本發(fā)明涉及一種自動化裝校對接領(lǐng)域，特別涉及一種基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在工業(yè)、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等精密裝校領(lǐng)域，裝校對接的質(zhì)量和效率直接影響著系統(tǒng)整體的運行精度、生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)定性。其裝校對接多屬于空間六自由度重載、大尺寸、高精度裝校，裝校對接過程盲源無基準(zhǔn)，并且裝校過程中裝校對象經(jīng)常與裝校環(huán)境相互作用。而傳統(tǒng)裝校缺少柔順性，不能及時反饋裝校對象與環(huán)境相作用的有關(guān)信息，容易造成裝校對象的損傷，影響裝校的整體質(zhì)量。為滿足裝校對接智能化的需求，完成柔性裝校工作，裝校平臺必須朝著能夠感知自身與外界環(huán)境的相互作用，并且能夠主動控制自身行為來調(diào)節(jié)與外界環(huán)境的相互作用的方向發(fā)展。

裝校平臺能夠?qū)ν饨绛h(huán)境做出順從性動作的能力稱為柔順性。裝校平臺的柔順性可以分為：主動柔順性和被動柔順性。被動柔順性是將具有緩沖吸能的柔順性機(jī)械裝置安裝在執(zhí)行器末端。被動柔順性雖然能夠完成一部分的柔順性工作，但是被動柔順性不能解決裝校平臺高剛度與高柔性之間的矛盾；被動柔順性專用性強(qiáng)、適應(yīng)性差；被動柔順不能感知與外界環(huán)境的相互作用，不能主動做出柔順性控制。主動式柔順是在執(zhí)行器末端安裝力反饋模塊，通過位置控制形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而達(dá)到柔順裝校的目的。主動柔順性控制集傳感器、機(jī)械、計算機(jī)、信息交互、控制等技術(shù)于一身，克服了傳統(tǒng)被動控制的不足，能夠很好地解決生產(chǎn)智能化的需求，應(yīng)用前景廣泛。

隨著自動化裝校設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對主動柔順裝校提出了更多的要求，現(xiàn)有的主動柔順裝校裝置依然存在一些問題。目前主流的主動柔順裝校裝置主要分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式，其中并聯(lián)式主動柔順裝校裝置結(jié)構(gòu)緊湊，但裝校工作空間受到了極大的限制。串聯(lián)式主動柔順裝校裝置雖然工作空間滿足要求，但削弱了系統(tǒng)剛度。同時此類裝校設(shè)備多應(yīng)用于軸類零部件的裝配，對零部件的外形有較嚴(yán)格的要求。因此，本發(fā)明提供一種基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)滿足裝校平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大、工作空間大等要求，同時適應(yīng)裝校對象多外形規(guī)格的要求。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)，其中該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個機(jī)架、一個托板、一個平面調(diào)整機(jī)構(gòu)以及一個水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，該托板可調(diào)節(jié)地設(shè)置于該機(jī)架，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)包括三個平面調(diào)整構(gòu)件，各個該平面調(diào)整構(gòu)件分別相互間隔地設(shè)置于該托板，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)包括一個上平臺、一個下平臺以及三個支鏈，該下平臺可驅(qū)動地設(shè)置于各個該平面調(diào)整構(gòu)件，各個該支鏈的下端部分別相互間隔地設(shè)置于該下平臺，各個該支鏈的上端部分別相互間隔地設(shè)置于該上平臺。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個六維力傳感器，該六維力傳感器設(shè)置于該水平調(diào)整構(gòu)件。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該六維力傳感器設(shè)置于該上平臺。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一專用夾具，該專用夾具設(shè)置于該六維力傳感器。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，各個該支鏈分別包括一個驅(qū)動單元、一個球鉸以及一個轉(zhuǎn)動支座，該驅(qū)動單元通過該轉(zhuǎn)動支座連接于該下平臺，該驅(qū)動單元通過該球鉸連接于該上平臺。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該支鏈為rps支鏈。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，相鄰該支鏈之間的距離相等。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，各個該平面調(diào)整構(gòu)件分別包括一個驅(qū)動器、一個絲杠、一個螺母、一個滑塊、一個滑軌以及一個軸承，該驅(qū)動器、該絲杠、該螺母、該滑塊和該滑軌分別設(shè)置于該托板，該絲杠連接于該驅(qū)動器，該螺母可驅(qū)動地設(shè)置于該絲杠，并且該螺母連接于該滑塊，該軸承設(shè)置于該滑塊的上部，并且該軸承連接于該下平臺，該滑塊可滑動地設(shè)置于該滑軌。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個升降機(jī)構(gòu)，該升降機(jī)構(gòu)包括一個升降驅(qū)動器、一個升降絲杠、一個升降螺母、一個升降滑塊以及一個升降軌道，該升降驅(qū)動器、該升降絲杠、該升降螺母、該升降滑塊和該升降軌道分別設(shè)置于該機(jī)架，該升降絲杠連接于該升降驅(qū)動器、該升降螺母可驅(qū)動地連接于該升降絲杠，并且該升降螺母固定地設(shè)置于該升降滑塊，該升降滑塊連接于該托板，并且該升降滑塊可滑動地設(shè)置于該升降軌道。

