实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置、控制系统及方法

技术领域

本发明属于恒力浮动传感器技术领域，特别是实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置、控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着工业自动化的发展，恒力浮动装置在越来越多的场景中得到了应用。例如，随着太阳能发电的大面积普及，针对于太阳能板的清洁过程就需要进行恒力控制。由于太阳能板由于材料特殊，太阳能板在清洁过程中很容易碎裂，对于太阳能板清洁时很好的进行力量控制，从而需要使用恒力浮动器来对施加到太阳能板上的压力进行平衡。

发明人发现，目前市面上的恒力浮动器多数都是通过两个或多个气室来调节多个活动功能，而多个气室使得恒力浮动器的重量较重，长度偏大，从而使得打磨设备上的机械手在夹持恒力浮动器，增加了机械手的负载并降低了活动空间；同时由于太阳能板均安装在户外，所以还需配备单独气源设备，增加了使用时的难度，同时增加了清洁成本。

发明内容

本发明的目的在于提供实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置、控制系统及方法，其中恒力浮动装置为纯机械式结构，比气动浮动装置结构更简单、造价更低廉，并且重量轻、控制更简便，解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提供了实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置。

实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置，包括从上至下依次连接的法兰端快换机构、传感器机构、恒力浮动机构及末端快换机构，所述法兰端快换机构连接机械臂，末端快换机构连接执行末端；所述传感器机构内设置有力传感器，所述恒力浮动机构包括恒力浮动外壳，所述恒力浮动外壳底部设置有恒力弹簧和风琴管，所述风琴管内穿设有弹簧拉杆，所述恒力弹簧的一端与弹簧拉杆相连接，所述弹簧拉杆可相对于恒力浮动外壳上下移动；当所述末端快换机构受到压力时，弹簧拉杆沿受力方向移动，带动风琴管收缩，在恒力弹簧的作用下实现执行末端与接触物的恒力接触；当弹簧拉杆移动距离达到极限时，触发力传感器，进而触发机械臂运动，在机械臂和恒力弹簧的共同作用下实现执行末端与接触物处于恒力接触。

可选的，所述恒力浮动外壳和风琴管之间还设置有恒力弹簧固定板一，所述风琴管末端还设置有恒力浮动连接板，所述恒力弹簧可拆卸的设置于恒力弹簧固定板一上，所述弹簧拉杆设置于恒力浮动连接板上；所述恒力弹簧固定板一、恒力浮动外壳与弹簧拉杆相对应的位置分别设置有一号孔和二号孔，一号孔和二号孔的大小与弹簧拉杆相适配；所述恒力浮动连接板上还设置有多个导向柱，所述恒力弹簧固定板一上设置有多个导向孔，所述导向柱和导向孔一一对应设置。

可选的，所述传感器机构包括传感器安装板一、传感器安装板二、传感器安装板三，所述传感器安装板一和传感器安装板二组成容纳腔体，所述传感器安装板三设置于容纳腔体内部，所述传感器安装板三上设置有多个应变悬臂，所述应变悬臂顶部设置有力传导台，所述力传导台顶部设置有力传导板，所述力传导板朝向二号孔设置，所述应变悬臂上设有应变片。

可选的，所述法兰端快换机构和末端快换机构均包括由上至下依次设置的快换安装板一、快换安装板二、快换安装板三和快换安装板四，所述快换安装板三底部设置有齿轮，所述齿轮上安装有固定轴，所述快换安装板三中央设置有滑槽，所述滑槽内滑动连接有齿条，所述齿条和齿轮相啮合，所述齿条两侧分别设置有拨动块，所述拨动块延伸至快速安装板三的外部；所述拨动块上设置有导向凸台，所述快换安装板二上设置有导向槽，所述导向凸台和导向槽相互配合使用。

可选的，所述快换安装板四上设置有凹槽，所述凹槽内设置有锁止扣，所述锁止扣与固定轴配合使用，对固定轴进行限位。

可选的，所述快换安装板二和快换安装板一之间设置有快换固定螺栓，所述快换固定螺栓末端两侧分别设置有固定销，所述固定销上套设有小弹簧，所述固定销与导向凸台配合使用，对导向凸台的位置进行限位。

