一种可控阻尼的机器人手臂及其控制系统的制作方法

1.本发明涉及振动控制与自动化机器人领域，具体涉及一种可控阻尼的机器人手臂及其控制系统。


背景技术：

2.随着工业化自动化进程的推进，机器手臂的应用场景越来越广，但由于关节柔性与连杆柔性效应，机器人在运行过程中和运行停止后均存在振动现象。这种振动不仅严重影响机器人的定位精度、工作稳定性，还大大降低了其工作效率。因此需要对这种不良振动进行相应的抑制。
3.现有的机器人主要采用在机械臂关节处增加液压平衡杠或弹簧缸的设计形式。但由于该类柔性机器人附加了液压平衡缸和弹簧缸，工作时响应速度慢、可控性差，在定位精度要求高和使用环境复杂多变的情况下，难以满足生产要求，大大影响了协作机器人的工作效率和智能化，且振动控制和稳定性存在一定的缺陷，难以实现协作机器人的人机协作。


技术实现要素：

4.基于上述问题，本发明提供了一种基于磁流变振动控制阻尼器的协作机器人系统，尤其提供一种具有减震控制功能的磁流变液阻尼器，用以实现协作机器人输出力可调、快速响应、工作稳定和人机交互协作。
5.本技术提供了一种可控阻尼的机器人手臂，包括：底座，以及安装在所述底座上的机器人机械臂；
6.所述底座上设置有磁流变液阻尼器，所述磁流变液阻尼器与所述机器人手臂连接；
7.所述磁流变液阻尼器内设置有线圈和磁性材料，所述线圈通电后，所述磁性材料剪切屈服强度发生变化，实现阻尼力的连续调节。
8.在一个可能的实现方式中，所述磁流变阻尼器由活塞、外筒、端盖、励磁线圈、磁流变液和密封圈等结构组成；
9.所述线圈用于产生磁路，磁流变液在压力作用下产生磁极，导致磁流变液内的软磁性颗粒发生磁性反应，磁流变液流动的方向与磁场方向垂直，通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化，从而使磁流变液阻尼器的阻尼力发生变化，使得作用在活塞上的力可通过该阻尼力消耗能量。
10.在一个可能的实现方式中，所述磁流变阻尼器内部设置有磁流变液，所述磁流变液包括磁性颗粒、基液；
11.所述磁性颗粒包括：羟基铁粉、羰基铁粉、复合软磁颗粒中的一种或几种。
12.在一个可能的实现方式中，所述机器人机械臂上设置有多个柔性关节，包括：肘关节、肩关节、腰关节、腕关节，在每个关节处均设置有磁流变液阻尼器。
13.在一个可能的实现方式中，其特征在于，还包括内部传感器，所述内部传感器对各
关节处的位置、速度等进行检测，得到机器人关节处的负载信号、臂展参数，用于使控制装置调节输出信号，控制磁流变液阻尼器内部的激励电流。
14.在一个可能的实现方式中，其特征在于，还包括外部传感器，所述外部传感器用于感知工作环境和工作对象。
15.在一个可能的实现方式中，所述协作机器人底座连接腰关节j1，所述腰关节j1的旋转角度为320
°
，所述腰关节j1连接肘关节j2，所述肘关节j2连接肘关节j3，所述肩关节j3的旋转角度为220
°
，所述肩关节j3连接肘关节j4，所述肘关节j4的旋转角度为270
°
，所述肘关节j4连接腕关节j5，所述腕关节j5的旋转角度为532
°
，腕关节j6的旋转角度为200
°
，腕关节j7的旋转角度为600
°
。
16.另一方面，本技术提供了一种可控阻尼的机器人手臂控制系统，包括设置在机器人手臂上的传感器，以及依次连接的数据采集装置、控制单元以及电源；
17.机器人手臂采用驱控统一的架构的控制器，包含主计算机、pc计算机和驱动模块；控制器，可适应非线性的机器人关节控制、根据运动状态调整伺服参数、获取伺服控制结果并根据误差调整控制参数、根据电机的状态调整配置参数。
18.在一个可能的实现方式中，控制系统的pc端由信号分析系统和多通道集中式数据采集仪组成，该信号分析系统为dh5928w无线动态信号测试分析系统，其联机能够实现实时数据采集、实时波形显示、数据存储、时域分析、频域分析功能。
19.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：
20.1.磁流变振动控制阻尼器具有根据振动情况快速、连续可逆地调整阻尼力的特点。该阻尼器控制方法不会产生额外的振动，同时体积小、环境适应能力较强，且因内部存在磁流变液，其提供的阻尼力连续可调、调整范围较大，具有较好的操作稳定性，在快速、柔性机器人振动控制中具有良好的技术应用前景。
21.2.协作机器人采用abb的irc5控制器，该控制器采用驱控统一的架构，可适应非线性的机器人关节控制、根据运动状态调整伺服参数、获取伺服控制结果并根据误差调整控制参数、根据电机的状态调整配置参数、可实现更高的安全性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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技术的一些实施例，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。
