专利名称：夹持设备及包括该夹持设备的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及夹持设备，所述夹持设备附接至例如工业机器人臂的前端以夹持和组 装各种部件。更特别地，本发明涉及这样一种夹持设备其检测在部件装配期间的装配反作 用力，并在控制所述装配反作用力的同时执行装配，并且所述夹持设备能够用于借助工业 机器人进行的自动装配。
背景技术：
近些年来，对于具有复杂结构的产品(例如相机)的自动制造的需求日益增加。对 于此种产品，需要借助小型工业机器人在精细的力度控制下执行高速和精确的装配。
日本专利申请特开昭61-241083号公报公开了在借助设置于机器人臂和手之间 的位移传感器检测装配力的同时控制机器人臂和手以精确和可靠地装配所夹持的部件的 技术。 图7示出在上述公报中所公开的基本设备构造和信号传输系统。参见图7，部件 "a"由设置在夹持部G中的指状件夹持，并且被装配至工件"b"。诸如马达的驱动单元23 操作机器人臂A。控制单元24将用于机器人臂A的运行信号和位置控制信号输入至驱动单 元23。 计算单元25基于来自传感器单元10中所提供的位移传感器的检测信号而计算机 器人臂A和夹持部G之间的在六个轴向上的相对位移。计算单元25带有允许值设定单元 用于设定允许部件"a"适当地装配至工件"b"中的允许值。比较器27将从计算单元25获 得的位移与所设定的允许值相比较，将比较结果输出至驱动单元23，并且操作机器人臂A， 使得实际位移在所述允许值范围之内。 图8是传感器单元10的详细视图，图9是沿图8的IX-IX线剖切的剖视平面图。 参见图8，传感器单元10包括待附接至机器人臂A的前端的臂侧板11、待附接至夹持部G 的夹持部侧板12、以及连接并支撑板11和12的弹性构件13。传感器单元10还包括设置 在板11和12之间的位移检测机构。位移检测机构包括从臂侧板11朝夹持部侧板12延伸 且具有十字形前端部的梁14。 如图9所示，梁14的十字形前端部具有设置在与Y轴线平行的相对两侧面上的 X方向位移传感器15和16，以及设置在与X轴线平行的相对两侧面上的Y方向位移传感器 17和18。在十字形前端部的朝向夹持部侧板12的表面上，位移传感器19、20、21和22朝 向夹持部侧板12设置，且在其间具有预定的间隙。夹持部侧板12设有分别朝向X方向位 移传感器15和16以及Y方向位移传感器17和18的突出件33、34、35以及36，且在其间具 有预定的间隙。 借助这些结构，驱动单元23根据从控制单元24输入的预定程序而操作机器人臂 A，从而，由夹持部G夹持的部件"a"被装配(插入)至工件"b"。在此情况下，当部件"a" 和工件"b"之间有相对位置偏差时，弹性构件13因为部件"a"与工件"b"接触而弯曲，并 且基于所述弯曲来检测夹持部G相对于机器人臂A的位移。通过在相对位移处在预定允许值范围内的情况下执行插入操作，在防止部件"a"、工件"b"以及夹持设备损坏的同时实现 了适当的装配。 在上述的现有技术夹持设备中，传感器单元10串联地连接在机器人臂A和夹持部 G之间。当夹持设备和传感器单元10的尺寸减小时，难以既确保传感器单元10的高的力检 测敏感度又确保高速运行，这将在下文中说明。 传感器单元10的在臂的纵向上的尺寸只能通过縮短臂侧板11和夹持部侧板12 之间的距离来减小，其原因在于弹性构件13设置在臂侧板11和夹持部侧板12之间。然而， 当所述距离縮短时，不仅弹性构件13的长度减小，而且梁14的长度也减小。结果，在梁14 的支撑点和位移传感器之间只有很小的距离，并且由检测器所检测的位移的量减小。进而， 检测灵敏度(由位移传感器所检测的位移量与作用力的比)减小。 另一方面，通过以更柔性的构件替代弹性构件13来降低弹性构件13的刚度能够 增加检测灵敏度。然而，当弹性构件13的刚度降低时，夹持部G容易相对于机器人臂A摆 动。为此，在驱动机器人臂期间，需要较多的时间来使夹持设备的位置稳定。
