CN102348542A - 用于操纵器的工具安装装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预期与操纵器相连接的工具安装装置(10，130)，其包括底座单元(12)和至少两个各具有第一端部和第二端部的操纵器模块(20，40，94，96)。在各个操纵器模块(20，40，94，96)的两端部之间设有至少一个运动自由度(32，68，108)，其中，第一端部与底座单元(12)相连接，并且在第二端部处设有工具接口(22，44)。工具接口(22，44)可彼此独立地相对于底座单元(12)而运动。至少一个操纵器模块(20，40，94，96)可在其第一端部上相对于底座单元(12)而线性运动(34，86，88，106)。

Description

用于操纵器的工具安装装置

技术领域

本发明涉及一种预期与操纵器(manipulator)相连接的工具安装装置(tooling device)，其包括底座单元和至少两个各带有第一端部和第二端部的操纵器模块，其中，在各个操纵器模块的两个端部之间(inbetween)提供了至少一个运动自由度，其中，第一端部与底座单元相连接，其中，工具接口(tool interface)设于第二端部处，并且其中，工具接口可彼此相对独立地相对于底座单元而运动。

背景技术

已知的是，工业生产过程，例如在汽车工业中，通常基于广泛范围的不同形状类型的工件，其必须安装在一起。由于日益增加的最终产品的多样性，待安装在一起的工件也具有日益增加的多样性的特征。

对于标准化生产过程(例如从堆叠(staple)中抓取用于汽车的平台(platform)并使其运动到装配区域)，工业生产通常通过利用工业机器人来实现。工业机器人是带有例如5至7个运动自由度的操纵器，其能够在其工作范围内执行可程序化的运动，该范围包围了例如所属的旋转底座周围3m的半径。

那些工业机器人或其它操纵器需要安装在其上的工具安装装置，以用于牢固地抓取工件。为了操控(handle)高的多样性的不同形状类型的工件-例如用于汽车的平台-要么可利用专用的抓取工具操控各种类型的工件，或者尽可能灵活地设计工具安装装置。随之减少了用于改变操纵工具所需要的努力。

文件EP1839820B1公开了一种用于操控工件的操纵装置，其被预期安装在机器人上。该装置包括若干个操作模块，这些操作模块在其一侧上固定地安装在相同的承载单元上，并且在其另一侧上提供了用于抓取工具的安装接口。为了增加这种操纵装置的灵活性，预期各个安装接口可在所属的工作模块的工作范围内彼此独立地运动。

在现有技术中不利的是操作模块的工作范围不重叠，使得在这种操纵装置的灵活性方面仍然存在极大的限制。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种具有增加的灵活性的工具安装装置。

这个问题通过前述类型的工具安装装置来解决。因而这种工具安装装置其特征在于，至少一个操纵器模块可在其第一端部上相对于底座单元进行线性运动。

因此可以有利的方式扩大操纵器模块的工作范围，例如沿着工具安装装置的底座单元的整个纵向长度。词语“线性运动”包括沿着任何路径的任何运动，但该路径优选是直的。因为在使操纵器模块本身运动时提供了一个额外的运动自由度，所以可能将操纵器模块的运动自由度减少一个，从而使其结构需要较少的努力。操纵器模块优选提供一个运动自由度，使得带有工具接口的第二端部可沿着圆形路径围绕操纵器模块第一端部而运动。

当然也可设想带有不止一个运动自由度的其它操纵器模块结构。各个操纵器模块的六个运动自由度将例如在其线性延长的工作范围内在各个定向上提供达到各个点的可能性，即使工具安装装置本身不运动。

还考虑到优选附接在工具接口上的抓取工具的可能的运动自由度，所需要的操纵器模块运动自由度数还可减少，其中最小为一。

与工具安装装置相连接的操纵器的运动自由度对于操纵模块所需要的运动自由度数也具有影响。

在本发明的一个优选实施例中，设有促动器以用于使操纵器模块线性运动和/或用于驱动其至少一个运动自由度。这种促动器可为例如电动马达或气动或液压驱动器。当然工具安装装置可包括不同类型的促动器。

在本发明的另一优选实施例中，至少一个促动器可与所属操纵器模块一起相对于底座单元而线性运动。优选地，这种促动器预期驱动这种操纵器模块的至少一个运动自由度，其一起运动。随之减少了用于机械地将作用力从促动器传递至待被驱动的所属操纵器模块上的努力。在例如电动马达的情况下，缆线被引导至可运动的操纵器模块的促动器上。

