一种可变刚度的工业机器人被动柔顺装置及协作装配方法

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1.本发明涉及机器人被动柔顺控制方法，尤其涉及一种可变刚度的工业机器人被动柔顺装置及协作装配方法。


背景技术：

2.随着智能制造领域对自动化生产要求的升级，工业机器人协作装配精度与装配效率面临更高的挑战，对人机协同作业而言，准确、高效的机器人柔顺控制技术能带来生产技术的革新。然而，对于在非结构化环境中作业的机器人末端而言，单纯依靠六维力感知进行主动柔顺控制调节的方式仅能满足装配过程部分阶段的需求，当力感知信息混入装配力、约束力等不可控力时，微小的力控偏差都能造成设备或工件的损坏，尤其在一些高精度装配领域。因此，被动柔顺装置往往被安装于机器人末端，在装配接触时起一定的缓冲作用或配合主动柔顺控制进行微调。
3.然而，一般的定刚度被动柔顺装置的柔性存在于装配的整个流程，视末端负载的不同，会对主动柔顺控制的力感知造成不同程度的影响，因此，研究者们对变刚度柔顺控制装置进行了探索。专利“cn113001398a，一种变刚度柔顺磨抛执行器”对机器人磨抛过程进行了变刚度被动柔顺设计，可以通过改变弹簧刚度施加力补偿，然而基于其作业目标，末端仅能承受小负载。专利“cn108481311a，一种变刚度柔顺抓取装置”以精密装配为目的，设计柔顺抓取装置，可适应各硬度、各形状工件的夹取，然而其所能夹取工件的重量及形状受限于装置本身大小及夹持摩擦力，灵活性较差，且其变刚度体现在夹持刚度上，并不适合应用于被动柔顺控制。
4.磁流变弹性体作为一种可变刚度的新型材料，在隔振减震领域有着广泛应用，但将其作为被动柔顺元件应用于力控领域的尝试还较少。论文“基于磁流变液的柔顺关节及其控制研究”设计了基于磁流变液的变刚度被动柔顺关节，其利用了磁流变材料的变刚度特性，但磁流变液液体渗漏、颗粒沉淀等问题不可避免，且其柔顺关节应用于传动刚度的调控，并不适用于末端装配。
5.综上，现有变刚度被动柔顺装置的承载能力受限于装置本身，承载范围较小，且装置灵活性较差，无拆卸重组能力，对各形状工件的应对能力也较差。
6.因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种可变刚度的工业机器人被动柔顺装置及协作装配方法。
8.本发明采用如下技术方案：一种可变刚度的工业机器人被动柔顺装置，所述可变刚度的工业机器人被动柔顺装置系统包括机器人本体、控制柜与配重元件、agv小车、连接法兰、法兰盘、承重连接装置、小移动滑块、大移动滑块、被动柔顺装置、吸附工件、第一滑轨以及第二滑轨，所述机器人本体、控制柜与配重元件与agv小车构成了机器人系统，连接法
兰固连于承重连接装置上，机器人系统的末端设有法兰盘，所述小移动滑块与大移动滑块连接着被动柔顺装置与承重连接装置，所述小移动滑块上安装有第一滑轨螺栓，小移动滑块通过第一滑轨螺栓沿第二滑轨调节被动柔顺装置的高度，所述大移动滑块上安装有第二滑轨螺栓，大移动滑块通过第二滑轨螺栓沿第一滑轨移动被动柔顺装置在承重连接装置上的位置，所述承重连接装置、小移动滑块、大移动滑块以及被动柔顺装置共同构成被动柔顺装置系统，被动柔顺装置系统通过连接法兰与法兰盘连接。
9.进一步地，所述被动柔顺装置为mre被动柔顺装置。
10.进一步地，所述承重连接装置设计为规则的长方体。
11.进一步地，所述mre被动柔顺装置包括导气通道、支撑螺栓、上杆、上空气通道、挡圈、厚mre、环状导磁体、励磁线圈、薄mre、吸盘、气腔、下空气通道、挡板、导线、导磁外壳以及导磁下杆。
12.进一步地，所述支撑螺栓与上杆螺纹连接，以将mre被动柔顺装置锁在小移动滑块的支撑台上。
13.进一步地，所述导气通道连接气管，排气时气流由气腔，经下空气通道及上空气通道后导出，所述上杆与导磁下杆球形连接。
14.进一步地，所述挡圈位于导磁外壳的外侧以用于限制导磁外壳的位移，所述mre被动柔顺装置通过将导线缠绕在环状导磁体的方式组成励磁线圈，励磁线圈位于厚mre和挡板之间。
15.进一步地，所述被动柔顺装置的环状导磁体、导磁外壳、导磁下杆与挡板均选用具有高磁导率、高磁饱和强度及低矫顽力的电磁纯铁。
16.进一步地，所述吸盘为橡胶材料。
17.进一步地，所述厚mre与薄mre均由微米级的羰基铁粉、天然橡胶及硫化剂、增塑剂在磁场下固化而成。