可选的，所述快换安装板二上还设置有拨动槽，所述拨动槽与拨动块相互配合使用。

可选的，所述快换安装板一和快换安装板二的对应位置分别设置有半圆形的一号螺纹槽和二号螺纹槽，所述一号螺纹槽和二号螺纹槽内螺纹连接有快换固定螺栓。

本发明第二方面提供了一种控制系统。

一种包含第一方面所述实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置的控制系统，包括机械臂、执行末端和控制器，所述机械臂和法兰端快换机构相连接，所述执行末端与末端快换机构相连接，所述控制器用于获取力传感器检测的压力数据和机械臂当前位置姿态数据，根据压力数据和机械臂当前位置姿态数据设计新的机械臂轨迹，使执行末端与接触物之间始终保持恒力接触。

本发明第三方面提供了一种控制方法。

一种基于第二方面所述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

接收力传感器反馈的压力数据；

判压力数据是否为动态变化的数据，若是，则判断出执行末端受到外力，此时获取机械臂当前位置姿态数据；

基于压力数据和机械臂当前位置姿态数据设计新的机械臂轨迹，调整机械臂位置，使执行末端与接触物之间始终保持恒力接触。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置、控制系统及方法，该快速更换的恒力浮动装置在两端均具有快速更换机构，在进行使用时可以快速的从机械臂上安装以及拆卸，对于末端工具也可以快速的安装以及拆卸。

2、该快速更换的恒力浮动装置为纯机械式结构的，比气动浮动装置结构更简单造价更低廉，并且重量轻，控制更简便。

3、该快速更换的恒力浮动装置行程大，在使用时拥有更大的浮动空间，可以大幅度简化机械臂的编程难度，提高工作效率。

4、该快速更换的恒力浮动传感器装置具有被动浮动和力传感主动浮动两种使用方式，当机械被动浮动方式行程达到极限时可以触发主动浮动方式，通过控制器调整机械臂的轨迹，使得机械臂工作更加安全。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一整体结构示意图；

图2为本发明实施例一法兰端快换机构整体示意图；

图3为本发明实施例一传感器机构整体示意图；

图4为本发明实施例一恒力浮动机构示整体意图；

图5为本发明实施例一末端快换机构整体示意图；

图6为本发明实施例一法兰端快换机构立体结构爆炸示意图；

图7为本发明实施例一法兰端快换机构另一角度立体结构爆炸示意图；

图8为本发明实施例一传感器机构立体结构爆炸示意图；

图9为本发明实施例一传感器机构另一角度立体结构爆炸示意图；

图10为本发明的恒力浮动机构内部示意图；

图11为本发明一种可快速拆装机器人力位混合柔顺控制方法和装置的力位混合柔顺控制方法中操作流程图；

图12为发明一种可快速拆装机器人力位混合柔顺控制方法和装置的力位混合柔顺控制方法中控制策略流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、法兰端快换机构；2、传感器机构；3、恒力浮动机构；4、末端快换机构；11、法兰端快换安装板一；12、快换固定螺栓；13、法兰端快换安装板二；14、法兰端快换安装板三；15、法兰端快换安装板四；16、小弹簧；17、固定销；18、齿条；19、固定轴；110、齿轮；21、传感器安装板一；22、力传导板；23、传感器安装板二；24、传感器安装板三；31、恒力浮动外壳；32、恒力弹簧固定板一；33、风琴管；34、恒力浮动连接板；35、恒力弹簧固定板二；36、恒力弹簧；37、导向柱；38、弹簧拉杆；39、一号孔；40、二号孔；41、拨动块；131、导向槽；181、导向凸台；151、锁止扣；241、应变悬臂；242、力传导台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-10所示，本实施例为实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置，包括从上至下依次连接的法兰端快换机构1、传感器机构2、恒力浮动机构3及末端快换机构4，法兰端快换机构1与机械臂相连接，末端快换机构4与执行末端相连接；所述传感器机构2上设置有力传感器；所述恒力浮动机构3包括从上至下依次连接的恒力浮动外壳31、恒力弹簧36固定板一32、风琴管33和恒力浮动连接板34，所述恒力弹簧36固定板一32上设置有恒力弹簧36，所述恒力浮动连接板34上设置有弹簧拉杆38，所述恒力弹簧36的一端与弹簧拉杆38相连接，可跟随弹簧拉杆38伸长收缩，所述风琴管33也可以跟随弹簧拉杆38活动进行伸缩；所述恒力弹簧36固定板一32、恒力浮动外壳31与弹簧拉杆38相对应的位置分别设置有一号孔39和二号孔40，一号孔39和二号孔40的大小与弹簧拉杆38相适配；所述弹簧拉杆38用于在执行末端受到外力时，从一号孔39中伸出，带动风琴管33收缩，当弹簧拉杆38从一号孔39内伸出的伸出量达到极限时，继续从二号孔40中伸出，触发力传感器，进而触发机械臂运动，实现执行末端与接触物始终处于恒力接触。