在本发明的又一优选变型方案中，至少一个操纵器模块可在滑板(skid)上沿着导轨而运动，导轨可被假定为是底座单元的一部分。滑板本身可包括某些用于改善相对于导轨的运动的滚子或浮动轴承，其可能被假定为是底座单元的附接部分。依赖于操纵器模块的结构，滑板可为是操纵器模块本身的一部分。

根据本发明的另一实施例，至少两个操纵器模块安装在相同导轨上的可彼此独立地运动的分开的滑板上。因而与相同导轨相关的那些操纵器模块的工作范围可在广泛的区域中重叠，从而再一次增加工具安装装置的灵活性。例如可能的是使所有那些操纵器模块运动至导轨相同的端部或相对的端部。

在本发明的另一变型方案中，至少两个操纵器模块机械地联接，并且由公共促动器沿着公共导轨驱动该至少两个操纵器模块。这可通过将至少两个分开的滑板机械地联接起来而实现，但还可设想将两个独立的操纵器模块安装在相同的滑板上。依赖于有待操控的工件的形状类型，这将减少用于工具安装装置的努力。

根据本发明的另一方面，至少一个促动器利用联轴器(shaft joint)而与主轴驱动器相联接。这是一种将例如电动马达的旋转运动转变为线性运动的有利方法，这可能是例如使操纵器模块沿着导轨进行线性运动所需要的。

基于本发明的另一实施例，操纵器模块的至少一个运动自由度通过采用平行四边形形状的可倾斜的桁架结构来实现，桁架结构直接或间接地连接在滑板上。利用这种平行的桁架结构，操纵器模块的工具接口可沿着圆形路径围绕着所属滑板而运动。滑板相对于工具接口的定向将始终是相同的。

为了增加这种操纵器模块的刚性，还可能的是，在各个操纵器模块中预期至少两个采用平行四边形形状的可倾斜的桁架结构，其机械连接。

还考虑到操纵器模块沿着导轨的线性运动，可能的是，在所属操纵器模块的工作范围内使工具接口在虚拟平面上的任何XY位置中运动。抓取工具优选安装在工具接口上，而抓取工具本身在相对虚拟平面的垂直方向上提供了至少一个额外的运动自由度。所以抓取工具顶端在XYZ方向上是可调整的。还可设想其它运动机构，例如三个线性运动自由度的正交重叠。

根据本发明的一个变型方案，预期至少两个平行的导轨，其带有至少一个可彼此独立地运动安装的滑板，其中两个导轨至少沿着其纵向伸延的一部分重叠。所以例如可能的是，将两个平行的导轨布置在相反的定向上。随之工具安装装置的工作范围和灵活性将再一次增加。

根据本发明的另一实施例，预期至少两个平行导轨，其带有至少一个公共的可运动的安装的滑板，其中两个导轨至少沿着其纵向伸延的一部分而重叠。公共滑板可沿着导轨的重叠部分而运动。这对于例如增加工具安装装置的机械稳定性是有用的，使得更大的作用力可通过所属操纵器模块而施加在待操控的工件上。

在本发明的另一实施例中，分别带有至少一个可运动的安装的滑板的至少两个导轨安置(nest)在公共导轨周围，并且那些滑板的至少一个额外地可运动地安装在公共导轨上，其中滑板的工作范围优选重叠。所以通过由带有增加刚性的标准化的促动器模块制成的灵活工具安装可操控各种高度复杂的工件。

根据本发明的另一变型方案，至少两个滑板或已经联接的滑板联接在一起，并且滑板的这种联接组件通过一个公共促动器沿着所属导轨被驱动。所需要的促动器的数量再一次以有利的方式得以减少，但这种灵活性的减少必须与待抓取的物体形状相一致。

在本发明的某一实施例中，可运动的安装的滑板在导轨上的实际位置和/或操纵器模块的位置和/或工具接口的位置可由传感器装置确定。随之简化了工具安装装置或其相应的操纵器模块的运动控制。传感器可为例如用于步进马达的脉冲计数器，步进马达用作促动器。但滑线电阻或光传感器也是合适的传感器。