作為對本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例，該滑軌呈十字形。

本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

本發(fā)明的該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個機(jī)架、一個托板、一個平面調(diào)整機(jī)構(gòu)以及一個水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，該托板可調(diào)節(jié)地設(shè)置于該機(jī)架，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)包括三個平面調(diào)整構(gòu)件，各個該平面調(diào)整構(gòu)件分別相互間隔地設(shè)置于該托板，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)包括一個上平臺、一個下平臺以及三個支鏈，該下平臺可驅(qū)動地設(shè)置于各個該平面調(diào)整構(gòu)件，各個該支鏈的下端部分別相互間隔地設(shè)置于該下平臺，各個該支鏈的上端部分別相互間隔地設(shè)置于該上平臺，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)采用六個自由度混聯(lián)，其混聯(lián)順序為z向大行程升降機(jī)構(gòu)、該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)和該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，其中z向大行程升降機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)在z向大行程升沉作業(yè)，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)沿x、y向的平移和在z軸的旋轉(zhuǎn)，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)沿z軸的小行程平移以及繞x、y軸的旋轉(zhuǎn)。

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)在各個自由度的實現(xiàn)方式是，z向大行程升降運動由該升降機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)在x、y向的平移以及z軸的旋轉(zhuǎn)運動由該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)完成，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)的各個該平面調(diào)整構(gòu)件使該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)緊湊，同時剛度也大大增強(qiáng)，并且各個該平面調(diào)整構(gòu)件的協(xié)調(diào)運動可以實現(xiàn)平面范圍內(nèi)的精密位姿調(diào)整。該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)在z軸小行程的調(diào)整以及繞x、y軸的旋轉(zhuǎn)運動由該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)完成，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)的各個支鏈并聯(lián)布置，滿足該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)強(qiáng)度要求的情況下的整體結(jié)構(gòu)也相對緊湊，通過各個該支鏈的協(xié)調(diào)運動便可以實現(xiàn)水平范圍內(nèi)的精密位姿的調(diào)整。

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的六維力傳感器固定于該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)上，用于監(jiān)測裝校對過程中裝校力的變化情況，以使該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)能夠在裝校的過程中主動調(diào)節(jié)誤差，消除力的變化，實現(xiàn)該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的主動柔順裝校。

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的優(yōu)勢還有：

1、該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)形成六自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要由該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)和該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成，充分結(jié)合了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度強(qiáng)以及串聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間大的優(yōu)點。

2、該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)可實現(xiàn)空間六自由度的精密裝校，同時降低自動化裝校設(shè)備在裝校過程中的無效載荷，避免存在摩擦、二街振蕩等問題。

3、該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的裝校對象范圍得以擴(kuò)寬，不再僅限于軸孔裝配。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點和特點，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實施例對以上概述的本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對本發(fā)明進(jìn)行更具體和更詳細(xì)的說明和闡述。在附圖中：