风琴管33为柔性材料制成，形状为波纹形，具有伸缩功能。在初始位置(执行末端未受到外力)时，风琴管33处于自然伸缩状态，弹簧拉杆38的顶端穿出一号孔39内，利用一号孔39对弹簧拉杆38进行一定的限位；当执行末端受到外力时，弹簧拉杆38沿受力方向移动，带动风琴管33收缩，从而使恒力浮动连接板34带动末端快换机构4向远离执行末端的方向移动，在恒力弹簧36的作用下实现执行末端与接触物的恒力接触。

当弹簧拉杆38移动距离达到极限时，触发力传感器，进而触发机械臂运动，在机械臂和恒力弹簧36的共同作用下实现执行末端与接触物处于恒力接触。

本实施例中的恒力浮动装置具有被动浮动和力传感主动浮动两种工作方式，当机械被动浮动方式行程达到极限时可以触发主动浮动方式，使得机械臂工作更加安全。

通过设置合理的弹簧拉杆38的长度、风琴管33的高度、恒力浮动外壳31的高度，可以实现对被动浮动的行程进行设计，满足个性化需求。

如图10所示，为了便于恒力弹簧36的更换，所述恒力弹簧36可拆卸的安装于恒力弹簧36固定板一32上，具体的，恒力弹簧36固定板一32上安装有恒力弹簧36固定板二35，所述恒力弹簧36固定板二35上安装有恒力弹簧36。所述恒力弹簧36固定板二35可以进行更换，从而安装不同力度的恒力弹簧36。

为了实现弹簧拉杆38运动的稳定性，所述恒力浮动连接板34上还设置有多个导向柱37，所述恒力弹簧36固定板一32上设置有多个导向孔，所述导向柱37和导向孔一一对应设置。在本实施例中，设置有两个导向柱37和导向孔。

如图8、图9所示，为了使弹簧拉杆38方便的对力传感器进行触发，提升触发的灵敏性，所述传感器机构2包括传感器安装板一21、传感器安装板二23、传感器安装板三24，所述传感器安装板一21和传感器安装板二23组成容纳腔体，所述传感器安装板三24设置于容纳腔体内部，传感器机构2中传感器安装板三24与传感器安装板一21固定连接，传感器安装板二23对传感器安装板三24进行保护。

恒力浮动机构3中恒力浮动外壳31固定于传感器安装板一21上并与恒力弹簧36固定板一32连接。

所述传感器安装板三24上设置有多个应变悬臂241，所述应变悬臂241顶部设置有力传导台242，所述力传导台242顶部设置有力传导板22，所述力传导板22朝向二号孔40设置，所述应变悬臂241上设有应变片，利用应变片进行数据收集。这样当弹簧拉杆38运动至力传导板22的位置时，力会通过力传导板22、力传导台242、应变悬臂241和应变片进行传递，最终通过应变片完成压力数据的采集。

如图6、图7所示，考虑到在野外进行安装时的便捷性，本实施例中，所述法兰端快换机构1和末端快换机构4的结构相同，均包括由上至下依次设置的快换安装板一11、快换安装板二13、快换安装板三14和快换安装板四15，所述快换安装板三14底部设置有齿轮110，所述齿轮110上安装有固定轴19，所述快换安装板三14中央设置有滑槽，所述滑槽内滑动连接有齿条18，所述齿条18和齿轮110相啮合，所述齿条18两侧分别设置有拨动块41，所述拨动块41延伸至快速安装板三的外部；所述拨动块41上设置有导向凸台181，所述快换安装板二13上设置有导向槽131，所述导向凸台181和导向槽131相互配合使用。

