一种末端柔性力控执行装置

摘要

本申请涉及一种末端柔性力控执行装置，其包括连接机构、一级浮动机构、二级浮动机构和传感器机构；连接机构用于固定连接至外部设备；一级浮动机构浮动连接于连接机构内；二级浮动机构浮动连接于一级浮动机构，用于安装操作设备；传感器机构固定连接于二级浮动机构，用于实时测得所述操作设备当前工作状态作用于被操作产品的压力值。本申请具有有助于提高控制机器人末端操作设备的操作力控精确度的效果。

权利要求

1.一种末端柔性力控执行装置，其特征在于：包括连接机构（1）、一级浮动机构（2）、二级浮动机构（3）和传感器机构（4）；连接机构（1）用于固定连接至外部设备；一级浮动机构（2）浮动连接于连接机构（1）内；二级浮动机构（3）浮动连接于一级浮动机构（2），用于安装操作设备；传感器机构（4）固定连接于二级浮动机构（3），用于实时测得所述操作设备作用于被操作产品的压力值；所述连接机构（1）包括底部连接法兰（11）和固定连接在底部连接法兰（11）一侧的第一螺纹杆（13），所述一级浮动机构（2）浮动连接于所述第一螺纹杆（13），所述底部连接法兰（11）用于连接至机器人；所述一级浮动机构（2）包括一级浮动组件（21）、一级传动组件（23）和动力组件（22），所述动力组件（22）通过所述一级传动组件（23）带动所述一级浮动组件（21）浮动于所述连接机构（1）；所述一级浮动组件（21）包括多个固定基板和固定连接多个所述固定基板的连接柱（214），所述固定基板对应所述第一螺纹杆（13）的位置均设置有让位通孔（215）；所述动力组件（22）包括驱动电机（221），所述驱动电机（221）固定连接在所述固定基板上；所述一级传动组件（23）包括主动轮（231）、从动轮和绕设在所述主动轮（231）和所述从动轮上的同步带（234）；所述主动轮（231）连接于所述驱动电机（221）的后输出轴；所述一级传动组件（23）还包括固定螺母座（236），所述固定螺母座（236）螺纹连接在所述第一螺纹杆（13）上，且固定连接在所述从动轮上；所述一级浮动机构（2）还包括接触连接组件，所述接触连接组件设于所述主动轮（231）和所述驱动电机（221）之间，所述接触连接组件包括电磁离合器（241）和离合器吸片（242），所述电磁离合器（241）固定连接在第一基板（211）上，所述离合器吸片（242）固定连接在所述主动轮（231）靠近所述第一基板（211）的一侧；当所述离合器吸片（242）闭合，所述驱动电机（221）的后输出轴带动所述主动轮（231）转动；反之，当所述离合器吸片（242）未闭合，所述驱动电机（221）的后输出轴不带动所述主动轮（231）转动；所述二级浮动机构（3）包括二级浮动组件（31），所述二级浮动组件（31）包括电机座板（311），电机座板（311）固定连接在所述驱动电机（221）的外壳上，所述电机座板（311）远离所述驱动电机（221）的一侧固定连接有滑移杆（312），所述滑移杆（312）上滑移连接有浮动板（321），所述浮动板（321）上设置有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺纹旋杆（323），所述螺纹旋杆（323）同轴固定连接在所述驱动电机（221）的前输出轴；所述浮动板（321）远离所述电机座板（311）的一侧固定连接有垫块（33），所述垫块（33）固定连接所述传感器机构（4）。

2.根据权利要求1所述的一种末端柔性力控执行装置，其特征在于：所述二级浮动机构（3）还包括导向座板（313），所述导向座板（313）固定连接在所述滑移杆（312）远离所述电机座板（311）的一侧，且所述导向座板（313）对应所述垫块（33）的位置设置有供所述垫块（33）位移的第二让位孔（314）。