圖1是基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的使用狀態(tài)立體圖。

圖2是基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的平面調(diào)整機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖3是基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖4是基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖5是阻抗系統(tǒng)模型的示意圖。

具體實施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、變形方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1至圖4所示，依本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)，該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個機(jī)架10、一個托板20、一個平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30以及一個水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40，該托板20可調(diào)節(jié)地設(shè)置于該機(jī)架10，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30包括三個平面調(diào)整構(gòu)件31，各個該平面調(diào)整構(gòu)件31分別相互間隔地設(shè)置于該托板20，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40包括一個上平臺41、一個下平臺42以及三個支鏈43，該下平臺42可驅(qū)動地設(shè)置于各個該平面調(diào)整構(gòu)件31，各個該支鏈43的下端部分別相互間隔地設(shè)置于該下平臺42，各個該支鏈43的上端部分別相互間隔地設(shè)置于該上平臺41。

優(yōu)選地，各個該支鏈43分別包括一個驅(qū)動單元431、一個球鉸432以及一個轉(zhuǎn)動支座433，該驅(qū)動單元431通過該轉(zhuǎn)動支座433連接于該下平臺42，該驅(qū)動單元431通過該球鉸432連接于該上平臺41。更優(yōu)選地，該支鏈43為rps支鏈。更優(yōu)選地，相鄰該支鏈43之間的距離相等。

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個升降機(jī)構(gòu)50，該升降機(jī)構(gòu)50設(shè)置于該機(jī)架10和連接于該托板20，以通過該升降機(jī)構(gòu)50驅(qū)動該托板20帶動該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30和該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40在z軸方向的大行程運動，該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30能夠?qū)崿F(xiàn)x、y軸平移和z軸旋轉(zhuǎn)，該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40能夠?qū)崿F(xiàn)x、y軸旋轉(zhuǎn)和z軸的平移，從而實現(xiàn)該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)在六個自由度的精密調(diào)整。

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個六維力傳感器60，該六維力傳感器60設(shè)置于該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40。優(yōu)選地，該六維力傳感器60設(shè)置于該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40的該上平臺41。該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)包括一個專用夾具70，該專用夾具70設(shè)置于該六維力傳感器60，其中該專用夾具70用于夾持一個對接件80，以將該對接件80與一個固定位置的被對接件90對接，在這個過程中，當(dāng)該對接件80因為偏差而碰觸到該被對接件90時，該六維力傳感器60能夠檢測到該對接件80的偏差位姿，以在后續(xù)對其進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步地，該升降機(jī)構(gòu)50包括一個升降驅(qū)動器51、一個升降絲杠52、一個升降螺母53、一個升降滑塊54以及一個升降軌道55，該升降驅(qū)動器51、該升降絲杠52、該升降螺母53、該升降滑塊54和該升降軌道55分別設(shè)置于該機(jī)架10，該升降絲杠52連接于該升降驅(qū)動器51、該升降螺母53可驅(qū)動地連接于該升降絲杠52，并且該升降螺母53固定地設(shè)置于該升降滑塊54，該升降滑塊54連接于該托板20，并且該升降滑塊54可滑動地設(shè)置于該升降軌道55，以在該升降驅(qū)動器51提供驅(qū)動力時，通過該升降絲杠52和該升降螺母53帶動該升降滑塊54沿著該升降軌道55運動，從而使該托板20在z軸做大行程的運動。

進(jìn)一步地，各個該平面調(diào)整構(gòu)件31分別包括一個驅(qū)動器311、一個絲杠312、一個螺母313、一個滑塊314、一個滑軌315以及一個軸承316，該驅(qū)動器311、該絲杠312、該螺母313、該滑塊314和該滑軌315分別設(shè)置于該托板20，該絲杠312連接于該驅(qū)動器311，該螺母313可驅(qū)動地設(shè)置于該絲杠312，并且該螺母313連接于該滑塊314，該軸承316設(shè)置于該滑塊315的上部，并且該軸承316連接于該下平臺42，該滑塊314可滑動地設(shè)置于該滑軌315。優(yōu)選地，該滑軌315呈十字形。

