具有增加扭转刚度的机器人工具更换器耦合机构的制作方法

具有增加扭转刚度的机器人工具更换器耦合机构
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月22日提交的名称为“robotic tool changer coupling mechanism with increased torsional stiffness”美国专利申请号17/027,931的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及机器人工具更换器，并且具体地涉及具有实现增加扭转刚度和减少游隙(freeplay)的耦合机构的机器人工具更换器。


背景技术：

4.工业机器人已经成为现代制造业不可或缺的一部分。无论是在洁净室中将半导体晶片从一个处理室转移到另一个处理室，还是在汽车制造厂的地板上切割和焊接钢材，机器人都能在恶劣的环境中不知疲倦地执行许多制造任务，并具有高精度和可重复性。
5.在许多机器人制造应用中，工业机器人的相当大的成本是通过提供可以耦合到通用机器人手臂的不同工具或末端执行器而分摊在各种任务中的。例如，在汽车制造应用中，机器人可用于在一个生产过程中切割、研磨或以其他方式成形金属零件，并且在另一个过程中执行各种点焊任务。此外，即使在执行一种类型的任务时，机器人也可能使用不同的工具。例如，不同的焊接工具几何形状可以有利地与特定机器人配合以在不同位置或以不同取向执行焊接任务。
6.在这些应用中，机器人工具更换器用于将不同的工具配合到机器人。工具更换器的一半(称为主组件)永久固定到机器人手臂。另一半(称为工具组件)固定到机器人可以使用的每个工具。当机器人控制器将机器人手臂末端的主组件与装配到所需工具的工具组件对准时，它会引导主组件机械耦合到工具组件，从而将工具装配到机器人。机器人工具更换器还有助于为工具提供公用设施，例如电流、气压、液压流体、冷却水等，以及将数据从一些工具传回机器人控制器。
7.球锁构造通常部署在机器人工具更换器中作为耦合机构。在一种这样的构造中，多个滚动构件(例如钢球)包含在主组件的衬圈中，该衬圈设置在工具组件的腔室内。球被径向驱动，例如通过推进活塞，并且前进以抵靠工具组件中的轴承座圈，从而将主组件和工具组件机械地耦合在一起。为了解耦，活塞缩回，并且当主组件与工具组件分离时，球退回到衬圈中。在美国专利号8,005,570；8,132,816；8,209,840；8,500,132；8,533,930；8,601,667；8,794,418；9,151,343；9,724,830；和10,335,957中描述了这种球锁构造的各种构造、驱动机构和操作方面。所有这些专利均已转让给本技术的受让人，并且所有这些专利的公开内容均通过引用整体并入本文。
8.为了球锁机构与工具组件轴承座圈的正确机械耦合以及装配到主组件和工具组件的公用设施传递模块的耦合，主组件和工具组件之间需要对准。这种对准通常通过主组件上的一个或多个对准销来完成，该对准销与工具组件中的相应对准套管接合。此外，当机
器人运行时，这些对准销和套管还为耦合的工具提供扭转刚度。为防止卡住，对准销与其相关联的对准套管之间需要有少量的径向间隙。这种微小间隙是工具更换器中旋转游隙的主要来源，它对位置重复性和扭转刚度产生负面影响。这种影响在大型手臂工具末端中被放大，并且可能导致每个末端执行器的工作点出现不希望的变化或位置误差。游隙还会导致装配到工具更换器的电信号模块出现问题，因为允许主侧和工具侧的接触销相对于彼此移动，可能导致间歇性信号丢失。它还可能引起前后移位过度磨损，从而导致过早失效。
9.为了减少扭转游隙，已知在工具组件中的工具轴承座圈中在每个滚动构件的相应位置处加工出球形或圆柱形凹穴，在本文中称为“贝壳(scallops)”。这些特征减少了游隙，但不会消除游隙。已知设计的一个缺点是贝壳特征必须固有地具有比它们相应的滚动构件更大的半径，以防止卡住(bind)。这种径向间隙为滚动构件在反向扭转载荷下在其各自的贝壳内前后滚动提供了极小的自由度。出于耦合的目的，每个滚动构件处于3点接触，一个接触点是主组件衬圈中孔的底部，第二个接触点是工具轴承座圈中贝壳的底部，第三个点位于锥形活塞凸轮上。这三个接触点位于同一平面上并且以大约120度间隔开，尽管推进滚动构件的活塞或其他机构上的接触点不承载显著的扭转耦合载荷。这种3点接触方案，结合微间隙，足以在工具更换器中产生有害的扭转游隙。
