CN108544475A - 一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。该机器人将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合无人搬运车，增大了机器人优质工作空间范围，在一次装卡的前提下即可完成对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业，在提升加工作业效率同时三自由度力控并联加工模块可以在加工作业时实现对末端执行器上正压力的控制，可有效保证加工质量。

Description

一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人

技术领域

本发明涉及数控装置制造技术领域，特别涉及一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人。

背景技术

在航空航天、燃气轮机以及船舶行业高速发展的背景下，大型结构件、大型轮机叶片以及大尺寸螺旋桨的一体化加工需求日益凸显，为了充分发挥一体化设计的优势，如何高效高精完成大型结构件的加工就显得尤为重要。同时在当今全球低碳发展模式盛行的背景下，对清洁能源的需求日益增加。风能作为一种蕴藏丰富、分布广泛的清洁可再生能源正在受到更广泛的重视。随着风能利用的快速发展，风电机组的需求也日益增加，叶片作为风力发电机组中的关键部件，其工作寿命如何长久有效维持正受到广泛关注，由于叶片前缘在实际服役过程中极易受到污染而变得粗糙，这会极大降低风力发电机组的发电效率，因此对风电叶片进行及时打磨就显得尤为重要。但是大型风电叶片尺寸巨大，且打磨过程产生大量粉尘，因此用机器人代替人工进行大型风电叶片与大型结构件的加工作业是保证精度与效率的最佳方式。

大型结构件与大型风电叶片尺寸巨大，要求机器人***具有较大的行程同时其外形面多为自由曲面，曲率变化情况复杂，要求机器人***能够实现五轴联动加工。传统的串联机器人由关节、连杆组合而成，其优点在于结构形式简单、工作空间大且较为灵活但是存在关节累积、末端刚度较差等问题。并联机构则是通过在定平台与动平台之间形成多个运动学支链构成闭环结构来保证末端动平台的高刚度并保证结构紧凑，但是其工作空间一般较小，亟待解决。将并联机构与串联机构有机结合构成混联机构则能够有效提升整体性能，结合两种机构形式的优势。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，该机器人具有增大机器人优质工作空间范围、提升加工作业效率和有效保证加工质量的优点。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。

本发明实施例的基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，通过将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合无人搬运车，增大了机器人优质工作空间范围，在一次装卡的前提下即可完成对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业，在提升加工作业效率的同时三自由度力控并联加工模块可以在加工作业时实现对末端执行器上正压力的控制，可有效保证加工质量。

另外，根据本发明上述实施例的基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面两自由度混联机械臂包括：大臂，第一连杆组和所述机械臂大臂构成平行四边形机构，以实现由大臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动；小臂，第二连杆组和所述机械臂小臂构成平行四边形机构，以实现由小臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块包括：并联模块定平台；并联模块动平台；末端执行器；力控制单元；第一支链，所述第一支链通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块动平台连接，通过一个转动副与所述并联模块定平台连接，所述第一支链包含一个由输入驱动的丝杠螺母运动副，以实现丝杠与螺母轴线之间的转动自由度以及丝杠沿支链的移动自由度；第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块的特征还包括:所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证所述并联模块动平台与末端执行器固定连接后有一个移动自由度与两个转动自由度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合所述无人搬运车，以增大机器人优质工作空间范围。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一支链包括：第一电机，所述第一电机的一端通过一个转动副与所述三自由度力控并联加工模块定平台相连；第一丝杠螺母副，所述第一丝杠螺母副中螺母与所述第一电机相固结，以构成圆柱运动副，实现丝杠相对于螺母的直线进给自由度与相对转动自由度，所述第一丝杠螺母副中的丝杠通过一个虎克铰或两个轴线互相垂直的转动副实现与所述并联模块动平台相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力控制单元包括：力控制弹簧，所述力控制弹簧在作业过程中通过对位置控制来实现末端正压力的控制；阻尼减振器，所述阻尼减振器可通过与所述力控制弹簧的协调实现力控制条件下的振动抑制；单元外壳，所述控制单元外壳则可与并联加工模块本体结构相结合克服所述单元不能承受力矩的问题。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力控制单元可设置在所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链中所述丝杠与所述转动副相连接的位置，以实现对所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链的力控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力控制单元还可设置在所述三自由度力控并联加工模块动平台与所述末端执行器相连接的位置，以实现对所述末端执行器上作用力的控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块力控制单元还包括：力传感器，所述力传感器在作业过程中对所作用正压力进行反馈，并通过力/位混合控制算法，根据所述力传感器反馈的数据对所述三自由度力控并联模块末端执行器实现力/位混合控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块还可采用无力控制单元的结构形式。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的平面两自由度混联机械臂的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的三自由度力控并联加工模块的结构示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的***示意图；