此点将在下文中详细说明。在图7所示的现有技术中，由于传感器单元10串联连 接在机器人臂A和夹持部G之间，所以传感器单元10中的弹性构件13的变形支点远离夹 持部G的重心。结果，由于弹性构件13的变形支点和夹持部G的重心之间的位置差而导致 的由惯性力所产生的力矩在驱动机器人臂A期间对夹持部G具有很大的影响，这也花费很 多的时间来使得连接至夹持部G的传感器单元10的位置稳定。使位置稳定所需要的时间 随着弹性构件13刚度的降低而增加。 当高速驱动现有技术的夹持设备以提高工作效率时，上述的力矩随着速度增加而 增加，并且用于使位置稳定所需的时间增加。尽管需要增加弹性构件的刚度来縮短用于使 位置稳定的时间，但是，刚度的增加降低了传感器单元的检测灵敏度，并且使得难以精确地 检测所述力。 以此方式，在现有技术的夹持设备中，当传感器单元在机器人臂纵向上的尺寸减 小时，难以同时确保高的检测灵敏度和高的运行速度。
发明内容
本发明提供一种包括力传感器的夹持设备，其能实现尺寸减小及速度增加，而不 会降低传感器单元的检测灵敏度。 本发明还提供一种结合有力传感器的夹持设备，其使得由于机器人臂运行期间的 惯性力而导致的额外力矩对传感器单元的影响最小化，并且实现了较短的定位时间和较高 的运行速度。 本发明进一步提供一种包括力传感器的夹持设备，其增加了弹性构件的刚度，使
得力传感器的检测轴线之间的灵敏度差异最小化，并且使得能够进行精确的力检测。 根据本发明一个方面，提供了一种用于夹持部件的夹持设备，所述夹持设备包括
夹持部，其具有至少一个构造成夹持所述部件的夹持元件以及连接至所述夹持元件以驱动
所述夹持元件的驱动机构；壳体；设置在所述壳体和所述驱动机构之间的弹性构件；以及
设置在所述驱动机构的与所述夹持元件相反的端部上以及所述壳体上朝向所述端部的位
置处的力传感器单元。所述弹性构件设置在位于或靠近所述夹持部的重心的第一位置和位于或靠近所述夹持元件的第二位置之间。 根据本发明的另一个方面，提供了一种机器人臂的控制系统，包括如上所述的夹 持设备，其中，所述夹持设备构造成用于附连至所述机器人臂；以及控制单元，其构造成控 制所述机器人臂和所述夹持设备。 借助上述构造，由于即使在尺寸减小时也能够确保在所述力传感器单元和弹性构 件的变形支点之间的大的距离，从而一个力传感器相对于另一力传感器的位移增加。从而， 无论尺寸减小与否，均能够确保足够的检测灵敏度。此外，不需要将弹性构件的刚度降低到 使得夹持部相对于机器人臂摇摆的程度。从而，可以获得力传感器单元的高的力检测灵敏 度以及高速运行。 所述弹性构件构造为设置在所述夹持部的重心处或者靠近该重心设置。 借助上述结构，由于夹持部的重心基本上与弹性构件的变形支点重合，从而可以
将由于弹性构件的变形支点和夹持部的重心之间的位置差而导致的由惯性力所产生的力 矩对传感器单元的影响最小化。因此，在附连至机器人臂的力传感器单元的运行期间由所
述惯性力所产生的额外的力矩不会具有任何影响。这縮短了用于使位置稳定的时间，并且
进一步增加了运行速度。 所述弹性构件能够包括多种弹性材料和多个用于所述弹性材料的支撑构件。 借助上述结构，通过弹性材料的组合而增加了位移轴线的设计刚度的灵活性，并
且能够在使得沿位移轴线(方向)的刚度差最小化的同时设计所需的刚度。通过将弹性材
料形成为片簧形式，能够增加弹性构件的刚度。由于这样能够在增加弹性构件刚度的同时
降低力传感器的检测轴线之间的灵敏度之差，所以可以进行精确的力检测。 根据本发明，力传感器单元的尺寸能够减小，同时获得力传感器单元的高的力检
测灵敏度并且限制在机器人臂高速运动期间的位置稳定时间的增加。 此外，根据本发明，可以使得由于弹性构件的变形支点和夹持部的重心之间的位 置差而导致的由惯性力所产生的力矩对传感器单元的影响最小化。因此，特别地，能够縮短 位置稳定所需的时间以及实现速度增加。 另外，能够降低力传感器的各检测轴线之间的灵敏度差异。进一步地，当借助片簧 形成所述弹性构件时，能够增加弹性构件的刚度，并且能够在增加弹性构件的刚度的同时 降低力传感器的检测轴线之间的灵敏度差异。这将获得精确的力检测。
