CN109623868A - 柔性适配装置和机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性适配装置以及装设有该柔性适配装置的机械臂，该柔性适配装置包括：第一法兰，第一法兰连接于传感器；第二法兰，第二法兰连接于机械臂末端；弹性机构，弹性机构在第一法兰和第二法兰之间形成弹性支撑；阻尼减振机构，阻尼减振机构连接在第一法兰和第二法兰之间，以在第一法兰和第二法兰的径向方向和轴向方向上配合弹性支撑进行减振，该柔性适配装置配装于机械臂末端，可以实现机械臂末端的柔性。
Description
技术领域
本发明涉及机械装配技术领域，特别涉及一种柔性适配装置和机械臂。
背景技术
空间机械臂是空间站建造和运行维护的核心工具，由于空间机械臂产品本身和对其的操作方法都十分复杂，在正式使用之前，需要在地面开展任务验证，以保证空间机械臂在轨任务的顺利实施。
空间机械臂在轨工作的环境为微重力，在地面上为空间机械臂创造与轨道环境一致的微重力环境很困难，导致地面上基于实物的任务验证十分困难。为满足空间机械臂在轨工况全覆盖的验证要求，机械臂在约束空间运动最主要的验证方式是采用半物理验证系统进行验证。半物理验证系统模拟真实空间机械臂在轨操作的运动学和动力学特性，模拟真实空间机械臂的三维运动、在轨捕获、接触碰撞动力学特性等在轨操作任务。空间机械臂的地面验证系统(下文统一简称地面验证系统)是基于两台地面工业机械臂和高精度实时测量系统，采用智能机械臂控制技术，结合了实时动力学仿真和实时硬件接触测试的优点，在地面重力环境下实现空间机械臂在轨任务的多自由度模拟。
目前，一般的做法是通过复杂的机器人控制算法来实现，在地面重力环境下模拟空间机械臂的一系列特性，其中也包括模拟空间机械臂末端的柔性，但是该做法实施难度很高，因为算法控制的机械臂是存在0.2至0.5秒的时滞，在一般的工况中这个时滞可以接受，但在接触碰撞的工况中，碰撞持续的时间非常短，0.2至0.5秒的时滞会给整个地面验证系统带来不可预估的危险，有可能造成末端执行器、适配器或者工业机械臂等装备的损坏。
在《Modeling,Stability Analysis,and Testing of a Hybrid DockingSimulator》中的作者提出用一种柔顺机构，该柔顺机构由四根弹簧和一个轴组成，其中一根弹簧的一端固定在传感器处，另一端和轴相连接，另外三根弹簧的连接在轴与刚性圆柱体之间、并且三根弹簧的连接在轴同一连接点，该连接点可以沿着轴自由滑动而没有摩擦，该柔顺机构中的弹簧的线性可压缩特性，使该机构可以在轴向和径向实现机械臂末端的部分的柔性(另一部分的柔性是由机器人控制算法实现的)，从而降低空间机械臂的控制难度，但是由于该柔顺机构主要是用于空间机械臂控制算法的验证，其末端承载能力差，仅能承载3公斤的重量，无法按照实际工况连接大质量的末端执行器或者适配器，进而无法在安装有真实的末端执行器或适配器的地面验证系统中使用。
此外，在工业、医疗以及探海等其他领域应用的机械臂，也存在需要实现机械臂的柔性以降低控制难度的问题。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种柔性适配装置，以配装于机械臂，实现机械臂末端的柔性并提高机械臂末端的承载能力，降低机械臂在接触碰撞的工况中发生损坏的可能性，该柔性适配装置包括：
第一法兰，所述第一法兰连接于传感器；
第二法兰，所述第二法兰连接于机械臂末端；
弹性机构，所述弹性机构在所述第一法兰和所述第二法兰之间形成弹性支撑；
阻尼减振机构，所述阻尼减振机构连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间，以在所述第一法兰和所述第二法兰的径向方向和轴向方向上配合所述弹性支撑进行减振。
可选地，所述弹性机构包括连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间的弹簧阵列。
可选地，所述弹簧阵列包括等角度分布的四根弹簧。
可选地，所述第一法兰和所述第二法兰均为圆盘状，所述四根弹簧沿所述圆盘状的外周布置。
可选地，所述弹簧阵列中的每根弹簧通过安装架固定在所述第一法兰和所述第二法兰之间。
