具有被动顺应性的机器人工具保持器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年5月14日提交的美国专利申请15/931,677和2019年5月27日提交的美国临时申请62/853,146的权益，并且通过引用将其全部内容合并于此。

本发明总体上涉及机器人技术，并且具体地涉及表现出被动顺应性的机器人工具保持组件。

背景技术：

工业机器人已成为现代制造业不可缺少的一部分。机器人在恶劣的环境中不知疲倦地执行许多制造任务，并且具有高精度和可重复性。

在许多制造工艺中，零件的基本尺寸形状通过机加工、铸造、锻造、模制或类似工艺来实现。这些工艺足以满足尺寸规格，但零件需要额外的加工以实现所需的表面光洁度。例如，机加工零件可能需要去除残留标记和凹坑(scallops)。作为另一示例，注射成型、铸造或锻造的零件可能具有必须移除的毛边、浇口和/或分型线。通常使用机器人精加工工具来实现这些精加工操作。

在许多应用中，将机器人精加工工具直接安装到机器人臂(或经由中间部件，例如力/扭矩传感器)不能实现可接受的精加工结果。机器人被编程为利用工具和工件之间的预定力将精加工工具(例如研磨机、砂磨机、去毛刺工具等)施加到工件的特定区域或边缘。所施加的力例如由力/扭矩传感器感测，并反馈到机器人控制器。机器人控制器监测所感测的力，并将其与期望的力进行比较。例如由于工件表面的不规则性，总是存在一些误差。然后，机器人控制器调节机器人臂位置，试图使期望值和感测值之间的力/扭矩误差为零。然而，机器人臂的刚度及其定位的粒度使得难以或不可能实现实时力调节。

因此，顺应性机器人精加工工具保持机构在本领域中是已知的。顺应性工具保持机构是介于机器人臂和精加工工具(砂磨机、研磨机等)之间的组件，其允许工具相对于机器人臂的一些顺应性(compliance)或运动，也称为“给予”或“松弛”。使用顺应性的保持机构，机器人精加工工具可以在工件表面上“滑动”，当其遇到表面中的“隆起”时(朝向机器人臂)略微缩回，并且当其遇到“凹陷”时略微伸出(远离机器人臂)，结果是在整个机器人轨道上向工件表面施加一致的力，或者在工件表面上施加编程的运动。

具有提供偏置力的弹簧的简单顺应性机构(例如轨道安装件、伸缩结构等)对于机器人臂保持与工件的一致关系的简单操作可能是足够的。例如，在仅工件的上表面需要精加工的操作中，机器人臂可以直接定位在工件上方，并且当精加工工具在工件表面上横向移动时，调节顺应力以提供期望的力，从而通过顺应性机构的顺应性运动解决表面不规则性。

然而，在复杂的几何形状中，其中必须精加工工件的弯曲表面或侧面/边缘/底部，机器人臂和所附工具的空间取向在精加工操作期间发生改变。在这种情况下，工具本身的重量(或工具重量的某些分量，取决于相对于垂直方向的角度)增加或减少施加到工件上的力。因此，需要连续(或周期性地)可调节力控制系统，当机器人臂和工具改变空间取向时，使工具重量“归零”，以便将所施加的力维持在恒定的所需值。

另外，为了在各种精加工任务上分摊机器人、顺应性机构、力/扭矩传感器等的相当大的成本，能够利用具有各种机器人精加工工具的顺应性机构将是有利的。这样的工具通常可以具有广泛变化的尺寸和重量。

提供本文件的背景技术部分是为了将本发明的实施例置于技术和操作环境中，以帮助本领域技术人员理解其范围和效用。可以采用背景技术部分所述的方法，但不一定是以前想到或采用的方法。除非明确地如此标识，否则本文的任何陈述不能仅通过将其包括在背景技术部分中而被认为是现有技术。

技术实现要素：

为了向本领域技术人员提供基本理解，以下给出了本公开的简化概述。本发明内容不是本公开的广泛概述，并且不旨在标识本发明的实施例的关键/重要元素或者描述本发明的范围。本发明内容的唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序。

