用于移动装置的抓具组件的制作方法

本发明涉及一种用于移动装置诸如机械装置的抓具组件。在一些实施例中，该抓具组件可用于机械手制品或机械拾取和放置制品、容器、装置和源自传送装置的其他物体以便在沿生产线的一个或多个处理工位处后续地处理它们。

背景技术：
目前有多种机械手构型在制造点执行各种任务。这些任务中的一些为拾取和放置被递送至初始传送装置（诸如传送带）的物体，在所述初始传送装置上，这些制品可初始地处于各种无规取向（“初始制品拾取位置”）。已知的用于拾取和放置制品的装置（下文称为“拾取器”）的任务是拾起此类制品并将它们重新取向到某个位置（“制品放置位置”），其中每个制品均被适当地定位以便在位于生产设施内的一个或多个处理工位处进行至少一种后续处理。将制品从初始位置布置到任何后继位置的拾取器通常包括机械手臂，所述机械手臂具有连接到抓具的可运动的端部执行器。可编程的控制器使机械手臂和抓具运动至制品，通过控制抓具来拾起制品，使机械手臂运动到至少一个后继位置并通过控制抓具来释放制品。机械手臂可例如将制品放置到可传送的位置以便在行进带、真空传送器、颈传送器或其他传送装置上进行传送。作为另外一种选择，机械手臂可将制品放置到具有类似制品的容器中以在进一步加工之前对类似制品进行分组。例如，其可将类似制品放置在货盘上以便将识别性制品条形码放置在制品和/或货盘上。在典型的构型中，抓具包括用于拾取和放置制品的拾起机构。该机构可为本领域的技术人员已知的多种工具之一，例如，取决于要拾取和放置的制品的特性，其可为磁性装置、真空或抽吸装置、机械装置或任何其他已知的装 置。一旦抓具拾起了目标制品，具有抓具的机械装置就将这些物品移动到所期望的位置并释放这些物品。考虑到拾取器需要在真实的三维环境中工作，增强抓持技术可增强拾取器的高效地完成任务的能力。构型变化需要考虑在操纵空间（即，操纵该物体所需的区域）中对制品的安全操纵和操纵成本（即，完成该操纵所需的时间）。因此，在某些应用中，期望用小型装置将制品从相对未知的位置和取向带入到已知的取向（但可能是未知的位置）。假定具有未定几何形状的制品处在呈无规构型的初始位置并且作用在其上的仅有的力为重力，考虑到该几何形状和制品的质量，具有照相机的机械手臂可检测目前制品的拾取取向，拾起制品并随后将其放置在“适当的”制品放置位置。如果需要高的吞吐量，则该方法可能成本较高昂，并且在目前的抓具构型的情况下，可能需要重新抓持制品以便成功地将其放置在制品拾取位置和制品放置位置之间。原先的商业抓具设计通过提供双旋转构型来克服在传统90°转动工具中所遇到的与惯性和制品高度相关的固有风险。在拾取操作期间，抓具拾取制品，通过围绕水平轴的旋转来竖直地翻转制品，围绕竖直轴将制品取向至适当的加工取向，将制品传送至最终目的地，将制品放置在最终目的地（例如，放置在传送器上）并将制品释放在稳定位置。参见图1，一种标准双旋转抓具组件10设有可枢转臂12，所述可枢转臂在其自由边界具有用于抓持制品（未示出）的抽吸组件14。可沿着运动的传送设备诸如传送带（未示出）从以无规取向布置的多个制品中拾取制品。抓具组件10的质心沿着与竖直轴18（抓具的旋转中心沿其设置）移位的竖直轴16被保持。抓具组件的质心相对于其旋转中心的位移由于惯性效应而极大地贡献于振动干扰，从而减少了总体系统的平均无故障时间（MTBF）。此外，在机械手的轨线期间，可枢转的臂12还需要延长的时间来稳定制品的振动，从而提升了从它们的原先取向对制品进行适当取向所需的时间增量。工业标准抓具构型还包括许多相互作用的部件，它们需要显著的用于安装、操作和维护的时间和金钱投资。为了改善重新取向任务的速度，常常利用多个机械手拾取器之间的协作，在这种情况下，这些因素由于多重安装而负面地影响执行可预测的拾取操作的能力。如果对制 品的处理是在长时段中进行的，则所有前述因素贡献于过剩的MTBF并且进一步降低了整个生产系统的生产能力和可靠性。另一种增加系统的总体速度的方法是，在机械手的端部执行器上设置多个抓具（诸如多个吸盘）。此类多个抓具可同时从制品拾取位置抓住多个制品从而同时拾起并放置两个或更多个制品。然而，该解决方案不仅增加了抓具的重量，而且也增加了装置的复杂性（并因此增加了相关联的成本、可操作性和可维护性），尤其是将抓具的使用仅局限于少数特定的制品形状。不同制品之间的转换时间的增加有效地降低了总体系统的灵活性，并且抵消了可归因于由所述多个抓具构型实现的生产速度的任何有益效果。因此，对改进的用于移动装置的抓具的探索仍在继续。

