CN104259991B - 基于可变刚度柔性机构的力控制模块 - Google Patents

基于可变刚度柔性机构的力控制模块 Download PDF

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Abstract

一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块，属于机械加工技术领域。包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。本发明在接触式的操作过程中，其刚性是主动式可变的，对于作用在物体上的接触力和操纵器的位移就可以单独进行控制。本发明具有高精度、高动态反应性能，这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制***提供高性能的动作和直接力控能力。

Description

基于可变刚度柔性机构的力控制模块
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，特别是涉及一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块。
背景技术
对于需要主动力控的接触式操作，例如磨削和去毛刺，现在可以通过使用工业化的执行机构和附加的终端模块来实现。最近许多公司（像ABB，Fanuc，Pushcorp，ATI）已经把力控特性整合到其现有的产品中。ABB和Fanuc公司就是通过每个关节处的伺服电机和齿轮箱来实现对接触点的力控的，其他的则是通过包含气动执行机构的附加终端模块来实现力控的。但是这些力控操作都是通过位置控制来实现的，存在着精度低和反应迟滞等问题。
对于接触式操作的力控性能，有效的任务空间惯量在其中扮演了一个很重要的角色。例如，降低空间惯量可以提高力控的带宽，同时可以减小从空程到约束动作的冲击力。以下为对当前力控解决方案存在的问题进行论述：
商业机器人***如工业机械手通常使用各个关节处的力矩执行器来产生操作点所需的接触力。由于关节执行器需要对连杆重量和非线性关节干扰因素（如关节摩擦力）进行补偿，导致所需的关节力/力矩大于直驱伺服执行器所能提供的最大力/力矩，由此，变速箱被用来提高关节伺服执行器所能提供的力/力矩。虽然变速箱的解决方案对大多数动作控制应用都有效，但不足之处是变速箱引入了非线性干扰因素（如关节摩擦力和关节的挠性变形），同时变速箱提供的有效惯量同变速比的平方根成正比，因此就需要提供较高的任务空间惯量，这样导致冲击力（从***到约束运动）很高，可能导致工件或者机器人***的损坏。伴随着较高任务空间惯量的另一个问题是***的动态响应变低，这就不适用于大多数交互式的任务。在当今商业机器人***里广泛应用的对于高冲击力的解决方案是在靠近约束区域的时候限定机器人的速度，这个方法通常是要花费大量的时间和精力来对机器人***进行离线示教，而且这种方法只适用于有规律的环境中。这种离线示教所需要的工作量是非常大的而且低响应存在于大多数商业化机器人***中，如ABB，Fanuc等等。
由于现存的大部分工业机器人***都是基于位置的***，可以通过一个附加的模块来实现力控能力，进而扩展了***在接触式操作中的能力。现有的商业话解决方案由PushCorp，ATI等公司以气动或液压的形式提供。虽然这些方案可以让传统的工业机器人具备力控的能力，但是较慢的反应时间这个问题依然存在，尤其是在需要更高接触力的时候就变得尤为突出。
对于可调的被动服从式或者是可变刚度机构，现今有很多的实现方式。但是这些方式都是使用宏观结构和传统马达，因此这些机构往往是很笨重的，而且刚度的变化速度也是很迟缓的，因为负责调节刚性的齿轮传动马达的惯量很大。这些限制导致他们不适用于接触式机加过程中的交互式力控，这个过程中需要100Hz或者更高的带宽。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种高精度、高动态反应性能的的基于可变刚度柔性机构的力控制模块。这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制***提供高性能的动作和直接力控能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。
进一步地，所述柔性机构包括至少两排、两列纵横交错的弹片和输出轴，所述输出轴连接于纵横交错的整体弹片之间，输出轴上设置有传感器；两横向弹片端部分别与压电驱动器接触。
进一步地，所述两排横向弹片间留有的距离为弹片长度的十分之一至二分之一，每个弹片的宽度为弹片长度的十分之一至三分之一。
进一步地，所述输出轴端还设置有连接法兰。
进一步地，所述盖板上设置有容置预紧钢球的凹槽。
进一步地，所述盖板与壳体之间留有调整间隙，通过预紧螺栓调整。
本发明的有益效果为：
本发明在接触式的操作过程中，其刚性是主动式可变的，这样对于作用在物体上的接触力和显微操纵器的位移就可以单独进行控制。
本发明应用压电驱动器来改变柔性机构的刚度，由于压电驱动器具有极高的动态响应性能和高输出力，因此具有高精度、高动态反应性能，可用于需要接触力控制的制造过程（如去毛刺，倒角，磨削，钻孔和铣削加工）。这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制***提供高性能的动作和直接力控能力。例如工业执行机构和CNC机床，由此可令这些传统***获得力控加工能力而不需要进行整体更换。且本发明具有反应迅速，结构简单，能耗低，可同比例放大或缩小以满足不同应用需求。
