CN107068200A - 基于六维力控制的主动柔顺装校系统 - Google Patents

Abstract

一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其包括一个机架、一个托板、一个平面调整机构以及一个水平调整机构，该托板可调节地设置于该机架，该平面调整机构包括三个平面调整构件，各个该平面调整构件分别相互间隔地设置于该托板，该水平调整机构包括一个上平台、一个下平台以及三个支链，该下平台可驱动地设置于各个该平面调整构件，各个该支链的下端部分别相互间隔地设置于该下平台，各个该支链的上端部分别相互间隔地设置于该上平台。

Description

基于六维力控制的主动柔顺装校系统

技术领域

本发明涉及一种自动化装校对接领域，特别涉及一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统。

背景技术

在工业、飞机、火箭、导弹等精密装校领域，装校对接的质量和效率直接影响着系统整体的运行精度、生产效率和质量的稳定性。其装校对接多属于空间六自由度重载、大尺寸、高精度装校，装校对接过程盲源无基准，并且装校过程中装校对象经常与装校环境相互作用。而传统装校缺少柔顺性，不能及时反馈装校对象与环境相作用的有关信息，容易造成装校对象的损伤，影响装校的整体质量。为满足装校对接智能化的需求，完成柔性装校工作，装校平台必须朝着能够感知自身与外界环境的相互作用，并且能够主动控制自身行为来调节与外界环境的相互作用的方向发展。

装校平台能够对外界环境做出顺从性动作的能力称为柔顺性。装校平台的柔顺性可以分为：主动柔顺性和被动柔顺性。被动柔顺性是将具有缓冲吸能的柔顺性机械装置安装在执行器末端。被动柔顺性虽然能够完成一部分的柔顺性工作，但是被动柔顺性不能解决装校平台高刚度与高柔性之间的矛盾；被动柔顺性专用性强、适应性差；被动柔顺不能感知与外界环境的相互作用，不能主动做出柔顺性控制。主动式柔顺是在执行器末端安装力反馈模块，通过位置控制形成闭环控制系统，从而达到柔顺装校的目的。主动柔顺性控制集传感器、机械、计算机、信息交互、控制等技术于一身，克服了传统被动控制的不足，能够很好地解决生产智能化的需求，应用前景广泛。

随着自动化装校设备的广泛应用，对主动柔顺装校提出了更多的要求，现有的主动柔顺装校装置依然存在一些问题。目前主流的主动柔顺装校装置主要分为并联和串联两种形式，其中并联式主动柔顺装校装置结构紧凑，但装校工作空间受到了极大的限制。串联式主动柔顺装校装置虽然工作空间满足要求，但削弱了系统刚度。同时此类装校设备多应用于轴类零部件的装配，对零部件的外形有较严格的要求。因此，本发明提供一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统满足装校平台机械结构简单、承载能力大、工作空间大等要求，同时适应装校对象多外形规格的要求。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其中该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个机架、一个托板、一个平面调整机构以及一个水平调整机构，该托板可调节地设置于该机架，该平面调整机构包括三个平面调整构件，各个该平面调整构件分别相互间隔地设置于该托板，该水平调整机构包括一个上平台、一个下平台以及三个支链，该下平台可驱动地设置于各个该平面调整构件，各个该支链的下端部分别相互间隔地设置于该下平台，各个该支链的上端部分别相互间隔地设置于该上平台。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个六维力传感器，该六维力传感器设置于该水平调整构件。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该六维力传感器设置于该上平台。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一专用夹具，该专用夹具设置于该六维力传感器。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，各个该支链分别包括一个驱动单元、一个球铰以及一个转动支座，该驱动单元通过该转动支座连接于该下平台，该驱动单元通过该球铰连接于该上平台。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该支链为RPS支链。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，相邻该支链之间的距离相等。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，各个该平面调整构件分别包括一个驱动器、一个丝杠、一个螺母、一个滑块、一个滑轨以及一个轴承，该驱动器、该丝杠、该螺母、该滑块和该滑轨分别设置于该托板，该丝杠连接于该驱动器，该螺母可驱动地设置于该丝杠，并且该螺母连接于该滑块，该轴承设置于该滑块的上部，并且该轴承连接于该下平台，该滑块可滑动地设置于该滑轨。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个升降机构，该升降机构包括一个升降驱动器、一个升降丝杠、一个升降螺母、一个升降滑块以及一个升降轨道，该升降驱动器、该升降丝杠、该升降螺母、该升降滑块和该升降轨道分别设置于该机架，该升降丝杠连接于该升降驱动器、该升降螺母可驱动地连接于该升降丝杠，并且该升降螺母固定地设置于该升降滑块，该升降滑块连接于该托板，并且该升降滑块可滑动地设置于该升降轨道。