根据本发明的工具安装装置优选安装在工业机器人上。工业机器人是带有例如六个运动自由度的操纵器。所以整个工具安装装置可通过工业机器人而在其工作范围内，例如在围绕其底座3m的半径内在任何定向上。工具安装装置总的三个运动自由度对于带有机器人和工具安装装置的系统的高灵活性是足够的，工具安装装置包括安装在其上的抓取工具。在这种情况下，总共提供了九个运动自由度。

在本发明的某一实施例中，机器人的运动和工具安装装置的运动由相同的控制装置进行控制。这还可包括抓取工具的运动，抓取工具可连接在工具接口上，并且可提供自身促动器的驱动运动自由度。整个系统的全部运动的协调因而更为容易。

该问题还通过一种用于利用根据本发明的工具安装装置来抓取工件的方法来解决，其中，操纵器模块在运动至最终抓取位置之前被预定位在预倾斜的位置中。预定位可优选在机器人或其它操纵器以抓取工件的方向使空的工具安装装置运动的同时来实现。当工具安装装置本身相对于工件处于其最终位置时，操纵器模块所需要的运动是相当低的，从而提高抓取过程的速度。预倾斜位置应经过选择，使得带有处于预倾斜位置中的操纵器模块的工具安装装置可刚好在待抓取的工件上运动，而没有任何冲突。

在从属权利要求中提到了本发明其它有利的实施例。

附图说明

现在将通过典型的实施例并参照附图进一步解释本发明，其中：

图1显示了第一工具安装装置的顶视图，

图2以3D视图显示了操纵器模块，

图3以3D视图显示了典型的带有滑板(skid)的第一导轨，

图4以3D视图显示了典型的带有可运动的操纵器模块的第二导轨，

图5以顶视图显示了典型的带有处于不同的位置中的可运动的操纵器的第三导轨，以及

图6以顶视图显示了示意性的第二工具安装装置。

具体实施方式

图1显示了第一工具安装装置10的顶视图。两个平行且相对的导轨16和18附接在底座单元12上，该底座单元12预期利用连接接口14而连接到工业机器人上。在各个导轨16，18上安装了两个可运动的操纵器模块24，其可沿着那些导轨线性运动，这种线性运动用带有标号34的箭头标出。促动器26附接在底座单元12上，以为各个操纵器模块20独立地驱动这种线性运动，其中，未显示的主轴驱动器预期为各个促动器26和各个操纵器模块20之间的运动传递接口。

各个操纵器模块20在其第一端部上包括可运动的平的(flat)滑板24，并且在第二端部上包括平的工具接口22，该工具接口22预期在其上附接抓取工具30。工具接口22可沿着圆形路径32围绕相关的滑板24而运动。因为操纵器模块20的运动自由度通过采用可倾斜的平行四边形形状的桁架结构来实现，所以显示了两个圆形路径32，其中工具接口22的相关的两个枢轴(pivot)可在圆形路径上运动，所以工具接口始终平行于所属的滑板24。

各个工具接口22的这种圆周运动32由促动器28驱动，在本例中，促动器为电动马达。抓取工具30优选提供至少一个运动自由度，在本例中在相比于圆周运动32的旋转轴线方向相同方向上。所以当还包括操纵器模块20本身的线性运动时，可将工具接口22定位在平的虚拟运动平面内的任何坐标中，并调整垂直于该平面的抓取工具30的顶端。

图2以3D视图显示了操纵器模块40。在平的滑板42上以可围绕轴承62和64枢转的方式安装了两个平行桁架46，48，滑板包括某些未显示的滑动轴承以用于可运动地连接至未显示的导轨上。在桁架46和48的相对侧上，平的连接接口44与两个轴承58，60相连接，连接接口44非常类似于图1中的工具接口22。平行四边形形状的桁架结构可围绕所属的轴承60，62，64，66而倾斜，如箭头68所示。

倾斜运动由促动器50(在本例中为电动马达)所驱动，该促动器50安装在桁架结构的杠杆桁架66上。用于促动器50运动的传递接口是主轴驱动器52，其一端部与滑板42上的联轴器56相连接。促动器50和主轴驱动器52的机械连接利用联接模块54来实现，该联接模块54包括不可见的传动带。