根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，用于诸如研磨机、砂磨机等的机器人精加工工具的顺应性机构使用一个或多个双作用气动活塞来实现被动力控制和顺应性。通过控制一个或多个双作用气动活塞的前部和后部的腔室中的气动压力来设定和保持期望的施加力。例如，响应于机器人臂和工具的空间取向的变化，动态地控制前室和后室中的压力，以保持由机器人精加工工具施加到工件的期望的力。对于给定的空间取向，外部调节器在保持器的整个顺应性运动范围内保持前腔室压力和后腔室压力。顺应性机构包括多个活塞孔；对于给定的操作，例如响应于精加工工具的重量，可以调节主动活塞的数量。两个或多个活塞孔的一侧或两侧通过气动歧管以气动流体流动关系连接。用于前侧和后侧中的每一个的单个气动流体端口向所有构造的活塞的相应腔室提供气动流体。未使用的活塞孔可用活塞塞密封，以隔离前室压力和后室压力。

一个实施例涉及顺应性机器人精加工工具保持机构。顺应性机器人精加工工具保持机构包括主壳体和可在主壳体内沿轴向方向在缩回位置和伸出位置之间移动的内壳体。一个或多个轴向对准的活塞孔形成在主壳体中。伸出供气口与所有活塞孔的后端形成气动流体流动关系，缩回供气口与所有活塞孔的前端形成气动流体流动关系。顺应性机器人精加工工具保持机构包括至少一个双作用气动活塞。每个活塞设置在活塞孔中，并且附着到内壳体。

另一实施例涉及被动地控制将机器人精加工工具压靠在工件上的顺应力的方法。顺应性机器人精加工工具保持机构插置在机器人臂和机器人精加工工具之间。顺应性机器人精加工工具保持机构具有内壳体，该内壳体在附着到内壳体的一个或多个双作用气动活塞的控制下能够在缩回位置和伸出位置之间在主壳体内沿轴向方向移动，并且具有分开的伸出供气口和缩回供气口。对于机器人精加工工具的每个空间取向，获得第一压力值和第二压力值。处于第一压力的气动流体被提供给伸出供气口，并且处于第二压力的气动流体被提供给缩回供气口。第一压力和第二压力的差控制活塞力。顺应力是活塞力和在该空间取向的机器人精加工工具的重量的轴向分量的函数。在每个空间取向上，当内壳体在主壳体内移动时，气动流体到伸出供气口和缩回供气口的供应被分别调节以分别保持第一和第二压力。

附图说明

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图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，提供这些实施例使得本公开变得彻底和完整，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。相同的附图标记在整个说明书中表示相同的元件。

图1a至图1c是力图，其示出了针对工具的不同空间取向平衡工具重量的变化的致动器力。

图2是顺应性机器人精加工工具保持机构的透视图。

图3a是处于伸出状态的顺应性机器人精加工工具保持机构的剖视图。

图3b是处于缩回状态的顺应性机器人精加工工具保持机构的剖视图。

图4a是工具重量分解矢量图。

图4b至图4d是顺应性机器人精加工工具保持机构在不同空间取向上的力图。

图5a是示出多个活塞孔的剖视图。

图5b是连接三个活塞孔的气动歧管的透视图。

图6是具有led输出编码表的可见电子板的视图。

图7是示出被动地控制将机器人精加工工具压向工件的顺应力的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

为了简单和说明性的目的，通过主要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，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本说明书中，没有详细描述公知的方法和结构，以免不必要地模糊本发明。

图1示出了改变机器人精加工工具的空间取向的效果。工具的重量w是一个常数。假定顺应力c也是恒定的，该顺应力c是工具施加到工件表面上的期望力(或者，该顺应力c与工件施加到工具上的力方向相反，大小相同)。然而，由顺应性保持机构致动器施加以实现恒定的期望介质力的力p根据工具的空间取向而变化。在图1a中，顺应运动的轴线是水平的，并且致动器力p等于沿相反方向作用的期望顺应力c；即，p＝c。在这种情况下，工具w的重量不影响致动器力p。在图1b中，机器人定位在工件表面上，并且致动器力p必须抵消大部分工具重量w以实现期望的顺应力c；在这种情况下，p＝w-c。在图1c中，机器人位于工件表面下方，并且致动器力p必须既支撑整个工具重量w又另外施加期望的顺应力c；或者，p＝w+c。通常，致动器力p必须随着工具的空间取向变化而变化，以保持恒定的顺应力c。