作为对本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的进一步优选的实施例，该滑轨呈十字形。

本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的优势在于：

本发明的该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个机架、一个托板、一个平面调整机构以及一个水平调整机构，该托板可调节地设置于该机架，该平面调整机构包括三个平面调整构件，各个该平面调整构件分别相互间隔地设置于该托板，该水平调整机构包括一个上平台、一个下平台以及三个支链，该下平台可驱动地设置于各个该平面调整构件，各个该支链的下端部分别相互间隔地设置于该下平台，各个该支链的上端部分别相互间隔地设置于该上平台，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统采用六个自由度混联，其混联顺序为Z向大行程升降机构、该平面调整机构和该水平调整机构，其中Z向大行程升降机构可实现该基于六维力控制的主动柔顺装校系统在Z向大行程升沉作业，该平面调整机构可实现沿X、Y向的平移和在Z轴的旋转，该水平调整机构可实现沿Z轴的小行程平移以及绕X、Y轴的旋转。

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统在各个自由度的实现方式是，Z向大行程升降运动由该升降机构实现。该基于六维力控制的主动柔顺装校系统在X、Y向的平移以及Z轴的旋转运动由该平面调整机构完成，该平面调整机构的各个该平面调整构件使该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的整体结构紧凑，同时刚度也大大增强，并且各个该平面调整构件的协调运动可以实现平面范围内的精密位姿调整。该基于六维力控制的主动柔顺装校系统在Z轴小行程的调整以及绕X、Y轴的旋转运动由该水平调整机构完成，该水平调整机构的各个支链并联布置，满足该基于六维力控制的主动柔顺装校系统强度要求的情况下的整体结构也相对紧凑，通过各个该支链的协调运动便可以实现水平范围内的精密位姿的调整。

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的六维力传感器固定于该水平调整机构上，用于监测装校对过程中装校力的变化情况，以使该基于六维力控制的主动柔顺装校系统能够在装校的过程中主动调节误差，消除力的变化，实现该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的主动柔顺装校。

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的优势还有：

1、该基于六维力控制的主动柔顺装校系统形成六自由度混联机构，主要由该平面调整机构和该水平调整机构混联组成，充分结合了并联机构的刚度强以及串联机构的工作空间大的优点。

2、该基于六维力控制的主动柔顺装校系统可实现空间六自由度的精密装校，同时降低自动化装校设备在装校过程中的无效载荷，避免存在摩擦、二街振荡等问题。

3、该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的装校对象范围得以扩宽，不再仅限于轴孔装配。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是基于六维力控制的主动柔顺装校系统的使用状态立体图。

图2是基于六维力控制的主动柔顺装校系统的平面调整机构的示意图。

图3是基于六维力控制的主动柔顺装校系统的水平调整机构的示意图。

图4是基于六维力控制的主动柔顺装校系统的结构简图。

图5是阻抗系统模型的示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图4所示，依本发明的发明精神提供一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个机架10、一个托板20、一个平面调整机构30以及一个水平调整机构40，该托板20可调节地设置于该机架10，该平面调整机构30包括三个平面调整构件31，各个该平面调整构件31分别相互间隔地设置于该托板20，该水平调整机构40包括一个上平台41、一个下平台42以及三个支链43，该下平台42可驱动地设置于各个该平面调整构件31，各个该支链43的下端部分别相互间隔地设置于该下平台42，各个该支链43的上端部分别相互间隔地设置于该上平台41。

