专利名称：用于机器人臂端工具的棘轮水准补偿器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及柔性制造，具体涉及一种作为柔性制造系统的元件的机器人臂 端(end-of-arm)工具。
背景技术：
柔性制造涉及作业机械，诸如通常设置在每个工作台上的六轴关节式机器人。柔 性制造的逻辑支持包括中央控制器或电脑，中央控制器或电脑管理工作流程和材料操作系 统以便根据需要对不同工作台进行供给。在这些系统中，逻辑部分能够针对不同的部件和 部件体积进行编程，以使结构更具柔性。 柔性制造最有效的形式是在系统的材料操纵部分使用机器人。这增强了逻辑支持 系统的材料操纵部分的编程能力。这些机器人可能具有关于材料操纵程序的路由选择和时 间调度部分的非常复杂的程序形式。机器人的柔性程度由机器人手臂的复杂程度决定。现 在已经完成了对机器人运动的许多研究和发展，采用了类似于在多轴机械中使用的技术。 这种能力能够用于使部件定位精确对准并且与其它臂的运动相协调。 常规工业机器人的一个局限性在于机器人与机器人所操控的有效载荷之间的交 互。通常，机器人针对性地构造为适合具体的臂端工具，该臂端工具在具体应用中提供最大 程度的通用性。然而，在实践中，这意味着臂端工具必须针对不同的应用场合而重新设计。 当生产过程已经排定时，它们必须包括用于臂端工具频繁更换的步骤，以应对在生产过程 中使用的各种各样的有效载荷。 图1是现有技术臂端(EOA)工具10的一个示例，其中，弹簧加载式水准补偿器12 具有安装在远端的夹具14，例如该夹具可以采用真空辅助吸盘16的形式，但是也可以使用 其它形式，诸如电磁体。弹簧加载式水准补偿器12采用轴18的形式，该轴相对于壳体20 以可滑动且可引导的方式安装，并且被弹簧22偏置，使得夹具14的标称(nominal)位置相 对于壳体20远距离地定位。轴18在它的近端具有端口构件24，该端口构件与用于夹具的 致动源接合，致动源例如是用于吸盘夹具的空气管线26或用于电磁夹具的电源线。基板28 与壳体20连接，其中，基板为机器人手臂提供合适的连接平台。 在操作中，在EOA工具10处于它的标称结构的情况下，与棘轮EOA工具连接的机 器人进行操控，使得夹具14靠近任意形状的有效载荷。当夹具和有效载荷之间选择性地形 成足量的挤压接触时，其中，随着轴相对于壳体滑动弹簧被压縮，从而夹具被驱动以夹持有 效载荷，于是，机器人按照确定的方式移动有效载荷。当有效载荷的机器人移动结束时，夹 具的驱动被解除，弹簧使EOA工具回复至它的标称结构。 常规机器人的另一局限性表现为，弹簧加载式臂端工具允许用于不同几何形状的
有效载荷的表面不规则(水准)补偿，该臂端工具使用一直向轴施加弹簧偏置作用的弹簧
加载式水准补偿器，其中，该偏置作用具有一直迫使轴到达它的标称位置的缺点。 因此，本领域仍然需要的是一种臂端工具的弹簧加载式水准补偿器，其具有足够
的能力和柔性来操纵各种几何形状的有效载荷，而无需持续的弹簧偏置。
发明内容
本发明提供一种臂端工具弹簧加载式水准补偿器，其与图1中示出的现有技术具 有相似性，但是不同的是，该水准补偿器具有足够的能力和柔性以便通过棘轮机构的选择 性操作来操纵各种几何形状的有效载荷，而无需持续的弹簧偏置。 根据本发明的棘轮臂端(E0A)工具具有弹簧加载式水准补偿器，该水准补偿器不 仅具有采用诸如真空辅助吸盘或电磁体形式的安装在远端的夹具，其另外还包括棘轮机 构，该棘轮机构用于相对于轴壳体选择性地锁定轴的滑动运动，其中轴以可滑动方式安装 至轴壳体。棘轮机构例如通过制动器相对于轴中的狭槽的位置而选择性地接合，制动器的 位置由制动器移动结构决定。 