技术实现要素：
本发明公开了一种用于移动装置的抓具组件。在一个实施例中，该抓具组件包括：平台，其具有上表面和相对的下表面；细长臂，其包括接合到并从平台延伸的至少一个细长构件，其中每个细长构件具有主体，并且每个主体均包括邻近平台的近端和相对的远端；抓持机构，其相对于臂被可旋转地支撑，其中抓持机构包括具有枢转臂的夹持器，所述枢转臂在主体的远端区域中可枢转地接合到主体；和致动器，其与枢转臂可操作地连通以便在致动器致动时向枢转臂赋予可枢转运动并且向抓持机构赋予围绕水平轴的旋转运动，其中致动器可相对于主体设置以便相对于臂可枢转地运动；其中抓具组件具有质心，所述质心在致动器的致动期间基本上与抓具组件的竖直旋转轴对齐。抓具组件可以高效方式来进行调节，并且具有足够的灵活性以用于许多不同的环境，而转换时间却最少。抓具组件将重心放置得更靠近旋转轴，从而克服了已知抓具的缺点，但在制造、安装和长期操作使用方面仍 然较为经济，所述长期操作要求可预测性和可靠性；甚至在频繁更换制品的情况下也是如此。附图说明图1为工业标准抓具组件的透视图。图2为安装在机械手平台上的抓具组件的透视图。图3为与机械手平台分离的图2的抓具组件的透视图。图4为图3的抓具组件的分解图。图5为处在初始制品拾取位置的抓具组件的侧视图。图5A为处在初始制品拾取位置的抓具组件的前视图。图6为处在后续的制品旋转位置的抓具组件的前视和侧视图。图6A为处在后续的制品旋转位置的抓具组件的侧视图。具体实施方式本发明涉及一种用于移动装置诸如机械装置的抓具组件。移动装置可为能够移动制品的任何合适的装置。机械装置包括但不限于气动臂、机械手、和其他机械移动元件。机械装置可按任何合适的方式被致动，包括但不限于：机械方式、电力方式、以及它们的组合，并且不限于以机械方式致动的装置。虽然本专利申请是在机械手的上下文中描述机械装置的，但本发明不限于与机械手一起使用，并且应当理解，术语“机械手”可被替换成术语“移动装置”或“机械装置”。在某些实施例中，抓具组件用于拾取和放置制品诸如容器（它们可为空的、或至少部分地填充的）、装置和其他物体（它们在本文中称作“制品(article)”或统称为“制品(articles)”）。在一些情况下，从传送装置拾取制品并放置它们以便在沿生产线的一个或多个处理工位处对它们进行后续处理。此类处理工位包括但不限于用于贴标、填充、加盖和密封制品的工位，所述工位可有效地连续处理被适当定位的制品以便最终从制造点递送。抓具组件不限于这种用途，并且可用于通常使用抓具组件的任何其他目的。在某些实施例中，在抓具组件于初始制品拾取位置和后继制品放置位置之间移动制品期间，抓具组件保持抓具组件的质心基本上与竖直旋转轴对齐。在所述初始制品拾取位置中，抓具组件接合制品（其可处于无规取向），并且在所述后继制品放置位置中，抓具组件围绕水平轴旋转被拾取的制品以便最终放置它（诸如放置在稳定的可传送的位置以便进行后续处理）。如本文所用，术语“基本上对齐的”是指如下关系，其中抓具组件的质心和竖直旋转轴之间的距离小于或等于约25mm。因此，术语“基本上对齐的”包括如下关系，其中抓具组件的质心和竖直旋转轴之间的距离小于或等于约25mm，20mm，15mm，10mm，5mm；以及如下关系，其中质心和竖直旋转轴重合（质心沿着竖直旋转轴被保持）。现在参见各图，其中类似的数字表示类似的元件。抓具组件100在图2中被示出为抓持示例性制品102，虽然有多种制品几何形状适用于本发明的成功方法。抓具组件100安装在机械手104的平台上，所述机械手引发抓具组件100穿过三维空间的平移和抓具组件围绕竖直旋转轴的旋转。机械手104可选自多种可商购获得的机械手和致动臂，包括但不限于平行运动学机械手、Spider和Delta机械手、六轴机械手、SCARA机械手和可独立致动的自动臂。如图所示，机械手104利用了独立的控制臂，这些控制臂从基座元件延伸并且附接到可运动的元件以将所述可运动的元件定位并取向在三维空间中。