5-38上；所述缓冲器安装座5-38通过螺钉安装在所述底板5-32上，通过调整所述缓冲器5-37在所述缓冲器安装座5-38内的安装位置可以微调缓冲距离，还可以通过调节所述缓冲器安装座5-38在所述底板5-32上的安装位置，对缓冲位置进行较大范围的调整。所述快撤子装置5.a和所述加载子装置5.h的施力块5_21都安装在所述支撑导向子装置5.d的导轨5-11上，所述施力块5-21在滚珠丝杠5-23的驱动下可沿着导轨5_11运动，并与所述快撤子装置5.a的配重块5-24接触，推动所述快撤子装置5.a沿导轨5_11向所述势动能转换(蓄能)子装置5.b的方向运动，通过所述推力翼板5-35，将伺服电机5-1产生的机械能转换为弹簧的势能并存储起来。当需要让所述快撤子装置5.a高速运动时，通过所述前锁定释放触发器5-34释放所述快撤子装置5.a蓄积的弹簧势能，即可将势能装化为所述快撤子装置5.a的动能，使所述快撤子装置5.a高速运动起来。快速撤离装置采用将机械式的势能转换为动能的方式，其基本工作原理为采用弹簧作为蓄能元件，使用小功率驱动子装置结合高变速比的减速传动子装置，对弹簧进行低速压缩，将驱动子装置的能量储存在势动能转换(蓄能)子装置的加载弹簧中，并通过前锁定释放触发器5-34锁定。在需要对目标进行高加速度驱动时，通过释放被压缩的弹簧，将弹簧压缩存储的势能转换为目标对象的动能，以实现目标对象的高加速运动，进而满足短时高速高加速的运动要求。另外，缓冲制动子装置和安全辅助子装置通过对快撤子装置动能的吸收，保护整个装置安全运行。快速撤离装置的工作流程为:1.快速撤离装置各部件进行状态自检并保证状态正常；2.伺服电机5-1反向旋转，在滚珠丝杠5-23的驱动下，使得丝杠螺母5_20带动施力块5-21向后运动，直至驱动端复位检测光电开关5-36检测到施力块5-21进入初始位置的限位信号后停止；3.伺服电机5-1正向旋转，滚珠丝杠5-23推动丝杠螺母5-20和施力块5-21沿导轨5-11向前运动；4.当施力块5-21接触到快撤子装置的配重块5-24后，降低速度，推动快撤子装置整体前进，并不断压缩势动能转换(蓄能)子装置的加载弹簧5-15，进行动能向势能的转换；5.在快撤子装置的前进过程中，当快撤子装置的双向制动锚钩5-39压下前锁定释放触发器5-34的挂钩，前触发状态检测光电开关5-33检测到前锁定释放触发器5-34的挂钩的压下状态信号后进入触发准备状态；6.继续压缩快撤子装置，直至加载限位光电检测开关5-40检测到快撤子装置的限位信号后，伺服电机5-1停止运动(所述光电检测开关5-40为非接触检测方式，快撤子装置进入光电检测开关5-40的检测范围后即可触发光电检测开关5-40的检测)；7.这时快速撤离装置进入可触发快速撤离状态；8.伺服电机5-1反向运动，使得丝杠螺母5-20带动施力块5-21向后运动，快撤子装置在加载弹簧5-15的驱动下随丝杠螺母5-20带动施力块5-21 —起运动，直至其双向制动锚钩被前锁定释放触发器5-34的挂钩锁定；9.伺服电机5-1继续反向运动，此时，丝杠螺母5-20带动施力块5_21回撤，当前锁定释放触发器5-34锁定快撤子装置的双向制动锚钩5-39时，施力块5-21与快撤子装置的配重块5-24脱离物理接触；10.继续控制丝杠螺母5-20带动施力块5-21回退运动，直至退到驱动侧的末端，即所述加载子装置的轴承座5-18附近，驱动端复位光电检测开关5-36检测到限位信号后停止伺服电机5-1运动，使加载子装置进入保护状态，其中，光电检测开关5-36采用非接触检测方式，当加载子装置的施力块5-21、低速滑块5-8进入光电开关5-36的检测范围后即可触发光电检测开关5-36的检测；11.根据需要，通过控制触发加载子装置推动或拉动前锁定释放触发器5-34的扳机，来释放锁紧触发子装置的挂钩对快撤子装置锚钩的锁定；12.同时给出触发释放的同步信号，并根据需要，同步其他操作；13.