可选地，所述弹簧阵列中的各根弹簧同向倾斜布置。
可选地，所述阻尼减振机构包括连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间的阻尼减振器阵列。
可选地，所述阻尼减振器阵列与所述弹簧阵列交错布置。
可选地，所述第一法兰具有传感器安装孔，所述第二法兰具有机械臂安装孔。
本发明的另一实施例中提供了一种机械臂，所述机械臂装设有如上任一项所述的柔性适配装置。
可见，基于上述实施例，该柔性适配装置可以通过第一法兰与传感器连接、通过第二法兰固定于机械臂(例如地面验证系统中的工业机械臂)的末端，弹性机构可以实现在第一法兰和第二法兰之间形成弹性支撑，并且阻尼减振机构可以在第一法兰和第二法兰的径向方向和轴向方向上配合所述弹性支撑进行减振，由于弹性机构和阻尼减振机构配合在第一法兰和第二法兰之间所形成的具有减振作用的弹性支撑，使得该柔性适配装置可以实现机械臂末端的柔性，从而降低机械臂末端的控制难度。
此外，在地面验证系统中的工业机械臂应用该柔性适配装置，由于弹性机构和阻尼减振机构相互配合，在第一法兰和第二法兰之间所形成的兼具减振效果的弹性支撑，使得该柔性适配装置可以实现地面验证系统中的工业机械臂末端的部分柔性(另一部分的柔性是由机器人控制算法实现的)，从而降低地面验证系统中的工业机械臂的控制难度，进而可以使得地面验证系统更准确、更真实的体现空间机械臂在微低重力环境中的的动力学特性在，同时，与背景技术中提到的柔顺机构相比，该柔性适配装置可以提高工业机械臂末端的承载能力，使得地面验证系统中的工业机械臂末端承载更加稳定，进而可以按照实际工况连接大质量的末端执行器或者适配器。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定发明的范围。
图1为本发明的一个实施例中的柔性适配装置的示意性结构图；
图2为图1所示实施例中的弹簧轴线与第二法兰轴线的夹角的示意图；
图3为本发明的一个实施例中的弹性机构与阻尼减振机构的示意性结构图；
图4为本发明的一个实施例中的第一法兰配装安装架后的示意性结构图；
图5为本发明的一个实施例中的第二法兰配装安装架后的示意性结构图。
标记说明
10、柔性适配装置
11、第一法兰
111、第一法兰的下表面
12、第二法兰
121、第二法兰的上表面
13、弹簧
131、弹簧连接件
14、阻尼减振器
141、阻尼减振器底座
142、阻尼减振器顶部
15、安装架
151、弹簧安装孔
16、传感器安装孔
17、机械臂安装孔
18、螺栓
1、弹簧轴线
2、第二法兰轴线
θ、弹簧轴线与第二法兰轴线的夹角
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
请参见图1，图1为本发明的一个实施例中的柔性适配装置10的示意性结构图，在本发明一个实施例中，一种柔性适配装置10包括：
第一法兰11，第一法兰11连接于传感器；
第二法兰12，第二法兰12连接于机械臂末端；
弹性机构，弹性机构在第一法兰11和第二法兰12之间形成弹性支撑；
阻尼减振机构，阻尼减振机构连接在第一法兰11和第二法兰12之间，以在第一法兰11和第二法兰12的径向方向和轴向方向上配合弹性支撑对第一法兰11和第二法兰12进行减振。
基于上述结构，该柔性适配装置10可以通过第一法兰11与传感器连接、通过第二法兰12固定于机械臂(例如地面验证系统中的工业机械臂)的末端，弹性机构可以实现在第一法兰11和第二法兰12之间形成弹性支撑，并且阻尼减振机构可以在第一法兰11和第二法兰12的径向方向和轴向方向上配合所述弹性支撑进行减振，由于弹性机构和阻尼减振机构配合在第一法兰11和第二法兰12之间所形成的具有减振作用的弹性支撑，使得该柔性适配装置10可以实现机械臂末端的柔性，从而降低机械臂控制难度。