图2示出了根据本发明一个实施例的顺应性机器人精加工工具保持机构10的代表性透视图。保持机构10包括主壳体12，机器人接口板13附接到主壳体12的下表面，以便于将保持机构10附接到机器人臂(未示出)。保持机构10还包括内壳体14，该内壳体14在其上表面处具有工具接口板16。机器人精加工工具(未示出)永久地或可移除地附接到工具接口板16。在任一情况下，可以直接地或间接与插入的一个或多个其它部件(例如，力/扭矩传感器)进行附接。内壳体14可在主壳体12内以伸缩方式移动。在一个实施例中，如图2所示，内壳体14在完全缩回位置和完全伸出位置之间移动，在完全缩回位置，工具接口板16的上表面与主壳体12的上表面平齐，在完全伸出位置，工具接口板16的上表面从主壳体12的上表面伸出大约12mm伸出。

当机器人臂(并因此保持机构10和所附接的工具)改变空间取向时，通过向内壳体14施加可变力以抵消工具(w)的一些或全部重量来实现恒定的期望顺应力(c，也称为介质力)。根据本发明的实施例，该力由一个或多个双作用气动活塞提供，并且因此在本文中被称为活塞力(p)。图2示出了分别连接到一个或多个双作用活塞的后气室和前气室的伸出供气口18和缩回供气口20。如本文中所使用，术语“伸出”、“前”等指代远离机器人臂且朝向工件的方向；术语“缩回”、“后”等指代相反方向，即朝向机器人臂且远离工件。

图2还示出了净化空气供给口22。净化空气是相对低压的压缩空气的恒定流，其流入到保持机构10的内部，并且从多个开口和配件中流出。这产生了通过保持机构10的恒定的“净化”空气流，这在操作和致动期间阻碍了颗粒和碎屑(例如，来自砂磨或研磨的灰尘)的进入。

气动系统在机器人应用中是常见的。在所需的压力、温度、流速等下，通过基本设备可以可靠且廉价地供应大量的压缩空气。压缩空气不易燃、无毒，无震动危险，且不产生废品。另外，空气是可压缩流体。因此，气动活塞提供一定程度的自然顺应性，因为当力施加到其上时，其将稍微缩回。如本领域中已知的那样，双作用气动活塞是既具有后气动室又具有前气动室的活塞，每个气动室均设有单独调节的空气供应源。通过控制后腔室和前腔室中的空气压力，活塞可沿其行进轴线移动通过任何点。另外，可以通过改变后腔室和前腔室中的空气压力来控制顺应力。

图3a和图3b是示出顺应性保持机构10的工作的截面图。内壳体14在完全缩回位置和完全伸出位置之间横向移动，该完全缩回位置和完全伸出位置由连接到内壳体14并与连接到主壳体12的轨道26接合的滑架24引导。滑架24和轨道26沿着内壳体14的中心轴线的方向提供平滑、低摩擦的运动。内壳体14的位置及其顺应力的程度由一个或多个双作用气动活塞28控制。活塞28设置在活塞孔30内。活塞28比活塞孔30的长度短，限定了前气室32和后气室34。前气室32接收来自缩回供气口20的气动流体，后气室34接收来自伸出供气口18的单独调节的气动流体。活塞28和活塞孔30之间的密封件36，靠近活塞28的每个端部，密封前气室32和后气室34。

可在主壳体12中的孔30内移动的活塞28例如通过带肩螺栓38连接到内壳体14，并因此将由前气室32和后气室34中的空气压力产生的力传递到内壳体14，并由此传递到附接的工具。检修板(accessplate)40覆盖主壳体12中的开口，提供对带肩螺栓38的头部的检修。

