一种可变刚度柔性拆解末端执行器及其反馈控制方法

本发明涉及机器人自动化拆解装备，具体涉及一种可变刚度柔性拆解末端执行器及其反馈控制方法。

背景技术：

1、随着工业产品更新换代速度加快，大量退役电力物资、电子设备、仪器仪表和机电产品进入回收处理阶段。退役电能表、电子计量终端等产品在回收处理过程中，通常需要完成表盖拆分、底壳分离、端子排拆除、电路板取出、显示模块分离以及内部连接件拆卸等工序。该类产品在长期使用和存放后，塑料外壳容易出现老化、脆化、变形、污损等情况，不同批次产品的卡扣位置、装配间隙、螺钉松紧程度、胶粘残留和插接阻力也存在差异。上述因素使拆解过程具有较强的不确定性。

2、现有废旧电能表或类似电子产品自动化拆解设备，多采用输送线配合固定工位的方式进行作业。常见工序包括上料定位、螺钉拆卸、表盖分离、电路板取出、端子排拆除和部件分类回收等。该类设备适合处理结构相对统一、位置误差较小的产品，能够提高拆解效率。但其末端工具多为固定刚度的夹爪、撬爪、吸盘、螺丝刀或切割工具，通常按照预设轨迹执行动作，对壳体变形、卡扣卡滞、连接强度变化等情况适应能力不足。

3、在实际拆解中，末端执行器既要柔顺接触目标，又要提供足够拆解力。现有技术在固定工具适应性、柔性夹爪拆解力、末端局部刚度调节以及连接释放缓冲方面仍存在不足。

4、现有技术主要存在以下问题：

5、第一，已有柔性夹爪、软体抓手或柔顺末端执行器能够通过柔性手指、气囊驱动、颗粒阻塞、摩擦片等结构适应不同外形，并降低接触冲击。该类技术在抓取、搬运、无损夹持等场景中具有较好的适应性，也能够在一定程度上实现刚度调节。但拆解作业不同于普通抓取，卡扣撬开、壳体分离、胶粘残留剥离或插接件拉拔通常需要较大的局部支撑刚度和稳定的力传递能力。若末端结构整体偏柔，容易出现变形过大、拆解力不足、夹持点滑移或撬开角度不稳定等问题。因此，现有柔性抓取类结构虽能改善接触安全性，但对高阻力拆解阶段的适应性仍有限，相关技术可见专利cn112025749a公开了一种大范围变刚度软体抓手。

6、第二，已有机器人柔顺控制、阻抗控制、导纳控制以及可变刚度关节等技术，能够改善机器人与环境接触过程中的柔顺性，并在一定程度上实现力控或刚度调节。例如，部分方案通过电磁弹簧、洛伦兹电机、弹性致动器或接触器与柔性件接合等方式实现变刚度控制。该类技术主要从机器人控制算法、关节或致动器层面调节力—位关系，使机器人整体表现出柔顺特性；但在电表壳体卡扣、插接件或胶粘连接拆解中，真正需要调节的是末端作用部位的局部结构刚度。若刚度变化主要发生在关节或通用致动器层面，则难以直接改变末端接触位置的有效变形长度和力传递特性，相关技术可参见专利cn117621144b和cn109476023a。

7、第三，现有废旧电能表或类似电子产品自动化拆解设备，多采用输送线、固定工位和专用工具完成上料、定位、螺钉拆卸、表盖分离、电路板取出和分类回收等工序。该类方案适合结构较统一、拆解位置较固定的产品，能够提高拆解效率。但在卡扣、插接件或壳体扣合结构被撬开时，连接约束常会在某一瞬间突然释放，接触力、扭矩或力—位移斜率会快速下降。若末端执行器仍保持高刚度并继续施加载荷，容易产生表盖弹开、工具回弹、壳体边缘断裂、零件甩脱或机械臂振动等问题。现有拆解设备更多关注定位、夹持和拆除动作本身，对连接释放瞬间的主动降刚度缓冲考虑不足，相关技术可参见专利cn205551065u。

