一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构

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@小白创作中心

一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构

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来源

https://www.xjishu.com/zhuanli/14/202411616952.html

本发明属于工业机器人，涉及一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构。

背景技术

随着数控和人工智能的快速发展，工业机器人在汽车、快递物流、航空航天、船舶制造等各个工业领域得到了广泛的应用，机器人辅助制造得到了广泛的应用，带来了工艺效率和产品质量的提升。现如今，机器人打磨被广泛应用于智能制造中，是世界各国研究的重点。

打磨效率直接影响产品的质量，因此打磨操作是整个生产过程中的关键部分。近年来，打磨加工中的体力劳动逐渐被工业机器人取代，有效提高了打磨效率和表面质量。工业机器人加工更加灵活、高效和经济，可以配备执行器、传感器和不同的末端执行器，实现精确的力控制，同时机器人加工可以加工大型工件，对于复杂曲面工件无需专用夹具即可加工，降低了加工成本。

机器人在执行打磨任务时会和工件产生直接接触产生接触力，接触力过大会造成机器人本体的损坏，甚至给操作人员和打磨环境带来危害，因此必须控制接触力在一定范围内。目前机器人打磨的力控制主要有两种方法，分别是直接力控制和间接力控制。直接力控制是通过控制关节的力矩来实现的，然而它极大地依赖于机器人精确的动力学模型以及实时和鲁棒控制方法，导致力控制的精度较低，惯性较大，响应速度相对较慢。间接力控制靠机器人末端执行器实现，其柔性更强，惯性更低，同时力和位移的混合控制可以通过间接力控制明显提高精度和响应速度。为实现力控制，末端执行器应表现出柔顺性，避免与工件过度接触，执行器可实现被动柔顺控制或主动柔顺控制。被动柔顺是指机器人在与环境接触时，通过一些辅助的柔顺机构，吸收或储存能量，使其能够自然地顺应外力，是控制接触力最简单的方法。主动柔顺控制是指在位置控制的基础上，机器人利用力反馈信息采取一定的控制策略对力进行主动控制。然而，主动柔顺控制要达到较高的稳定性并选择反馈策略，首先需要良好的力控制算法，然后需要具备快速学习能力来应对机器人和外界环境的变化，同时还需要更强的鲁棒性来适应外界环境的干扰，因此要求进给速度(即移动速度)应足够低，以保证精确的力控制，但这会降低加工效率。同时主动柔顺控制算法和机械结构远比被动柔顺控制复杂，力控制的精度不够好，尤其当末端执行器接触工件或表面为不规则时，力超调不可避免且相对较大，可能对精密仪器造成损坏和安全风险。

为了克服主动柔顺控制的缺点，本文的工作主要集中在被动柔顺控制方面，设计了一种柔顺机构。柔顺机构可以有效抑制打磨时产生的振动，在一定运动范围内提供稳定的接触力，从而实现高速打磨，因此末端执行器与工件接触时不存在力超调，也就是说柔顺机构起到缓冲器或隔离器的作用。

技术实现思路

为了达到上述目的，本发明提供一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构，解决了现有技术中存在的问题。该机构用于机械零件打磨的柔顺机构，作用于打磨工业机器人的末端执行器来实现柔性控制，可以抑制打磨过程中产生的振动，减小力波动，将工件与执行器末端接触时所产生的接触力控制在期望范围内，同时避免力超调，既保证了工人的身体健康，防止工件、末端执行器和打磨环境遭到破环，又提高了工件的表面质量，提高了生产效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于打磨工业机器人末端执行器的柔顺机构，包括内壳体、正刚度特性机构、负刚度特性机构和外壳体，所述内壳体上半部分与负刚度特性机构的一端相连接，下半部分与正刚度特性机构相连接，正刚度特性机构和负刚度特性机构的另一端均与外壳体相连接，其特征在于：所述内壳体为中空结构，可套在轴承上随着轴承的运动而运动，进而带动正刚度特性机构和负刚度特性机构运动；所述正刚度特性机构和负刚度特性机构另一端均直接连接固定外壳体，所述外壳体随着正刚度特性机构和负刚度特性机构的运动而运动，从而实现整体柔顺机构的运动。

进一步，所述内壳体整体呈圆柱状，上端设有凹槽，可通过凹槽固定打磨工具。

进一步，所述正刚度特性机构有3个，3个机构均在同一水平面内，且均匀的分布在内壳体的圆柱面的下半部分。

进一步，所述负刚度特性机构有3个，3个机构均在同一水平面内，且均匀的分布在内壳体的圆柱面的上半部分，每一个负刚度特性机构与一个正刚度特性机构位于同一母线上，且负刚度特性机构位于正刚度特性机构的上方。