图3a示出了顺应性机器人精加工工具保持机构10，其中内壳体14处于完全伸出状态。在本实施例中，工具接口板16从主壳体12的上表面伸出大约12mm。注意，后气室34被最大化，前气室32被最小化。相反，图3b示出了顺应性机器人精加工工具保持机构10，其中内壳体14处于完全缩回状态。工具接口板16与主壳体12的上表面齐平。注意，后气室34被最小化，前气室32被最大化。

为了控制施加到工件的顺应力，响应于机器人精加工工具保持机构10的空间取向，将气室32、34中的一个的空气压力设定为预定值，并且改变气室34、32中的另一个的空气压力，以保持工具压靠工件表面的恒定的期望顺应力。另外，对于机器人精加工工具保持机构10的给定空间取向，响应于内壳体14的顺应运动来调节两个气室32、34中的压力。

考虑顺应性机器人精加工工具保持机构10以恒定的期望顺应力将精加工工具(例如砂磨机)施加到工件的侧面。选择该空间取向是为了简化解释，因为工具的重量不需要补偿。对于该空间取向，前气室32的压力是被计算为略小于后气室34的压力的值，导致活塞的净前向压力(netforwardpressure)，从而提供期望的顺应力。当机器人使工具在工件表面上移动时，表面上的局部隆起向后压靠工具，导致内壳体14缩回到主壳体12内(这是“顺应”运动的本质)。在这种情况下，后气室34瞬时压缩，增加其空气压力，而前气室瞬时膨胀，降低其空气压力。在没有调节的情况下，这将增加顺应力，因为活塞28将由于更大的空气压力增量而被更强地向前驱动。为了防止这种情况，连接到伸出供气口18的外部压力调节器中的自调节阀快速地从后气室34排出少量空气，从而将空气压力恢复到计算值。同时，连接到回缩供气口20的单独的外部压力调节器中的自调节阀将更多的压缩空气喷射到前气室32中，从而将前气室压力恢复到先前的值。

类似地，当工作表面中的局部凹陷稍后导致内壳体14从主壳体12进一步伸出时，该过程反转、降低后气室34中的压力并增加前气室32中的压力。在这种情况下，外部压力调节器将一些空气从回缩供气口20排放到大气，并且增加到伸出供气口18的压力，再次恢复所确定的活塞压力的前后增量。这种独立的双气压调节恢复了施加到内壳体14上的适当的活塞力，该活塞力以期望的顺应力将工具压靠在工件上，而与工具遇到的工件上的表面特征无关。以这种方式，顺应性机器人精加工工具保持机构10提供恒定的顺应力，而与内壳体14沿着其在主壳体12内的运动范围的运动无关。

该力控制系统被认为是“被动的”，因为施加到工件上的实际顺应力不是在闭环控制系统(“主动”力控制的定义)中测量和调节的。然而，空气压力的“主动”控制经由外部压力调节器中的自调节阀来维持每个活塞28的后气室34和前气室32中的期望空气压力，从而提供优于现有技术的被动力控制装置的间接顺应性力调节。因此，根据本发明的实施例的顺应性机器人精加工工具保持机构10提供优良的被动顺应力调节，这对于不能证明真正的主动力控制装置的费用和复杂性的大类工件表面精加工操作是足够的。

图1的力向量仅示出三个空间取向：一个水平取向和两个垂直取向。然而，通常，机器人工具以及因此顺应性机器人精加工工具保持机构10可以呈现任何空间取向，并且工具的重量必须由顺应性机器人精加工工具保持机构10的活塞力抵消或支撑，同时保持工具压靠工件所需的顺应力。

图4a示出了处于任意空间取向的顺应性机器人精加工工具保持机构10。可以将表示所附接的工具(未示出)的重量的重量向量w分解为轴向分量wa和径向分量wr。径向分量wr被顺应性机器人精加工工具保持机构10吸收，并且不影响顺应力。轴向分量wa将根据工具的取向而变化。