10.提供本文的背景部分以将本发明的实施例置于技术和操作上下文中，以帮助本领域技术人员理解它们的范围和效用。除非明确指出，否则本文中的任何陈述都不能仅通过将其包含在背景部分中而被认为是现有技术。


技术实现要素：

11.下面给出本公开的简化概要，以便为本领域技术人员提供基本的理解。该概要不是对本公开的广泛概述并且不旨在识别本发明实施例的关键/必要元素或描绘本发明的范围。本概要的唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前序。
12.所公开的机器人工具更换器被构造为减少或最小化扭转游隙并提高扭转刚度。如上所述，当机器人工具更换器的主组件和工具组件耦合时，扭转刚度通常很弱，这导致围绕工具更换器的z轴的游隙。为了解决扭转刚度问题，工具组件的轴承座圈设有多个沿周向间隔开的贝壳状切口或凹穴。每个切口包括谷部和相对的倾斜表面，即谷部两侧的倾斜表面。在一个实施例中，通过迫使多个滚动构件与目标切口的相对的倾斜表面接触来耦合主组件和工具组件。即，一些滚动构件接触多个切口的倾斜表面之一，而其他滚动构件接触其他切口的相对倾斜表面。因此，所得滚动构件-倾斜表面接触防止或最小化主组件和工具组件之间的相对旋转。
13.在一个实施例中，贝壳状切口围绕轴承座圈等距间隔开。滚动构件和切口之间的未对准是通过改变主组件中的滚动构件-孔模式来实现的。与切口不同，主组件中的所有孔都不是等距间隔开的。两对对准孔相对于目标切口的位置略微偏斜。这导致这两对孔的滚动构件接触多个切口的相对的倾斜表面。
14.通过对以下描述和附图的研究，本发明的其他目的和优点将变得明显和显而易见，附图仅用于说明本发明。
附图说明
15.下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。相同的数字始终指代相同的元件。
16.图1是机器人工具更换器的立体图。
17.图2是处于耦合状态的机器人工具更换器的截面图。
18.图3a是示出主组件的环形衬圈和工具组件的轴承座圈的立体图。
19.图3b是在轴承座圈中发现的贝壳状切口之一的放大图。
20.图3c是示出环形衬圈和轴承座圈的立体图，并且还示出了包含在形成于环形衬圈中的孔中的滚动构件接触轴承座圈中切口的倾斜表面。
21.图4是示出一系列滚动构件接触轴承座圈中各种切口的相对的倾斜表面的示意图。
22.图5是示出多个滚动构件与各种切口的倾斜表面之间的接触点以及合力矢量的截面图。
23.图5a示出一个滚动构件与切口的右侧倾斜表面的接触。
24.图5b示出一个滚动构件与切口的左侧倾斜表面的接触。
25.图6是示出主组件中所选孔的偏斜以引起所选孔与轴承座圈中的各种切口未对准的示意图。
26.图7示出一个替代实施例，并且是示出工具组件中所选切口的偏斜以引起所选孔和其中的滚动构件与工具组件的轴承座圈中的各种切口的未对准的示意图。
具体实施方式
27.为了简单和说明的目的，主要通过参考本发明的示例性实施例来描述本发明。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说很容易明白，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本描述中，没有详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地混淆本发明。
28.图1示出采用球锁耦合机构的机器人工具更换器10。机器人工具更换器10的一半(称为主组件12)永久固定到机器人手臂(未示出)。另一半(称为工具组件14)固定到机器人可以使用的每个工具(未示出)。在任何特定应用中，这些安装可以颠倒。因此，如本文所用，术语“主”和“工具”是参考术语。如图1中所见，主组件12上的对准销16与工具组件14上的对准套管18配合，以确保当组件耦合在一起时主组件12和工具组件14正确对准。