所示的机械手104的构型在工业加工中是人们熟知的。对机械手的选择不限于此类构型，并且可供选择的机械手构型也能够用于该抓具。抓具组件100可旋转地附接到机械手的可围绕竖直旋转轴运动的元件，使得抓具组件和所述可运动的元件具有共同的旋转轴。进一步参见图3和4，它们更详细地示出了抓具组件100。抓具组件100包括细长臂106和平台108。细长臂106包括至少一个细长构件110。平台108具有上表面108a和相对的下表面108b。一个或这两个表面可（但不是必需）为平面的。在上表面和下表面之间具有厚度。平台108的上表面108a可支撑可互换适配器112，所述适配器可与平台108和机械手104中的至少一个螺纹接合（或以另一种方式可拆卸地附连），使得机械手104在所述机械手的操作期间向抓具组件100赋予平移和旋转运动。适配器112可为如下任何构型，所述构型容纳抓具组件100与对应的机械手装置或其 他机械装置的连接。适配器112可为通用类型，其可连接到具有不同构型的机械装置。切换与抓具组件100配合的适配器构型的能力是一种优点，所述优点允许抓具组件100具有与多种机械手安装的互换性。因而抓具组件100不仅在被拾取和放置的制品类型中提供灵活性，而且也在可在横跨多个工业的生产线上执行的所述多种任务中提供灵活性。至少一个细长构件110从平台108延伸，诸如从平台的下表面108b（或其他部分）延伸。一个或多个细长构件110可从平台的表面垂直地（成直角地）延伸，或其可按相对于平台108的一些其他合适的角度延伸，诸如大致垂直于平台108。如本文所用，术语“大致垂直的”包括在法线的约25°以内的角度。每个细长构件包括具有长度l的主体116。如本文所示，一对细长构件110被示出为相对于彼此大致平行地从平台垂直伸出。然而，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，臂106可具有单一细长构件、一对细长构件、或三个或更多个细长构件。在所示的实施例中，每个构件主体116包括外表面116b、前表面116c、后表面116d和与邻近构件内表面116a间隔开距离D的内表面116a。细长构件110可具有接合到其上的例如可枢转地连接到其上的致动器170。致动器170可以任何合适的方式可枢转地连接到细长构件110。以下几节描述了一种非限制性类型的可枢转连接。沿着每个主体116，在或靠近中途存在圆柱形轴镗孔118。当存在两个或更多个细长构件时，轴镗孔118被定位成相对于彼此同轴以容纳从其中穿过的轴120的插入，使得轴120横贯距离D。距离环122和衬套124中的一者或两者均可选择性地邻近每个主体116的每个外表面116b设置，使得轴120从其中穿过，从而距离环122可容纳不同长度的圆柱体轴，同时衬套124减少了在抓具组件100的操作期间赋予细长臂106的振动。每个构件主体116还包括邻近平台108的下表面108b的近端（或“平台边界”）116e和相对的远端（其可呈悬臂边界的形式）116f。在所示的实施例中，远端116f具有从其中穿过的圆柱形轴承镗孔128。轴承镗孔128被定位成相对于彼此同轴以容纳从其中穿过的轴承轴130的插入，使得轴承轴130横贯距离D。轴承轴130支撑抓持机构诸如吸盘组件132相对于细长臂106作可旋转运动。吸盘组件132可包括具有吸盘基座136的夹持器134，所述吸盘基座具有支撑表面136a、接合表面136b、具有任选的从其垂直悬垂的公螺栓螺钉联接件的顶表面136c、底表面136d和一对侧表面136e。支撑表面136a承载其上的吸头138。吸头138与支撑表面136a的接合可通过摩擦接合、螺纹接合、环氧化物或本领域已知的任何其他装置来实现。支撑表面136a与接合表面136b相对，在所述接合表面处，基座136经由轴承轴130插入穿过支撑镗孔139来接合轴承轴130，所述支撑镗孔被设置成靠近接合表面而穿过基座136。距离盘140和轴承142中的一者或两者均可被选择性地设置成邻近每个主体116的每个外表面116b，使得轴承轴130从其中穿过，从而距离盘140可容纳不同长度的圆柱体轴，同时轴承142提供低摩擦支承表面并且进一步抑制在抓具组件100的操作期间赋予细长臂106的振动。