快撤子装置在释放后，在加载弹簧5-15的驱动下，实现势能向动能的转换，实现快撤子装置的高速撤离；14.带倒角的加载弹簧座5-14插入推力翼板5-35的圆柱腔形滑座头内，在高速导轨滑块5-13的支撑下随快撤子装置一起撤离，由于加载弹簧座5-14没有与导向杆的接触摩擦，因此有效降低了快撤子装置的摩擦阻力，避免了摩擦发热，提供了快撤子装置的加速度；15.快撤子装置在获得动能后快速回撤向驱动端，即伺服电机一侧，在驱动端侧通过压缩制动弹簧5-7，吸收快撤子装置的动能，使其减速；16.当快撤子装置的双向制动锚钩5-39压下后锁定释放触发器5-30的挂钩时，后触发状态检测光电开关5-31检测到后锁定释放触发器5-30的挂钩压下状态，进入触发准备状态；
17.如果快撤子装置的残余动能没有消耗完，所述快撤子装置会继续后撤，安全辅助子装置的安全缓冲器5-37将完全吸收快撤子装置的残余动能，迫使其撤离运动停止，避免对驱动子装置的物理破坏；18.缓冲制动子装置的制动弹簧5-7将势能转换为动能，驱动快撤子装置转换运动方向，开始大加速度，低速向前进方向运动；其中，电机的旋转方向决定快撤子装置的前进和后退方向，比如，可以设置为电机正向旋转(即右旋)时快撤子装置前进，电机反向旋转(即左旋)时快撤子装置后退(如图5.2所示)，也可以根据实际应用的需要，灵活设置电机的旋转方向与快撤子装置运动方向的对应关系。19.后锁定释放触发器5-30的挂钩锁定快撤子装置的双向制动锚钩5_39，锁定快撤子装置，使其停止运动；20.完成其他辅助功能后，控制后锁定释放触发器5-30释放快撤子装置，快撤任务完成，所述其他辅助功能根据实验来确定。下一次任务重复上述I 20步骤。图6是视觉检测装置的结构示意图。视觉检测装置e由C⑶相机8、可调镜头14、三角形安装座9、镜头安装座10、镜头卡箍11、镜头焦距调整电机驱动装置12和镜头工作距离调整电机驱动装置13构成。CXD相机8和可调镜头14通过螺纹连接为一体。镜头焦距调整电机驱动装置12和镜头工作距离调整电机驱动装置13采用螺钉连接在镜头筒身上，通过步进电机齿轮传动方式对镜头进行调节。通过螺钉，将镜头安装座10安装在三角形安装座9的斜面9-A上。再通过两条镜头卡箍11将整个的可变镜头相机装置固定到镜头安装座10的弧形凹槽上。图7为力觉检测装置的示意图。如图7所示，所述力学检测装置由前连接板5，后连接板7和6维力/力矩传感器6组成。图8为连接板安装面的示意图。其中，如图8a所示，定义前(后)连接板与力矩传感器连接面为A面，如图Sb所示，与其他器件的连接面为B面，安装面定义如图Sc所示。前连接板5和后连接板7具有相似的结构，中心都开有减重圆孔。连接板(5，7)的A面加工一个小的圆形凸台，凸台上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，通孔位置与6维力矩传感器6的安装孔位置对应。连接板(5，7)的B面加工一个较大的圆形沉孔，目的是为了减轻连接板的质量，同时可以在连接转接板与力矩传感器时，将连接螺钉的头部隐藏着大沉孔内。在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，其通孔位置与需要连接的器件的安装孔位置对应。具体的，所述连接板B面的所述通孔分别与视觉检测装置及夹持器装置的安装孔位置对应。所述6维力矩传感器用于检测夹持器与目标之间的在各个方向的力和力矩关系，用于辅助夹持功能。通过螺钉分别将前连接板的5A面与6维力矩传感器连接在一起，将后连接板的7A面与6维力矩传感器的另一面连接在一起。安装结果如图7所示。图9为夹持器装置的结构示意图。如图9所示，夹持器装置g包括夹持器安装基座4和3套压电驱动夹持爪I，2，3。三套压电驱动夹持爪完全相同，采用螺钉固定在安装基座的三个120°均布的安装面上。图10是优选的一种压电驱动夹持爪的示意图。