8、综合上述现有技术中，柔性夹爪主要解决抓取适应性和接触安全问题，机器人柔顺控制主要解决接触过程中的力位关系调节，碰撞保护技术主要解决异常碰撞后的安全保护问题。上述技术均未针对退役电子产品壳体连接结构拆解过程中“定位需要低刚度、破除需要高刚度、释放瞬间又需要快速降刚度缓冲”的阶段化矛盾，提出通过末端局部结构变刚度与连接释放瞬态卸载联动相结合的技术方案。因此，本发明的核心创新在于将局部结构可变刚度、拆解阶段识别和释放瞬间主动卸载形成闭环控制。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的问题， 本发明的目的在于提供一种面向退役电能表、电子计量终端等退役电子产品壳体连接结构拆解的可变刚度柔性拆解末端执行器及其反馈控制方法；本发明适用于卡扣连接、插接连接、胶粘边缘连接等退役电子产品拆解过程中末端执行器与待拆解目标之间存在接触定位误差、连接阻力变化和连接释放冲击的工况，通过调节柔性夹持臂的局部等效刚度，实现接触定位、约束破除和连接释放缓冲过程中的阶段化拆解控制，本发明在拆解卡扣、插接、胶粘或过盈配合等连接结构时，在保证接触顺应性和约束破除力传递能力的同时，能降低连接约束释放瞬间产生的冲击载荷、回弹、目标损伤以及机械臂振动风险。

2、本发明的技术方案具体介绍如下。

3、本发明提供一种可变刚度柔性拆解末端执行器，其包括：安装基座、至少两个柔性夹持臂、刚度调节组件、传感检测组件和控制模块；

4、所述柔性夹持臂的一端与所述安装基座连接，另一端用于接触、夹持、支撑、撬动或牵拉待拆解目标；

5、所述刚度调节组件包括驱动件、传动件和可移动约束件，所述可移动约束件与所述柔性夹持臂相配合，并能够在所述驱动件和所述传动件的作用下沿所述柔性夹持臂的长度方向移动，以改变所述柔性变形段的有效变形长度，从而调节所述柔性夹持臂的局部等效刚度；

6、传感检测组件，用于采集所述末端执行器与待拆解目标之间的接触力信号、位移信号和/或扭矩信号；

7、控制模块，分别与所述传感检测组件和所述刚度调节组件连接；所述控制模块用于根据接触力信号、位移信号和/或扭矩信号判断当前拆解阶段，并控制所述刚度调节组件调节所述柔性夹持臂的等效刚度，以形成接触定位、约束破除和释放缓冲的阶段化控制闭环。

8、本发明中，所述可移动约束件为套设于所述柔性夹持臂外侧的约束套、与所述柔性夹持臂侧面抵接的滑块，或者能够限制所述柔性夹持臂局部变形的压紧件；所述可移动约束件向靠近所述柔性夹持臂末端的方向移动时，所述柔性变形段的有效变形长度减小，所述柔性夹持臂的等效刚度增大；所述可移动约束件向远离所述柔性夹持臂末端的方向移动时，所述柔性变形段的有效变形长度增大，所述柔性夹持臂的等效刚度降低。其通过可移动约束件改变柔性夹持臂柔性变形段的有效变形长度，使末端作用部位的局部等效刚度能够主动调节。

9、本发明中，所述驱动件为伺服电机、步进电机、直线电机、电动推杆、气缸、液压缸或形状记忆合金驱动件；所述传动件为丝杆传动机构、齿轮齿条传动机构、连杆传动机构、同步带传动机构、直线滑台、凸轮机构或柔性传动机构。

10、本发明中，所述柔性夹持臂包括刚性连接段、柔性变形段和末端接触段；所述刚性连接段与所述安装基座连接，所述柔性变形段设置于所述刚性连接段与所述末端接触段之间，所述末端接触段设置有柔性接触层；所述柔性夹持臂为弹性梁结构、柔性铰链结构、板簧结构、片状弹性结构或弹性复合结构。