图4b示出了从下方将工具应用到工件的下侧的情况。工具重量wa的轴向分量是整个工具重量，并且活塞力p必须足以支撑工具重量wa以及期望的恒定顺应力c。在该取向中，p＝wa+c。图4c示出了相反的情况，其中机器人定位在工件上方。这里再次地，整体工具重量为wa。在这种情况下，活塞力p必须抵消超过所需的恒定顺应力c的工具重量wa。在该取向上，p＝wa–c。最后，图4d示出了一个任意的、非垂直的、非水平的取向。在此，工具重量wa的轴向分量小于整体工具重量w。因此，需要较小的活塞力p来抵消超过期望的恒定顺应力c的工具重量wa。在所有图4b至图4d中，顺应力c是恒定的；工具重量wa的轴向分量根据工具取向而变化，并且活塞力p根据需要变化以将c保持在恒定值。对于任何给定的空间取向，计算所需的活塞力p，并且计算前气室32和后气室34中的相应的不同压力，并且将其分别传送到连接到回缩供气口20和伸出供气口18的外部压力调节器。当机器人工具以任何给定的空间取向在工件上操作时，当内壳体14响应于工件表面中的扰动而移动通过其顺应运动的范围时，顺应性机器人精加工工具保持机构10如上所述地操作以施加恒定的顺应力。

当机器人通过各种空间取向移动工具时，可以动态地计算实现恒定顺应力所需的活塞力p的值以及相应的前气室32和后气室34的压力。在一个实施例中，顺应性机器人精加工工具保持机构10包括一个或多个传感器，例如加速计，并且其在传感器输出改变时更新前气室32和后气室34的压力，从而指示工具空间取向的改变。在另一实施例中，可针对大量工具空间取向预先计算前气室32和后气室34的压力，并且在机器人移动工具时从存储器检索压力。在本实施例中，工具空间取向可例如由加速计感测，或可由机器人控制系统传达。在许多情况下，一个腔室压力可以保持恒定，而另一个腔室压力响应于工具空间取向而变化。例如，后气室34的压力可以设定，前气室32的压力可以变化，反之亦然。

为了在多个任务上分摊顺应性机器人精加工工具保持机构10的成本，可以想到，可以将任意数量的机器人精加工工具附接到工具接口板16。由于这些工具的重量可能变化很大，因此必须施加不同量的活塞力以抵消工具重量的轴向分量，从而提供抵靠工件表面的期望顺应力。根据一个实施例，如图5a和图5b所示，提供多个活塞孔30a、30b、30c，允许插入对应的多个活塞28a、28b、28c。在需要比活塞孔30a、30b、30c少的活塞28a、28b、28c的应用中，使用孔塞42来密封未使用的活塞孔30a、30b、30c。例如，在图5a和图5b中，仅部署一个活塞28b，设置在中心活塞孔30b中。使用孔塞42将活塞孔30a、30c密封。

为了简化气动流体的提供和调节，与所部署的活塞28的数量无关，所有活塞孔30a、30b、30c通过前后气动流体歧管44连接在一起，在一个实施例中，每个气动流体歧管包括在活塞孔30a和30b之间以及活塞孔30b和30c之间形成在主壳体12中的凹槽。由诸如o形环等可变形构件形成的密封件46将每个气动歧管44密封抵靠被附接到主壳体12的盖子48(参见图3a、图3b)。另外，在孔塞42的每个端部处的o形环43将前后气动歧管与空活塞孔30a、30c密封。缩回供气口20以气动流体流动关系(例如，通过形成在主壳体12中的适当孔50)与前室歧管44连接，并且将缩回空气均匀地供应到所有部署的活塞28的前气室32。类似地，伸出供气口18连接到后腔室歧管44，以相同的压力将空气供应到所有部署的活塞28的后空气腔室34。从概念上说，所有活塞28共用一个前气室32和后气室34。孔塞42将这些共用的前气室32和后气室34的容积限制到每个部署的活塞28上方的空间、未使用的活塞孔30的孔塞24与歧管盖48之间的空间以及歧管槽44的容积。