优选地，各个该支链43分别包括一个驱动单元431、一个球铰432以及一个转动支座433，该驱动单元431通过该转动支座433连接于该下平台42，该驱动单元431通过该球铰432连接于该上平台41。更优选地，该支链43为RPS支链。更优选地，相邻该支链43之间的距离相等。

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个升降机构50，该升降机构50设置于该机架10和连接于该托板20，以通过该升降机构50驱动该托板20带动该平面调整机构30和该水平调整机构40在Z轴方向的大行程运动，该平面调整机构30能够实现X、Y轴平移和Z轴旋转，该水平调整机构40能够实现X、Y轴旋转和Z轴的平移，从而实现该基于六维力控制的主动柔顺装校系统在六个自由度的精密调整。

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个六维力传感器60，该六维力传感器60设置于该水平调整机构40。优选地，该六维力传感器60设置于该水平调整机构40的该上平台41。该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个专用夹具70，该专用夹具70设置于该六维力传感器60，其中该专用夹具70用于夹持一个对接件80，以将该对接件80与一个固定位置的被对接件90对接，在这个过程中，当该对接件80因为偏差而碰触到该被对接件90时，该六维力传感器60能够检测到该对接件80的偏差位姿，以在后续对其进行调整。

进一步地，该升降机构50包括一个升降驱动器51、一个升降丝杠52、一个升降螺母53、一个升降滑块54以及一个升降轨道55，该升降驱动器51、该升降丝杠52、该升降螺母53、该升降滑块54和该升降轨道55分别设置于该机架10，该升降丝杠52连接于该升降驱动器51、该升降螺母53可驱动地连接于该升降丝杠52，并且该升降螺母53固定地设置于该升降滑块54，该升降滑块54连接于该托板20，并且该升降滑块54可滑动地设置于该升降轨道55，以在该升降驱动器51提供驱动力时，通过该升降丝杠52和该升降螺母53带动该升降滑块54沿着该升降轨道55运动，从而使该托板20在Z轴做大行程的运动。

进一步地，各个该平面调整构件31分别包括一个驱动器311、一个丝杠312、一个螺母313、一个滑块314、一个滑轨315以及一个轴承316，该驱动器311、该丝杠312、该螺母313、该滑块314和该滑轨315分别设置于该托板20，该丝杠312连接于该驱动器311，该螺母313可驱动地设置于该丝杠312，并且该螺母313连接于该滑块314，该轴承316设置于该滑块315的上部，并且该轴承316连接于该下平台42，该滑块314可滑动地设置于该滑轨315。优选地，该滑轨315呈十字形。

如图1至图4所示，在该托板20、该下平台42以及该上平台41的几何中心分别建立固定坐标系O₀X₀Y₀Z₀及动坐标系O₁X₁Y₁Z₁、O₂X₂Y₂Z₂。该上平台41相对该托板20的位姿为(x yz α β γ)，根据该基于六维力控制的主动柔顺装校系统的特点可知，平移x、y以及偏航角γ将由该平面调整机构30提供。此时转动副F_i在动系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标位置可由几何关系直接求出，已知该下平台42的运动情况，求解移动副D₁、D₂在X₀向以及D₃在Y₀向的驱动位移量d₁，d₂，d₃就是该平面调整机构30的运动学逆解。

坐标点从该上平台41到该下平台42的齐次变换满足：

针对平面调整机构，R₁为动系O₁X₁Y₁Z₁到定系的方向余弦矩阵，P₁＝(x,y,h₁)^T表示动系O₁X₁Y₁Z₁在定系中的位置向量：

其中cγ＝cosγ，sγ＝sinγ，依次类推。

根据几何关系可以确定移动副D_i在定系中的初始零点位置坐标D_io(D_ixo,D_iyo,D_izo)以及旋转副F_i在动系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标由式(1)可知旋转副F_i在定系中的坐标

由装配关系可知，D₁、D₂分别与F₁、F₂在X₀向的坐标值相等，D₃与F₃在Y₀向的坐标值相等，解算得该平面调整机构30驱动位移量：

该平面调整机构30的逆解可以简记为：

d_i＝f_i(x,y,γ) (i＝1，2，3) (4)