如图10所示,一套压电驱动夹持爪包括压电驱动器X1、位移传感器X2、应变式力传感器X3、伸缩杆X4、夹持爪X5。所述压电驱动器Xl采用的是现有技术中的压电驱动器，其与伸缩杆X4相连接，用于实现对伸缩杆X4的移动。在压电驱动器Xl的顶端安装有位移传感器X2，用以检测伸缩杆X4的运动量。检测原理有光电检测方式、光栅尺、编码器、电阻方式、电容方式等。伸缩杆X4上还安装有应变式力传感器X3，通过检测应变式力传感器X3的应变信息，实现对夹持力的大小检测。如图11所示(图中，图1la为夹持爪轴测图，图1lb为夹持爪剖面图，图1lc为夹持爪俯视图)，夹持爪X5为圆柱形结构，夹持爪端部120° V型开口 X5-2，但不限于此开度，可根据被夹持对象的需求进行变更。夹持爪尖端X5-1磨平,避免损伤被夹持对象的表面。在夹持爪的上端面开有长孔X5-4，与压电驱动器的伸缩杆X4端部相互配合，在夹持爪的下端面开有沉孔X5-3，然后在沉孔与长孔之间采用圆孔贯通，通过螺钉将夹持爪固定在压电驱动器的伸缩杆X4上，实现压电驱动器利用伸缩杆来带动夹持爪的伸缩运动。安装好的单爪夹持器如图10所示。图12为安装基座的示意图。本发明中，安装基座4是夹持器的基础，不仅负责压电装置(每套压电夹持爪)的安装，同时也需要与力觉检测装置进行连接。如图12所示，安装基座4的中心开有圆形通孔，目的是为了容纳被夹持的物体可以进入此空间内。在安装基座的正面，按照120°圆形均布，开有三个圆形通孔，通孔位置与力觉检测装置的前连接板的安装孔位置对应，用以将夹持器安装在力觉检测装置上。在安装基座4的外圆周上与安装孔相对位置，按照120°间隔铣出3个安装平面，每个安装平面中心开有圆形通孔，便于压电驱动器带动夹持爪在圆形孔内伸缩。每个安装平面除了中心圆孔外，还开有四个对称分布的螺纹盲孔，位置与压电驱动器的安装孔相对应，压电驱动器安装孔如图13所示。以上结构便于将压电驱动夹持爪安装在安装基座上。以上为各子装置装配。系统安装各子装置安装完毕，系统总体装配过程如下:1.力觉检测装置与夹持器安装连接将夹持器g通过螺钉，安装在力觉检测装置f的前连接板5B面，安装结果如图14所示。2.安装视觉检测装置通过螺钉，将两套视觉检测装置e的三角形安装座9-B安装到快速撤离装置的前安装板18-1上，从而将整套视觉检测装置安装到快速装置的整体框架上。两套视觉检测装置间隔120°分布，构成空间立体视觉检测装置，可以检测出被夹持对象在视场空间内位置姿态，进而可检测出被夹持对象与快速撤离装置的位置和姿态。安装好的视觉检测装置如图15所示。3.力觉检测装置安装
将力觉检测装置f的后连接板与快速装置的快撤臂前端通过螺钉连接，将夹持器装置通过力觉检测装置与快撤装置连接成为一个整体。安装好的夹持器及力觉检测装置如图16所示。通过螺钉将将安装基座a的底板30和动平台或静平台连接成为整体，至于选择与静平台还是动平台连接安装，可根据工作的实际需求进行选择。优选的，可以通过螺钉将并联6D0F平台b的静平台和安装基座的安装立板28外安装面连接，连接后的结构如图17所示。再通过螺钉将转接罩c的23-B面与并联6D0F平台b的动平台连接到一起，通过螺钉将转接罩c的23-A面与快速撤离装置d的后安装板18-2连接。连接后的即构成整体的快速撤离装置。连接好后的整体结构如图18所示。三、工作流程:I 准备:控制快撤分离装置d的电机运动，带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠通过丝杠螺母将电机的旋转运动转换成为螺母的直线运动，带动推力块将快撤臂压缩弹簧直至限定位置，通过锁定装置将快撤臂锁紧。控制夹持器g的压电驱动夹持爪收缩至最小伸出量位置，使得夹持爪安装座中空的可夹持空间最大。进行并联6D0F平台b运动自检；力觉检测装置f的6维力/力矩传感器清零；压电驱动夹持爪的应变式力传感器清零；通过与安装基座固定连接的宏动平台或运动6D0F平台，使得夹持器接近被夹持目标。