11、本发明中，所述传感检测组件包括力传感器、扭矩传感器、位移传感器、加速度传感器、振动传感器、电流传感器、接近传感器或触觉传感器中的至少一种；其中，所述力传感器优选为多轴力/力矩传感器，所述控制模块能够根据所述多轴力/力矩传感器的输出获得法向接触力fn和切向接触力ft，以用于滑移趋势判断和拆解阶段识别。

12、本发明中，所述连接约束释放的瞬态特征包括以下至少一种：接触力在预设时间窗内的下降量大于第一力下降阈值；扭矩在预设时间窗内的下降量大于第一扭矩下降阈值；力-位移斜率由大于第一斜率阈值突变为小于第二斜率阈值；或者待拆解目标相对位移在预设时间窗内快速增大。

13、本发明中，所述控制模块在接触定位阶段控制柔性夹持臂处于第一刚度状态，在约束破除阶段控制柔性夹持臂处于第二刚度状态，且第二刚度状态的等效刚度大于第一刚度状态的等效刚度；在检测到连接约束释放瞬态特征时，控制柔性夹持臂由第二刚度状态切换至第一刚度状态，并联动短距离卸载动作，以形成接触定位、约束破除和释放缓冲的阶段化控制闭环。

14、本发明中，所述控制模块在判断连接约束释放后，还用于控制机械臂或末端执行器执行短距离卸载动作，所述短距离卸载动作为回退、侧向偏移、转动释放、沿拆解方向减速运动或停止继续施加载荷中的一种或多种。

15、本发明中，所述至少两个柔性夹持臂分别对应设置有相互独立的刚度调节组件，使不同柔性夹持臂能够形成差异化等效刚度，部分柔性夹持臂可处于低刚度贴合状态，用于适应目标外形；部分柔性夹持臂可处于高刚度支撑状态，用于提供拆解作用力，以实现局部低刚度贴合与局部高刚度破除的协同。

16、本发明中，还包括振动辅助模块，所述振动辅助模块设置于所述安装基座、所述柔性夹持臂或所述末端接触段上，用于在检测到周期性受阻或卡滞状态时向待拆解目标施加轴向、径向或切向微振动，以降低目标连接结构的峰值分离力；所述振动辅助模块可以为压电振动器、电磁振动器、偏心轮振动器、超声振动器或微型线性振动模块。

17、本发明中，还包括限位保护组件和快速更换接口；所述限位保护组件用于限制所述可移动约束件的移动范围，以限定所述柔性夹持臂的最大等效刚度和最小等效刚度，

18、防止刚度过高造成目标损伤或刚度过低导致夹持失稳。所述快速更换接口设置于所述安装基座上，用于与机器人机械臂末端连接。

19、本发明还提供一种基于上述可变刚度柔性拆解末端执行器的反馈控制方法，该方法基于接触力、位移和/或扭矩反馈进行刚度调节控制，使末端执行器能够根据接触定位、约束破除和连接释放等拆解阶段自动切换刚度状态；包括如下步骤：

20、s1，采集末端执行器与待拆解目标之间的接触力、位移和/或扭矩信号；

21、s2，根据预设时间窗内的接触力变化量、位移变化量和/或扭矩变化量，获得接触力变化率、位移变化率、扭矩变化率和/或力-位移斜率；

22、s3，根据所述接触力变化率、位移变化率、扭矩变化率和/或力-位移斜率判断当前拆解阶段，控制所述刚度调节组件（3）调节所述柔性夹持臂（2）的等效刚度，以形成接触定位、约束破除和释放缓冲的阶段化控制闭环。

23、本发明中，在步骤s2中，所述力—位移斜率根据下式获得：kc＝δf/δx，其中，kc为接触刚度估计值，δf为预设时间窗内接触力变化量，δx为预设时间窗内位移变化量。

