CN108161978A - 一种保持输出力恒定的力控制关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力控制关节装置，本发明包括基座，弹性机构组件，气动肌肉结构组件，位移传感器组件和输出端。其特征在于两组对称布置的弹性机构组件输出推力，气动肌肉结构组件输出的拉力，两者的合力用来共同控制关节的输出力，位移传感器用来实时监测当前关节的实时变形量，以便后续数据处理以及关节输出力的实时控制。本发明用于压力的控制，其中特殊的结构设计，使得关节在带着磨削工具头在工作表面凹凸状况的干扰仍能保持磨削工具头与工件表面接触压力恒定。

Description

一种保持输出力恒定的力控制关节装置

技术领域

本发明涉及一种保持输出力恒定的力控制关节装置，属于机器人领域。

背景技术

随着工业发展的不断提速，为追求功能更完善，性能更优的产品，对机器人加工产品的质量提出了更高的要求。但在传统机床的加工过程中，由于刀具磨损、测量误差等因素的影响，特别是当刀具磨损以及由于零件表面的凹凸不平导致切削量的不等，以致刀具与零件之间接触压力的大幅度变动，使得实际加工出来的零件尺寸与理论尺寸存在偏差(例如车削细长轴)时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会形成腰鼓形的圆柱度误差，影响产品的质量，导致加工出来的零件的合格性降低，同时大大降低了刀具和机床的使用寿命。随着技术的发展，由接触力引起的加工误差越来越不容忽视。迫切需要在加工过程中对接触力进行控制的方案，以通过实时改变刀具的进刀量，完成对零件的加工，达到既减小零件的加工误差，又提高产品的质量，又减少刀具及机床的磨损节约材料的目的。

发明内容

针对现有技术接触压力不稳定的问题和对接触力进行控制的方案的迫切需要，本发明提出了一种力控制关节装置，用于压力的控制，其中通过采用独特的结构设计，使得力控制关节在带着磨削工具头在工作表面凹凸状况得干扰仍能保持磨削工具头与工表面接触压力恒定，其结构简单、小巧，调整快速。

根据本发明的一个方面，提供了一种保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于包括：

基座、位移传感器、弹性机构组件、气动肌肉结构组件、输出端、导轨部件，其中，

基座为弹性机构组件、位移传感器)、气动肌肉结构组件以及导轨部件提供支撑，并且可以对气动肌肉结构组件的内压进行调节。

弹性机构组件和气动肌肉结构组件共同作用来控制力控制关节装置的输出力。

位移传感器用于测量力控制关节装置的关节变形量，以进行后续数据的处理以及输出力的实时控制。

根据的又一个方面，提供了一种保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于包括：

基座，

位移传感器，

弹性机构组件，

气动肌肉结构组件，

输出端，

导轨部件，

其中，

基座为弹性机构组件、位移传感器、气动肌肉结构组件以及导轨部件提供支撑，并调节气动肌肉结构组件内的气压，

输出端包括了气动肌肉结构组件上方连接处以及连杆座螺栓孔，

弹性机构组件和气动肌肉结构组件共同作用来控制力控制关节装置的输出力，

位移传感器用于测量力控制关节装置的关节变形量，以用于后续的数据处理以及输出力的实时控制。

附图说明

图1A－1C是根据本发明的一个实施例的力控制关节装置的整体结构图。图1A为力控制关节装置整体的右视图，图1B为力控制关节装置整体的正视图，图1C为力控制关节装置整体的等轴测图。

图2是图1C的所示的力控制关节装置按功能组件拆分的组件示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的力控制关节装置的基座视图。

图4A和4B是根据本发明的一个实施例的基座的底座的整体和***视图。图4A为底座的整体结构图，图4B为底座的***图。

图5是根据本发明的一个实施例的力控制关节装置的弹性机构组件的***图。

图6是根据本发明的一个实施例的弹性机构组件中的连杆座的结构图。

图7是根据本发明的一个实施例的力控制关节装置的输出端的整体结构图。

图8是根据本发明的一个实施例的弹性机构组件与气动肌肉结构组件静态力特性图。

具体实施方式

图1和图2所示的，是根据本发明的一个实施例的一种保持输出力恒定的力控制关节装置，包括：

基座(1)、位移传感器(2)、弹性机构组件(3)、气动肌肉结构组件(4)、输出端(5)、导轨部件(6)，

其中，基座(1)为弹性机构组件(3)、位移传感器(2)、气动肌肉结构组件(4)以及导轨部件(6)提供支撑，并可以调节气动肌肉结构组件(4)内的气压；输出端(5)包括了气动肌肉结构组件上方连接处(28)以及连杆座螺栓孔(29)；弹性机构组件(3)，和气动肌肉结构组件(4)共同作用来控制力控制关节装置的输出；力位移传感器(2)用于测量力控制关节装置的关节变形量，以进行后续数据的处理以及输出力的实时控制。