进一步地，地面验证系统包括两台地面工业机械臂和高精度实时测量系统，其中，高精度实时测量系统包括有视觉传感器、力和力矩传感器等。为了使地面验证系统更准确、更真实的体现空间机械臂在微低重力环境中的动力学特性，在地面验证系统中，两台工业机械臂的中的一台的末端装配有本实施例中的柔性适配装置10，例如，一台工业机械臂连接末端执行器、另一台工业机械臂连接适配器，连接末端执行器的工业机械臂的末端装配柔性适配装置10，连接适配器的工业机械臂不装配柔性适配装置10，或者，连接末端执行器的工业机械臂的末端不装配柔性适配装置10，连接适配器的工业机械臂装配柔性适配装置10，在上述两台工业机械臂执行对接任务时，末端执行器和适配器对接发生碰撞，该柔性适配装置10的弹性机构和阻尼减振机构相互配合，在第一法兰11和第二法兰12之间所形成的具有减振作用的弹性支撑，使得该柔性适配装置10可以实现在地面验证系统中的工业机械臂末端的部分柔性(机器人控制的算法实现另一部分柔性)，由此降低了地面验证系统中的工业机械臂的控制难度。此外，与背景技术中提到的柔顺机构相比，该柔性适配装置可以使地面验证系统中的工业机械臂末端具有更好的承载能力，承载的稳定性更高，机械臂末端可以按照实际工况连接大质量的末端执行器、适配器或者其他器件。
需要说明的是，由于地面验证系统是在地面重力环境下实现空间机械臂在轨任务的多自由度模拟，其中，地面验证系统中的工业机械臂末端的柔性通过柔性适配装置和机器控制算法共同实现的，所以该柔性适配装置仅可以是实现地面验证系统中的工业机械臂末端的部分柔性。
在本发明一个实施例中，如图1和图3所示，图3为本发明的一个实施例中的弹性机构与阻尼减振机构的示意性结构图，该柔性适配装置10的弹性机构包括连接在第一法兰11和第二法兰12之间的弹簧阵列。
具体地，该弹簧阵列可以包括等角度分布的四根弹簧13，第一法兰11和第二法兰12可以均为圆盘状，四根弹簧13沿所述圆盘状的外周布置，可以在轴向方向和径向方向上对第一法兰11和第二法兰12的弹性支撑。
在本发明一个实施例中，如图1所示，弹簧阵列中的每根弹簧13通过安装架15固定在第一法兰11和第二法兰12；
具体地，弹簧13可以通过弹簧连接件131与安装架15开设的弹簧安装孔151配合连接固定，例如，弹簧连接件131与弹簧安装孔151螺接固定；
在本发明一个实施例中，如图4和图5所示，图4为本发明的一个实施例中的第一法兰11配装安装架15后的示意性结构图；图5为本发明的一个实施例中的第二法兰12配装安装架15后的示意性结构图；
多个安装架15可以分别通过螺栓18固定于第一法兰的下表面111的相应位置和第二法兰的上表面121的相应位置，以使每根弹簧13可以稳固地固定的于第一法兰11和第二法兰12之间。
进一步地，如图1和图2所示，图2为图1所示实施例中的弹簧轴线1与第二法兰轴线2的夹角θ的示意图，弹簧阵列中的各根弹簧13同向倾斜布置，优选地，弹簧轴线1与第二法兰轴线2的夹角θ为15度，可以更好的形成对第一法兰11和第二法兰12的弹性支撑，进而可以在轴向方向和径向方向上更好地实现机械臂末端的柔性。
具体地，弹簧13可以是切槽弹簧，在保证该柔性适配装置10的轴向刚度和径向刚度均小于机械臂的轴向刚度和径向刚度的前提下，该切槽弹簧的尺寸、数量、切槽弹簧的槽宽和槽距、切槽弹簧轴线与第二法兰轴线2的夹角θ等均可以根据机械臂的轴向刚度和径向刚度的变化而进行调整，可以满足不同尺寸、不同刚度的机械臂的需求，进而使得该柔性适配装置10可以具有通用性。
可以理解的是，该柔性适配装置10可以具有通用性，进而可以适用于工业、医疗以及探海等其他领域的机械臂，以满足相应领域的机械臂的柔性适配的需求。
在本发明一个实施例中，如图1和图3所示，该柔性适配装置10的阻尼减振机构可以包括连接在第一法兰11和第二法兰12之间的阻尼减振器阵列。
具体地，该阻尼减振器阵列与弹簧阵列可以交错布置，在柔性适配装置10发生碰撞后，该阻尼减振器阵列可以使因碰撞引起的振动尽快衰减，以实现在第一法兰11和第二法兰12的径向方向和轴向方向上配合弹簧机构的弹性支撑进行减振。
进一步地，如图1至图5所示，该阻尼减振器阵列可以包括四个阻尼减振器14，每个阻尼减振器14的阻尼减振器底座141可以焊接于第二法兰的上表面121的相应位置，即，与弹簧阵列交错布置。
第一法兰的下表面111与每个阻尼减振器14的阻尼减振器顶部142的接触，并使每个阻尼减振器14的处于略被压缩的状态，以使阻尼减振器14更有效的实现减轻振动的作用。
在本发明一个实施例中，如图1、图4和图5所示，第一法兰11可以具有传感器安装孔16，用于与传感器连接，具体地，该传感器可以为力和力矩传感器；
第二法兰12可以具有机械臂安装孔17，用于与机械臂的末端相连，以实现该柔性适配装置10与机械臂的固定。