图7是根据本发明的另一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的***示意图。

附图标记：

在图1中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-1；

在图2中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-21；直线导轨III-22；

在图3中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；直线导轨III-3；

机械臂底座21；机械臂大臂22；大臂驱动杆23；第一连杆组24；姿态调节部件25；小臂驱动杆26；机械臂小臂27；第二连杆组28；末端执行器29；

第一支链31；第二支链32；第三支链33；并联加工模块定平台34；并联加工模块动平台35；电动打磨头36；

第一电机411；第一丝杠412；第一力控制单元413；第一U形转动件414；第一球形转动件415；并联模块定平台44；并联模块动平台45；末端电动打磨头46；

第一电机511；第一丝杠512；第一U形转动件513；第一球形转动件514；并联模块定平台54；并联模块动平台55；打磨电机561；动平台力控制单元562；末端执行器安装法兰563；末端执行器564。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人。

在本发明的一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人中，末端执行器以电动打磨头为例，具体实施可采用电主轴夹持刀具或焊接操作末端执行器等。

在本发明的实施例1中，如图1所示，一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人包括三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-1。

在本发明的实施例2中，如图2所示，一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人还可以包括三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-21；直线导轨III-22。

在本发明的实施例3中，如图3所示，一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人也可以包括三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；直线导轨III-3。

无人搬运车与配套直线导轨均为成熟的商业化产品，可根据实际使用要求选购或定制，此处不作赘述。

进一步地，如图3所示，平面两自由度混联机械臂包括机械臂底座21、机械臂大臂22、机械臂小臂27、末端执行器29、连杆组24、大臂驱动杆23、小臂驱动杆26、姿态调节部件25以及连杆组28，三自由度力控并联加工模块固定连接于两自由度平面并联机械臂末端执行器29，连杆组24与机械臂大臂22构成平行四边形机构，连杆组28与机械臂小臂27构成平行四边形机构，机械臂大臂22和机械臂小臂27分别由大臂驱动杆23和小臂驱动杆26驱动，采用驱动方式为直线进给驱动。

如图5所示，三自由度力控并联加工模块III包括第一支链31、第二支链32、第三支链33、并联加工模块定平台34、并联加工模块动平台35和电动打磨头36。

第一支链31通过一个转动副与并联加工模块定平台34相连，通过两个轴线相互垂直的转动副或一个虎克铰与并联加工模块动平台35连接，并联加工模块动平台35和电动打磨头36；第二支链，第三支链与第一支链结构相同，三个支链均连接在定平台与动平台之间形成闭环结构，最终实现动平台与电动打磨头的一个平动自由度与两个转动自由度。

具体的，如图6所示，第一支链包括第一电机411、第一丝杠412、第一力控制单元413、第一U形转动件414、第一球形转动件415。第一电机411安装于并联模块定平台44上，形成一个转动副，第一电机的转子与第一滚珠丝杠副中的螺母固定连接，使得第一丝杠412具有绕螺母轴线的转动自由度以及沿轴线方向的直线移动自由度，构成圆柱副；第一丝杠412末端与第一力控制单元413固定连接，第一力控制单元内嵌于第一U形转动件414内与之固定连接，实现对第一支链内力的控制；第一U形转动件414与第一球形转动件415连接形成一个转动副，第一球形转动件415与动平台相连构成一个转动副，两转动副轴线互相正交形成一虎克铰；第二支链、第三支链与第一支链结构相同，均实现各自支链内力的控制并构成并联闭环结构。动平台与末端电动打磨头46固定连接。

在本发明的另一个实施例中，如图7所示，第一支链还可包括第一电机511；第一丝杠512；第一U形转动件513；第一球形转动件514；末端电动打磨头包括打磨电机561；动平台力控制单元562；末端执行器安装法兰563；末端执行器564。第一电机511安装于并联模块定平台54上，形成一个转动副，第一电机的转子与第一滚珠丝杠副中的螺母固定连接，使得第一丝杠512具有绕螺母轴线的转动自由度以及沿轴线方向的直线移动自由度，构成圆柱副；第一丝杠512末端与第一U形转动件513固定连接，第一U形转动件513与第一球形转动件514连接形成一个转动副，第一球形转动件514与动平台相连构成一个转动副，两转动副轴线互相正交形成一虎克铰；第二支链、第三支链与第一支链结构相同，实现并联模块定平台54与并联模块动平台55之间的连接并构成并联闭环结构。打磨电机561安装于并联模块动平台55，并联模块动平台55与动平台力控制单元562固定连接实现对末端电动打磨头作用外力的控制，末端执行器安装法兰563实现末端执行器564与打磨电机561之间的安装连接。