2 寻的:启动视觉检测装置e，控制其工作距离调整电机和焦距调整电机，使得被夹持目标内在两套视觉子装置的成像范围内清晰成像。视觉装置工作距离随着快速撤离装置与被夹持目标之间的距离进行调整，确保被夹持目标在视场范围内清晰成像；此时，通过视觉装置可以检测到快速撤离装置的运动轴线A与被夹持目标的中心轴线B存在位置和姿态的偏差，如图19所示。3 对准:在视觉检测装置e构成的立体视觉装置的指导下，检测出当前夹持器与目标对象之间的位置偏差和姿态偏差，调整并联6D0F平台b的姿态，使得快速撤离装置的运动轴线K'与被夹持目标的中心轴线B重合。调整并联6D0F平台b进行微动运动，使得夹持器在保持姿态不变的前提下，逐渐接近被夹持对象，直至被夹持对象进入夹持器的基座中心孔内。这里需要特别强调的是:被夹持目标的位置姿态均保持不变，快速撤离装置在并联6D0F平台的带动下作整体的位置和姿态调整。4 对接:当被夹持对象进入夹持器的夹持孔(即夹持器的基座上的中心通孔)内，两套视觉检测装置构成的立体视觉装置无法直接检测到夹持器和被夹持对象之间的接合关系。为了避免夹持器与被夹持对象对接时产生的位姿扰动，对接需要在力觉检测子装置的辅助下完成。控制夹持器g的三个压电驱动夹持爪同时进行宏动(控制伸缩杆大步距运动为宏动)，通过快速的粗定位，使得夹持爪快速接近被夹持对象。继续控制压电驱动夹持爪运动，当任何一个应变式力传感器检测到力变化信号，控制压电驱动夹持爪后退0.5um (通过位移传感器来实现)，保证6维力矩传感器无变化(6维力矩传感器用来辅助检测夹持器与目标对象的姿态)，停止此压电驱动夹持爪的工作；另外，若多个夹持爪同时接触到被夹持对象时，夹持爪之间会产生力干扰，互相影响。因此，此处夹持爪的运动是串行的，即夹持爪依次循环动作；按照顺时针或逆时针方向依次控制其他压电驱动夹持爪进行微动，直到最后一个压电驱动器上的应变式力传感器感受到力的变化，控制其对应的压电驱动夹持爪后退
0.5um，保证与其对应的6维力矩传感器无变化，停止此压电驱动器工作；将此刻的位置定义为夹持器调整的位移对接基准点；5 夹持:根据6维力矩传感器、应变式力传感器和位移传感器反馈的信息，控制压电驱动夹持爪等步等距向被夹持对象微动。根据6维力矩传感器、应变式力传感器和位移传感器反馈的信息，对压电驱动夹持爪进行力、位置的复合控制。协同控制三个压电驱动器运动，按照夹持力大则做反向微动，夹持力小则做正向微动的原则，直至6维力矩传感器受力各方向力增量均为0，三个压电夹持爪的夹持力大小一致，且达到预先设定的可稳定夹持的力阈值，则可保证被夹持对象位移量的偏差在对接夹持许可的偏离范围，夹持工作完成。基于上述力位混合反馈的夹持策略如图21所示。6微动分离:控制并联6D0F平台b保持现有姿态，沿快速撤离装置的轴线k' B方向以微小步距后退，使被夹持对象与其相连接的目标无振动、无位姿偏移的分离，将对被连接对象的影响降至最低。7快速撤离将被夹持对象与其连接对象分离至无物理连接后，启动快速撤离装置，在弹簧的作用下，快速将快撤臂、夹持器及被夹持对象撤离到被连接保护对象的安全距离外。同时给出触发信号同步其他需要的工艺动作。8 制动:将被夹持对象与其连接对象快速分离后，快撤臂、夹持器及被夹持对象这些快速运动部件在制动装置的弹簧作用下，动能被吸收并被快速减速，最后锁定在制动装置的锁定装置上。9 复位:等待其他工作完毕，控制压电夹持爪释放被夹持对象。控制快撤子装置释放锁定装置，将快速运动部件释放。