用于具有碰撞检测的机器人系统的工具固持器的制作方法

本国际申请主张2016年7月26日提交的名称为“用于具有碰撞检测的机器人系统的工具固持器(toolholdersforroboticsystemshavingcollisiondetection)”的美国专利序列号15/219,591的优先权。美国专利序列号15/219,591的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术：

本发明总的来说涉及自动化焊接系统，并且更明确地说，涉及用于具有碰撞检测的机器人系统的工具固持器。

技术实现要素：

实质上如附图中的至少一幅所图示以及结合附图中的至少一幅所描述，本申请公开用于具有碰撞检测的机器人系统的工具固持器，如权利要求书中更全面地阐述。

附图说明

图1是图示根据本公开的方面的具有碰撞检测并包含工具固持器的示例机器人系统的框图。

图2是图1的工具固持器的示例实施的分解图。

图3是图2的示例工具固持器的组装图。

图4图示图2和图3的示例工具固持器的致动器和外壳的横截面图。

图5图示线接触的示例榫组的横截面图。

图6图示图4的示例工具固持器的横截面图。

图7是图6的致动器、外壳与压力板之间的界面的更详细的视图。

图8是图2和图3的示例工具固持器的横截面图，图示致动器和压力板对例如因涉及工具的碰撞而施加到工具固持器的冲击的响应。

图9是示例致动器的横截面图，图示可在返回到参考位置时影响致动器的示例力向量。

具体实施方式

自动化焊接可以由使用机器人执行，机器人固持被编程为执行一个或更多个焊接操作的焊炬。机器人具有提供可高度重复、高质量的焊缝的益处。在一些应用中，机器人被编程为使用极精确的移动来执行具有极短电弧长度(例如，几毫米)的焊接。可重复的精确移动可依靠机器人中的可移动部件和/或具有程序可使机器人返回到的一致参考位置的焊炬来实现。机器人可随后在程序中使用参考位置，例如通过实施将参考位置作为坐标系统中的指定点的惯性坐标系。

冲击传感器(也被称为碰撞检测器)调节工具相对于惯性坐标系的位置准确性。在焊接情形下，焊炬安装到冲击传感器的致动器，并且外壳刚性地安装到机器人。在冲击或撞击的情形下，致动器从其息止位置或工具中心点(tcp)移动，这触发常闭开关打开并发信号给机器人控制器以停止。需要焊枪以准确且精确的方式返回到tcp。tcp误差在接触嘴处放大并导致焊接质量的降低(例如，由于不一致的焊接电弧长度)，从而需要重新编程。

如下文更详细地描述，公开的工具固持器包含减小摩擦力的特点，所述摩擦力降低常规工具固持器的位置准确性和/或可靠性。

如本文所使用，“线接触”被定义为大体上沿着单个线接触，这考虑到沿着接触线的变形。如本文所使用，“线接触”也包含点接触或单个点处的接触(例如，在两个圆形表面之间)，考虑到接触点处的变形。

所公开的示例机器人工具固持器包含外壳、致动器、压力板、弹性元件、安装板和传感器开关。外壳具有近端和远端。致动器设置在外壳内并被配置成固持工具，外壳和致动器经由多个榫接触以限制致动器朝向外壳的远端移动。在所公开的示例中，多个榫中的接触的榫为线接触，并且多个榫中接触的榫呈三角形几何形状。压力板在外壳内围绕压力板的圆周与致动器线接触。弹性元件与压力板接触以经由压力板将致动器朝向外壳的近端偏置。安装板将机器人工具固持器耦接到机器人，并且弹性元件与与压力板相对的安装板接触。传感器开关检测致动器上的冲击力，并响应于检测冲击力输出信号。

在一些示例中，致动器被配置成固持焊炬，以使得施加到焊炬的冲击力传递到致动器。在一些示例机器人工具固持器中，致动器和压力板被配置成将冲击力的至少一部分传递到多个弹性元件。在一些示例中，传感器开关与机器人控制系统通信，所述机器人控制系统被配置成控制机器人工具固持器响应于传感器开关信号移动到预定位置。

