电磁一维恒力装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业机器人应用场合的恒定作用力控制领域，特别是涉及电磁一维恒 力装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 在工业机器人加工应用场合当中，例如抛光打磨过程，往往要求机器人在加工过 程中对加工工件保持恒定的作用力使最终的工件加工效果满足需求。目前根据柔顺性，主 要将机器人分被动柔顺和主动柔顺两大类，被动柔顺最具有代表性的用于提供恒定作用力 的被动柔顺装置是美国MIT Draper实验设计的一种称为远程中心柔顺RCC (Remote Center Compliance)的无源机械装置。RCC装置通常是一个由多根弹簧构成的能顺从空间六个自 由度的柔顺机构，它可以安装在机器人手臂的腕部和末端执行器之间，其基本工作原理是 通过调节弹簧的刚度，获得大小不同的柔顺性，实现绕柔顺中心旋转和平移。主动柔顺最 具有代表性的用于提供恒定作用力的装置是由奥地利的FerRobotics Compliant Robot Tecnology GmbH公司研发生产的气动恒力装置ACF，通过调节气压阀门控制末端工具与环 境保持恒定接触力。
[0003] 但是，远程中心柔顺装置是通过调节弹簧以改变装置在接触工件时保持恒定力， 该装置无法在工件过程中根据需要实时调整力的大小，可控性较差，而且工作中也无法对 力的波动情况进行跟踪。而ACF气动恒力装置本身价格昂贵，而且在工作中要求外部提供 恒压气体，需要配置空气压缩机才能进行工作，不仅导致工作噪音较大，而且也进一步提高 了应用成本。总的来说，目前的用于提供恒定作用力的装置存在实时调节性差、可控性差或 者成本高等问题，极大地限制了工业机器人的推广应用。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种电磁一维恒力装置，本发明 的另一目的是提供一种电磁一维恒力装置的控制方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 电磁一维恒力装置，包括基座、音圈电机、推杆、端盖、封盖和控制器，所述基座为 底部密封的筒状结构，所述音圈电机套装在基座内，所述端盖和封盖依次安装在基座的顶 部，所述端盖朝向基座底部内凹且与封盖之间形成一限位空间，所述推杆的一端穿过端盖 后与音圈电机连接，所述推杆的另一端伸出封盖且末端安装有传感器模块，所述推杆在音 圈电机的带动下在限位空间内移动；
[0007] 所述传感器模块用于采集恒力装置的受力信号和姿态信号并发送到控制器，所述 控制器根据受力信号和姿态信号实时调节音圈电机的线圈电流使得恒力装置与加工工件 保持恒定作用力。
[0008] 进一步，所述音圈电机包括电机定子和电机动子，所述电机定子包括两个绕线方 向相反的线圈，所述电机定子安装在基座的底部，所述电机动子套设在电机定子上方，所述 推杆的一端穿过端盖后与电机动子连接。
[0009] 进一步，所述传感器模块包括用于采集恒力装置的受力信号的一维力传感器和用 于采集恒力装置的姿态信号的三轴陀螺仪。
[0010] 进一步，所述限位空间内填充有阻尼物质。
[0011] 进一步，所述推杆为十字形结构。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
[0013] 所述的电磁一维恒力装置的控制方法，包括：
[0014] S1、获取用户设定的恒力装置与加工工件之间的恒定作用力；
[0015] S2、获取传感器模块采集的恒力装置的实时的受力信号和姿态信号；
[0016] S3、结合设定的恒定作用力和获取的姿态信号计算传感器模块的目标受力信号；
[0017] S4、计算传感器模块的目标受力信号和采集的恒力装置的受力信号之间的差值；
[0018] S5、根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流。
[0019] 进一步，所述传感器模块包括用于采集恒力装置的受力信号的一维力传感器和用 于采集恒力装置的姿态信号的三轴陀螺仪，所述步骤S3具体为：
[0020] 根据下式结合设定的恒定作用力和获取的姿态信号计算一维力传感器的目标受 力信号：
[0021] f目标=f接+m2g sin(a )
[0022] 其中，代表一维力传感器的目标受力信号，f接代表设定的恒定作用力，m2代表 恒力装置使用的夹具的质量，g代表重力加速度，a代表三轴陀螺仪采集的恒力装置的与 水平面的夹角。
[0023] 进一步，所述步骤S4具体为：
[0024] 根据下式计算一维力传感器的目标受力信号和采集的恒力装置的受力信号之间 的差值Af:
[0025] =
[0026] 其中，f传代表一维力传感器采集的恒力装置的受力信号。
[0027] 进一步，所述步骤S4具体为：