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于力视混合检测的对接/分离装置，其特征在于，该装置包括:安装基座、并联六自由度运动平台、机械转接罩、快速撤离装置、视觉检测装置、力觉检测装置和夹持器装置；其中， 所述安装基座包括一安装底板和一安装面板，其中所述安装面板上与所述并联六自由度运动平台连接，所述安装底板与固定平台或运动平台连接； 所述并联六自由度运动平台，其固定于所述安装基座上，并通过所述机械转接罩与所述快速撤离装置相连，所述并联六自由度运动平台用于调整快速撤离装置的位置和姿态；所述转接罩为一个桶状中空结构，其具有相互平行的两个安装面，并分别与并联六自由度运动平台和快速撤离装置连接； 所述快速撤离装置，其一端与所述转接罩的一安装面连接，另一端与所述力觉检测装置连接，用于实现对被夹持对象与与其相连接的目标的快速分离； 所述视觉检测装置，其安装于所述快速撤离装置上，用于检测被夹持对象在视场空间内位置姿态，并根据检测结果获得被夹持对象与快速撤离装置的位置和姿态； 所述力觉检测装置，其具 有一后连接板、一前连接板以及在后连接板与前连接板之间的一六维力矩传感器，其中所述后连接板、前连接板分别与快速撤离装置、夹持器装置连接，所述六维力矩传感器用于检测夹持器与被夹持对象之间的在各个方向的力和力矩关系; 所述夹持器装置包括一夹持器安装基座和多套压电驱动夹持爪，所述安装基座的中心开有圆形通孔，以容纳被夹持的物体进入此空间内；所述多套压电驱动夹持爪完全相同，均匀布置并固定在安装基座的圆周安装面上，其中通过压电驱动器来控制对应的压电驱动夹持爪的运动，以实现压电驱动夹持爪对被夹持对象的逼近或远离； 其中，所述并联六自由度运动平台根据所述视觉检测装置检测出当前夹持器与被夹持对象之间的位置偏差和姿态偏差来调整姿态； 其中，所述夹持器装置根据所述力觉检测装置检测出的夹持器与被夹持对象之间的在各个方向的力和力矩关系来辅助实现对被夹持对象的夹持。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述安装基座还包括一直角三角形筋板，其中，通过螺栓，将两条直角三角形筋板的两个直角面分别与安装底板的上表面和安装面板的背面连接在一起；通过螺栓，将安装面板的背面与安装底板的前端面连接在一起。
3.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述并联六自由度运动平台包括动平台、伸缩杆、铰链和静平台，其中每条伸缩杆和一对铰链构成一套运动驱动装置，通过多套伸缩杆和铰链组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台和动平台连接在一起，在静平台固定的情况下，实现动平台沿着X，1，Z三个轴的平移和旋转。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述转接罩腰部按照90°均布开有圆角矩形孔，转接罩两个安装面具有突出外沿，外沿上开有与安装对象位置一致的螺纹孔。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述对接/分离装置中包括两套视觉检测装置；所述视觉检测装置包括CCD相机、可调镜头、三角形安装座、镜头安装座、镜头卡箍、镜头焦距调整电机驱动装置和镜头工作距离调整电机驱动装置；其中，CCD相机和可调镜头通过螺纹连接为一体；镜头焦距调整电机驱动装置和镜头工作距离调整电机驱动装置采用螺钉连接在镜头筒身上，通过步进电机齿轮传动方式对镜头进行调节；通过螺钉，将镜头安装座安装在三角形安装座的斜面上；通过两条镜头卡箍将整个的可变镜头相机装置固定到镜头安装座的弧形凹槽上。
6.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述前连接板和后连接板具有相似的结构，所述力学检测装置的前、后连接板与所述六维力矩传感器连接面具有一圆形凸台，凸台上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，通孔位置与六维力矩传感器6的安装孔位置对应；所述力学检测装置的前、后连接板与其他器件的连接面具有一个圆形沉孔，以减轻连接板的质量，同时在连接转接板与力矩传感器时，将连接螺钉的头部隐藏着大沉孔内，在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，所述通孔分别与视觉检测装置及夹持器装置的安装孔位置对应。