进一步，所述外壳体也呈圆柱状，内部为中空结构，且直径约为内壳体的两倍，高度约为内壳体的一半；外壳体上方设有6个m6螺纹孔，且6个m6螺纹孔均匀分布在同一个圆环面内，可与法兰盘相连接来固定整体柔顺机构。

本发明的有益效果是：

没有采用单机构设计，而是采用刚度组合法，将负刚度和正刚度相组合。通过刚度组合机制对杨氏模量进行补偿，不需要采用具有低杨氏模量和高强模比的材料(这些材料在实际中是不容易获得的，而使用特殊材料制造可能难以形成特定形状)，降低了整体结构对材料性能的要求。
可以在不影响末端执行器打磨性能的前提下更好地对打磨时产生的振动进行抑制，总体上不存在灵敏度与性能之间的冲突。
柔顺机构本身的稳定性和过载承受能力优于其它的独立柔顺机构，即设计出的柔顺机构更加结实耐用。
圆柱形结构适用于旋转运动，能够使柔顺机构在运动过程中保持受力均匀，且可以使末端执行器的所有结构的质心在同一轴线上，各个机构均能保持同一种运动状态。
考虑到柔顺机构的稳定性和承载能力，总共选取三组正刚度特性机构和负刚度特性机构来进行设计，采用均匀分布结构，即三个正刚度特性机构和三个负刚度特性机构均匀分布在柔顺机构的内壳体上，相邻机构之间均相隔120°，且负刚度特性机构设置在上方，正刚度特性机构设置在下方。通过合理布置它们，使组合结构在沿设定的方向运动过程中保持稳定，同时还可以连接柔顺机构的外壳体。
整体机构结构简单且重量较轻，节省材料和降低负载的同时，便于制造和安装。

技术特征

一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构，包括内壳体(1)、正刚度特性机构(2)、负刚度特性机构(4)和外壳体(3)，所述内壳体(1)上半部分与负刚度特性机构(4)的一端相连接，下半部分与正刚度特性机构(2)的一端相连接，正刚度特性机构(2)和负刚度特性机构(4)的另一端均与外壳体(3)相连接，其特征在于：所述内壳体(1)为中空结构，可套在轴承上随着轴承的运动而运动，进而带动正刚度特性机构(2)和负刚度特性机构(4)运动；所述正刚度特性机构(2)和负刚度特性机构(4)另一端均直接连接固定外壳体(3)，所述外壳体(3)随着正刚度特性机构(2)和负刚度特性机构(4)的运动而运动，从而实现整体柔顺机构(10)的运动。
根据权利要求1所述的用于打磨工业机器人末端执行器的柔顺机构，其特征在于：所述内壳体(1)整体呈圆柱状，上端设有凹槽(6)，可通过凹槽(6)固定打磨工具。
根据权利要求1所述的用于打磨工业机器人末端执行器的柔顺机构，其特征在于：所述正刚度特性机构(2)有3个，3个机构均在同一水平面内，且均匀地分布在内壳体(1)的圆柱面的下半部分。
根据权利要求1所述的用于打磨工业机器人末端执行器的柔顺机构，其特征在于：所述负刚度特性机构(4)有3个，3个机构均在同一水平面内，且均匀地分布在内壳体(1)的圆柱面的上半部分，每一个负刚度特性机构(4)与一个正刚度特性机构(2)位于同一母线上，且负刚度特性机构(4)位于正刚度特性机构(2)的上方。
根据权利要求1所述的用于打磨工业机器人末端执行器的柔顺机构，其特征在于：所述外壳体(3)也呈圆柱状，内部为中空结构，且直径约为内壳体(1)的两倍，高度约为内壳体(1)的一半；外壳体(3)上方设有6个m6螺纹孔(5)，且6个m6螺纹孔(5)均匀分布在同一个圆环面内，可与法兰盘(9)相连接来固定整体柔顺机构(10)。

技术总结

本发明是一种用于工业机器人打磨末端执行器的柔顺机构，包括内壳体、正刚度特性机构、负刚度特性机构和外壳体，内壳体为中空的圆柱结构，与3个负刚度特性机构和3个正刚度特性机构的一端相连接，两种机构都均匀地分布在内壳体的圆柱面内，且两种机构的另一端均与外壳体相连接，内壳体可套在轴承上随着轴承的运动而运动，带动两种机构运动，进而带动外壳体运动，实现整体机构的运动。本发明作用于打磨工业机器人的末端执行器来实现柔性控制，可以抑制打磨过程中产生的振动，减小力波动，将打磨力控制在期望范围内，同时避免力超调，既保证了工人的身体健康，防止工件、末端执行器和打磨环境遭到破环，又提高了工件的表面质量，提高了生产效率。