在操作中，在棘轮EOA工具处于它的标称结构中并且棘轮结构脱开接合的情况 下，与棘轮EOA工具连接的机器人进行操控，从而使得夹具靠近任意形状的有效载荷，于是 在轴弹簧压縮的同时，夹具被压向有效载荷并且轴相对于轴壳体滑动。在夹具和有效载荷 之间选择性地形成足量的挤压接触时，棘轮机构独立于轴弹簧而接合，从而相对于机器人 手臂将夹具锁定在固定位置。夹具被驱动以夹持有效载荷，接着机器人按照确定的方式 移动有效载荷。在有效载荷的机器人移动结束时，夹具的驱动被解除，棘轮机构脱开接合 (即，轴相对于轴壳体被解锁)，弹簧使棘轮EOA工具回复至它的标称结构。
据此，本发明的一个目的在于提供一种臂端工具弹簧加载式水准补偿器，其具有 足够的能力和柔性以便通过棘轮机构的选择性操作来操纵各种几何形状的有效载荷，而无 需持续的弹簧偏置。 本发明的所述以及另外的目的、特征和优点将通过下面对优选实施方式的详细描 述而变得更清楚。
图1是示出了根据现有技术的例如具有吸盘夹具的EOA工具的侧面正视图。
图2A是示出了根据本发明的具有吸盘夹具的棘轮E0A工具的侧面正视图。
图2B是示出了图2A的棘轮EOA工具的俯视图。 图2C是示出了根据本发明的具有电磁夹具的棘轮E0A工具的侧面正视图。
图3A是沿着图2B的3A-3A线的剖视图，示出了根据本发明的处于脱开操作模式 下的棘轮机构。 图3B是类似于图3A的剖视图，示出了根据本发明的处于接合操作模式下的棘轮 机构。 图4A至4C示出了本发明的棘轮EOA工具与有效载荷接合的各行进阶段。 图5是用于根据本发明的棘轮E0A工具的执行部件的一个示例的框图。 图6是根据本发明的棘轮EOA工具的工具群组件的侧面正视图。 图6A至6C示出了图6所示的棘轮EOA工具的该工具群组件与不同形状的有效载
荷的夹持接合的侧视图。
具体实施例方式
现在参阅附图，图2A至6C示出了根据本发明的棘轮臂端(E0A)工具100的各个方面。 首先参阅图2A和2B，其中示出了棘轮E0A工具100、100a。臂端(EOA)工具100a 包括具有安装在远端的夹具104的弹簧加载式水准补偿器102，该夹具例如是所图示的真 空辅助吸盘106。弹簧加载式水准补偿器102包括以可滑动方式和可引导方式安装至轴壳 体110的轴108，其中，轴被轴弹簧112相对于轴壳体偏置，使得夹具104的标称位置相对 于轴壳体远距离地定位。轴108在它的近端处具有端口构件114，该端口构件与夹具14的 致动源通过界面连接，其中，在夹具是吸盘夹具106a的情况下，该致动源表现为与真空源 互连的空气管线116a的形式。基板118与轴壳体110相连，其中，基板提供到机器人手臂 (未图示，但在图6至6C中示意性地示出)的合适的连接平台。 另外再参阅图3A和3B，棘轮机构120与轴壳体110相连，该棘轮机构构造为选择 性地棘轮连接至形成在轴108中的狭槽122。制动器124以可滑动方式和可引导方式被接 收在棘轮螺线管128的引导孔126内，其中，制动器被制动器弹簧130朝着远离棘轮螺线管 的方向偏置并且由磁性材料制成，当棘轮螺线管(经由它的线圈128')由外部电路132通 电的时候(示出为断开的；例如输送24V直流电的电路)，该磁性材料被棘轮螺线管吸引。 通过一对相对的引导棒134而相对于轴壳体110引导制动器124的运动，所述引导棒在各 自的狭槽136(在附图中仅示出了每个中的一个)中行进。 正如通过参阅对比图3A和3B所能了解的，制动器124被制动器弹簧130朝着轴 108偏置，从而这种偏置将制动器推向对准的狭槽122，于是，轴相对于轴壳体110被锁定在 合适位置。然而，当棘轮螺线管128通电的时候，磁场拉动制动器124，从而克服制动器弹 簧130的偏置，使制动器脱离狭槽122并滑入引导孔126中，从而解除对轴的锁定，进而使 轴能够不受棘轮机构120干扰地自由滑动。