力控制关节装置的主要部分分别是主动部分和被动部分。主动部分包括气动肌肉结构组件(4)，被动部分是一个经过特殊设计的弹性机构组件(3)。弹性机构组件(3)和气动肌肉结构组件(4)两者的输出力的差值就是力控制关节装置的输出力。特殊设计的弹性机构组件(3)和气动肌肉结构组件(4)的输出力具有相似的随着变形量不同而变化的趋势。这样在不同的变形量上，两者的差值，也就是力控制关节装置的输出力会基本维持较为平缓的变化，在理想状况下甚至是恒定值。力控制关节装置的输出力F_输等于弹性机构组件(3)F_推(两个之和)与气动肌肉结构组件输出力(4)F_气之差；

即F_输＝F_推-F_气，

图3所示的是根据本发明的一个实施例的基座(1)，其包括：位移传感器放置处(7)、弹簧孔(8)、弧形槽(9)、曲柄孔(10)、气动肌肉结构组件下方连接处(11)、底座(12)。

其中，位移传感器放置处(7)与位移传感器(2)相连，弹簧孔(8)为弹簧与基座相连之处，弧形槽(9)用来限制曲柄的行程，曲柄孔(10)为曲柄与基座相连之处，气动肌肉结构组件下方连接处(11)为气动肌肉结构组件与基座连接之处，而底座(12)包括了控制器(15)和比例阀(25)等部件(见图4)。

图4所示为根据本发明的一个实施例的基座(1)的底座(12)，包括：下盖板(13)、连接管(14)、控制器(15)、下端盖(24)、比例阀(25)。

其中，控制器(15)放在下盖板(13)与下端盖(24)之间，通过螺栓固定在下盖板(13)上，而比例阀(25)放在下端盖(24)上，通过螺栓固定。连接管(14)一边与比例阀(25)相连一边用气管通过气动肌肉结构组件下方连接处(11)与气动肌肉结构组件(4)相连。当气动肌肉结构组件(4)内的气压需要变化时，电脑通过控制器(15)，控制比例阀(25)对气动肌肉结构组件(4)进行增减压强。

图5所示的为，为根据本发明的一个实施例的弹性机构组件(3)，包括：弹簧前轴(16)、弹簧(17)、弹簧后轴(18)、弹簧轴承座(19)、等臂曲柄(20)、轴承座(21)、短拉杆(22)、连杆座(23)、铰链轴(24)。由图2可以看出弹性机构(3)左右对称，故只列出了其左边的结构，其中轴承座(21)有两个，弹簧(17)通过弹簧前轴(16)与轴承座(21)、弹簧孔(8)以及相应的轴承、弹性挡圈等实现与基座(1)的连接。弹簧(17)通过弹簧后轴(18)与弹簧轴承座(20)以及相应的轴承等实现与等臂曲柄(19)的连接。等臂曲柄(20)通过与轴承座(21)、曲柄孔(10)以及相应的轴承等实现与基座的连接。短拉杆(22)通过轴承的实现与等臂曲柄(20)的连接，短拉杆(22)和连杆座(23)通过铰链轴(24)以及相应的轴承等实现了连接。连杆座(23)由图6可以看出，包括了主体(26)与导轨(27)两部分，这两部分通过螺栓进行固定。

气动肌肉结构组件(4)通过气动肌肉结构组件下方连接处(11)实现了与基座(1)的连接，气动肌肉结构组件(4)通过气动肌肉结构组件上方连接处(12)实现了与输出端(5)的连接输出端。

导轨部件(6)通过螺栓与基座(1)连接，导轨部件(6)通过导轨(26)实现了与弹性机构组件(3)的连接。

如图8所示，在一定的输入气压下，气动肌肉结构组件(4)的输出力-关节变形量的曲线与弹簧机构组件(3)的输出力-关节变形量的曲线近似成平行等距曲线。当力控制关节装置的变形量确定时，弹性机构组件(3)的输出力便也确定，因此，为了输出恒定的压力，该压力为气动肌肉结构组件(4)输出力与弹性机构组件(3)的输出力的差值，则气动肌肉结构组件(4)输出力在此变形量下的大小里便已确定，通过轻微调节气动肌肉结构组件(4)的气压，使得气动肌肉结构组件(4)的输出相应的力便可使得力控制关节的输出力稳定不变。

其调整原理是工件表面凹凸变化引起的关节收缩量发生变化，通过位移传感器(2)检测这种变化。传感器(2)检测到的位移数据被传回计算机，计算机通过运算后发出相应的调整指令给控制器(15)，具体而言就是比例阀(25)的控制电压信号。信号输入至比例阀中，然后通过比例阀调整气动肌肉结构组件(4)内部气压，使气动肌肉结构组件(4)输出压力等于预设值，而弹性机构组件(3)的输出力由变形量确定，从而维持力控制关节装置输出力的恒定。