在一些示例机器人工具固持器中，榫中的接触的榫的三角形几何形状被配置成耐受机器人工具固持器的加速度高达至少所选择的加速度，而不导致传感器开关错误地检测冲击力，其中三角形几何形状包含榫的直径以及呈三角形几何形状的榫中的至少两个之间的空间。在一些示例中，榫包含围绕外壳的内圆周和致动器的外圆周间隔开的三个榫组。在一些这样的示例中，三个榫组中的每一个包含附接到外壳的两个榫以及附接到致动器的一个榫。在一些示例中，三个榫组中的每一个包含附接到致动器的两个榫以及附接到外壳的一个榫。

在一些示例中，外壳、致动器、压力板、安装板和传感器开关具有共轴内部空间以允许缆线通过机器人工具固持器穿过到耦接到致动器的焊炬。在一些示例中，弹性元件将弹性元件力施加在压力板上，其中弹性元件力大于沿着线接触的压力板与致动器之间的第一摩擦力以及附接到致动器的榫中的榫与附接到外壳的榫中相应的榫之间的第二摩擦力的总和。

在一些示例机器人工具固持器中，榫包含围绕外壳的内圆周以及致动器的外圆周间隔开的两个或更多个榫组，其中每一个榫组包含附接到外壳或致动器中的一个的两个榫以及附接到外壳或致动器中的另一个的一个榫。在一些示例中，榫包含不锈合金钢416或钛。

在一些示例中，弹性元件是模弹性元件，并且安装板和压力板包含空腔以保持多个弹性元件。在一些这样的示例中，安装板和压力板被配置成保持多个弹性元件平行于外壳的中心线。在一些示例中，压力板中的空腔渐缩以在压力板在外壳内倾斜时减小多个弹性元件的偏转。

在一些示例中，与压力板接触的致动器的一端具有围绕致动器的圆周的弯曲表面，以使得致动器和压力板形成球窝型连接。在一些这样的示例中，当力由致动器传递时，线接触相对于压力板改变，并且致动器和压力板被配置成基于冲击力的方向相对于外壳倾斜。在一些示例中，压力板的外边缘是圆形的以允许压力板在外壳内旋转。在一些示例中，榫包含围绕外壳的外圆周和致动器的内圆周间隔开的三个榫组。

所公开的示例机器人焊接系统能够检测对由机器人操纵的焊炬的撞击，并包含机器人臂、焊炬、焊炬固持器和机器人控制器。机器人臂被配置成移动机器人臂的焊接端。焊炬固持器包含外壳、致动器、压力板、弹性元件、安装板和传感器开关。外壳具有近端和远端。致动器设置在外壳内以固持焊炬，其中外壳和致动器经由多个榫接触以限制致动器朝向圆柱形外壳的远端的移动。多个榫中的接触的榫为线接触，并且多个榫中的接触的榫呈三角形几何形状。压力板在外壳内围绕压力板的圆周与致动器线接触。弹性元件与压力板接触以经由压力板将致动器朝外壳的近端偏置。安装板将焊炬固持器耦接到机器人。多个弹性元件与与压力板相对的安装板接触。传感器开关检测致动器上的冲击力，并响应于检测冲击力输出信号。机器人控制器接收信号作为输入，并响应于接收到信号控制机器人臂采取预设定位置。

图1是图示具有碰撞检测并包含工具固持器102的示例机器人系统100的框图。图1的示例机器人系统100和工具固持器102被配置成使用由工具固持器102固持的焊炬104执行自动化(例如，程序性)焊接。示例机器人系统100包含控制机器人臂108的移动和/或取向的机器人控制器106，其中焊炬104经由工具固持器102附接到机器人臂108。为了执行焊接，示例机器人系统100包含或具备焊接电力供应器110以将焊接型电力提供到焊炬104和/或送丝机112以将焊丝提供到焊炬104。

机器人控制器106使用机器人臂108的一个或更多个连接控制机器人臂108以执行经编程的移动。机器人控制器106可参考从机器人臂108的参考取向的移动，其包含工具固持器102和焊炬104的参考取向。当机器人臂108、工具固持器102和焊炬104处于参考位置(例如，在可接受的误差幅度内，所述误差幅度可极小)时，机器人控制器106可确信机器人臂108的所命令的移动转化到焊炬104的期望位置。