图3以3D视图70显示了带有滑板74，76的典型的第一导轨72。导轨72包括两个分开的导槽，以用于连接到可线性运动的滑板74，76上。第一滑板74由促动器78驱动，并且第二滑板76可由促动器80独立地驱动，促动器80的旋转运动利用传动带82而传递至主轴驱动器84上。主轴驱动器84只有一端部是可见的，而主轴本身以不可见的方式延伸至导轨72的另一侧。包围主轴横截面且附接在第二滑板76上的不可见的形状锁定螺纹将主轴的旋转运动转换成滑板76的线性运动。所以使两个滑板74，76彼此独立地如箭头86和88所示沿着导轨72运动是可能的。滑板74和76大体上与如图2中所示的操纵器模块40的滑板42相对应。

图4以3D视图90显示了典型的带有两个可运动的操纵器模块94和96的第二导轨92。这可假定为图3中所示的导轨70、两个根据图2安装在其上的操纵器模块40和两个安装在所属的操纵器模块94和96上的抓取工具98和100的组合。

抓取工具98与抓取工具100是相同的，抓取工具98包括相对于操纵器模块94的连接接口的配对接口。抓取工具98包括用于在箭头110的方向上驱动抓取顶端102上下运动的促动器。抓取顶端102可能是圆形棒的锥形端部，但还可设想其是吸盘或带有额外促动器的抓取装置。所以确保了利用工具安装装置及其附接的抓取工具可牢固地操控工件(例如用于汽车的平台)。当然还可设想抓取工具98提供不止这种单一的上/下运动自由度。

箭头108指示了由于操纵器模块94的倾斜运动而引起的操纵器模块94的运动自由度，并且箭头106指示了由于沿着导轨92的线性运动而引起的运动自由度。与由于抓取顶端102的上下运动而引起的运动自由度110一起，为抓取顶端102提供了总共三个运动自由度，而抓取顶端104当然是类似的。

图5以顶视图120显示了典型的带有两个处于不同的位置中的可运动的操纵器的第三导轨。这种布置与图4中所示的布置是类似的。那些若干个位置指示了根据本发明的工具安装装置的高灵活性和重叠的工作范围。

在第一位置122中，两个操纵器模块以不同的倾斜度定位在导轨的相对侧上。在第二位置124中，两个操纵器模块运动至导轨的一侧上，而它们具有相同的倾斜度。在第三位置126中，两个操纵器模块以不同的倾斜度运动至相对侧上。

图6以顶视图显示了示意性的第二工具安装装置。该工具安装装置包括五个平行的导轨132，134，136，138，140。中心导轨132在第三工具安装装置的整个长度上延伸，而两个外部导轨134，136成一行地布置在中心导轨132的第一侧上，并且另外两个外部导轨138，140成一行地布置在中心导轨132的相反侧上。所有外部导轨都设有一个促动器15a-d，其各用于安装在其上的所属滑板的线性运动。还可设想，例如还可机械地联接滑板148和滑板152并且通过公共促动器156a驱动滑板148和滑板152，而在这种情况下，促动器156c将不存在。

联接的滑板148可运动地安装在第一外部导轨134上，并且还安装在中心导轨132上。由于安装在两个平行的导轨上，从而增加了所引导的滑板148的机械稳定性，并且利用一个或多个未显示的操纵装置可施加更高的机械力。联接的滑板148包括两个分开的滑板142和144，其机械地联接在联接装置146上，联接装置146在最简易的情况下可能是螺钉。

在这个示例中，只有分开的滑板142由集成在第一导轨134中的不可见的主轴驱动器所驱动。第二分开的滑板144不会由专用的驱动器主动地驱动，但其会由于与另一分开的滑板142的联接而被驱动。中心导轨132也不包括用于任何可运动地安装在其上的滑板的任何驱动器。这种格局的优势是例如可利用公共驱动器使安装在联接的滑板上的两个独立作用的操纵器模块沿着相同导轨134运动。这的确造成了第二工具安装装置130的灵活性的某些损失。然而还可设想待操控的某些类型的工件，对于那些工件，这种格局并不意味着灵活性的损失。

还有三个其它类似的联接的滑板150，152，154，其也分别安装在专用的外部导轨136，138，140上，并且其都安装在相同的中心导轨132上。

由于一侧上的相对外部导轨134，136与相反侧上的外部导轨138，140的纵向伸延的偏移原因，原则上可能的是，各个联接的滑板可沿着其专用的外部导轨的整个纵向长度而运动。由于中心导轨132上所有联接的滑板的公共导向，必须观测某些限制。