同理，针对该水平调整机构40，R₂为动系O₂X₂Y₂Z₂到定系的方向余弦矩阵，P₂＝(x,y,z)^T表示动系O₂X₂Y₂Z₂在定系中的位置向量：

球副C_i在动系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标由式(1)可知球副C_i在定系中的坐标由此可得该水平调整机构40的位置反解，即驱动杆杆长计算公式。

综合式(4)、(6)可知，系统位置逆解为：

d_i＝f_i(x,y,z,α,β,γ) (i＝1，2...6) (7)

2)基于力伺服的主动柔顺装校

假设该六维力传感器60初始输出模拟量为V_a，当前输出值为V_o，模拟量的极限值为V_m，该六维力传感器60所测量的力的量程为F_m，则当前该六维力传感器60的测量值计算公式为

该基于六维力控制的主动柔顺装校系统可以简化为一个阻抗系统，该阻抗系统基本要素包括目标惯量、目标阻尼和目标刚度，它们构成了“目标阻抗”这一期望关系，并且对阻抗控制系统的影响是决定性的，阻抗系统物理模型如图5所示。

该阻抗系统模型的数学方程：

将其拓展至六维情形，则有：

其中：

M_t，B_t，K_t为目标惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；

X，为末端位置、速度和加速度向量；

X_t，为期望的末端位置、速度和加速度向量；

F_e，F分别为末端期望接触力和实际接触力。

对该模型进行拉氏变换，整理后得到：

从而建立装校对象位姿与该六维力传感器60的作用力之间的关系，并根据力反馈来驱动该基于六维力控制的主动柔顺装校系统，通过运动学逆解调整装校对象位姿，使装校对象与装校环境保持无接触状态，保证装校对象的安全，提高装校效率，实现力伺服下的主动柔顺装校。值得一提的是，装校对象可以是本发明在上述提及的该对接件80。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个机架、一个托板、一个平面调整机构以及一个水平调整机构，该托板可调节地设置于该机架，该平面调整机构包括三个平面调整构件，各个该平面调整构件分别相互间隔地设置于该托板，该水平调整机构包括一个上平台、一个下平台以及三个支链，该下平台可驱动地设置于各个该平面调整构件，各个该支链的下端部分别相互间隔地设置于该下平台，各个该支链的上端部分别相互间隔地设置于该上平台。

2.如权利要求1所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个六维力传感器，该六维力传感器设置于该水平调整构件。

3.如权利要求2所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该六维力传感器设置于该上平台。

4.如权利要求3所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一专用夹具，该专用夹具设置于该六维力传感器。

5.如权利要求1-4中的任何一个所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，各个该支链分别包括一个驱动单元、一个球铰以及一个转动支座，该驱动单元通过该转动支座连接于该下平台，该驱动单元通过该球铰连接于该上平台。

6.如权利要求5所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该支链为RPS支链。

7.如权利要求5所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，相邻该支链之间的距离相等。

8.如权利要求1-4中的任何一个所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，各个该平面调整构件分别包括一个驱动器、一个丝杠、一个螺母、一个滑块、一个滑轨以及一个轴承，该驱动器、该丝杠、该螺母、该滑块和该滑轨分别设置于该托板，该丝杠连接于该驱动器，该螺母可驱动地设置于该丝杠，并且该螺母连接于该滑块，该轴承设置于该滑块的上部，并且该轴承连接于该下平台，该滑块可滑动地设置于该滑轨。

9.如权利要求8所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该滑轨呈十字形。

10.如权利要求1所述的一种基于六维力控制的主动柔顺装校系统，其特征在于，该基于六维力控制的主动柔顺装校系统包括一个升降机构，该升降机构包括一个升降驱动器、一个升降丝杠、一个升降螺母、一个升降滑块以及一个升降轨道，该升降驱动器、该升降丝杠、该升降螺母、该升降滑块和该升降轨道分别设置于该机架，该升降丝杠连接于该升降驱动器、该升降螺母可驱动地连接于该升降丝杠，并且该升降螺母固定地设置于该升降滑块，该升降滑块连接于该托板，并且该升降滑块可滑动地设置于该升降轨道。