焊炬104与另一物体之间的碰撞可导致焊炬104从机器人控制器106所命令的位置偏离所述位置。因此，响应于检测碰撞，机器人控制器106使机器人臂108、工具固持器102和焊炬104返回参考位置以重新建立位置准确性。如下文更详细地描述，示例工具固持器102包含碰撞检测系统，所述碰撞检测系统检测在焊炬104处的碰撞或冲击力，吸收焊炬104上的冲击力的至少一部分，和/或将碰撞事件通讯到机器人控制器106以采取校正行为。

图2是图1的工具固持器102的示例实施方案的分解图。示例工具固持器102包含外壳202、致动器204、压力板206、弹性元件208、安装板210和传感器开关212。图3是图2的示例工具固持器102的组装图。

示例致动器204设置在外壳202内。致动器204被配置成固持工具，例如焊炬104。外壳202和致动器204经由相对于外壳202限制致动器204的移动的榫组(例如，致动器榫214、外壳榫216)接触。例如，致动器204的一个或更多个榫可邻接外壳202的一个或更多个相对榫。为了减小榫之间可阻碍工具固持器102返回到工具中心点的摩擦力，接触的榫214、216中相应的榫线接触和/或点接触，并且在一些示例中，每一榫组214、216呈三角形几何形状。参照图4和图5在下文中更详细地描述示例榫布置。

图2的示例压力板206围绕压力板206的圆周在外壳202中与致动器204线接触。特别地，与压力板206接触的致动器204的端具有围绕致动器204的圆周的弯曲表面，以使得致动器204和压力板206形成球窝型连接。也就是说，致动器204可在压力板206内旋转。随着致动器204和压力板206旋转，压力板206保持与致动器204线接触，并且接触线可沿着致动器204的端和压力板206移位。然而，弹性元件208和外壳202限制压力板206相对于外壳202的旋转。

弹性元件208与压力板206接触以经由压力板206将致动器204偏置成与外壳202接触(例如，朝外壳202的工具端偏置)。弹性元件208是工业重型模弹性元件。结合弹性元件208，压力板206相比常规工具固持器延长工具固持器102的寿命。安装板210将机器人工具固持器102耦接到机器人臂108。弹性元件208与与安装板210相对的压力板206接触。弹性元件208围绕压力板206的圆周和安装板210布置。示例安装板210包含空腔218以保持弹性元件208在位。

在图2的示例中，弹性元件208是模弹性元件，并且空腔218足够深以防止弹性元件208的大量偏转。示例压力板206同样包含空腔220以保持弹性元件208。压力板206中的空腔220比空腔218浅，并且朝向压力板206的外圆周渐缩，以在压力板206远离工具中心点倾斜(例如，响应于冲击力)时减小或防止弹性元件208的偏转。

致动器204固持焊炬104，以使得施加到焊炬104的冲击力传递到致动器204。致动器204进一步将冲击力传递到压力板206以及弹性元件208中的一个或更多个。致动器204和压力板206可响应于冲击力(例如，基于碰撞的方向)倾斜脱离与工具中心点对准，并将冲击力传递到弹性元件208中相应的弹性元件。

示例传感器开关212检测致动器204上的冲击力，并响应于检测冲击力输出信号。例如，传感器开关212可实施常闭电路，其也包含榫214、216。当榫中的任意榫断开接触(例如，响应于使致动器204移动的冲击)时，电路被断开，并且传感器开关212产生并传输碰撞信号(例如，传输到图1的机器人控制器106)。碰撞信号使机器人控制器106停止机器人臂108的移动，以降低对焊炬104的损坏的可能性。

图4图示图2和图3的示例工具固持器102的致动器204和外壳202的横截面图。使用附图标记402、404和406表示的榫组示出在图4中。示例工具固持器102包含围绕外壳202的内圆周和致动器204的外圆周间隔开的三个榫组402、404、406。然而，工具固持器102可使用比图4所示的三组更少或更多的榫组。此外或可选择地，致动器204可位于外壳202的外部，以使得榫组402、404、406围绕外壳202的外圆周和致动器204的内圆周间隔开。榫组402-406作为对准机构以容易地对准外壳202和致动器204。示例榫组402-406可围绕外壳202和致动器204均匀地或不均匀地间隔开。