[0028] 根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流，若差值为正数，则调大音圈电 机的线圈电流，反之若差值为负数，则调小音圈电机的线圈电流。
[0029] 进一步，所述步骤S4具体为：
[0030] 结合下式，根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流：
[0031]
【主权项】
1. 电磁一维恒力装置，其特征在于，包括基座、音圈电机、推杆、端盖、封盖和控制器，所 述基座为底部密封的筒状结构，所述音圈电机套装在基座内，所述端盖和封盖依次安装在 基座的顶部，所述端盖朝向基座底部内凹且与封盖之间形成一限位空间，所述推杆的一端 穿过端盖后与音圈电机连接，所述推杆的另一端伸出封盖且末端安装有传感器模块，所述 推杆在音圈电机的带动下在限位空间内移动； 所述传感器模块用于采集恒力装置的受力信号和姿态信号并发送到控制器，所述控制 器根据受力信号和姿态信号实时调节音圈电机的线圈电流使得恒力装置与加工工件保持 恒定作用力。
2. 根据权利要求1所述的电磁一维恒力装置，其特征在于，所述音圈电机包括电机定 子和电机动子，所述电机定子包括两个绕线方向相反的线圈，所述电机定子安装在基座的 底部，所述电机动子套设在电机定子上方，所述推杆的一端穿过端盖后与电机动子连接。
3. 根据权利要求1所述的电磁一维恒力装置，其特征在于，所述传感器模块包括用于 采集恒力装置的受力信号的一维力传感器和用于采集恒力装置的姿态信号的三轴陀螺仪。
4. 根据权利要求1所述的电磁一维恒力装置，其特征在于，所述限位空间内填充有阻 尼物质。
5. 根据权利要求1所述的电磁一维恒力装置，其特征在于，所述推杆为十字形结构。
6. 权利要求1所述的电磁一维恒力装置的控制方法，其特征在于，包括： 51、 获取用户设定的恒力装置与加工工件之间的恒定作用力； 52、 获取传感器模块采集的恒力装置的实时的受力信号和姿态信号； 53、 结合设定的恒定作用力和获取的姿态信号计算传感器模块的目标受力信号； 54、 计算传感器模块的目标受力信号和采集的恒力装置的受力信号之间的差值； 55、 根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流。
7. 根据权利要求6所述的电磁一维恒力装置的控制方法，其特征在于，所述传感器模 块包括用于采集恒力装置的受力信号的一维力传感器和用于采集恒力装置的姿态信号的 三轴陀螺仪，所述步骤S3具体为： 根据下式结合设定的恒定作用力和获取的姿态信号计算一维力传感器的目标受力信 号： f目标=fft +m2g sin(a ) 其中，fg标代表一维力传感器的目标受力信号，代表设定的恒定作用力，m2代表恒力 装置使用的夹具的质量，g代表重力加速度，a代表三轴陀螺仪采集的恒力装置的与水平 面的夹角。
8. 根据权利要求7所述的电磁一维恒力装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具 体为： 根据下式计算一维力传感器的目标受力信号和采集的恒力装置的受力信号之间的差 值: Af = f目标_f传 其中，代表一维力传感器采集的恒力装置的受力信号。
9. 根据权利要求8所述的电磁一维恒力装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具 体为： 根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流，若差值为正数，则调大音圈电机的 线圈电流，反之若差值为负数，则调小音圈电机的线圈电流。
10.根据权利要求8所述的电磁一维恒力装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具 体为： 结合下式，根据计算的差值实时地调整音圈电机的线圈电流： Δ/ =丛 Bl 其中，Ai代表电流的调整值，B代表音圈电机的磁通密度，1代表音圈电机的线圈有效 长度。
【专利摘要】本发明公开了电磁一维恒力装置及其控制方法，该装置包括基座、音圈电机、推杆、端盖、封盖和控制器，基座为底部密封的筒状结构，音圈电机套装在基座内，端盖和封盖依次安装在基座的顶部，端盖朝向基座底部内凹且与封盖之间形成一限位空间，推杆的一端穿过端盖后与音圈电机连接，推杆的另一端伸出封盖且末端安装有传感器模块，推杆在音圈电机的带动下在限位空间内移动；传感器模块用于采集恒力装置的受力信号和姿态信号并发送到控制器，控制器根据受力信号和姿态信号实时调节音圈电机的线圈电流使得恒力装置与加工工件保持恒定作用力。本发明结构简单，生产成本低，响应速度快，具有较好的可控性，可调节性强，可广泛应用于机器人打磨工件行业中。
【IPC分类】B24B51-00, B24B41-00
【公开号】CN104723210
【申请号】CN201510083728
【发明人】陈新度, 何伟崇, 吴磊, 杨煜俊
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月14日