29.主组件12包括外壳20和环形衬圈22，环形衬圈22从外壳突出并延伸超出外壳20的面的平面。工具组件14包括外壳24和形成在外壳24中的圆形腔室26。在腔室26中设置有轴承座圈38。在轴承座圈38中形成有一系列周向间隔开的贝壳状切口或凹穴40(见图3a、3b)。如图2所示，当主组件12和工具组件14耦合时，衬圈22设置在腔室26内并且向内与轴承座圈38间隔开。
30.在衬圈22中形成有多个孔28，并且孔28延伸穿过衬圈22。孔28围绕衬圈22周向间隔开。孔28可以是锥形的，在衬圈22的内表面处的直径比在衬圈22的外表面处的直径稍大。在每个孔28中设置有滚动构件30，如圆球。每个滚动构件30通过锥形孔28保持在衬圈内，锥
形孔28在衬圈22的外表面处的直径略小于相应滚动构件30的直径。因此，滚动构件30在缩回位置和伸出位置之间移动，其中在缩回位置处滚动构件的最外表面与衬圈22的外表面齐平或在其内部，在伸出位置处每个滚动构件30延伸超过衬圈22的外表面，超过的量通常略小于滚动构件30的半径。
31.在该实施例中，固定到气动活塞端部的凸轮32设置在由衬圈22限定的内部空间内。凸轮32具有至少一个锥形表面34，该锥形表面34在主组件和工具组件耦合期间接触滚动构件30。锥形表面34被对准为使得随着凸轮朝向工具组件14前进，锥形表面34与滚动构件30接合并且使滚动构件径向向外移位通过孔28，以使主组件12和工具组件14耦合。为了解耦，随着凸轮32缩回到主组件12中，它产生允许滚动构件30缩回到衬圈28内的空间。在一些实施例中，滚动构件30可以通过装配到气动活塞的凸轮以外的机构而前进和缩回，如在上面并入的专利us8,132,816和us8,209,840中描述的。
32.图2是机器人工具更换器10的截面图，其示出耦合的主组件12和工具组件14。凸轮32被构造为在缩回位置和伸出位置之间移动。此处和权利要求中使用的术语“构造为”是指“设计为”。在图2中，凸轮32处于伸出位置。凸轮32的移动由机器人控制器(未示出)控制。随着凸轮32从缩回位置移动到伸出位置，它与滚动构件30接合并向外推动它们通过孔28。在完全伸出位置，凸轮32移动滚动构件30以与形成在工具组件14的轴承座圈38中的贝壳状切口40接触。滚动构件30如何接触切口40的部分的细节在本文中稍后处理。在任何情况下，图2示出耦合的主组件12和工具组件14。在图2中示出机器人工具更换器10的z轴。当机器人工具更换器耦合时，z轴延伸穿过衬圈22和轴承座圈38的中心。如下所述，衬圈22、孔28、滚动构件30和切口40被构造为防止或最小化围绕z轴的相对旋转。
33.图3a示出主组件12和工具组件14的部分。在该实施例中，衬圈22包括六个孔28和六个滚动构件30。孔和滚动构件的数量可以变化。孔28围绕衬圈22周向间隔开并且布置成使得成对的孔对准。因此，成对的滚动构件30也对准。还如图3a所示，贝壳状切口40围绕工具组件14的轴承座圈38周向间隔开。成对的贝壳状切口40也对准。因此，当凸轮32完全延伸时，滚动构件30从衬圈22向外突出并接触贝壳状切口或凹穴40的部分。如下文所讨论的，至少一些滚动构件30不正好安置在贝壳状切口40的中心。也就是说，一些滚动构件30与贝壳状切口40略微未对准。
34.每个贝壳状切口40包括谷部40v和从谷部延伸的相对的倾斜表面40s。参见图3a和图3b。谷部40v位于贝壳状切口40的中心。倾斜表面40s位于谷部40v的两侧。面向作为参考点的切口40之一，倾斜表面之一被称为左倾斜表面并且另一个倾斜表面被称为右倾斜表面。术语“相对的倾斜表面”是指切口40的左右倾斜表面。在所示实施例中，倾斜表面40s是弯曲的。曲率半径可以变化。它必须足以使滚动构件30接触倾斜表面40s之一并且同时相对于切口的中心至少略微偏置。如下文进一步讨论的，机器人工具更换器10被设计为使得当主组件12和工具组件14耦合时，至少一些滚动构件30接合并接触倾斜表面40s而不是谷部40v。参见图5a和图5b。
35.在一个实施例中，两个滚动构件接触相对切口的右倾斜表面，而另外两个滚动构件接触其他相对切口的左倾斜表面。参见图4和图5。为了提供这种接触模式，一些孔28和它们的滚动构件30与目标切口未对准，目标切口是在耦合期间作为滚动构件30的对象的切口。当安置在切口40的这些倾斜表面40s之一上面时，滚动构件30相对于该切口的谷部40v