榫组402包含附接到外壳202的两个榫408、410以及附接到致动器204的榫412。榫组404包含附接到外壳202的两个榫414、416以及附接到致动器204的榫418。榫组406包含附接到外壳202的两个榫420、422以及附接到致动器204的榫424。示例榫408、410、414、416、420、422的每一个具有第一直径d，并且示例榫412、418、424中的每一个具有第二直径d。图5图示线接触的榫组402的横截面图。如图5所图示，当榫408-412接触时，榫408-412具有三角形几何形状。直径d和/或d、角几何形状(例如，图5所示的角α)和/或榫408、410之间的间隔可基于例如装置上的榫组的数量来调整。

常规对准系统使用致动器型装置的面以产生与外壳上的榫对齐的圆柱形空腔。由于空腔的表面轮廓的缺陷、致动器空腔与外壳榫之间的材料、表面光洁度的差异和/或硬度差异，这些表面之间的滑动摩擦力相当高。所公开的示例的榫组402、404、406被布置成使得外壳202上的两个榫(例如，408、410)与致动器204上的一个榫(例如，412)对准。与常规榫系统相比，所公开的示例的榫布置显著减小摩擦力f1，并且改进工具定位的准确性和可重复性。

图2到图8的示例对准机构与三个榫组一起工作。每一组包含致动器204上的一个榫和外壳202上的两个榫。在一些示例中，每一组的两个榫408、410附接到致动器204或是致动器204的一部分，并且单个榫412附接到外壳202或是外壳202的一部分。每一致动器榫412、418、424与外壳202上的相应的榫对408、410、414、416、420、422形成线接触，其中致动器榫412、418、424与相应外壳榫中的每一个之间一个线接触(例如，榫412具有一个与榫408的线接触以及一个与榫410的线接触)。与常规设计中的表面接触相比，线接触显著减小摩擦力。此外，致动器204和外壳202上的榫408-424由相同材料、相同表面光洁度和/或相同硬度规格制成以减小(例如，最小化)磨损并维持对准机构的准确性和可重复性。示例材料是合金钢416，合金钢416具有高机械加工性，并实现高表面光洁度。合金钢416可回火或硬化以实现期望表面硬度。合金钢416的抗腐蚀性确保榫表面将保持硬度和光洁度，并使冲击传感器能够与水冷机器人焊枪一起使用并在高湿度工业应用中使用。可用于实施榫408-424的其它示例材料包含钛、马氏体不锈钢和钛以及沉淀硬化的不锈钢和钛。

外壳上的榫408-424的直径d、d以及榫408-424之间的距离影响系统的稳定性和准确性。例如，对准机构需要在加速度和振动的阈值极限以上操作，以使得传感器开关212在高加速度移动期间不提供假反馈。直径“d”和“d”是基于可用于外壳202与致动器204之间的对准机构的环形空间以及耐腐蚀或撞击所需的强度来选择的。选择形成有每一组三个榫的图5所图示的三角形几何形状中的尺寸变量d、d和l，以实现工具固持器102的稳定性以及工具固持器102和焊炬104的定位的准确性和可重复性。

如图2、图3和图4所图示，外壳202、致动器204、压力板206、安装板210和传感器开关212具有共轴内部空间以允许缆线通过工具固持器102穿过到耦接到致动器204的焊炬104。

图6图示图4的示例工具固持器102的横截面图。如图6所图示，致动器204和压力板206沿工具中心点602对准。当对准工具中心点时，焊炬104可由机器人控制器106准确地定位在参考位置。

图7是图6的致动器204、外壳202与压力板206之间的界面的更详细视图。如图7所示，致动器204包含坐落在外壳202上的凸缘702。致动器204也具有圆形边缘704，圆形边缘704与压力板206的圆形表面706接合作为球窝型连接。

图7也图示致动器204的圆形边缘704与压力板206的圆形表面706之间的接触线708的横截面图。随着致动器204的圆形边缘704在圆形表面706中和/或圆形表面706周围移位，接触线708也可相对于圆形边缘704和/或圆形表面706而改变位置。压力板206的圆形表面706延伸至压力板206的边缘(例如，在压力板206与外壳202之间的界面处)以使压力板206能够在外壳202内旋转而不堵塞或粘着。