棘轮螺线管和制动器弹簧可以共同地看作制动 器移动结构120'的一个示例。 现在开始简要描述图2C，其中示出了棘轮E0A工具100、100b，其中的部件与图2A 和2B中的相同，但是，夹具104现在采用电磁体106b的形式，该电磁体的线圈能够通过外 部电路116b选择性地通电。应当理解的是，棘轮EOA工具IOO可以与任意适合的夹具一起 操作。 现在参阅图4A至5，将描述棘轮E0A工具100的操作的一个示例，仅仅为了说明而 使用图2A和2B中的棘轮EOA工具100a。 在棘轮E0A工具100a处于它的标称结构(即轴的远端(夹具位置)通过轴弹簧的 偏置作用而定位在它离轴壳体最远的位置处)并且棘轮机构120脱开接合(意味着棘轮螺 线管128通电并拉动制动器124，以使它保持不受轴108的狭槽122的干扰，参照图3A)的 情况下，与棘轮EOA工具连接的机器人140依照中央处理器(CPU) 142的程序中的指令并响 应于传感器144的输入而操控夹具106以使其接近任意形状的有效载荷146 (见图4A)。在 夹具与有效载荷之间选择性地形成足量的挤压接触时-此时轴弹簧112被压縮并且轴108 相对于轴壳体110 (见图4B)滑动，棘轮机构120通过棘轮螺线管128的断电和制动器弹簧 130的偏置作用而被接合，该制动器弹簧迫使制动器124朝着轴108偏置并进入对准的狭槽 122中，参照图3B，于是，此时即便轴弹簧112被压縮并且在轴上施加偏置作用，轴相对于轴壳体的位置也是锁定的(见图4C)。通过例如与吸盘连通的真空源的夹具致动器148来驱 动夹具，从而夹持有效载荷，于是根据CPU的决定，机器人移动该有效载荷。在有效载荷的 机器人移动结束时，通过CPU给夹具致动器的命令使夹具的驱动被解除，棘轮机构120通过 对棘轮螺线管通电而再次脱开接合，并且轴弹簧使棘轮EOA工具回复至它的标称结构，以 准备由CPU分配的下次机器人任务。 现在参阅图6至6C，将讨论棘轮EOA工具100在工具群组件200中的执行。
工具固定装置202构造为用于保持多个棘轮EOA工具100。仅仅是举例，图6示出 了采用三个棘轮EOA工具100的形式的工具群组件200，但是，此处也可以为任意数量，排列 形式也可以采用一维(即沿着一个轴排列)、二维(即设置在绕平面内的两个轴线上的位 置处)或者三维(即位于分布在空间体积内的三个轴线上的任意位置处)。在图6的示例 中，工具固定装置连接至机器人手臂152的腕关节150。 图6A至6C示出了根据本发明的工具群200的多种应用，其中，这些应用仅仅旨在 为了说明，而并不意味着构成任何限制。 在图6A中，有效载荷146a具有不规则的直线形状，其中，夹具必须与在空间上偏 移的表面146a'、146a"、146a"'通过界面连接。在该应用中，每个棘轮E0A工具100都采用 它们各自的水准补偿器(即图2A中所示的102)和棘轮机构(即图2A中所示的120)来适 应有效载荷。 在图6B中，有效载荷146b也具有不规则形状，其中，夹具必须与倾斜表面146b'
通过界面连接。在该应用中，每个棘轮EOA工具100都采用它们各自的水准补偿器(即图
2A中所示的102)和棘轮机构(即图2A中所示的120)来适应有效载荷。 在图6C中，有效载荷146c也具有不规则形状，其中，夹具必须与曲线表面146c'
通过界面连接。在该应用中，每个棘轮EOA工具100都采用它们各自的水准补偿器(即图
2A中所示的102)和棘轮机构(即图2A中所示的120)来适应有效载荷。 对于本领域技术人员来说，上述优选实施方式可以进行改型和变型。这些改型和
变型可在不脱离本发明的范围的情况下做出，本发明的范围旨在仅由所附权利要求的范围
来限定。
权利要求