3.根据权利要求1所述的一种末端柔性力控执行装置，其特征在于：所述二级浮动机构（3）还包括同轴减速机（34），所述同轴减速机（34）设置在所述驱动电机（221）和所述二级浮动组件（31）之间，所述同轴减速机（34）固定安装于所述驱动电机（221）的前输出轴，所述电机座板（311）固定连接在所述同轴减速机（34）的外壳，所述螺纹旋杆（323）同轴固定连接在所述同轴减速机（34）的输出轴。

4.根据权利要求1所述的一种末端柔性力控执行装置，其特征在于：所述传感器机构（4）包括压力传感组件，所述压力传感组件包括后支持板（41）和前支持板（42），以及固定连接在后支持板（41）和前支持板（42）之间的压力传感器（43），所述前支持板（42）用于安装所述操作设备，所述后支持板（41）固定连接在所述垫块（33）远离所述驱动电机（221）的一侧。

5.根据权利要求4所述的一种末端柔性力控执行装置，其特征在于：所述传感器机构（4）包括测距传感组件，所述测距传感组件包括距离传感器，所述距离传感器固定连接在所述垫块（33）上。

说明书

一种末端柔性力控执行装置

技术领域

[0001] 本申请涉及工业机器人的领域，尤其是涉及一种末端柔性力控执行装置。

背景技术

[0002] 在机械加工领域，零件的去毛刺、倒角和飞边等都需要进行打磨，这是生产中非常重要的工序。传统方法多采用人工打磨，需要大量的人工资源，工作环境恶劣，对作业人员身体伤害很大，而且，作业质量依赖于工作人员长期的经验和熟练程度，打磨质量不能得到保障。随着科技的发展，工业机器人以其灵活性强、控制简单、成本低等优点逐步应用于零件的装配、打磨、抛光等设备，并且有了较好的应用和发展。

[0003] 打磨属于机械精加工的范畴，而机器人手臂与被加工工件直接进行接触时往往力度不稳，很容易造成产品瑕疵或者损坏报废，非常影响产品质量和生产效率。所以在机械加工领域需要工业机器人具有接触力的感知和控制力的能力。工业机器人的力控制有主动式力控制和被动式力控制，主动式力控制就是通过调节机器人各个关节力矩来调整末端输出力，被动式力控制是指在工业机器人末端安装力控装置，如传感器等，通过力控装置来调节机器人末端输出力的大小，主动式力控制需要建立复杂的动力学模型，实现起来比较复杂，而且具有迟缓性，所以针对工业机器人末端工具力的大小控制多采用被动式力控制。

[0004] 目前，现有的末端力控装置大多采用伺服电机或者气压驱动，气压驱动属于非线性控制，气体响应迟滞，力控精度不高，不能做到快速调节工业机器人末端力的大小，而伺服电机驱动相对于气压驱动响应较快，但是目前使用电机驱动的末端力控装置仍然存在成本较高、柔性较差，响应速度仍需提高的问题。

发明内容

[0005] 为了有助于提高控制机器人操作力度的精确度，本申请提供一种末端柔性力控执行装置。

[0006] 本申请提供的一种末端柔性力控执行装置采用如下的技术方案：

[0007] 一种末端柔性力控执行装置，包括连接机构、一级浮动机构、二级浮动机构和传感器机构；连接机构用于固定连接至外部设备；一级浮动机构浮动连接于连接机构内；二级浮动机构浮动连接于一级浮动机构，用于安装操作设备；传感器机构固定连接于二级浮动机构，用于实时测得所述操作设备作用于被操作产品的压力值。