基于下面结合附图对示例实施例所做的说明，本发明的进一步特征将变得清晰。
图1是本发明一实施例的示意性结构图。 图2示出在所述实施例的装配期间一部件由夹持部夹持且施加有力的状态。 图3是沿图2的III-III线剖视的、所述实施例中位移检测单元的放大剖视平面 图。 图4示出所述实施例的夹持设备安装至机器人臂的状态。 图5示出所述实施例中的弹性构件。 图6A和6B分别是沿图5的箭头VIA和箭头VIB的视图。 图7是现有技术的夹持设备的示意性结构图。
图8是现有技术的夹持设备中的位移检测单元的放大视图。
图9是位移检测单元沿图8的IX-IX线的剖视平面图。
具体实施例方式
下面将结合图1至4说明本发明一实施例的基本构造。本发明的所述实施例提供包括力传感器的小型夹持设备。所述夹持设备夹持及装配小型产品(诸如相机)的部件，同时以高的速度对力进行控制。 参见图l，夹持设备100包括用于夹持部件的可拆卸的指状件110，以及诸如马达的用于驱动指状件110的驱动机构120。多个指状件110和所述驱动机构120连接从而形成夹持部。 夹持设备100还包括弹性构件130，其在夹持部所受到的力的作用下弹性地变形；用于检测在夹持和装配部件期间所产生的装配反作用力的力传感器单元170 ;以及夹持设备壳体140，其内存放驱动机构120的一部分。连接两个指状件110的中点以及力传感器单元170的中心的直线称为Z轴线。在图1中，向上的方向是+Z方向，向右方向是+X方向，朝向该图平面后侧的方向是+Y方向。 指状件110的数量、接头的数量以及弹性根据部件和装配操作而进行选择，并且夹持部能够具有各种形状。替代性地，各种形状的指状件可以互换地附接至驱动机构120而无需改变驱动机构120。在此例子中，优选地，与驱动机构相连的连接部是通用的，从而能够附接各种类型的指状件。 驱动机构120是与指状件110相关联地被驱动的机构，并且包括机械构件单元(诸如齿轮和连杆、致动器等)。驱动机构120固定至夹持设备壳体140，且两者之间设置有弹性构件130，且设置方式使得弹性构件的姿态是可变化的。总之，由于连接至指状件110的驱动机构120通过弹性构件130由夹持设备壳体140支撑，所以其相对于夹持设备壳体140的姿态能够因为施加至指状件110或驱动机构120的负载而改变。
—对位移型力传感器单元170分别设置在驱动机构120的与指状件110相反的端部上、以及夹持设备壳体140的朝向所述端部的壁表面上。力传感器单元170包括设置在驱动机构120上的位移输出元件150以及设置在相对的夹持设备壳体140上的位移检测元件160。为了调节位移输出元件150和位移检测元件160之间的距离，驱动机构120可以进一步包括其上安装所述位移输出元件150的构件。 借助上述构造，驱动机构120(诸如马达)的振动在传至这些构件时衰减。因而，能够期待实现下述优点能够防止力传感器单元170所检测的信号的噪音污染。
示例 参见图1和图2，下面将对夹持设备IOO夹持和装配部件P的状态进行说明。在图2中，F表示当部件P被夹持和装配时施加至指状件110的装配反作用力在XY平面内的操作力。驱动机构120相对于夹持设备壳体140在弹性构件130上移位，如图2中所示。