所述快换安装板四15上设置有凹槽，所述凹槽内设置有锁止扣151，所述锁止扣151与固定轴19配合使用，对固定轴19进行限位。

所述快换安装板二13和快换安装板一11之间设置有快换固定螺栓12，所述快换固定螺栓12末端两侧分别设置有固定销17，所述固定销17上套设有小弹簧16，所述固定销17与导向凸台181配合使用，对导向凸台181的位置进行限位。

所述快换安装板二13上还设置有拨动槽，所述拨动槽与拨动块41相互配合使用。

这样在安装时，首先用手拨动拨动块41，拨动块41在拨动槽内滑动，带动齿条18在滑槽内滑动，齿条18与齿轮110相啮合，在齿条18齿轮110传动下，齿轮110滚动，带动齿轮110上的固定轴19转动，直至固定轴19抵触至锁止扣151的位置，齿轮110不再继续进行转动，齿条18无法继续向前滑动，拨动到位。

之后再拧动快换固定螺栓12，利用固定销17对导向槽131中的导向凸台181进行限位，完成了整个法兰端快速机构和末端快换机构4的组装。

本实施例中设计的法兰端快速机构和末端快换机构4，只需要人工徒手操作即可完成装配，无需借助过多的工具，便于在野外工具不全情况下的操作，减轻工人携带工具的麻烦和负担，避免工具丢失，同时提高了装配效率。

所述快换安装板一11和快换安装板二13的对应位置分别设置有半圆形的一号螺纹槽和二号螺纹槽，所述一号螺纹槽和二号螺纹槽内螺纹连接有快换固定螺栓12。

工作原理：

该快速更换的恒力浮动传感器装置在进行使用时，法兰端快换机构1与机械臂相连，末端快换机构4与执行末端相连，当执行末端受到外力时恒力浮动机构3会进行收缩以保证执行末端受到恒定的外力，当执行末端的外力消失或变小时，恒力浮动机构3会进行伸长以保证执行末端与物品进行恒力接触。当恒力浮动机构3收缩到最大行程，该快速更换的恒力浮动传感器装置收到的力依旧大于设定好的恒力时，恒力浮动机构3会将力量传导到传感器机构2上，从而触发机械臂运动来达到执行末端与物品恒力接触的目的。

该力位混合柔顺控制方法机器人可以根据力和位姿的反馈信息实时调整控制策略，以适应环境变化和任务需求，在柔顺控制中，实时反馈对于控制成功至关重要。机器人需要快速收集、处理传感器数据，并根据反馈信息进行实时控制调整。此外，如果出现不完美的控制动作，机器人还能够实时进行补偿，以确保任务的准确性。

实施例二：

本实施例公开了一种包含实施例一所述实现力位混合柔顺控制的恒力浮动装置的控制系统，包括机械臂、执行末端和控制器，所述机械臂和法兰端快换机构相连接，所述执行末端与末端快换机构相连接，所述控制器用于获取力传感器检测的压力数据和机械臂当前位置姿态数据，根据压力数据和机械臂当前位置姿态数据设计新的机械臂轨迹，使执行末端与接触物之间始终保持恒力接触。

实施例三：

本实施例三公开了一种基于实施例二所述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

接收力传感器反馈的压力数据；

判段压力数据是否为动态变化的数据，若是，则判断出执行末端受到外力，此时获取机械臂当前位置姿态数据；

基于压力数据和机械臂当前位置姿态数据设计新的机械臂轨迹，调整机械臂位置，使执行末端与接触物之间始终保持恒力接触。

具体的，如图11-12所示，恒力浮动装置中力传感器将所产生的实时变化的电信号发送给控制器，控制器接收力传感器反馈的实时变化的电信号，当控制器检测到力传感器反馈的电信号发生变化时，判断出执行末端受到外力，开始调动相应程序进行处理；

控制器调用程序开始判断机器人当前的位置姿态处于什么样的状态，并结合力传感器输出的电信号产生的不同变化进行混合处理，根据当前的姿态以及电信号，控制器做出相应的调整，给出新的轨迹规划，使得机器人继续保持恒力浮动工作状态。

基于压力数据和机械臂当前位置姿态数据设计新的机械臂轨迹，新的运动轨迹是原有运动轨迹在原有运动轨迹的法线方向上，向远离执行末端的方向上进行运动轨迹等距偏移得到的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。