[0008] 通过采用上述技术方案，基于传感器机构的检测结果，如果检测结果与预设的差距比较小的情况下，可以直接启动二级浮动机构进行微调；如果与预设的差距比较大的情况下，可以利用一级浮动组件快速调节二级浮动机构的浮动位置，从而用于调节连接在二级浮动机构上操作设备的浮动位置，从而初步调节操作设备作用于产品的作用力；然后再继续根据传感器机构的实时检测结果，可以再利用二级浮动机构在一级浮动机构调节后的基础上，继续调节操作设备的浮动位置，从而更加精确调节操作设备作用在产品上的作用力；因此可以利用上述结构实现实时调节操作设备的作用力，以及保持恒力作用的目的；且采用两级浮动调节机构，调节的效率高，响应快，有利于提高控制机器人操作力度的精确度。

[0009] 作为优选，所述连接机构包括底部连接法兰和固定连接在底部连接法兰一侧的第一螺纹杆，所述一级浮动机构浮动连接于所述第一螺纹杆，所述底部连接法兰用于连接至机器人。

[0010] 通过采用上述技术方案，连接机构用于实现机器人的连接，为一级浮动机构、二级浮动机构和传感器机构提供基础的支撑结构。

[0011] 作为优选，所述一级浮动机构包括一级浮动组件、一级传动组件和动力组件，所述动力组件通过所述一级传动组件带动所述一级浮动组件浮动于所述连接机构；所述一级浮动组件包括多个固定基板和固定连接多个所述固定基板的连接柱，所述固定基板对应所述第一螺纹杆的位置均设置有让位通孔；所述动力组件包括驱动电机，所述驱动电机固定连接在所述固定基板上。

[0012] 通过采用上述技术方案，固定基板用于为驱动电机提供安装的基础支撑结构，使得一级浮动组件能够利用驱动电机和一级传动组件在第一螺纹杆上浮动。

[0013] 作为优选，所述一级传动组件包括主动轮、从动轮和绕设在所述主动轮和所述从动轮上的同步带；所述主动轮连接于所述驱动电机的后输出轴；所述一级传动组件还包括固定螺母座，所述固定螺母座螺纹连接在所述第一螺纹杆上，且固定连接在所述从动轮上。

[0014] 通过采用上述技术方案，通过带轮传动实现驱动电机的动力传递，然后通过固定螺母座将带轮传动的转动动作，转换为丝杠运动的直线运动，从而实现了一级浮动机构的浮动动作。

[0015] 作为优选，所述一级浮动机构还包括接触连接组件，所述接触连接组件设于所述主动轮和所述驱动电机之间，所述接触连接组件包括电磁离合器和离合器吸片，所述电磁离合器固定连接在第一基板上，所述离合器吸片固定连接在所述主动轮靠近所述第一基板的一侧；当所述离合器吸片闭合，所述驱动电机的后输出轴带动所述主动轮转动；反之，当所述离合器吸片未闭合，所述驱动电机的后输出轴不带动所述主动轮转动。

[0016] 通过采用上述技术方案，接触连接组件利用电磁离合器用于控制驱动电机与主动轮之间的转动连接，从而不需要使得驱动电机停止，就方便快速停止驱动电机对主动轮的驱动动作。

[0017] 作为优选，所述二级浮动机构包括二级浮动组件和二级传动组件，所述二级浮动组件包括电机座板，所述电机座板固定连接在所述驱动电机的外壳上，所述电机座板远离所述驱动电机的一侧固定连接有滑移杆；所述二级浮动组件包括滑移连接在所述滑移杆上的浮动板，所述浮动板上设置有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺纹旋杆，所述螺纹旋杆同轴固定连接在所述驱动电机的前输出轴；所述浮动板远离所述电机座板的一侧固定连接有垫块，所述垫块固定连接所述传感器机构。

[0018] 通过采用上述技术方案，通过驱动电机的前驱动轴实现对螺纹旋杆的动力控制，然后在利用螺纹旋杆和浮动板上设置的螺纹孔结构实现丝杠原理的位移，从而实现浮动板的浮动，即实现垫块的浮动，进而可以实现传感器机构的浮动，从而有利于实现恒力控制；且当电磁离合器使得离合器吸片未闭合时，此时驱动电机的前输出轴可以继续带动二级浮动机构的浮动，继续调节操作设备作用于产品力的大小。

