[實(shí)用新型]一種基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201420499890.0
• 申請(qǐng)日: 2014-09-01
• 公開（公告）號(hào): CN204123270U
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙夙;韓旭;邢春貴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)遠(yuǎn)大科技園有限公司
• 主分類號(hào): B24B51/00
• 分類號(hào): B24B51/00;B24B27/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)優(yōu)普達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 呂敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊。

背景技術(shù)

對(duì)于需要主動(dòng)力控的接觸式操作，例如磨削和去毛刺，現(xiàn)在可以通過使用工業(yè)化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和附加的終端模塊來實(shí)現(xiàn)。最近許多公司（像ABB，F(xiàn)anuc，Pushcorp，ATI）已經(jīng)把力控特性整合到其現(xiàn)有的產(chǎn)品中。ABB和Fanuc公司就是通過每個(gè)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)和齒輪箱來實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸點(diǎn)的力控的，其他的則是通過包含氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附加終端模塊來實(shí)現(xiàn)力控的。但是這些力控操作都是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)的，存在著精度低和反應(yīng)遲滯等問題。

對(duì)于接觸式操作的力控性能，有效的任務(wù)空間慣量在其中扮演了一個(gè)很重要的角色。例如，降低空間慣量可以提高力控的帶寬，同時(shí)可以減小從空程到約束動(dòng)作的沖擊力。以下為對(duì)當(dāng)前力控解決方案存在的問題進(jìn)行論述：

商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)如工業(yè)機(jī)械手通常使用各個(gè)關(guān)節(jié)處的力矩執(zhí)行器來產(chǎn)生操作點(diǎn)所需的接觸力。由于關(guān)節(jié)執(zhí)行器需要對(duì)連桿重量和非線性關(guān)節(jié)干擾因素（如關(guān)節(jié)摩擦力）進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致所需的關(guān)節(jié)力/力矩大于直驅(qū)伺服執(zhí)行器所能提供的最大力/力矩，由此，變速箱被用來提高關(guān)節(jié)伺服執(zhí)行器所能提供的力/力矩。雖然變速箱的解決方案對(duì)大多數(shù)動(dòng)作控制應(yīng)用都有效，但不足之處是變速箱引入了非線性干擾因素（如關(guān)節(jié)摩擦力和關(guān)節(jié)的撓性變形），同時(shí)變速箱提供的有效慣量同變速比的平方根成正比，因此就需要提供較高的任務(wù)空間慣量，這樣導(dǎo)致沖擊力（從自由運(yùn)動(dòng)到約束運(yùn)動(dòng)）很高，可能導(dǎo)致工件或者機(jī)器人系統(tǒng)的損壞。伴隨著較高任務(wù)空間慣量的另一個(gè)問題是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變低，這就不適用于大多數(shù)交互式的任務(wù)。在當(dāng)今商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)里廣泛應(yīng)用的對(duì)于高沖擊力的解決方案是在靠近約束區(qū)域的時(shí)候限定機(jī)器人的速度，這個(gè)方法通常是要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行離線示教，而且這種方法只適用于有規(guī)律的環(huán)境中。這種離線示教所需要的工作量是非常大的而且低響應(yīng)存在于大多數(shù)商業(yè)化機(jī)器人系統(tǒng)中，如ABB，F(xiàn)anuc等等。

由于現(xiàn)存的大部分工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)都是基于位置的系統(tǒng)，可以通過一個(gè)附加的模塊來實(shí)現(xiàn)力控能力，進(jìn)而擴(kuò)展了系統(tǒng)在接觸式操作中的能力。現(xiàn)有的商業(yè)話解決方案由PushCorp，ATI等公司以氣動(dòng)或液壓的形式提供。雖然這些方案可以讓傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人具備力控的能力，但是較慢的反應(yīng)時(shí)間這個(gè)問題依然存在，尤其是在需要更高接觸力的時(shí)候就變得尤為突出。

對(duì)于可調(diào)的被動(dòng)服從式或者是可變剛度機(jī)構(gòu)，現(xiàn)今有很多的實(shí)現(xiàn)方式。但是這些方式都是使用宏觀結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)馬達(dá)，因此這些機(jī)構(gòu)往往是很笨重的，而且剛度的變化速度也是很遲緩的，因?yàn)樨?fù)責(zé)調(diào)節(jié)剛性的齒輪傳動(dòng)馬達(dá)的慣量很大。這些限制導(dǎo)致他們不適用于接觸式機(jī)加過程中的交互式力控，這個(gè)過程中需要100Hz或者更高的帶寬。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明提供一種高精度、高動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能的的基于可變剛度柔性機(jī)構(gòu)的力控制模塊。這種高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可作為一個(gè)附加模塊為傳統(tǒng)位置控制系統(tǒng)提供高性能的動(dòng)作和直接力控能力。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括殼體、置于殼體兩端的蓋板、柔性機(jī)構(gòu)、壓電驅(qū)動(dòng)器、預(yù)緊鋼球及傳感器，所述柔性機(jī)構(gòu)置于殼體兩蓋板之間，柔性機(jī)構(gòu)兩端與蓋板間分別設(shè)置壓電驅(qū)動(dòng)器，所述蓋板與壓電驅(qū)動(dòng)器間設(shè)有預(yù)緊鋼球，所述傳感器置于柔性機(jī)構(gòu)的輸出端。

進(jìn)一步地，所述柔性機(jī)構(gòu)包括至少兩排、兩列縱橫交錯(cuò)的彈片和輸出軸，所述輸出軸連接于縱橫交錯(cuò)的整體彈片之間，輸出軸上設(shè)置有傳感器；兩橫向彈片端部分別與壓電驅(qū)動(dòng)器接觸。

進(jìn)一步地，所述兩排橫向彈片間留有的距離為彈片長(zhǎng)度的十分之一至二分之一，每個(gè)彈片的寬度為彈片長(zhǎng)度的十分之一至三分之一。

進(jìn)一步地，所述輸出軸端還設(shè)置有連接法蘭。

進(jìn)一步地，所述蓋板上設(shè)置有容置預(yù)緊鋼球的凹槽。

進(jìn)一步地，所述蓋板與殼體之間留有調(diào)整間隙，通過預(yù)緊螺栓調(diào)整。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明在接觸式的操作過程中，其剛性是主動(dòng)式可變的，這樣對(duì)于作用在物體上的接觸力和顯微操縱器的位移就可以單獨(dú)進(jìn)行控制。