18.本发明还采用如下技术方案：一种可变刚度工业机器人的被动柔顺装置的协作装配方法，步骤如下：在自由空间拖拽时，操作员施加外力于吸附工件、承重连接装置及上杆，施加操作力于吸附工件时考虑mre被动柔顺装置的被动柔顺性能，在自由空间拖拽时调节励磁线圈电流强度，使关键元件厚mre在磁场作用下保持高刚性，并保持挡板在吸盘与环状导磁体之间，使机器人末端系统表现为高刚性，操作员在吸附工件施加的外力f1能几乎无损地传递给机器人主动柔顺控制模型，使机器人末端吸附着吸附工件发生δx的位移，完成自由空间拖拽。
19.本发明还采用如下技术方案：一种可变刚度工业机器人的被动柔顺装置的协作装配方法，步骤如下：在非严格紧约束空间装配时，即插销装配时，具体如下：
20.1)依据自由空间拖拽方法开启主动柔顺控制，调节mre被动柔顺装置刚度，在操作员将吸附工件拖拽至大致装配点后，关闭主动柔顺控制，机器人运动停止；
21.2)通过减小励磁线圈电流强度，降低磁场强度，调节厚mre由高刚性状态转为弱刚性状态，并取出挡板；
22.3)利用mre被动柔顺装置自身的柔性，结合人手施加力f1与装配约束力f2使吸附工件发生小位移δx
small
，从而销被动柔顺插进孔中，完成装配。
23.本发明还采用如下技术方案：一种可变刚度工业机器人的被动柔顺装置的协作装
配方法，步骤如下：在严格紧约束空间装配时，即沿轨迹运动装配时，具体如下：
24.1)在吸附工件沿固定轨迹运动前，减小励磁线圈电流强度，降低磁场强度，调节厚mre由高刚性状态转为较弱刚性状态，并取出挡板；
25.2)开启主动柔顺控制使吸附工件沿着固定轨迹运动，被动柔顺装置的柔性用于吸收沿轨迹运动时约束力f2所垂直于轨迹方向的力及人力f1与约束力f2中的不稳定力带来的变形δx
small
，消耗一部分力与动能；
26.3)经过被动柔顺装置的消耗，输入主动柔顺控制模型的力f较为稳定，继续指导机器人末端运动δx的位移，此时吸附工件的位移为δx
small
δx≈δx，被动柔顺修正的小变形，避免吸附工件在约束空间来回碰撞。
27.本发明具有如下有益效果：本发明提供了一种可变刚度工业机器人的被动柔顺装置及协作装配方法，依据工况增加/减少装置数量或移动装置在六维空间内的坐标可适应不同曲面、不同大小、不同重量工件的吸附。且其可拆卸重组功能使其对不同工件的适应力强，灵活性高，承载范围可囊括轻载至重载工件。此外，通过引入mre变刚度元件，装置的刚度性能可通过改变电流控制磁场进行调控，可在装配的各阶段发挥不同的作用，合理满足人机协作拖拽装配过程中对装置柔性及刚性的需求。
附图说明：
28.图1是本发明的工业机器人硬件装置整体系统示意图。
29.图2是本发明的可变刚度被动柔顺装置模型示意图。
30.图3是本发明的协作装配方案图。
31.图例说明：
32.由于球形连接的存在，图3分析的协作装配方案图适用于多吸盘吸附情况，即被动柔顺装置数量≥3且不共线的情况。对于单吸盘及吸盘共线吸附情况，被动柔顺装置表现出的变刚度特性较弱，一般意义上认为是柔性装置。
具体实施方式：
33.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.本发明工业机器人硬件装置整体系统包括机器人本体1、控制柜与配重元件2、agv小车3、连接法兰4、法兰盘5、承重连接装置6、小移动滑块7、大移动滑块8、mre被动柔顺装置9、吸附工件10、第一滑轨11以及第二滑轨12。其中机器人本体1、控制柜与配重元件2与agv小车3构成了机器人系统，连接法兰4固连于承重连接装置6上，机器人系统的末端设有法兰盘5。小移动滑块7与大移动滑块8作为装置中的可移动模块，连接着mre被动柔顺装置9与承重连接装置6。小移动滑块7上安装有第一滑轨螺栓701，小移动滑块7可通过第一滑轨螺栓701沿第二滑轨12调节mre被动柔顺装置9的高度以适应曲面、不规则面工件的吸附。大移动滑块8上安装有第二滑轨螺栓801，大移动滑块8可通过第二滑轨螺栓801沿第一滑轨11移动mre被动柔顺装置9在承重连接装置6上的位置。大移动滑块8为适应不同大小、重量工件的吸附，可视情况增加或减少mre被动柔顺装置9的数量，或沿第一滑轨11移动。
35.承重连接装置6、小移动滑块7、大移动滑块8以及mre被动柔顺装置9共同构成被动
柔顺装置系统，被动柔顺装置系统通过连接法兰4与法兰盘5连接，承重连接装置6可依据吸附工件10的形状大小、重量等特征定制设计，一般情况下，承重连接装置6设计为规则的长方体即可。
36.mre被动柔顺装置9包括导气通道901、支撑螺栓902、上杆903、上空气通道904、挡圈905、厚mre906、环状导磁体907、励磁线圈908、薄mre909、吸盘910、气腔911、下空气通道912、挡板913、导线914、导磁外壳915以及导磁下杆916。