本发明的有益效果包括：

力控制关节装置加装在机械臂末端和工具头之间，在加工过程中随着工具头在不平整表面上的移动，能够比较精确的控制接触力，通过在加工过程中对接触力的控制，实时改变刀具的进刀量，完成对零件的加工。既能减小零件的加工误差，提高产品的质量，又可以减少刀具及机床的磨损，节约材料。另外，本发明还将机器人技术、计算机信息技术与生产技术有机地结合在一起,实现了高精度的恒力加工,提高了产品的生产效率和质量,降低了劳动强度和制造成本。

以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下做出在形式上和细节上的各种修改和改变，都将是对本发明专利的侵犯。因此本发明要保护的真正思想和范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于包括：

基座(1)，

位移传感器(2)，

弹性机构组件(3)，左右对称布置

气动肌肉结构组件(4)，

输出端(5)，

导轨部件(6)，

其中，

基座(1)为弹性机构组件(3)、位移传感器(2)、气动肌肉结构组件(4)(这个术语务必要前后统一)(4)以及导轨部件(6)提供支撑，并调节气动肌肉结构组件(4)内的气压，

弹性机构组件(3)和气动肌肉结构组件(4)共同作用来控制力控制关节的输出力，

输出端(5)包括了气动肌肉结构组件上方连接处(28)以及连杆座螺栓孔(29)，

位移传感器(2)用于实时测量力控制关节装置的关节变形量，以用于后续的数据处理以及输出力的实时控制。

2.根据权利要求1所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

所述基座(1)包括位移传感器放置处(7)、弹簧孔(8)、弧形槽(9)、曲柄孔(10)、气动肌肉结构组件下方连接处(11)、底座(12)，

其中，

位移传感器放置处(7)与位移传感器(2)相连，

弹簧孔(8)为弹簧与基座(1)相连之处，

弧形槽(9)用来限制曲柄的行程，

曲柄孔(10)为曲柄与基座相连之处，

气动肌肉结构组件下方连接处(11)为气动肌肉结构组件(4)与基座(1)连接之处，

底座(12)包括了作为对气动肌肉结构组件(4)气压的控制部件的控制器(15)和比例阀(25)。

3.根据权利要求2所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

所述底座(12)包括下盖板(13)、连接管(14)、控制器(15)、下端盖(24)、比例阀(25)，

其中，

控制器(15)设在下盖板(13)与下端盖(24)之间，通过螺栓固定在下盖板(13)上，

比例阀(25)放在下端盖(24)上，通过螺栓固定，

连接管(14)一边与比例阀(25)相连一边用气管通过气动肌肉结构组件下方连接处(11)与气动肌肉结构组件(4)相连。

4.根据权利要求1所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

所述弹性机构组件(3)包括弹簧前轴(16)、弹簧(17)、弹簧后轴(18)、弹簧轴承座(19)、等臂曲柄(20)、轴承座(21)、短拉杆(22)、连杆座(23)、铰链轴(24)，

其中，

弹性机构(3)左右对称，

轴承座(21)有两个，

弹簧(17)通过弹簧前轴(16)、轴承座(21)、弹簧孔(8)与基座(1)连接，

弹簧(17)通过弹簧后轴(18)、弹簧轴承座(20)与等臂曲柄(19)连接，

等臂曲柄(20)通过与轴承座(21)、曲柄孔(10)与基座(1)连接，

短拉杆(22)通过轴承与等臂曲柄(20)连接，

短拉杆(22)和连杆座(23)通过铰链轴(24)连接，

连杆座(23)包括主体(26)与导轨(27)，主体(26)与导轨(27)通过螺栓进行固定，

连杆座(23)通过螺栓与输出端(5)进行连接固定。

5.根据权利要求1所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

所述气动肌肉结构组件(4)气动肌肉通过气动肌肉结构组件下方连接处(11)与基座(1)连接，气动肌肉结构组件(4)通过气动肌肉结构组件上方连接处(28)实现了与输出端(5)的连接。

6.根据权利要求1所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

所述的导轨部件(6)通过螺栓与基座(1)连接，导轨部件(6)通过与导轨(26)的配合实现与弹性机构组件(3)配合。

7.根据权利要求1所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

弹性机构组件(3)沿关节轴线方向输出推力，气动肌肉结构组件(4)沿关节轴线方向输出为拉力，当所述推力大于所述拉力时，力控制关节装置的净输出力为推力。

8.根据权利要求7所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

弹性机构组件(3)对输出端(5)施加的推力随着力控制关节装置的变形量的增大而减小，即弹性机构组件(3)的刚度随力控制关节装置的变形量的增大而减小；

气动肌肉结构组件(4)对输出端(5)施加的拉力也随力控制关节装置的变形量的增大而减小，即气动肌肉结构组件(4)的刚度随力控制关节装置的变形量的增大而减小。

9.根据权利要求8所述的保持输出力恒定的力控制关节装置，其特征在于：

在一定的输入气压下，气动肌肉结构组件(4)的输出力-关节变形量的曲线与弹簧机构组件(3)的输出力-关节变形量的曲线近似成平行等距曲线。