一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。该机器人将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合无人搬运车，增大了机器人优质工作空间范围，在一次装卡的前提下即可完成对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业，在提升加工作业效率同时三自由度力控并联加工模块可以在加工作业时实现对末端执行器上正压力的控制，可有效保证加工质量。

A large stroke force controlled machining robot based on planar two degree of freedom hybrid manipulator

The invention discloses a large-stroke force-controlled machining robot based on a planar two-degree-of-freedom hybrid manipulator, which comprises an unmanned moving vehicle for guaranteeing a large moving stroke of the robot, a planar two-degree-of-freedom hybrid manipulator for controlling two-degree-of-freedom motion in the plane, and a three-degree-of-freedom force-controlled parallel processing module for controlling the planar two-degree-of-freedom motion. A mobile degree of freedom and two degrees of freedom of rotation, and control the positive pressure on the end effector. The robot installs a 3-DOF force-controlled parallel processing module on the end of a planar 2-DOF hybrid manipulator to cooperate with an unmanned moving vehicle, which enlarges the scope of the robot's high-quality workspace and can complete the processing of all the large structural parts or large wind turbine blades on the premise of one-time clamping. Efficiency and 3-DOF force-controlled parallel machining module can control the positive pressure on the end-effector during machining operation, which can effectively guarantee the machining quality.

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人
本专利技术涉及数控装置制造
，特别涉及一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人。
技术介绍
在航空航天、燃气轮机以及船舶行业高速发展的背景下，大型结构件、大型轮机叶片以及大尺寸螺旋桨的一体化加工需求日益凸显，为了充分发挥一体化设计的优势，如何高效高精完成大型结构件的加工就显得尤为重要。同时在当今全球低碳发展模式盛行的背景下，对清洁能源的需求日益增加。风能作为一种蕴藏丰富、分布广泛的清洁可再生能源正在受到更广泛的重视。随着风能利用的快速发展，风电机组的需求也日益增加，叶片作为风力发电机组中的关键部件，其工作寿命如何长久有效维持正受到广泛关注，由于叶片前缘在实际服役过程中极易受到污染而变得粗糙，这会极大降低风力发电机组的发电效率，因此对风电叶片进行及时打磨就显得尤为重要。但是大型风电叶片尺寸巨大，且打磨过程产生大量粉尘，因此用机器人代替人工进行大型风电叶片与大型结构件的加工作业是保证精度与效率的最佳方式。大型结构件与大型风电叶片尺寸巨大，要求机器人系统具有较大的行程同时其外形面多为自由曲面，曲率变化情况复杂，要求机器人系统能够实现五轴联动加工。传统的串联机器人由关节、连杆组合而成，其优点在于结构形式简单、工作空间大且较为灵活但是存在关节累积、末端刚度较差等问题。并联机构则是通过在定平台与动平台之间形成多个运动学支链构成闭环结构来保证末端动平台的高刚度并保证结构紧凑，但是其工作空间一般较小，亟待解决。将并联机构与串联机构有机结合构成混联机构则能够有效提升整体性能，结合两种机构形式的优势。专利
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，该机器人具有增大机器人优质工作空间范围、提升加工作业效率和有效保证加工质量的优点。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。本专利技术实施例的基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，通过将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合无人搬运车，增大了机器人优质工作空间范围，在一次装卡的前提下即可完成对大型结构件或大型风电叶片全部型面的加工作业，在提升加工作业效率的同时三自由度力控并联加工模块可以在加工作业时实现对末端执行器上正压力的控制，可有效保证加工质量。另外，根据本专利技术上述实施例的基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述平面两自由度混联机械臂包括：大臂，第一连杆组和所述机械臂大臂构成平行四边形机构，以实现由大臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动；小臂，第二连杆组和所述机械臂小臂构成平行四边形机构，以实现由小臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块包括：并联模块定平台；并联模块动平台；末端执行器；力控制单元；第一支链，所述第一支链通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块动平台连接，通过一个转动副与所述并联模块定平台连接，所述第一支链包含一个由输入驱动的丝杠螺母运动副，以实现丝杠与螺母轴线之间的转动自由度以及丝杠沿支链的移动自由度；第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块的特征还包括:所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证所述并联模块动平台与末端执行器固定连接后有一个移动自由度与两个转动自由度。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合所述无人搬运车，以增大机器人优质工作空间范围。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述第一支链包括：第一电机，所述第一电机的一端通过一个转动副与所述三自由度力控并联加工模块定平台相连；第一丝杠螺母副，所述第一丝杠螺母副中螺母与所述第一电机相固结，以构成圆柱运动副，实现丝杠相对于螺母的直线进给自由度与相对转动自由度，所述第一丝杠螺母副中的丝杠通过一个虎克铰或两个轴线互相垂直的转动副实现与所述并联模块动平台相连。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述力控制单元包括：力控制弹簧，所述力控制弹簧在作业过程中通过对位置控制来实现末端正压力的控制；阻尼减振器，所述阻尼减振器可通过与所述力控制弹簧的协调实现力控制条件下的振动抑制；单元外壳，所述控制单元外壳则可与并联加工模块本体结构相结合克服所述单元不能承受力矩的问题。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述力控制单元可设置在所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链中所述丝杠与所述转动副相连接的位置，以实现对所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链的力控制。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述力控制单元还可设置在所述三自由度力控并联加工模块动平台与所述末端执行器相连接的位置，以实现对所述末端执行器上作用力的控制。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块力控制单元还包括：力传感器，所述力传感器在作业过程中对所作用正压力进行反馈，并通过力/位混合控制算法，根据所述力传感器反馈的数据对所述三自由度力控并联模块末端执行器实现力/位混合控制。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块还可采用无力控制单元的结构形式。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；图3是根据本专利技术一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人的结构示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的平面两自由度混联机械臂的结构示意图；图5是根据本专利技术一个实施例的三自由度力控并联加工模块的结构示意图；图6是根据本专利技术的一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的爆炸示意图；图7是根据本专利技术的另一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的爆炸示意图。附图标记：在图1中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-1；在图2中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-21；直线导轨III-22；在图3中：三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；直线导轨III-3；机械臂底座21；机械臂大臂22；大臂驱动杆23；第一连杆组24；姿态调节部件25；小臂驱动杆26；机械臂小臂27；第二连杆组28；末端执行器29；第一支链31；第二支链32；第三支链33本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。

【技术特征摘要】
1.一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，包括：无人搬运车，用于保证机器人的大移动行程；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动；三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上正压力。2.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述平面两自由度混联机械臂包括：大臂，第一连杆组和所述机械臂大臂构成平行四边形机构，以实现由大臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动；小臂，第二连杆组和所述机械臂小臂构成平行四边形机构，以实现由小臂驱动杆输入的直线进给运动驱动的转动运动。3.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述三自由度力控并联加工模块包括：并联模块定平台；并联模块动平台；末端执行器；力控制单元；第一支链，所述第一支链通过一个转动副与所述并联模块定平台连接，通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块动平台连接，所述第一支链包含一个由输入驱动的丝杠螺母运动副，以实现丝杠与螺母轴线之间的转动自由度以及丝杠沿支链的移动自由度；第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同。所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证所述并联模块动平台与末端执行器固定连接后有一个移动自由度与两个转动自由度。4.根据权利要求1所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人，其特征在于，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合所述无人搬运车，以增大机器人优质工作空间范围；或直接安装于搭载于无人搬运车的直线导轨上或全行程直线导轨上，增大机器人工作行程。5.根据权利要求3所述的一种基于平面两自由度混联机械臂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辛军，谢福贵，崇增辉，汪劲松，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11