可以理解的是，第一法兰11与第二法兰12的形状和大小可以根据具有设计需要设置，形状除了可以是圆形法兰，也可以是三角形或者多边形的法兰，第一法兰11与第二法兰12的大小可以根据装配需求设置为大小相同或者大小不同，并且第一法兰11与第二法兰12的形状和大小可以满足现实工况中，装配连接大质量的末端执行器、适配器或者其他器件需求。
当使用本发明实施例中的柔性适配装置10时，机械臂末端通过该柔性适配装置10推动传感器压向被压物体表面(例如末端执行器表面)，在接触施压的瞬间，柔性适配装置10中的弹性机构产生压缩以缓冲在接触施压时的冲击从而形成弹性支撑，同时，阻尼减振机构配合弹性机构的弹性支撑起到减振的作用，进而实现了机械臂末端的柔性。在发生接触后，接触时可能产生的碰撞作用会使得柔性适配装置10发生振动，而阻尼减振机构可以使柔性适配装置10的振动得到快速的衰减，以使得该柔性适配装置10在接触碰撞瞬间的抗振作用更好，稳定性更强。
在本发明另一个实施例中，一种机械臂装设有上述实施例中的柔性适配装置10。
在本发明实施例中，机械臂中该柔性适配装置10由于弹性机构可以实现在第一法兰11和第二法兰12之间形成弹性支撑，并且阻尼减振机构可以在第一法兰11和第二法兰12的径向方向和轴向方向上配合弹性支撑进行减振，由此，该柔性适配装置10的弹性机构和阻尼减振机构配合在第一法兰和第二法兰之间所形成的兼具减振作用的弹性支撑，可以实现机械臂末端的柔性，降低机械臂末端的控制难度。
进一步地，在地面验证系统中的工业机械臂应用该柔性适配装置10，可以实现工业机械臂末端的部分柔性(另一部分的柔性是由机器人控制算法实现的)，从而降低工业机械臂的控制难度，进而可以使得地面验证系统更准确、更真实的体现空间机械臂在微低重力环境中的的动力学特性，同时，与背景技术中提到的柔顺机构相比，该柔性适配装置可以使地面验证系统中的工业机械臂末端具有更好的承载能力，承载的稳定性更高，机械臂末端可以按照实际工况连接大质量的末端执行器、适配器或者其他器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性适配装置，其特征在于，该柔性适配装置包括：
第一法兰，所述第一法兰连接于传感器；
第二法兰，所述第二法兰连接于机械臂末端；
弹性机构，所述弹性机构在所述第一法兰和所述第二法兰之间形成弹性支撑；
阻尼减振机构，所述阻尼减振机构连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间，以在所述第一法兰和所述第二法兰的径向方向和轴向方向上配合所述弹性支撑进行减振。
2.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，所述弹性机构包括连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间的弹簧阵列。
3.根据权利要求2所述的柔性适配装置，其特征在于，所述弹簧阵列包括等角度分布的四根弹簧。
4.根据权利要求3所述的柔性适配装置，其特征在于，所述第一法兰和所述第二法兰均为圆盘状，所述四根弹簧沿所述圆盘状的外周布置。
5.根据权利要求2所述的柔性适配装置，其特征在于，所述弹簧阵列中的每根弹簧通过安装架固定在所述第一法兰和所述第二法兰之间。
6.根据权利要求2所述的柔性适配装置，其特征在于，所述弹簧阵列中的各根弹簧同向倾斜布置。
7.根据权利要求2所述的柔性适配装置，其特征在于，所述阻尼减振机构包括连接在所述第一法兰和所述第二法兰之间的阻尼减振器阵列。
8.根据权利要求7所述的柔性适配装置，其特征在于，所述阻尼减振器阵列与所述弹簧阵列交错布置。
9.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，所述第一法兰具有传感器安装孔，所述第二法兰具有机械臂安装孔。
10.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂装设有如权利要求1至9中任意一项所述的柔性适配装置。
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