任选的端盖144可设置在轴承轴130的每个末端边界130a处以有利于在抓具组件100的操作期间对齐轴承轴130、距离盘140和轴承142。沿基座136的底表面136d存在从其向外悬垂的悬臂的枢转臂137。枢转臂137被定位成邻近接合表面136b并终止于其中具有枢转镗孔150的枢转边界137a。可在枢转镗孔150中设置普通轴承（未示出）以提供低摩擦支承表面。枢转臂137可与夹持器134和/或基座136成一整体或可拆卸地附连到其上。因此，吸盘组件132的旋转向基座136和枢转臂137两者赋予大致同时的运动。包括支撑件156和离合器158的机架被选择性地相对于吸头138定位，使得吸头设置在支撑件156之间。离合器158包括保持装置诸如凸缘（未示出）和承座160，所述凸缘用于将离合器沿基座136的底表面136d扣紧到基座136，并且所述承座容纳与其相邻的吸头138的设置。适配器164也可沿构件主体116的长度被布置成邻近其前表面116c，位于吸盘组件132和致动元件（下文进一步描述）之间。抓具组件100还包括致动器以建立与枢转臂137的可枢转连通，从而向吸盘组件132赋予旋转运动。还如图3和4所示，致动器被提供为气压缸170的构型（其可选自多种可商购获得的气动致动器之一）。虽然气压缸170被绘出为示例性致动器，但应当理解，可用一个或多个可供选择的致动器来取代，因此包括本领域已知的电子和机械致动装置。致动器170 可相对于一个主体或多个主体116设置以便可相对于细长臂106可枢转地运动。在所示的实施例中，致动器170至少部分地设置在构件主体116的内表面116a之间。可操作地联接到气压缸170的键合构件172具有邻近于轭174的联接边界172a和包括其上的接合元件的自由边界172b。一种示例性接合元件被示出为叉形头176，所述叉形头具有一对尖齿178，其中每个尖齿178均具有限定的从其中穿过的扣紧镗孔180。扣紧镗孔180彼此同轴对齐，使得当枢转臂137设置在尖齿178之间时，扣紧镗孔180与枢转镗孔150配准。扣紧镗孔180容纳至少一个扣紧构件与尖齿178的接合，诸如通过摩擦接合、螺纹扣紧构件和对应的限定在扣紧镗孔180中的螺纹之间的互补螺纹接合或本领域已知的任何其他类型的接合来实现。如容易地图中所见，吸盘组件132安装在枢转臂137上以在气压缸170致动时引发围绕水平轴的旋转。气压缸170的位置确保了所有质量以抓具组件100的旋转轴的基本的对应性集中（即，旋转中心和抓具组件100的质心可沿基本上对齐的轴设置并且在气压缸170的致动和吸盘组件132的所得旋转期间保持处于这种关系）。此类构型基本上减少了沿细长臂106实现的振动干扰，并且也避免了气压缸170和被拾取的制品之间的任何碰撞。还示出了介于初始制品拾取位置（结合图5和5A描述）和后继制品放置位置（结合图6和6A描述）之间的操作期间的抓具组件100。在图5和5A所示的初始制品拾取位置中，抓具组件100被示出为具有靠近或沿竖直旋转轴Y设置的重心。气压缸170以相对于旋转轴的初始角度θ设置，吸头组件132以所述角度沿水平面设置吸头138。在该构型中，吸头138被定位在初始制品拾取位置以准备连续地接合由机械手104所引导的一个或多个制品。在气压缸170向如图6和6A所示的后继制品旋转位置致动时，气压缸172朝构件主体116的前表面116c枢转以便接近后续的角度θ’。作为气压缸170的角位移的结果，联接到其上的键合构件172向枢转臂137赋予旋转运动，使得吸头组件132旋转大致经过90°路径而到达制品放置位置（例如，吸头138设置在大致竖直的平面或沿如下角路径限定的任何平面 中，所述角路径介于以角度θ限定的制品拾取位置和以角度θ’限定的制品放置位置之间）。在吸盘组件132沿轴承轴130的整个旋转运动中，吸头138保持与被拾取的制品接合以便经由被拾取的制品围绕水平轴的旋转而将被拾取的制品取向至制品放置位置。在该后继位置中，抓具组件100的质心基本上与抓具组件的竖直旋转轴对齐，即使质心和旋转中心的水平轴定位情况在初始制品拾取位置和后继制品旋转位置之间发生改变时也是如此。因而沿细长臂106的振动干扰在抓具组件100的整个操作期间得到改善。