7.按权利要求1所述的装置，其特征在于:但所述安装底板与运动平台连接时，所述对接/分离装置随着运动平台一起运动，用于对远距离目标的实施操作。
8.按权利要求1所述的装置，其特征在于:所述压电驱动夹持爪包括压电驱动器、位移传感器、应变式力传感器、伸缩杆、夹持爪；所述压电驱动器与伸缩杆相连接，用于实现对伸缩杆的移动； 在压电驱动器的顶端安装有位移传感器，用以检测伸缩杆的运动量； 伸缩杆上还安装有应变式力传感器，通过检测应变式力传感器的应变信息，实现对夹持力的大小检测； 所述夹持爪为圆柱形结构，夹持爪端部120° V型开口 ；所述夹持爪的尖端磨平，以避免损伤被夹持对象的表面； 在夹持爪的上端面开有长孔，与伸缩杆端部相互配合，在夹持爪的下端面开有沉孔，在沉孔与长孔之间采用圆孔贯通，通过螺钉将夹持爪固定在伸缩杆上，实现压电驱动器利用伸缩杆来带动夹持爪的伸缩运动。
9.一种应用于如权利要求8所述的装置的对接/分离方法，其包括如下步骤: 通过与安装基座固定连接的运动平台或并联六自由度运动平台，使所述夹持器装置接近被夹持对象； 通过视觉装置检测快速撤离装置的运动轴线与被夹持对象的中心轴线存在位置和姿态的偏差； 调整并联六自由度运动平台的姿态，使得快速撤离装置的运动轴线与被夹持目标的中心轴线重合； 调整并联六自由度运动平台进行微动运动，使得夹持器在保持姿态不变的前提下，逐渐接近被夹持对象，直至被夹持对象进入夹持器的基座中心孔内； 当被夹持对象进入夹持器的基座上的中心通孔内时，控制夹持器的压电驱动夹持爪快速接近被夹持对象，当任何一个应变式力传感器检测到力变化信号，控制对应压电驱动夹持爪后退0.5um，保证六维力矩传感器无变化，停止此压电驱动夹持爪的工作； 依次控制其他压电驱动夹持爪进行微动，直到最后一个压电驱动器上的应变式力传感器感受到力的变化，控制其对应的压电驱动夹持爪后退0.5um,保证与其对应的六维力矩传感器无变化，停止此压电驱动器工作；将此刻的位置定义为夹持器调整的位移对接基准 占.协同控制压电驱动器运动，按照夹持力大则做反向微动，夹持力小则做正向微动的原贝U，直至六维力矩传感器受力各方向力增量均为O，三个压电夹持爪的夹持力大小一致，且达到预先设定的可稳定夹持的力阈值，夹持工作完成； 控制并联六自由度运动平台保持现有姿态，沿快速撤离装置的轴线方向以微小步距后退，使被夹持对象与其相连接的目标无振动、无位姿偏移的分离； 将被夹持对象与其连接对象分离至无物理连接后，启动快速撤离装置将夹持器及被夹持对象撤离到被连接保护对象的安全距离外，快速撤离装置制动； 控制压电夹持 爪释放被夹持对象。
全文摘要
本发明公开了一种基于力视混合检测的对接/分离装置，包括安装基座、并联六自由度运动平台、机械转接罩、快速撤离系统、视觉检测装置、力觉检测装置和夹持器装置。该装置通过视觉检测装置检测当前夹持器装置与被夹持对象之间的位置偏差和姿态偏差来进行姿态调整，根据力觉检测装置检测出的夹持器装置与被夹持对象之间的在各个方向的力和力矩关系来辅助实现对被夹持对象的夹持，同时采用快速撤离装置前置并安装在并联六自由度运动平台上，便于实现精准对接，减小分离时对被夹持目标的位姿扰动，具备对于分离时间的敏感性。本发明还公开了一种应用于上述对接/分离装置的对接/分离方法。本发明公开的上述装置和方法均能用于适应真空或洁净环境。
文档编号G05D3/12GK103085060SQ20121059304
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者吴保林, 刘衍, 刘芳芳, 徐德 申请人:中国科学院自动化研究所