[发明专利]一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂

说明书

本发明公开了一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，包括线性滑台、电动旋转台、刚性臂和柔性臂，电动旋转台下端固定连接在线性滑台上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂一端，刚性臂另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂。本发明中采用拼接构成刚性臂，更易于降低刚性臂重量，惯量减小，更便于平衡刚性臂重量以及整个四自由度机械臂的控制，沿受力方向不容易变形，同时也会使关节结构更易于设计、制造和安装，在智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制中，关节结构可替换性更高，而且拼接式的机械臂使得关节结构设计简化，增加了传动效率和降低重量。

技术领域

本发明属于智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制领域，涉及一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂。

背景技术

柔性机械臂相较于刚性机械臂展现出了巨大的优势。重量轻、体积小、响应快等优势使柔性机械臂在工业生产的应用中获得很好的应用，但柔性机械臂存在的变形和微振动特性，使其在高精度作业中展现了一些问题，需要严苛的环境条件和有效的控制手段。有效的控制方法是柔性机械臂实现高精度操作的必要条件。柔性机械臂具有高的负载重量比，能以很快的速度进行作业，运行能量效率高，作动器的规格要求低，基于其柔性特质使其与环境的交互更加安全可靠。但轻型的设计带来的问题也限制着柔性机械臂的应用，柔性机械臂对环境的干扰过滤效果较差，会导致更加灵敏的、振幅更大的振动响应。这些振动响应造成操作过程中位置的偏移和很长的响应迟滞时间。新一代机器手以其高的负载重量比带来了生产效率的提高，但同时，柔性化、轻型化也决定了机械臂的操作精度，柔性臂在某一确切的操作中总是存在无法预料的偏差。机械结构的柔性化降低了机械手的操作精度，增加了操作的不确定性。因此，对相对简单的刚体臂控制问题的研究按实际情况应需转到对难以定性的柔性臂控制问题的研究。

现有的四自由度刚柔耦合柔性机械臂由平动和旋转构成，柔性臂的加入增加了系统的响应速度和安全性，能较好满足空间的位置操作要求。四个自由度分别为：（1）直线滑台带来的平动自由度；（2）CKD电机带来的在水平面转动的自由度；（3）刚臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度；（4）柔臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度。四个自由度可使机械臂执行端以不同的姿态运动到范围内的任何位置。机械臂的作动器为直线滑台、CKD电机和伺服电机，控制它们实现机械臂的运动。反馈方式为编码反馈，各作动器具有自锁能力。

刚柔耦合机械臂执行任务的响应速度和精度还基于机械结构的设计，现有的刚柔耦合机械臂的设计思路，除选用更轻、驱动力更大的电机以外，主要通过设计刚性臂和关节传动结构来降低系统惯量，增加响应速度。刚性臂方面可以选择完整的一根臂，但在大跨度大行程的前提下，这样的臂保证刚度会需要比较大的截面积，重量不易于得到降低。

从四自由度刚柔耦合机械臂要实现的目的和意义来看，能准确快速定位目标点的同时将由干扰引发的柔性臂振动很好地消除，即是达到了目的。导致柔性臂振动的内部或外部的因素很多，这些扰动因素最终会叠加到柔性臂端部，使其难以实现操作目的。因此，关心的主要是其端部的定位效果和振动抑制效果。振动主动控制中，动力吸振器可以吸收柔性机械臂端部的振动，主动动力吸振器其内部质量弹簧阻尼系统参数可调，或可直接提供主动力用于振动抑制，四自由度刚柔耦合机械臂，一个主动动力吸振器将会置于柔性臂端部来有效地减少因空间跨度大、柔度大带来的端部扰动振动问题，主动动力吸振器由于其具有主动的力或手段，效用时间更短，可以更快地吸收和抑制振动。因此，更快速的机械臂执行速度才能体现主动动力吸振器的意义。

现有的多自由度柔性机械臂视其工作场合、使用目的的不同，其空间跨度、柔性材料的性质尺寸等都不尽相同，现有的四自由度机器人的各个部件难以实现替换。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，以解决现有技术中存在的问题。