如圖1至圖4所示，在該托板20、該下平臺42以及該上平臺41的幾何中心分別建立固定坐標(biāo)系o0x0y0z0及動坐標(biāo)系o1x1y1z1、o2x2y2z2。該上平臺41相對該托板20的位姿為(xyzαβγ)，根據(jù)該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)的特點可知，平移x、y以及偏航角γ將由該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30提供。此時轉(zhuǎn)動副fi在動系o1x1y1z1中的坐標(biāo)位置可由幾何關(guān)系直接求出，已知該下平臺42的運動情況，求解移動副d1、d2在x0向以及d3在y0向的驅(qū)動位移量d1，d2，d3就是該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30的運動學(xué)逆解。

坐標(biāo)點從該上平臺41到該下平臺42的齊次變換滿足：

針對平面調(diào)整機(jī)構(gòu)，r1為動系o1x1y1z1到定系的方向余弦矩陣，p1＝(x,y,h1)^t表示動系o1x1y1z1在定系中的位置向量：

其中cγ＝cosγ，sγ＝sinγ，依次類推。

根據(jù)幾何關(guān)系可以確定移動副di在定系中的初始零點位置坐標(biāo)dio(dixo,diyo,dizo)以及旋轉(zhuǎn)副fi在動系o1x1y1z1中的坐標(biāo)由式(1)可知旋轉(zhuǎn)副fi在定系中的坐標(biāo)

由裝配關(guān)系可知，d1、d2分別與f1、f2在x0向的坐標(biāo)值相等，d3與f3在y0向的坐標(biāo)值相等，解算得該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30驅(qū)動位移量：

該平面調(diào)整機(jī)構(gòu)30的逆解可以簡記為：

di＝fi(x,y,γ)(i＝1，2，3)(4)

同理，針對該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40，r2為動系o2x2y2z2到定系的方向余弦矩陣，p2＝(x,y,z)^t表示動系o2x2y2z2在定系中的位置向量：

球副ci在動系o1x1y1z1中的坐標(biāo)由式(1)可知球副ci在定系中的坐標(biāo)由此可得該水平調(diào)整機(jī)構(gòu)40的位置反解，即驅(qū)動桿桿長計算公式。

綜合式(4)、(6)可知，系統(tǒng)位置逆解為：

di＝fi(x,y,z,α,β,γ)(i＝1，2...6)(7)

2)基于力伺服的主動柔順裝校

假設(shè)該六維力傳感器60初始輸出模擬量為va，當(dāng)前輸出值為vo，模擬量的極限值為vm，該六維力傳感器60所測量的力的量程為fm，則當(dāng)前該六維力傳感器60的測量值計算公式為

該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)可以簡化為一個阻抗系統(tǒng)，該阻抗系統(tǒng)基本要素包括目標(biāo)慣量、目標(biāo)阻尼和目標(biāo)剛度，它們構(gòu)成了“目標(biāo)阻抗”這一期望關(guān)系，并且對阻抗控制系統(tǒng)的影響是決定性的，阻抗系統(tǒng)物理模型如圖5所示。

該阻抗系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)方程：

將其拓展至六維情形，則有：

其中：

mt，bt，kt為目標(biāo)慣量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

x，為末端位置、速度和加速度向量；

xt，為期望的末端位置、速度和加速度向量；

fe，f分別為末端期望接觸力和實際接觸力。

對該模型進(jìn)行拉氏變換，整理后得到：

從而建立裝校對象位姿與該六維力傳感器60的作用力之間的關(guān)系，并根據(jù)力反饋來驅(qū)動該基于六維力控制的主動柔順裝校系統(tǒng)，通過運動學(xué)逆解調(diào)整裝校對象位姿，使裝校對象與裝校環(huán)境保持無接觸狀態(tài)，保證裝校對象的安全，提高裝校效率，實現(xiàn)力伺服下的主動柔順裝校。值得一提的是，裝校對象可以是本發(fā)明在上述提及的該對接件80。

以上對本發(fā)明的一個實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。