37.mre被动柔顺装置9通过第一滑轨螺栓701和第二滑轨螺栓801与承重连接装置6固连，其中支撑螺栓902与上杆903螺纹连接，可将mre被动柔顺装置9锁在小移动滑块7的支撑台702上。导气通道901用于连接气管，排气时气流可由气腔911，经下空气通道912及上空气通道904后导出，其中上杆903与导磁下杆916球形连接，便于调节初始吸附角度，适应工件形状。挡圈905位于导磁外壳915的外侧以用于限制导磁外壳915的位移，使在被动柔顺调节时厚mre906能充分吸收吸盘910及薄mre909的柔性变形，从而使吸附工件在工作空间内的坐标发生变化。由于mre的变刚度特性需要依靠磁场的变换实现，mre被动柔顺装置9通过将导线914缠绕在环状导磁体907的方式组成励磁线圈908，励磁线圈908位于厚mre906和挡板913之间，创造可使厚mre906刚性发生变化的磁场条件。
38.mre被动柔顺装置9的变刚度柔顺调节主要来源于厚mre906的变刚度特性，因而此部分元件也可等效替代为其他变刚度元件，本专利仅以mre材料为例，进行说明。
39.材料选用方面，被动柔顺装置9的环状导磁体907、导磁外壳915与导磁下杆916均选用具有高磁导率、高磁饱和强度及低矫顽力的电磁纯铁；吸盘910为橡胶材料；厚mre906与薄mre909均由微米级的羰基铁粉、天然橡胶及硫化剂、增塑剂等添加剂在磁场下固化而成，具有各向异性；其余材料选用无磁钢材质。
40.mre被动柔顺装置9通过真空吸盘吸附工件10，随着空气从气腔911排出，吸盘910收缩，在多个吸盘吸附收缩情况下，吸盘910只在外力作用下存在细微变形，可忽略不计。在如图3协作装配方案图中的自由空间拖拽时，操作员可施加外力于吸附工件10、承重连接装置6及上杆903。
41.其中，施加操作力于吸附工件10时需考虑mre被动柔顺装置9的被动柔顺性能。由于自由空间的大范围拖拽无约束，被动柔顺效果需消除或减弱以不干扰主动柔顺控制过程，而mre被动柔顺装置9的被动柔顺性能主要由厚mre906控制，因此，在自由空间拖拽时需调节励磁线圈908电流强度，使关键元件厚mre906在磁场作用下保持高刚性，并保持挡板913在吸盘910与环状导磁体907之间，从而使机器人末端系统表现为高刚性，操作员在吸附工件10施加的外力f1能几乎无损的传递给机器人主动柔顺控制模型，使机器人末端吸附着吸附工件10发生δx的位移，完成自由空间拖拽。而后两种施力位置由于所在部件与机器人末端均为刚性连接，不涉及mre被动柔顺装置9的被动柔顺，满足自由空间刚性拖拽要求。
42.在如图3协作装配方案图的非严格紧约束空间装配时，如高精度插销装配，此时的装配方法为：
43.1)依据自由空间拖拽方法开启主动柔顺控制，调节mre被动柔顺装置9刚度，在操作员将吸附工件拖拽至大致装配点后，关闭主动柔顺控制，机器人运动停止；
44.2)通过减小励磁线圈908电流强度，降低磁场强度，调节厚mre906由高刚性状态转为弱刚性状态，其中所弱刚性状态指吸附工件10在操作员人力f1作用下，经过mre被动柔顺
装置9被动柔顺后，可发生最大位移为5mm的运动。此状态调节过程中机器人需保持静止，并取出挡板913；
45.3)利用mre被动柔顺装置9的柔性，操作员施加外力于吸附工件上进行孔位校准，并不断调节插销过程中孔与孔间的相对位置关系，确保插销过程顺利。对于高精密插销过程，支持使用锤子锤击销尾，完成装配。
46.在如图3协作装配方案图的严格紧约束空间装配时，如沿轨迹运动装配，此时的装配策略为：
47.1)在吸附工件沿固定轨迹运动前，减小励磁线圈908电流强度，降低磁场强度，调节厚mre906由高刚性状态转为较弱刚性状态，其中较弱刚性状态指吸附工件10在操作员人力f1作用下，经过mre被动柔顺装置9被动柔顺后，可发生位移不超过3mm的微小运动。此状态调节过程中机器人需保持静止，并取出挡板913；
48.2)开启主动柔顺控制使吸附工件10沿着固定轨迹运动，被动柔顺装置9的柔性用于吸收沿轨运动时约束力f2所垂直于轨迹方向的力及人力f1与约束力f2中的不稳定力带来的变形δx
small
，消耗一部分力与动能。
49.3)经过被动柔顺装置9的消耗，输入主动柔顺控制模型的力f较为稳定，继续指导机器人末端运动δx的位移，此时吸附工件10的位移为δx
small
δx≈δx，被动柔顺修正的小变形，避免吸附工件在约束空间来回碰撞。
50.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。