24、本发明中，步骤s3中，当判断当前处于接触定位阶段时，控制所述刚度调节组件使所述柔性夹持臂处于第一刚度状态，以提高接触柔顺性并降低目标损伤风险；当判断当前处于约束破除阶段时，控制所述刚度调节组件使所述柔性夹持臂处于第二刚度状态，所述第二刚度状态的等效刚度大于所述第一刚度状态的等效刚度，以提高力传递能力和拆解稳定性；当检测到连接约束释放瞬态特征时，控制所述刚度调节组件使所述柔性夹持臂由第二刚度状态切换至第一刚度状态，并同步输出短距离卸载控制指令，通过短距离卸载动作以降低连接释放瞬间的冲击载荷。

25、本发明中，步骤s3中，当接触力小于第一力阈值且位移变化率小于第一位移阈值时，判断当前处于接触定位阶段，并控制所述可移动约束件向远离柔性夹持臂末端的方向移动，以降低所述柔性夹持臂的等效刚度；当接触力持续增大且力—位移斜率大于第一斜率阈值时，判断当前处于约束破除阶段，并控制所述可移动约束件向靠近柔性夹持臂末端的方向移动，以提高所述柔性夹持臂的等效刚度。

26、本发明中，步骤s3中，当满足以下至少一种条件时，判断待拆解目标的连接约束释放：接触力在预设时间窗内的下降量大于第一力下降阈值；扭矩在预设时间窗内的下降量大于第一扭矩下降阈值；力-位移斜率由大于第一斜率阈值突变为小于第二斜率阈值；或者待拆解目标相对位移在预设时间窗内快速增大。

27、本发明中，步骤s3中，在连接约束释放后，控制机械臂或末端执行器执行短距离卸载动作，所述短距离卸载动作为回退、侧向偏移、转动释放、沿拆解方向减速运动或停止继续施加载荷中的一种或多种。

28、本发明中，步骤s3中，当检测到接触力或扭矩在预设时间窗内出现周期性峰值，且位移变化量小于第二位移阈值时，判断当前存在周期性受阻状态，并启动振动辅助模块施加微振动；当切向接触力与法向接触力之比大于滑移阈值时，判断存在滑移趋势，并提高至少一个柔性夹持臂的等效刚度或调整夹持力。

29、进一步的，本发明提供一种拆解机器人系统，包括机械臂、控制器以及上述可变刚度柔性拆解末端执行器；所述可变刚度柔性拆解末端执行器通过快速更换接口与所述机械臂连接；所述控制器与所述控制模块通信连接，用于根据接触力信号、位移信号和/或扭矩信号控制所述机械臂运动，并控制所述柔性夹持臂的等效刚度；当检测到连接约束释放瞬态特征时，所述控制器同步输出刚度切换指令和机械臂卸载轨迹修正指令，以驱动所述柔性夹持臂由第二刚度状态切换至第一刚度状态并执行短距离卸载动作。

30、和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、1.本发明通过可移动约束件改变柔性夹持臂柔性变形段的有效变形长度，实现末端作用部位局部等效刚度的主动调节，而非仅依赖机器人关节柔顺控制或整体阻抗调节，从而使刚度变化直接作用于拆解接触区域。

32、2.本发明在接触定位阶段采用第一刚度状态，能够吸收视觉定位误差、装夹误差和壳体局部变形引起的接触冲击，降低目标表面损伤风险；在约束破除阶段采用第二刚度状态，能够减少柔性夹持臂过度弯曲，提高卡扣、插接、胶粘或过盈配合等连接结构的拆解力传递效率；检测到连接约束释放瞬态特征后，主动由第二刚度状态切换至第一刚度状态，并结合短距离卸载动作，能够缓冲连接释放瞬间产生的冲击载荷，减少工具回弹、壳体断裂、零件甩脱和机械臂振动风险。

33、3.本发明通过接触力、位移和/或扭矩信号判断拆解阶段，不依赖单一视觉定位结果，能够适应待拆解对象位置偏差、结构老化和连接状态不一致等复杂工况；可通过多个柔性夹持臂的差异刚度控制，实现局部第一刚度状态贴合与局部第二刚度状态破除的协同，提高不规则目标和复杂连接结构的拆解适应性；通过微振动辅助模块在卡滞或周期性受阻状态下施加微振动，能够降低峰值拆解力，提高拆解过程连续性和稳定性。