本发明中的柔性结构具有以下优点：①可减少构件数目，无需装配，从而降低了成本；②无需铰链或轴承等运动副，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件的变形来实现；③无摩擦，磨损及传动间隙，无效行程小，且不需要润滑，可实现高精度运动，避免污染，提高寿命；④可存储弹性能，自身具有回程反力。⑤易于小型化和大批量生产；⑥易于和其他非机械动力相匹配。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2本发明的力控***原理图。
图3是本发明安装在打磨机器人上的结构示意图。
图中：1.盖板，2.预紧螺栓，3.预紧钢球，4.压电驱动器，5.传感器，6.法兰，7.输出轴，8.柔性机构，9.壳体，10.机器人手臂，11.主轴，12.磨削刀具。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例：如图1所示，本发明包括壳体9、置于壳体9两端的盖板1、柔性机构8、压电驱动器4、预紧钢球3及传感器5，所述柔性机8构置于壳体9两盖板1之间，柔性机构8两端与盖板1间分别设置压电驱动器4，所述盖板1与压电驱动器4间设有预紧钢球3，所述传感器5置于柔性机构8的输出端。
所述柔性机构8包括至少两排、两列纵横交错的叶形弹片和输出轴7，输出轴7上设置有传感器5；所述所述输出轴7连接于纵横交错的整体叶形弹片之间，两横向叶形弹片端部分别与压电驱动器4接触。所述输出轴端7还设置有连接法兰6。所述两排横向弹片间留有的距离为弹片长度的十分之一至二分之一，每个弹片的宽度为弹片长度的十分之一至三分之一。所述盖板1上设置有容置预紧钢球3的凹槽。所述输出轴7端还设置有连接法兰6。
所述盖板1与壳体9之间留有调整间隙，通过预紧螺栓2调整。
本发明的工作原理 ：
本发明主要用于精密快速力控操作，是在机器人手臂或操作机械前端增此发明可变刚度柔性机构力控模块。柔性机构一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构。
本发明机构是通过基于叶形弹片的柔性机构及施加在同平面内的合适的压力来实现的。叶形弹片（图1中柔性机构8号零件中所示的薄片结构）是一种细支梁结构，当法向外力施加在其上的时候，就会弯曲变形同时产生线性位移，是常用的柔性机构基本构件之一。当切向力张力施加在叶形弹片上，其内部应力会发生改变，其所表现出来的弯曲刚度会增加，同理当切向压缩力施加在细支梁上，其弯曲刚度就会减少。刚度可变的柔性机构意味着其内部刚度可以不随外部位置的改变而单独改变，基于这种工作方式，其柔性关节的机械特性是可调整的。
本例中柔性机构8由十二根叶形弹片和输出轴7组合而成并固定在壳体9之内。其中横向的两排左右对置的共四根叶形弹片的刚度通过两端的两块压电驱动器4所施加的不同压力而被改变。横向弹片与中间输出轴为一体或通过紧固件紧密连接。两排弹片之间留有一定距离，同时弹片具有一定宽度，以限制输出轴在输出方向上的刚度比其他方向低，保证输出轴运动的单一方向性。横向弹片至少需要两排，可以根据需要的初始刚度增加排数。弹片的厚度与宽度根据刚度需要选取。
压电驱动器4为外购件具体型号根据需要选取，其一端推动柔性机构8，另一端通过一个预紧钢球3顶在盖板1上的凹槽内，以实现压电驱动器4与盖板间以点接触的方式连接，防止压电驱动器4承受扭矩。盖板1与壳体通过预紧螺栓2连接，中间留有空隙。通过调节预紧螺栓2可以改变施加在柔性机构8上的预紧力。从而选择柔性机构8的初始刚度。压电驱动器4由压电材料组成，压电材料具有电致伸缩效应，在电场的作用下产生长度变化，应变大小与电场平方成正比。柔性机构8的刚度可变范围由压电驱动器4的行程所定。上述***工作流程如图2所示，传感器5（外购）实时测量机构所承受的外力，即相互作用力。并将信号反馈给主控制***（现有结构）。主控制***根据用户设定的目标力值与实测力值得差距计算出压电驱动器4所需的输入电压并传递给功率放大器对压电驱动器4驱动，进而改变柔性机构8的刚度，完成作用力的最终控制。
图3所示为本发明应用到工业机器人打磨中的实际安装方案。本发明可变刚度机构安装在机器人手臂10前端与主轴11之间，磨削刀具12连接在主轴11之上。在打磨过程中，磨削刀具12于工件之间的作用力由本发明可变刚度机构进行实时控制。由机器人手臂10进行位置控制，从而实现力与位置的混合控制。

Claims (5)

1.一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端；所述柔性机构包括至少两排、两列纵横交错的弹片和输出轴，所述输出轴连接于纵横交错的整体弹片之间，输出轴上设置有传感器；两横向弹片端部分别与压电驱动器接触。
2.根据权利要求1所述基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：所述两排横向弹片间留有的距离为弹片长度的十分之一至二分之一，每个弹片的宽度为弹片长度的十分之一至三分之一。
3.根据权利要求1所述基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：所述输出轴端还设置有连接法兰。
4.根据权利要求1所述基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：所述盖板上设置有容置预紧钢球的凹槽。
5.根据权利要求1所述基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：所述盖板与壳体之间留有调整间隙，通过预紧螺栓调整。
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