图8是图2和图3的示例工具固持器102的横截面图，图示致动器204和压力板206对例如由涉及附接到致动器204的焊炬的碰撞而施加到工具固持器102的冲击的响应。力向量fc图示在图8中以示出导致致动器204的位移的力的方向。随着致动器204的中心线802从工具中心点602偏离，发生如下情形：1)致动器204的榫中的一个或更多个(例如，榫412、418、424)与其附接到外壳202的相对榫脱离；2)致动器204的一部分被迫进一步进入到外壳202中，从而以不对称方式推压力板206；3)压力板206被推向安装板210，而弹性元件208对抗压力板206的移动并试图维持压力板206与工具中心点602一致；4)由于致动器204被迫脱离与工具中心点602对准并且弹性元件208促使压力板与工具中心点602对准，所以致动器204在压力板206的圆形弯曲表面706内旋转(例如，作为球窝型连接)；以及5)致动器204的圆形边缘704与压力板206的圆形表面706之间的线接触706随着致动器204相对于压力板206旋转而从图7所示的初始线接触位置改变。

当致动器204移动以使得少于所有榫组的榫组接触时，传感器开关212传输信号(例如，传输到机器人控制器106)。作为响应，机器人控制器106停止机器人臂108和工具固持器102的任何移动，并且使机器人臂108和工具固持器102(以及焊炬104)返回到参考位置。机器人臂108和工具固持器102返回到参考位置消除致动器204上的力，使致动器204和压力板206被促使与工具中心点602对准。

图9是示例致动器204的横截面图，图示示例力向量fs、fm、f1、f2，示例力向量fs、fm、f1、f2可在返回到参考位置时影响致动器204。fs是由弹性元件208施加到压力板206和致动器204的弹性元件力。弹性元件力(fs)必须克服三个主要力：1)因焊枪的质量所致的合力(fm)，2)在榫之间的界面处的摩擦力(f1)，以及3)在弹性元件力fs在致动器204上的施加点处的摩擦力(f2)(例如，致动器204与压力板206之间的球窝型连接中的摩擦力)。

随着致动器204返回到与工具中心点位置602对准，弹性元件力fs接近弹性元件力下限。然而，为了使工具固持器102可靠地且准确地返回到工具中心点602，在图2到图8的示例中，弹性元件力fs的下限大于力fm、f1和f2的总和(例如，fs>fm+f1+f2)。与常规工具固持器相比，如下文更详细地描述，图2到图8的示例减小摩擦力f1和f2以提高工具固持器102的定位的可靠性和准确性。

常规工具固持器使用致动器类装置和压力板类装置的相对表面以将弹性元件力施加到致动器类装置。表面接触导致较高摩擦力，这妨碍常规工具固持器返回到工具中心点，并且降低参考位置处的工具固持器和/或焊炬的定位的可靠性和/或准确性。一些常规工具固持器使用定制的波形弹性元件，定制的波形弹性元件占用比模弹性元件小的空间并且由于横向弯曲的能力而不使用压力板将弹性元件力传递到致动器。然而，波形弹性元件未被设计成用于大量的循环，并且弹性元件力随着时间显著降低。

所公开的示例在压力板206与致动器204之间具有线接触而不是表面接触。相对于表面接触，线接触减小造成的摩擦力f2的大小。所公开的示例也使用模弹性元件，模弹性元件具有较长的操作寿命以及随着时间较一致的弹性元件力，从而确保工具定位的长期准确性和可靠性。

示例工具固持器102包含内部空腔以允许一个或更多个缆线(例如，电缆缆线、气冷和/或水冷缆线、线制动软管、鼓风软管、惰性气体供应软管、电极衬里等)穿过工具固持器102的中央从焊接电力供应器110和/或机器人臂108馈送到焊炬104。致动器204的扩大的内部空腔产生钟形空腔，钟形空腔在冲击期间减小由致动器204的旋转引起的对缆线的损坏。

虽然已参照某些实施方案来描述本方法和/或本系统，但本领域的技术人员应理解，可进行各种改变，并且可替代等同物，而不偏离本方法和/或本系统的范围。此外，可进行许多修改以使特定情形或材料适应于本公开的教示，而不偏离本公开的范围。例如，可组合、划分、重新布置和/或以其它方式修改所公开的示例的方框和/或部件。因此，本方法和/或本系统不限于所公开的特定实施方案。实际上，本方法和/或本系统将包含落入随附权利要求书的范围内的所有实施方案，无论是在字面上还是根据等同原则都是如此。