[0019] 作为优选，所述二级浮动机构还包括导向座板，所述导向座板固定连接在所述滑移杆远离所述电机座板的一侧，且所述导向座板对应所述垫块的位置设置有供所述垫块位移的第二让位孔。

[0020] 通过采用上述技术方案，导向座板有利于限制浮动板的最大浮动距离，且第二让位孔不容易影响垫块的位移。

[0021] 作为优选，所述二级浮动机构还包括同轴减速机，所述同轴减速机设置在所述驱动电机和所述二级浮动组件之间，所述同轴减速机固定安装于所述驱动电机的前输出轴，所述电机座板固定连接在所述同轴减速机的外壳，所述螺纹旋杆同轴固定连接在所述同轴减速机的输出轴。

[0022] 通过采用上述技术方案，减速机有利于降低转速，有利于实现精确调节浮动的距离，从而有利于实现恒力的精确控制，减少浮动的次数。

[0023] 作为优选，所述传感器机构包括压力传感组件，所述压力传感组件包括后支持板和前支持板，以及固定连接在后支持板和前支持板之间的压力传感器，所述前支持板用于安装所述操作设备，所述后支持板固定连接在所述垫块远离所述驱动电机的一侧。

[0024] 通过采用上述技术方案，操作设备作用于产品的力度大小，可以通过压力传感器实时感应测得，从而有利于一级浮动机构和二级浮动机构调节浮动距离，从而有利于实现恒力控制。

[0025] 作为优选，所述传感器机构包括测距传感组件，所述测距传感组件包括距离传感器，所述距离传感器固定连接在所述垫块上。

[0026] 通过采用上述技术方案，还可以包括测距传感器，测距传感器可以实时测得操作设备距离产品的高度，有利于与压力传感器的检测结果做对比，从而有利于进一步保障作用在产品上恒力的控制，提高控制的精确度。

[0027] 综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

[0028] 1.采用两级浮动机构，使得工业机器人在打磨作业时能够轴向浮动，保证轴向力为恒力，比如，即使是在打磨复杂曲面时，也能做到柔性控制，不会造成打磨工具的损坏；

[0029] 2.两级浮动机构可实现两段力控，一级浮动机构可以快速响应调节末端力的大小，效率高，二级浮动机构可以实现更加精确的调节末端力的大小，精度高，提高打磨的质量；

[0030] 3.采用压力传感器的方式能够实现对压力的实时测量，从而有利于实现更加精确的恒力控制。

附图说明

[0031] 图1是本申请实施例的整体结构示意图；

[0032] 图2是本申请实施例中，主要用于展示连接机构和一级浮动组件的结构示意图；

[0033] 图3是本申请实施例中，主要用于展示一级浮动机构的结构示意图；

[0034] 图4是本申请实施例中，主要用于展示一级浮动机构的爆炸图；

[0035] 图5是本申请实施例中，主要用于展示一级浮动机构的进一步爆炸图；

[0036] 图6是本申请实施例的爆炸示意图，主要用于展示二级浮动组件的结构示意图；

[0037] 图7是本申请实施例中，传感器机构的爆炸示意图。

[0038] 附图标记：1、连接机构；11、底部连接法兰；12、前部连接大板；121、第一让位孔；13、第一螺纹杆；14、导向杆；2、一级浮动机构；21、一级浮动组件；211、第一基板；212、第二基板；213、第三基板；214、连接柱；215、让位通孔；216、第一滚珠轴承；22、动力组件；221、驱动电机；23、一级传动组件；231、主动轮；232、第一从动轮；233、第二从动轮；234、同步带；
235、滚动轴承组件；236、固定螺母座；237、前推力轴承；238、后推力轴承；241、电磁离合器；
242、离合器吸片；3、二级浮动机构；31、二级浮动组件；311、电机座板；312、滑移杆；313、导向座板；314、第二让位孔；32、二级传动组件；321、浮动板；322、中心导孔板；323、螺纹旋杆；
324、第二滚珠轴承；33、垫块；34、同轴减速机；4、传感器机构；41、后支持板；42、前支持板；
43、压力传感器；44、第一支持块；45、第二支持块。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图1‑7对本申请作进一步详细说明。