一种用于机器人手臂的棘轮臂端工具，包括水准补偿器，该水准补偿器包括壳体；以可滑动方式安装至所述壳体的轴；安装至所述轴的远端的夹具；轴弹簧，其相对于所述壳体偏置所述轴，使得所述轴的所述远端沿着远离所述壳体的方向被偏置；和棘轮机构，该棘轮机构包括具有形成在其中的多个狭槽的所述轴；制动器；和制动器移动结构，该制动器移动结构选择性地将所述制动器定位在所述多个狭槽中的一个狭槽内，以便相对于所述壳体锁定所述轴的位置。
2. 如权利要求1所述的棘轮臂端工具，其中，所述制动器移动结构包括 由磁性材料制成的所述制动器； 朝着所述轴偏置所述制动器的制动器弹簧；禾口螺线管，在通电时该螺线管在克服所述制动器弹簧的偏置作用的情况下以磁力方式拉 动所述制动器离开所述轴。
3. 如权利要求2所述的棘轮臂端工具，其中，所述夹具适于夹持有效载荷；所述棘轮臂 端工具还包括选择性地驱动所述夹具对所述有效载荷的夹持的夹具致动器。
4. 一种用于机器人手臂的工具群组件，包括 适于连接至机器人手臂的工具固定装置；连接至所述工具固定装置的多个棘轮臂端工具，每个棘轮臂端工具包括水准补偿器，该水准补偿器包括壳体；以可滑动方式安装至所述壳体的轴； 安装至所述轴的远端的夹具；轴弹簧，其相对于所述壳体偏置所述轴，使得所述轴的所述远端沿着远离所述壳体的 方向被偏置； 禾口棘轮机构，该棘轮机构包括 具有形成在其中的多个狭槽的所述轴； 制动器；和制动器移动结构，该制动器移动结构选择性地将所述制动器定位在所述多个狭槽中的 一个狭槽内，以便相对于所述壳体锁定所述轴的位置。
5. 如权利要求4所述的工具群组件，其中，所述制动器移动结构包括 由磁性材料制成的所述制动器； 朝着所述轴偏置所述制动器的制动器弹簧；禾口螺线管，在通电时该螺线管在克服所述制动器弹簧的偏置作用的情况下以磁力方式拉动所述制动器离开所述轴。
6. 如权利要求5所述的工具群组件，其中，所述夹具适于夹持有效载荷；所述工具群组 件还包括选择性地驱动所述夹具对所述有效载荷的夹持的夹具致动器。
7. —种操作机器人手臂的臂端工具的方法，包括如下步骤 将夹具连接至轴；将所述轴以可滑动方式连接至机器人手臂； 偏置所述轴；操控夹具以使其接触有效载荷；沿着与所述轴的偏置相反的方向、在抵靠所述有效载荷的情况下挤压所述夹具； 锁定所述轴相对于所述连接的移动位置；禾口 用所述夹具来夹持所述有效载荷。
8. 如权利要求7所述的方法，还包括通过所述机器人手臂的移动来移动所述有效载荷。
9. 如权利要求8所述的方法，在所述移动步骤之后还包括 解除对所述轴相对于所述连接的移动位置的锁定；禾口 使所述夹具松开对所述有效载荷的夹持。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，通过多个夹具来夹持和松开所述有效载荷，其中， 相对于所述多个夹具中的每个夹具独立执行所述锁定和解除锁定的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于机器人臂端工具的棘轮水准补偿器。一种棘轮臂端(EOA)工具具有弹簧加载式水准补偿器、安装在远端的夹具和棘轮机构。在操作中，在夹具和有效载荷之间选择性地形成足量的接触时，棘轮机构被接合，该棘轮机构在独立于弹簧偏置的情况下相对于机器人手臂将夹具保持在固定位置。在有效载荷的机器人移动结束时，解除对夹具的驱动，使棘轮机构脱开接合，并且弹簧使棘轮EOA工具回复至它的标称结构。
文档编号B25J19/00GK101722518SQ20091020733
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月26日 优先权日2008年10月24日
发明者L·T·兰索姆 申请人:通用汽车环球科技运作公司