力传感器单元170由用于检测驱动机构120相对于夹持设备壳体140的位移的霍尔元件与用作磁场产生源的永磁体的组合所形成的机构限定。所述机构并不特定地限于上述的磁场式位移传感器，只要能够检测位移即可。计算单元(未示出)根据力传感器单元170所检测的位移量来计算操作力F。图3是沿图2的III-III线剖视而得到的剖视平面图。例如，在位移输出元件150是永磁体以及位移检测元件160包括用作霍尔元件的位移检测元件161 、162、 163以及164的情况下，如图3所示，当永磁体和霍尔元件之间的距离改变时，流入霍尔元件的磁通量密度改变，由此能够检测驱动机构120相对于夹持设备壳体140的位移量。 通过将位移检测元件161 、162、 163以及164 (总共4个)分别设置在夹持设备壳体140上的+X、-X、+Y以及-Y位置处，不仅能够检测位移量，而且能够检测位移方向。当假设在装配期间的操作力F在XY平面的-X方向和-Y方向上作用时，位移输出元件150在+X方向和+Y方向上位移。因此，来自+乂位置和+￥位置处的位移检测元件161和162的输出增加，并且来自-X位置和-Y位置处的位移检测元件163和164的输出减小，由此能够检测装配操作力F的量和方向。 图4示意性示出附接至机器人臂200的上述夹持设备100以及用于机器人臂200和夹持设备100的控制单元。夹持设备控制单元180连接至夹持设备100。夹持设备控制单元180控制夹持设备100的运行，还执行计算以将力传感器170所检测的位移信号转换成力。 机器人臂控制单元210连接至机器人臂200。机器人臂控制单元210控制机器人臂200的运行，并且从夹持设备控制单元180接收关于施加至夹持设备100的指状件110的力的信息，以反映机器人臂200的运行中的信息。 弹性构件130定位成支撑驱动机构120的壁表面。更特别地，弹性构件130定位成支撑壁表面的位于或靠近夹持部重心的部分。夹持部的重心可以通过特别地设计驱动机构(例如马达)的部件使其具有所需的重心来进行调整(例如使夹持部具有低的或者高的重心)。夹持部的重心还可以通过改变弹性构件130相对于壳体140以及驱动机构120的位置来进行调整。机器人臂200运行期间作用的惯性力主要施加至通过弹性构件130连接的驱动机构120以及指状件110。 只要夹持部相对于夹持设备壳体140位置稳定所花费的时间不过大地增加，弹性构件130可以设置在位于或靠近夹持部重心的位置和指状件110之间任何位置，例如设置在位于或者靠近指状件IIO连接至驱动机构120的位置处。在此情况下，从姿态变形的支点至力传感器单元170的距离能够进一步地增加。例如，当夹持部的沿纵向方向的总长度是长度L时，所述弹性构件130和所述力传感器170之间的距离大于或者等于长度L的40% 。因此，即使在相同的操作力F施加至指状件110时，位移输出元件150以及位移检测元件160的位移量能够大大增加。这允许进行更精确的力感测。 下面将对在力控制下进行的一系列装配操作进行说明。当被夹持的部件P与部件P将要装配于其上的另一部件开始接触时，附接至驱动机构120的指状件IIO受到装配操作力F作用，弹性构件130由此弯曲。如上所述，操作力F由力传感器单元170检测。
由力传感器170检测的位移信息传送至夹持设备控制单元180，并且由夹持设备控制单元180中的计算装置计算施加至指状件110的操作力F的大小和方向。然后，计算结果传送至机器人臂控制单元210。基于所传送的关于操作力F的信息，机器人臂控制单元210执行装配，同时控制机器人臂200的运行使得所施加的操作力F在预定的范围内，以防止部件P和机器人臂200损坏。 由于弹性构件130设置在指状件110和力传感器单元170之间，从而如前所述即使在力传感器单元170的尺寸减小时，也能够确保在力传感器单元170和用作驱动机构120的变形支点的弹性构件130之间的长的距离。 在包括如图8所示的现有技术力传感器的机器人手中，当弹性构件13的长度减少时，梁14的长度也需要减少。为此，从用作梁14的变形支点的与板11接合的接头部至梁14的前端的距离变短。在此情况下，如上所述，由于位移传感器15的由操作力F引起的位移减小，从而检测灵敏度降低。 在本发明的实施例中，用作驱动机构120相对于夹持设备壳体140的变形支点的弹性构件130设置在靠近夹持部重心的位置和指状件110之间。由于这增加了在力传感器单元170处的变形，从而能够确保足够的检测灵敏度。此外，由于确保了足够的检测灵敏度，所以不再需要降低弹性构件130的刚度。进而，夹持部将不会在机器人臂200高速运动期间相对于夹持设备壳体140摇摆，并且可以同时实现尺寸减小和速度提升。