实例1：获得了第一抓具组件，其呈上文参照图1所示和所述的工业标准形式。该抓具拾起具有0.15kg的质量和130mm的宽度的瓶。该抓具的总体质量为1.20kg。旋转轴偏移抓具的质心沿其设置的轴90mm的距离。作用于瓶的惯性/力：r=瓶的宽度/2=65mmJ瓶=1/2mr2=316.88kg/mm2旋转运动时作用于机械手的惯性：r=90mmJ抓具=m*r2=9720kg/mm2J抓具+J瓶=10036.88kg/mm2因此，该瓶实现了高翻转惯性。实例2：如结合本文的图2至4所示和所述构造了第二抓具组件。该抓具处于如图5和5A所示的初始制品拾取位置，这时抓具拾起具有0.15kg的质量的瓶。重心：X=-2.6mmY=-106.4mmZ=-2.9mm围绕Y轴的旋转惯性：JY=883.9kg/mm2实例3：根据结合本文的图2至4所示和所述构造了第三抓具组件。该抓具处于如图6和6A所示的后继制品旋转位置，这时抓具接合具有0.15kg的质量的被拾取的瓶。重心：X=-3.9mmY=-106.2mmZ=-2.9mm围绕Y轴的旋转惯性：JY=783.4kg/mm2本发明所公开的抓具组件能够以最佳MTBF执行所有工业标准抓具组件的活动。即，该抓具组件经由真空装置来实现制品的拾取，经由围绕水平轴的旋转来翻转被拾取的制品，经由围绕竖直轴的旋转来取向制品，将制品移动至最终目的地以便放置到载体中或放置到传送装置上，并且将被拾取的制品释放在稳定的可传送的位置以便进行进一步处理。本文所示的抓具设计最小化了材料的利用，从而使得该构型适用于轻型但刚性的材料诸如铝（虽然其他制造材料也是设想到的，包括但不限于包括下列的材料组：金属、强化塑料和复合材料）。对此类材料的选择最小化了抓具组件 的重量而不损害操作中的抓具活动的效果。所有关键部件之间的接合被实现成使得确保了抓具组件在整个操作过程中的高刚度。本发明所公开的抓具组件在快速翻转机构中实现了最小旋转惯性、最小平移惯性、最小翻转惯性，所述快速翻转机构保持高速度和增强的可靠性。利用这些特性，抓具组件在容纳众多尺寸、形状、质地、轮廓和材料组成的制品方面表现出增强的灵活性，并且这些制品是根据多种生产技术来制造的（包括但不限于注塑、挤出、吹模和互补以及本领域已知的用于生产制品的其他已知的生产技术）。归因于抓具组件构型转换的维护时间的减少贡献于本发明所公开的抓具组件的成功操作和本发明的抓具组件（它们是任何一个装配线所需的）数目的减少。因而在MTBF显著增加的情况下，可减少常规的维护，并且也可减少任何给定安装中所需的机械手数目，因为目前的抓具设计相对于工业标准构型来讲实现了更高的拾取和放置速率。术语“接合到”包括其中通过将元件直接附连到另一个元件而将元件直接固定到另一个元件的构型；其中通过将元件附连到一个或多个中间构件而所述中间构件继而附连到另一个元件来将元件间接固定到另一个元件上的构型；以及其中一个元件与另一个元件成一整体，即一个元件基本上为另一个元件的一部分的构型。术语“接合到”包括将元件在选定位置固定到另一个元件的构型、以及将元件在这些元件中的一个的整个表面上完全地固定到另一个元件的构型。本文所公开的量纲和值不应被理解为严格限于所述确切数值。相反，除非另外指明，每个上述量纲旨在表示所述值以及该值附近的函数等效范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。除非明确排除或换句话讲有所限制，本文中引用的每一个文件，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请，均据此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或者其单独地或者与任何其它参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，但是对那些本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其它的改变和变型。因此，随附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有这些改变和变型。