在本发明的实施例中，三自由度力控并联加工模块转角范围大，能够实现对复杂曲面的加工作业。

进一步地，基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，可实现较大的工作行程，在一次装卡过程中实现对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业。

进一步地，三自由度力控并联加工模块、平面两自由度混联机械臂还可通过搭载安装于无人搬运车上的直线导轨或直接安装在全行程直线导轨上，实现一次装卡过程中实现对全部型面的加工作业。

进一步地，三自由度力控并联加工模块通过力控制单元可以实现在加工过程中对末端执行器进行式力/位混合控制，能够有效提升加工作业质量。

进一步地，三自由度力控并联加工模块可以通过搭载不同形式的末端执行器完成如打磨作业、焊接作业、铣钻作业等不同种类的加工作业。

进一步地，三自由度力控并联加工模块的力控制单元可以采用包括力控制弹簧，阻尼减振器以及单元外壳的组合形式或采用力传感器与控制算法的组合形式或无力控制单元的结构形式。

本发明实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，通过将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合无人搬运车，增大了机器人优质工作空间范围，在一次装卡的前提下即可完成对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业，在提升加工作业效率同时三自由度力控并联加工模块可以在加工作业时实现对末端执行器上正压力的进行控制，可有效保证加工质量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，包括：

无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；

平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；

三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述平面两自由度混联机械臂包括：

大臂，第一连杆组和所述机械臂大臂构成平行四边形机构，以实现由大臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动；

小臂，第二连杆组和所述机械臂小臂构成平行四边形机构，以实现由小臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动。

3.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述三自由度力控并联加工模块包括：

并联模块定平台；

并联模块动平台；

末端执行器；

力控制单元；

第一支链，所述第一支链通过一个转动副与所述并联模块定平台连接，通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块动平台连接，所述第一支链包含一个由输入驱动的丝杠螺母运动副，以实现丝杠与螺母轴线之间的转动自由度以及丝杠沿支链的移动自由度；

第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同。所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证所述并联模块动平台与末端执行器固定连接后有一个移动自由度与两个转动自由度。

4.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合所述无人搬运车，以增大机器人优质工作空间范围；或直接安装于搭载于无人搬运车的直线导轨上或全行程直线导轨上，增大机器人工作行程。

5.根据权利要求3所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述第一支链包括：

所述第一支链包括：第一电机，所述第一电机的一端通过一个转动副与所述三自由度力控并联加工模块定平台相连；

第一丝杠螺母副，所述第一丝杠螺母副中螺母与所述第一电机相固结，以构成圆柱运动副，实现丝杠相对于螺母的直线进给自由度与相对转动自由度，所述第一丝杠螺母副中的丝杠通过一个虎克铰或两个轴线互相垂直的转动副实现与所述并联模块动平台相连。

6.根据权利要求3所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述力控制单元包括：

力控制弹簧，所述力控制弹簧在作业过程中通过对位置控制以实现末端正压力的控制；

阻尼减振器，所述阻尼减振器可通过与所述力控制弹簧的协调实现力控制条件下的振动抑制；

单元外壳，所述控制单元外壳则可与并联加工模块本体结构相结合克服所述单元不能承受力矩的问题。

7.根据权利要求3所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，所述三自由度力控并联加工模块力控制单元还包括：

力传感器，所述力传感器在作业过程中对所作用正压力进行反馈；

力/位混合控制算法，根据所述力传感器反馈的数据采用所述对所述力/位混合控制算法对三自由度力控并联模块末端执行器实现力/位混合控制。

8.根据权利要求3所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述力控制单元设置在所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链中所述丝杠与所述转动副相连接的位置，以实现对所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链的力控制；或设置在所述三自由度力控并联加工模块动平台与所述末端执行器相连接的位置；或采取无力控单元的结构形式。

9.根据权利要求8所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，三自由度力控并联加工模块可以通过搭载不同形式的末端执行器完成如打磨作业、焊接作业、铣钻作业不同种类的加工作业。