另外，由于夹持部的重心与弹性构件130的变形支点重合，从而可以使得由弹性构件130的变形支点和夹持部的重心之间的位置差产生的力矩对力传感器单元170的影响最小化。通过此种结构，特别地可以縮短在机器人臂200高速运动期间使夹持设备位置稳定所花费的时间，以及可以更简单地响应于高速操作。 下面将描述弹性构件130的示例。尽管弹性构件130可以由形状类似于橡胶环或橡胶带等的单件式支撑构件形成，或者由在多个支点处支撑驱动机构120的壁表面的多个橡胶构件形成，还可以是由片簧形成的下述结构，以调节力传感器的各检测轴线(即X轴线、Y轴线和X轴线)之间的灵敏度差异。 图5示出当力传感器具有三个检测轴线(即X轴线、Y轴线和X轴线)时所设置的弹性构件130的特定结构。图6A是沿图5的箭头VIA看时的视图，图6B是沿图5的箭头VIB看时的视图。 参见图5，固定至驱动机构120的上部构件133设置在+Z侧，固定至夹持设备壳体140的下部构件134设置在-Z侧。片簧132包括在Z方向上叠置的两个片簧(即上部片簧132a和下部片簧132b)。分开180度的两个片簧支撑构件131a与分开180度的两个片簧支撑构件131b组合。片簧支撑构件131a和131b支撑片簧132，并且分别固定至上部构件133和下部构件134。 当操作力F施加至指状件110时，片簧132弯曲，由此弹性构件130弹性地变形。力传感器的X轴线检测和Y轴线检测分别对应于绕弹性构件130中的Y轴线的旋转轴线"y的检测和绕弹性构件130中的X轴线的旋转轴线"x的检测。尽管在传感器单元处的沿"x轴线和"y轴线的位移量比在弹性构件130的变形支点处的沿"x轴线和"y轴线的位移量增加得多，但是沿着Z轴线的位移不会增加，因为其位移方向与传感器单元的位移检测方向重合。相应地，在操作力F沿图2中的X方向作用时以及在操作力F沿图2中的Z方向作用时这两种状况之间传感器单元的检测灵敏度存在差别。 不可能仅仅通过选择弹性构件130的材料来调节Z轴线、"x轴线和"y轴线之间的这种灵敏度差异。通过如同在本实施例中那样将多个片簧(弹性材料)叠置起来，在维持"x轴线和"y轴线方向上的刚度的同时，能够调节位移不增加的Z轴线方向上的刚度。如图6A和6B中所示，通过调节片簧的厚度tl和t2、片簧之间的距离sl、以及片簧支撑构件的宽度ul和vl，能够将沿Z轴线方向、"x轴线方向和"y轴线方向的刚度调节至所需值。在此情况下，片簧支撑构件131a和131b的横截面面积比片簧132a和132b的横 截面面积大得多，片簧支撑构件的位移量比片簧的位移量小得多。这使得可以设计弹性构 件沿各位移轴线的刚度，并且使得可以在增加弹性构件刚度的同时减小力传感器检测轴线 之间的灵敏度差异。这使得能够进行精确的力检测。 上述的实施例仅仅是示例性的，而并不对该结构进行限制。能够使用任何部件，只 要其能够被夹持即可。尽管在图中示出两个指状件IIO，但是指状件110的数量不限于两 个，只要指状件110能够夹持部件即可。例如，驱动机构120可以由允许以指状件110进行 夹持的任何驱动机构形成，并且可以包括任何驱动源(电磁型或压縮气体型)和任何机械 部分(例如齿轮、连杆)。尽管在此实施例中具有三个检测轴线，但是轴线的数量并没有限 制。片簧和片簧支撑构件的形状、数量和位置可以根据所需的轴线数量而变化。尽管在此 实施例中力传感器单元包括霍尔元件，但是能够使用任何传感器(例如激光位移计或电涡 流传感器)——只要其能够检测相对位移即可。此外，通过改变检测元件的数量和位置，能
够实现沿六个轴线(x、y、z、 ex、 ey、 ez，其中e表示绕x轴线、y轴线和z轴线的旋转轴
线)的检测。 如上所述，根据本发明的包括力传感器的夹持设备相对于现有技术能够实现较小