[0040] 本申请实施例公开一种末端柔性力控执行装置。参照图1，一种末端柔性力控执行装置包括连接机构1、一级浮动机构2、二级浮动机构3和传感器机构4。

[0041] 参照图1和图2，连接机构1包括平行设置的均设为圆形板状的底部连接法兰11和前部连接大板12，以及固定连接在底部连接法兰11和前部连接大板12之间的第一螺纹杆13和导向杆14。本申请中，第一螺纹杆13设置有两个，且对称分布在底部连接法兰11和前部连接大板12之间；导向杆14设置有两个，且对称分布在底部连接法兰11和前部连接大板12之间。

[0042] 参照图1和图3，一级浮动机构2设置在底部连接法兰11和前部连接大板12之间，且浮动于导向杆14上。一级浮动机构2包括一级浮动组件21、动力组件22、一级传动组件23和接触连接组件。

[0043] 参照图4和图5，一级浮动组件21包括多个固定基板，多个固定基板为依次平行于底部连接法兰11设置的第一基板211、第二基板212和第三基板213；第一基板211、第二基板212和第三基板213均为圆形板，且与底部连接法兰11共轴心线设置；第一基板211、第二基板212和第三基板213通过多个圆周等间距分布的连接柱214固定连接，本实施例以四个连接柱214为例。四个连接柱214分别错位于第一螺纹杆13和导向杆14设置，且第一基板211、第二基板212和第三基板213对应四个第一螺纹杆13的位置均开设有供第一螺纹杆13和导向杆14穿过的让位通孔215。为了使得第一基板211、第二基板212和第三基板213在导向杆
14上滑移地更加顺畅，第二基板212和第三基板213上对应导向杆14的通孔内设置有第一滚珠轴承216。

[0044] 动力组件22包括驱动电机221，驱动电机221共轴心线贯穿固定安装在第一基板211、第二基板212和第三基板213上，且驱动电机221的后输出轴伸出第一基板211远离第二基板212的一侧。前部连接大板12对应驱动电机221的位置开设有第一让位孔121。

[0045] 一级传动组件23包括主动轮231、第一从动轮232、第二从动轮233和绕设在主动轮231、第一从动轮232、第二从动轮233外侧的同步带234；主动轮231与驱动电机221的后输出轴通过接触连接组件连接，且主动轮231的轴心处设置有滚动轴承组件235，以保证主动轮
231转动的稳定性。第一从动轮232和第二从动轮233对称分布在主动轮231的两侧，且一一对应贯穿于两个第一螺纹杆13。第一从动轮232和第二从动轮233靠近第二基板212的一侧固定安装有固定螺母座236，固定螺母座236与第一螺纹杆13螺纹连接。为了实现第一从动轮232和第二从动轮233更加顺畅地浮动于第一螺纹杆13，固定螺母座236远离第一从动轮
232或第二从动轮233的一侧设置有前推力轴承237，第一从动轮232和第二从动轮233远离其对应的固定螺母座236的一侧设置有后推力轴承238。

[0046] 接触连接组件包括电磁离合器241和离合器吸片242，电磁离合器241安装于第二基板212靠近第一基板211的一侧，且同轴于驱动电机221的后输出轴。离合器吸片242固定安装于主动轮231靠近驱动电机221的一侧。当离合器吸片242闭合，驱动电机221的后输出轴带动主动轮231转动，为增加装置稳定性；反之，当离合器吸片242不闭合，驱动电机221的后输出轴脱离主动轮231，从而不带动主动轮231动作。

