一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统

摘要

本发明公开一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统，包括六自由度宏动机器人、三自由度微动机器人、转接板、立体显微视觉模块和力感知模块；所述六自由度宏动机器人通过螺栓固定在隔振台上，所述三自由度微动机器人通过所述转接板安装在宏动机器人末端；所述六自由度宏动机器人采用串联协作机器人；三自由度微动机器人的末端通过转接板安装有末端微操作器；所述末端微操作器由四个压电陶瓷驱动器驱动，所述末端操作器的夹爪上粘贴有力感知模块，用于检测夹持力和装配过程中产生的接触力；立体显微视觉模块用于全方位的观测九轴宏微结合装配机器人末端微操作器抓取零件的位姿状态。

说明书

技术领域

本发明属于微操作机器人领域，特别是涉及一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统。

背景技术

随着精密微器件在国防、社会生活和医疗器械等行业的广泛应用，也对微器件的精度和复杂性提出了越来越高的要求，对微制造技术的要求也越来越高。微小型器件通常是由多个具有不同材料和结构的零部件通过微装配技术组装而成。微装配机器人自身的定位精度和操作精度是影响影响微器件装配精度的关健，因此研制一种高精度微装配机器人对微装配领域的发展有着至关重要的作用。在微装配机器人技术领域，国内外学者、公司虽然已经研制出多种不同的微装配机器人，但是现有微装配机器人缺乏通用性，此外，目前的微装配机器人技术还没有解决大行程、高灵活性与高定位精度之间的矛盾问题，不能满足日益增长的对高精度微器件产品的需求。因此，开发同时具备大运动行程、高灵活性、高定位/操作精度的微装配机器人，是提高微器件精度和性能，应对快速、小批量、定制化产业需求的关键技术手段。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统，该宏微结合高精度装配机器人系统由六自由度精密串联机器人和三自由度直角坐标系微动机器人串联而成，通过装配机器人系统一体化设计，确定宏动机器人的负载能力、运动范围、末端抖振以及微动机器人的运动行程、运动精度、运动分辨率等技术指标。在该宏微结合高精度装配机器人系统中，六自由度串联机器人用于实现大范围快速移动，将待装配零件从上料台快速移动到装配位置；三自由度微动机器人用于实现待装配零件间的精确定位并完成最终装配操作。此外，该系统还包括由三路CCD相机构成的立体显微视觉和力感知传感器，用于实现零件的精密对准和装配。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统，包括六自由度宏动机器人、三自由度微动机器人、转接板、立体显微视觉模块和力感知模块；所述六自由度宏动机器人通过螺栓固定在隔振台上，所述三自由度微动机器人通过所述转接板安装在宏动机器人末端；所述六自由度宏动机器人采用串联协作机器人；所述三自由度微动机器人由X向平台、Y向平台和Z向平台组成；所述X向平台由X向动平台和X向静平台组成，所述Y向平台由Y向动平台和Y向静平台组成；Z向平台由Z向动平台和Z向静平台组成；所述X向静平台通过转接板与宏动机器人末端连接，所述X向动平台与Y向静平台固接；所述Y向动平台与Z向静平台连接，Z向动平台可以在Z向静平台上做竖直运动；所述X向静平台、Y向静平台上均安装有螺杆步进电机驱动，用于驱动X向动平台和Y向平台，Z向动平台内通过螺栓安装有贯通轴式步进电机驱动，用于实现Z向动平台的升降运动；

所述三自由度微动机器人的末端通过转接板安装有末端微操作器；所述末端微操作器由四个压电陶瓷驱动器驱动，所述末端操作器的夹爪上粘贴有力感知模块，用于检测夹持力和装配过程中产生的接触力；

所述立体显微视觉模块用于全方位的观测九轴宏微结合装配机器人末端微操作器抓取零件的位姿状态；

立体显微视觉模块包括显微视觉装置A、显微视觉装置B和显微视觉装置C，所述显微视觉装置A通过辅助装置A安装在隔振台上，所述显微视觉装置B通过辅助装置B安装在隔振台上，所述显微视觉装置C通过辅助装置C安装在显微视觉装置B上。