的尺寸和较高的检测灵敏度，并且能够在力控制下高速地夹持和装配小的部件。 本发明能够应用于高速的小型夹持设备，用于以工业机器人进行自动化装配。
本发明的实施例可以提供一种用于夹持部件的夹持设备，所述夹持设备包括夹 持部，其包括多个构造成夹持所述部件的指状件以及连接至所述指状件以驱动所述指状件 的驱动机构；构造成弹性地支撑所述驱动机构的壳体，在所述驱动机构和所述壳体之间设 置有弹性构件，所述壳体容纳所述驱动机构的一部分；以及分别设置在所述驱动机构的与
所述指状件相反的端部上以及所述壳体上朝向所述端部的位置处的力传感器单元，其中所 述弹性构件设置在所述夹持部的重心附近位置和所述指状件之间。 尽管结合示例性实施例对本发明进行了说明，但是可以理解的是，本发明并不限 于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应最宽阔地解释以包括所有的改型和等同 的结构和功能。
权利要求
一种用于夹持部件的夹持设备，所述夹持设备包括夹持部，其具有至少一个构造成夹持所述部件的夹持元件以及连接至所述夹持元件以驱动所述夹持元件的驱动机构；壳体；设置在所述壳体和所述驱动机构之间的弹性构件；以及设置在所述驱动机构的与所述夹持元件相反的端部上以及所述壳体上朝向所述端部的位置处的力传感器单元，其中，所述弹性构件设置在位于或靠近所述夹持部的重心的第一位置和位于或靠近所述夹持元件的第二位置之间。
2. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述弹性构件构造为设置在所述夹持部的 重心处或者靠近该重心设置。
3. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述夹持部的沿纵向方向的总长度是长度 L，而所述弹性构件与所述力传感器单元之间的距离大于或等于所述长度L的40%。
4. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述弹性构件构造成用作所述夹持部相对 于所述壳体的变形支点。
5. 根据权利要求4所述的夹持设备，其中，所述夹持部和所述弹性构件构造成使得所 述夹持部的重心与所述弹性构件的变形支点大致重合。
6. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述弹性构件通过多个片簧叠置的结构形成。
7. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述弹性构件由橡胶环或橡胶带形成。
8. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述力传感器单元包括至少一个霍尔元 件，其构造成检测所述驱动机构相对于所述壳体的位移；以及磁体，其构造成用作磁场产生 源。
9. 根据权利要求2所述的夹持设备，其中，所述驱动机构包括构造成连接不同类型的 夹持元件的连接部。
10. 根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述壳体构造成容纳所述驱动机构的一部 分，并且所述夹持元件包括至少一个指状件。
11. 一种机器人臂的控制系统，包括如权利要求1所述的夹持设备，其中，所述夹持设备构造成用于附连至所述机器人臂；以及控制单元，其构造成控制所述机器人臂和所述夹持设备。
全文摘要
本发明公开了一种夹持设备，其中，位移型力传感器设置在驱动机构的与指状件相反的一侧上，其中所述驱动机构连接至所述指状件以形成夹持部。所述驱动机构支撑在壳体上，且弹性构件设置在所述驱动机构和所述壳体之间，且所述弹性构件的位置更靠近所述指状件而非所述夹持部的重心。
文档编号B25J13/00GK101722519SQ20091020909
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者明正谦 申请人:佳能株式会社