[0047] 参照图6，二级浮动机构3包括二级浮动组件31和二级传动组件32，二级浮动组件31包括方形的电机座板311，电机座板311直接或间接固定安装于驱动电机221的外壳。电机座板311远离驱动电机221一侧的四个直角处垂直固定安装有四个滑移杆312。二级传动组件32包括方形的浮动板321，浮动板321滑移连接在滑移杆312上，浮动板321平行于电机座板311，且浮动板321和滑移杆312之间设置有便于滑移的第二滚珠轴承324。浮动板321的中部固定连接有中心导孔板322，中心导孔板322的中心轴线处设置有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有螺纹旋杆323，螺纹旋杆323远离中心导孔板322的一端同轴直接或间接固定安装于驱动电机221的前输出轴。中心导孔板322远离螺纹旋杆323的一侧设置有垫块33，垫块33对应所述螺纹孔的位置设置有贯穿孔。滑移杆312远离电机座板311的端部固定安装有方形的导向座板313，导向座板313平行于电机座板311，且导向座板313对应所述垫块33的位置开设有供垫块33位移的第二让位孔314。

[0048] 二级浮动组件31可直接连接于驱动电机221的前输出轴，也可以通过同轴减速机34间接连接至驱动电机221的前输出轴。

[0049] 方案一，二级浮动组件31可直接连接于驱动电机221的前输出轴：

[0050] 电机座板311直接固定安装于驱动电机221的外壳，同时螺纹旋杆323同轴固定安装于驱动电机221的前输出轴，图中未示出。

[0051] 方案二，二级浮动组件31通过同轴减速机34连接至驱动电机221的前输出轴：二级浮动机构3还包括同轴减速机34，驱动电机221的前输出轴安装有同轴减速机34，电机座板311固定安装在同轴减速机34远离驱动电机221一端的外壳上；同时，同时螺纹旋杆323同轴固定安装于同轴减速机34的输出轴。同轴减速机34能够降低转速，增加转矩，适用不同的转速需求，从而根据不同的工况调节二级浮动组件31浮动距离的响应速度，进而有助于保持末端加工设备的恒力操作。

[0052] 参照图6和图7，传感器机构4包括压力传感组件，压力传感组件包括均为圆形的后支持板41和前支持板42，以及固定连接在后支持板41和前支持板42之间的压力传感器43。后支持板41固定安装在垫块33远离浮动板321的一侧。压力传感器43设置为贴片式压力传感器43，贴片式压力传感器43的中部设置有形变孔。贴片式压力传感器43的一端侧壁通过第一支持块44固定安装在后支持板41上，另一端侧壁通过第二支持块45固定安装在前支持板42上。第一支持块44和第二支持块45使得贴片式压力传感器43分别与后前支持板42和支持板之间形成设定间距，以满足贴片式压力传感器43产生形变的需要。后支持板41远离贴片式压力传感器43的一侧用于安装机器人末端加工设备，如抛光设备等。通过压力传感组件用来感知末端力的大小，从而根据力的大小调节末端加工设备作用在产品上的力度。

[0053] 传感器机构4还可包括距离传感器组件，距离传感器组件可设置为红外测传感器或者伸缩距离传感器等，图中未示出。

[0054] 本申请实施例一种末端柔性力控执行装置的实施原理为：本申请是一种基于力传感器的末端定力输出法兰，区别与传统使用力传感器仅作力采集装置，依靠机器人自身对轨迹进行调整优化的策略，该方案具有执行机构，因此响应快，精度高，稳定性，增强系统的鲁棒性好的优势。该设计方案能使工业机器人在打磨作业时轴向浮动，保证轴向力为恒力，即使是在打磨复杂曲面时，也能做到柔性控制，不会造成打磨工具的损坏。两级浮动机构，可实现分时两段力控，快速响应调节末端力的大小，效率高、成本低，安装快捷。

[0055] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。