进一步的，所述立体显微视觉模块和力感知模块，用于装配过程中的位姿对准与调整。

进一步的，所述三自由度微动机器人具有三个平动自由度，用于六自由度补偿宏动机器人的定位位置误差。

进一步的，所述辅助装置A由从下到上依次设置的安装底座A、单自由度电动调整平台A、单自由度手动调整平台A、安装架A和CCD相机A组成；所述辅助装置B由从下到上依次设置的安装底座B、单自由度电动调整平台B、单自由度手动调整平台B、安装架B和CCD相机B组成；安装底座A与安装底座B均固定在隔振台上；所述CCD相机A和CCD相机B均为水平安装，辅助装置C由安装底座C、单自由度电动调整平台C、单自由度手动调整平台C、安装架C和CCD相机C组成，安装底座C固定在安装架B上，安装底座C一侧依次安装有所述单自由度电动调整平台C、单自由度手动调整平台C、安装架C和CCD相机C，CCD相机C呈竖直方向安装在安装架C上。

进一步的，所述CCD相机A和CCD相机B的投影在同一平面内呈垂直关系。

进一步的，所述力感知模块由四片应变片组成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.宏微结合高精度装配机器人采用了六自由度协作机器人末端串联三自由度微动机器人的结构形式。六自由度宏动机器人工作空间大、运动速度快，可以实零件的大范围快速转移，并完成姿态调整。由于串联机器人定位精度较差，单独使用时无法满足精密装配的精度要求，因此末端的微动机器人用于补偿宏动机器人的定位误差，完成精密操作。

2.采用本发明提出的宏微结合高精度装配机器人的结构形式，可以有效解决传统直角坐标系宏微结合机器人运动范围小、灵活性差等问题。此外，本发明提出的宏微结合高精度装配机器人通用性强，通过更换末端微操作器和修改控制程序，可以实现不同零件的装配操作，无需更改宏微结合高精度装配机器人本体结构。

3.该宏微结合高精度装配机器人系统集成有立体显微视觉模块和力感知模块，可用于指导微零件装配时的对准和调整操作。其中力感知模块集成于末端微操作器中，与传统独立的力感知模块相比，更利于系统的集成。

4.本发明宏微结合高精度装配机器人的结构形式，微动机器人通过转接板安装于宏动机器人末端构成一体式结构。与传统宏动机器人和微动机器人分离的宏微结合机器人相比，在装配过程中基准选择更容易。

5.本发明提出的升降台采用贯通轴式步进电机驱动，可内置于升降台内部，有效减小了升降台的结构尺寸。

6.本发明提出的微动X向平台动平台和Y向平台静平台为固连式一体结构，可以有效减小三自由度微动机器人的总体高度。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2为本发明的部分示意图，包含九轴宏微结合高精度装配机器人本体。

图3为本发明的部分示意图，包含立体显微视觉模块。

图4为本发明的部分示意图，包含末端微操作器和力感知模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4，一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统，该宏微结合高精度装配机器人系统包括六自由宏动机器人1、三自由度微动机器人3、末端操作器5、力感知模块6、立体显微视觉模块。其中，宏微结合高精度装配机器人本体采用串联式结构，六自由宏动机器人1通过螺栓连接安装在隔振台10上，可根据不同操作对象更换不同类型的末端微操作器。