略微偏置。由于多个切口40的左右倾斜表面被多个滚动构件30接触，因此防止或最小化主组件12和工具组件14之间的相对旋转。这有助于机器人工具更换器10的扭转刚度。
36.图4示意性示出这些原理。其中有四个滚动构件(30a、30b、30c和30d)与四个切口(40a、40b、40c和40d)的倾斜表面接触。注意，相对的滚动构件30的中心线相对于目标切口的中心或谷部40v略微偏置。滚动构件30a和30b接触切口40a和40b的右倾斜表面。这防止或最小化切口以及因此工具组件14相对于主组件12逆时针旋转。以类似方式，滚动构件30c和30d接触切口40c和40d的左倾斜表面。这防止或最小化切口以及因此工具组件14相对于主组件12顺时针旋转。因此，主组件12和工具组件14之间只有非常小的(如果有的话)相对旋转，这导致工具更换器10的扭转刚度增强。
37.图5是工具更换器10的水平截面图。它在某些方面类似于图4，但更详细，因为它示出了接触相应切口的所有滚动构件。还示出了滚动构件30a、30b、30c和30d的接触点c和合力矢量。除了这四个滚动构件之外，还有另外两个滚动构件30e和30f，示出为安置在切口40e和40f中。与其他滚动构件不同，滚动构件30e和30f正好安置在相对的切口40e和40f中。这有效地加强了主组件12和工具组件14之间的连接。注意沿着参考线50、52的接触点c。参考线50、52延伸穿过接触点c并形成“x”。图5示出由滚动构件与相应切口40的倾斜表面40s接触产生的合力矢量。在工具更换器10的每一侧，合力矢量大致相对，这防止或至少最小化主组件12和工具组件14之间的相对旋转。
38.有多种方式使孔28和其中的滚动构件30与目标切口40不对准。一种方法是改变孔28或切口40的角间距，使得当主组件12和工具组件14耦合时，所选孔不与目标切口40精确对准。作为实际考虑，可以优选地相对于孔28进行这种调整，使得主组件12与现场现有的工具组件14适当地配合。图6是示出导致这种未对准的孔的示例性间距的示意图。参考线100(长虚线)示出被分成六个相等象限的环形衬圈22，每个象限是60
°
象限。在该示例中，当主组件12和工具组件14耦合时，参考线100将与贝壳状切口40的中心对准。参考线102示出相对于参考线100稍微偏斜的所选孔28的中心线。当然，这意味着当主组件12和工具组件14耦合时，这四个孔中的滚动构件30相对于目标切口40未对准。参考线100和102之间的角度变化程度可以变化。在本例中，差异约为2
°
。
39.通过略微偏置滚动构件-孔平面可以实现相同的效果。即，滚动构件-孔平面略微偏置，使得所选滚动构件30接触切口40的相对的倾斜表面40s。
40.图7示出一个替代实施例，其中所选切口40a、40b、40c和40d相对于目标滚动构件30a、30b、30c和30d略微偏斜，这引起所选切口与目标滚动构件未对准。该实施例类似于图5所示的实施例，不同之处在于，在图7的实施例中，孔和滚动构件均等距间隔开，而四个切口40a、40b、40c和40d相对于四个滚动构件30a、30b、30c和30d略微偏斜。图7中的这种偏斜由角β示出，而角度α表示孔和滚动构件30a-30f的相等间距。与图5和图6所示的实施例类似，相应切口和滚动构件之间的这种关系导致由于滚动构件与相应切口40的倾斜表面40s接触而产生的力矢量。合力矢量大致相反，这防止或至少最小化主组件12和工具组件14之间的相对旋转。
41.本发明的实施例呈现出优于现有技术的许多优点。例如，在图5的实施例中，相对的接触力施加到工具更换器10每一侧的两个滚动构件。参见图5中描绘的四个力矢量。因此，这些相对的力限制相应的滚动构件30侧向运动。通过一些滚动构件30接触一些切口40
的左倾斜表面而其他滚动构件接触其他切口的右倾斜表面，这些接触点实际上消除了机器人工具更换器10中的扭转游隙。
42.当然，在不脱离本发明的基本特征的情况下，可以以不同于本文具体阐述的方式的其他方式实施本发明。这些实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等同范围内的所有变化都旨在包含于其中。