23.图1为本技术一示例性实施例的协作机器人柔性关节结构图；
24.图2为本技术一示例性实施例的磁流变阻尼器协作机器人及其控制系统示意图；
25.图3为本技术一示例性实施例的磁流变液及其阻尼器的设计结构简图。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
27.为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。
28.如图1和图2所示，所述操作装置为柔性关节手臂，所述柔性关节由肩关节、腕关节、肘关节和腕关节组成，所述柔性关节手臂安装在机器人底座上，所述机器人操作装置以磁流变液阻尼器为技术基础，利用其输出力可调、响应快、减振可控性好等特点。
29.底座上设置有磁流变液阻尼器，磁流变液阻尼器与所述机器人手臂连接；磁流变液阻尼器内设置有线圈和磁性材料，线圈通电后，所述磁性材料剪切屈服强度发生变化，实现阻尼力的连续调节。
30.所述协作机器人底座连接腰关节j1，所述腰关节j1的旋转角度为320
°
，所述腰关节j1连接肘关节j2，所述肘关节j2连接肘关节j3，所述肩关节j3的旋转角度为220
°
，所述肩关节j3连接肘关节j4,所述肘关节j4的旋转角度为270
°
，所述肘关节j4连接腕关节，所述腕关节j5的旋转角度为532
°
，腕关节j6的旋转角度为200
°
，腕关节j7的旋转角度为600
°
。
31.所述机器人底座安装有磁流变振动控制阻尼器，所述磁流变阻尼器由活塞、外筒、端盖、励磁线圈、磁流变液和密封圈等结构组成，其工作原理为：电流通过线圈产生磁路，磁流变液在压力作用下产生磁极，导致磁流变液内的软磁性颗粒发生磁性反应，磁流变液流动的方向与磁场方向垂直，通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化，从而使磁流变液阻尼器的阻尼力发生变化，使得作用在活塞上的力可通过该阻尼力消耗能量。
32.优选的，所述磁流变减振控制阻尼器内部有磁流变液，所述磁流变液主要由磁性颗粒、基液、添加剂等组成，所述磁性颗粒主要含有、羟基铁粉、羰基铁粉、复合软磁颗粒等；所述基液是软磁颗粒能悬浮的连续媒介，是磁流变液的重要组成部分；所述添加剂包括分散剂和防沉降剂等，主要改善磁流变液的黏度和剪切屈服强度。
33.如图3所示，本技术还提供了一种可控阻尼的机器人手臂控制系统，所述控制系统包括：控制装置、伺服驱动部分、传感装置；所述控制装置由pc控制面板、plc数据采集、信号处理模块等组成；所述伺服驱动部分执行控制装置的指令，驱动各关节的运动；所述传感装置包括内部传感器和外部传感器，所述内部传感器对机器人各关节处的位置、速度等进行检测，所述外部传感器用来感知工作环境和工作对象；通过安装在机器人关节上的内部传感器，得到机器人关节处的负载信号、臂展等参数，在pc端设计控制模式(含反馈补偿)调节输出信号，控制磁流变液阻尼器内部的激励电流，通过安装在底座和关节上的磁流变液阻尼器，控制协作机器人的关节负载，形成闭环控制系统。
34.所述协作机器人的采用abb的irc5控制器，该控制器采用驱控统一的架构，包含x86的主计算机、pc计算机和驱动模块等；所述irc5控制器，可适应非线性的机器人关节控制、根据运动状态调整伺服参数、获取伺服控制结果并根据误差调整控制参数、根据电机的状态调整配置参数、可实现更高的安全性。
35.优选的，所述控制系统的pc端是由信号分析系统和多通道集中式数据采集仪组成，该信号分析系统为dh5928w无线动态信号测试分析系统，其联机能够实现实时数据采集、实时波形显示、数据存储、时域分析、频域分析等功能；具有高抗干扰能力和低误码率、高可靠性、传输距离远和低功耗等特点。
36.本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该
发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
37.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本技术的真正范围和精神由上述的权利要求指出。
38.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。
39.应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
40.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
41.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。