宏微结合装配机器人本体由六自由度宏动机器人1和三自由度微动机器人组成3。三自由度微动机器3人通过转接板2安装于六自由度宏动机器人1末端；六自由度宏动机器人采用串联协作机器人。三自由度微动机器人由X向平台3-1、Y向平台3-2和Z向平台3-3组成；X向平台3-1由X向动平台和X向静平台组成，Y向平台3-2由Y向动平台和Y向静平台组成；Z向平台3-3由Z向动平台和Z向静平台组成；X向静平台通过转接板与宏动机器人末端连接，X向动平台与Y向静平台连接形成一体结构以减小平台总体尺寸；Y向动平台与Z向静平台连接，Z向动平台可以在Z向静平台上做竖直运动；X向静平台、Y向静平台上均安装有螺杆步进电机驱动，用于驱动X向动平台和Y向平台，螺杆和电机本体为一体式结构，无需联轴器连接，有利于减小平台整体尺寸；Z向动平台内通过螺栓安装有贯通轴式步进电机驱动，用于实现Z向动平台的升降运动；本实施例中通轴式步进电机相当于内置在Z向动平台上，以减小平台尺寸。

末端微操作器5通过转接板4安装于微动机器人末端，可根据被操作零件的不同，更换不同的微操作器。微操作器由压电陶瓷驱动器驱动，为获得期望输出位移，微操作器中设有柔性放大机构。末端微操作器夹爪柔性部分处设有力感知模块6，用于检测夹持力和接触力。力感知模块由四片应变片构成。

立体显微视觉模块包括显微视觉装置A7、显微视觉装置B8和显微视觉装置C9，显微视觉装置A7通过辅助装置A安装在隔振台上，所述显微视觉装置B8通过辅助装置B安装在隔振台上，显微视觉装置C9通过辅助装置C安装在显微视觉装置B上。

辅助装置A由从下到上依次设置的安装底座A7-5、单自由度电动调整平台A7-4、单自由度手动调整平台A7-3、安装架A7-2和CCD相机A7-1组成；

辅助装置B由从下到上依次设置的安装底座B9-5、单自由度电动调整平台B9-4、单自由度手动调整平台B9-3、安装架B9-2和CCD相机B9-1组成；安装底座A7-5与安装底座B9-5均固定在隔振台10上；CCD相机A7-1和CCD相机B9-1均为水平安装，且CCD相机A和CCD相机B的投影在同一平面内呈垂直关系。

辅助装置C由安装底座C8-5、单自由度电动调整平台C8-4、单自由度手动调整平台C8-3、安装架C8-2和CCD相机C8-1组成，安装底座C8-5固定在安装架B9-2上，安装底座C8-5一侧依次安装有单自由度电动调整平台C8-4、单自由度手动调整平台C8-3、安装架C8-2和CCD相机C8-1，CCD相机C8-1呈竖直方向安装在安装架C8-2上。

本发明中宏微结合高精度装配机器人本体采用六自由度串联机器人末端串联三自由度直角坐标系微动机器人的结构形式，可以实现大工作空间中的高灵活性、高精度定位。末端微操作器中集成有力感知模块，与传统独立力感知模块相比，更利于系统集成。所述立体显微视觉模块，可以实现被操作物体在空间中的精密定位，可以有效指引宏微结合高精度装配机器人进行位姿调整与装配操作。

具体的，本发明的工作原理如下：

请参阅图1～图4，本发明在使用时，将宏微结合高精度装配机器人固定于隔振台10上。在使用时，通过上位机编写控制程序控制宏微结合高精度装配机器人系统。其中六自由度宏动机器人用于实现工作空间中的大范围运动，主要用于将被操作物体从上料台转移到视野中，三自由度微动机器人用于宏动机器人定位误差的补偿并完成最终装配操作。立体显微视觉模块对被操作物体的位姿进行检测，并将误差值反馈到宏微结合高精度装配机器人控制系统，指引宏微结合高精度装配机器人对误差进行调整。当被操作物体位姿误差被调整到允许范围后，三自由度微动机器人开始进行装配操作，此时力感知模块开启，用于检测装配过程中两物体间的接触力。当力感知模块检测到物体间接触力大于设定阈值时，力感知模块需要将该信号传给宏伟结合高精度装配机器人控制系统，指引宏伟结合高精度装配机器人做出相应调整，将物体间的接触力控制在允许范围内。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。