在一个实施例中，传感器跟踪内壳体14在主壳体12内的顺应运动。例如，磁体可以附着到内壳体14，并且安装在固定位置(例如附着到主壳体12的电路板上)的一个或多个霍尔效应传感器感测磁体的相对位置。在一些应用中，有利的是提供顺应性运动的程度的视觉指示，即，内壳体14是接近伸出还是完全伸出、部分伸出、中间伸出等等。

图6示出了顺应性机器人精加工工具保持机构10的视图，示出了窗口52，通过该窗口52可以看到电路板54。在一个实施例中，三个led56安装在电路板54上，并且通过窗口52可见。端部的两个led56是红色的，而中央的led56是绿色的。三个led56一起操作以提供内壳体14在主壳体12内的相对位置的视觉指示，如图6的表格所示。这种编码允许用户快速评估顺应性机器人精加工工具保持机构10的状态。只有绿色led指示在“安全”范围内操作，在任一方向上有大量的储备顺应性动作。红色和绿色led均亮起，表示在该范围的一端工作，例如，该机构在该方向上的顺应性行程不到30％。最后，红色仅指示机构10在一个方向上接近或处于其最大行程范围。所属领域的技术人员将容易认识到，图7中所示出的内壳体14位置的视觉指示仅为代表性的。可以采用任何颜色或物理布置的任何数量的led56，并且以任何方式编码顺应性机器人精加工工具保持机构10的状态，以提供顺应性机器人精加工工具保持机构10的状态的快速视觉指示。

图7示出被动地控制将机器人精加工工具压靠在工件上的顺应力的方法100中的步骤。顺应性机器人精加工工具保持机构10插置在机器人臂和机器人精加工工具之间(框102)。顺应性机器人精加工工具保持机构10具有内壳体14，该内壳体14在附着到内壳体14的一个或多个双作用气动活塞28的控制下能够在缩回位置和伸出位置之间在主壳体12内沿轴向方向移动，并且具有分开的伸出供气口18和缩回供气口20。对于机器人精加工工具的当前空间取向，获得第一压力值和第二压力值，并且以第一压力将气动流体提供给伸出供气口18，以第二压力将气动流体提供给缩回供气口20(框106)。第一压力和第二压力之差确定活塞力p，并且顺应力c是活塞力p和机器人精加工工具在该空间取向处的重量wa的轴向分量的函数。

当在给定空间取向时，调节气动流体向伸出供气口18的供应以维持第一压力(框108)，并且单独调节气动流体到缩回供气口20的供应以维持第二压力(框110)。只要机器人精加工工具保持在相同的空间取向，该调节(框108、110)就是连续和持续的。

当机器人将机器人精加工工具移动到不同的空间取向时，获得第一压力和第二压力的新值(框106)，其中新的第一压力值和第二压力值产生活塞力p，该活塞力p结合工具重量wa的轴向分量产生期望的顺应力c。在一个实施例中，当机器人移动机器人精加工工具通过不同的空间取向时，基于顺应性机器人精加工工具保持机构10中的传感器的输出来动态地计算第一压力值和第二压力值。在另一实施例中，计算多对第一和第二压力值，分别用于机器人精加工工具的不同空间取向，并将其与该空间取向相关联地存储。当机器人稍后使机器人精加工工具移动通过不同的空间取向时，检索并施加相关联的第一压力值和第二压力值。

本发明的实施例呈现优于现有技术的许多优点。顺应性机器人精加工工具保持机构采用被动顺应力控制(响应于顺应运动)来为广泛类别的机器人表面精加工操作提供优越的力控制。向双作用活塞的不同侧提供气动流体的自调节空气源在保持机构的整个顺应运动中保持施加到工件的恒定顺应力。活塞力响应于工具空间取向而调节，以平衡工具重量的轴向分量并实现恒定的顺应力。通过改变所部署的双作用活塞的数量，单个顺应性机器人精加工工具保持机构可与各种不同重量的工具一起使用。气动歧管连接多个活塞的前气室和后气室，并且孔塞隔离用于孔的歧管而不需要部署活塞。

如本文所使用的，术语“配置成”是指设置、组织、调整或布置成以特定方式操作，该术语是“设计成”的同义词。

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那些方式的其他方式来实施本发明。本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都应包含在其中。