参考标号列表

10第一工具安装装置

12底座单元

14至操纵器的连接接口

16第一工具安装装置的第一导轨

18第一工具安装装置的第二导轨

20第一工具安装装置的操纵器模块

22操纵器模块的工具接口

24第一操纵器模块的可运动的滑板

26第一工具安装装置的第一促动器

28第一工具安装装置的第二促动器

30第一工具安装装置的工具

32第一抓取工具的操纵器装置的运动范围

34操纵器模块的运动方向

40操纵器模块

42操纵器模块的滑板

44操纵器模块的连接接口

46操纵器模块的第一桁架

48操纵器模块的第二桁架

50操纵器模块的促动器

52主轴驱动器

54联接模块

56联轴器

58第一轴承

60第二轴承

62第三轴承

64第四轴承

66杠杆桁架

68旋转方向

70典型的带滑板的第一导轨

72第一导轨

74第一导轨上的第一滑板

76第一导轨上的第二滑板

78用于第一导轨上的第一滑板的促动器

80用于的第一导轨上的第二滑板的促动器

82传动带

84用于第二滑板的主轴驱动器

86第一导轨上的第一滑板的运动方向

88第一导轨上的第二滑板的运动方向

90典型的带有可运动的操纵器模块的第二导轨

92第二导轨

94第二导轨上的第一操纵器模块

96第二导轨上的第二操纵器模块

98安装在第一操纵器模块的第二端部上的第一工具

100安装在第二操纵器模块的第二端部上的第二工具

102第一工具的抓取顶端

104第二工具的抓取顶端

106第二导轨上的第一操纵器模块的运动方向

108由第一操纵器模块提供的旋转运动

110由第一工具提供的上下运动方向

120典型的带有可运动的操纵器模块的第三导轨

122，124，126不同状态

130第二工具安装装置

132中心导轨

134第二工具安装装置的第一导轨

136第二工具安装装置的第二导轨

138第二工具安装装置的第一导轨

140第二工具安装装置的第四导轨

142第三工具安装装置上的第一滑板

144第三工具安装装置上的第二滑板

146用于滑板的联接装置

148第一联接的滑板

150第二联接的滑板

152第三联接的滑板

154第四联接的滑板

156a-d用于线性运动的促动器

Claims (17)

1.一种预期与操纵器相连接的工具安装装置(10，130)，该工具安装装置(10，130)包括底座单元(12)和至少两个各带有第一端部和第二端部的操纵器模块(20，40，94，96)，其中，在各个操纵器模块(20，40，94，96)的两端部之间提供了至少一个运动自由度(32，68，108)，其中，所述第一端部与所述底座单元(12)相连接，其中，在所述第二端部处设有工具接口(22，44)，其中，所述工具接口(22，44)可彼此独立地相对于所述底座单元(12)而运动，其特征在于，至少一个操纵器模块(20，40，94，96)可在其第一端部上相对于所述底座单元(12)进行线行运动(34，86，88，106)。

2.根据权利要求1所述的工具安装装置，其特征在于，设有促动器(26，28，50，78，80)以用于所述操纵器模块(20，40，94，96)的线性运动(86，88，106)和/或用于驱动其至少一个运动自由度(32，68，108)。

3.根据权利要求1或2所述的工具安装装置，其特征在于，至少一个促动器(28，50)可相对于所述底座单元(12)而与所属的所述操纵器模块(20，40，94，96)一起线性运动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，至少一个操纵器模块(20，40，94，96)可在滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)上沿着导轨(16，18，72，92，132，134，136，138，140)而运动，所述导轨是所述底座单元(12)的一部分。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，至少两个操纵器模块(20，40，94，96)可在分开的或联接的滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)上彼此独立地运动，所述滑板各自位于相同的导轨(16，18，72，92，132，134，136，138，140)上。

6.根据权利要求5所述的工具安装装置，其特征在于，所述至少两个操纵器模块(20，40，94，96)进行机械地联接(146)，并通过公共促动器(26，78，80)沿着公共导轨(16，18，72，92，132，134，136，138，140)驱动所述至少两个操纵器模块(20，40，94，96)。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，至少一个促动器(26，28，78，80)利用联轴器与主轴驱动器(52，84)相联接。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，操纵器模块(20，40，94，96)的所述至少一个运动自由度(32，68，108)通过采用平行四边形形状的可倾斜的桁架结构(46，48)来实现，所述桁架结构(46，48)直接或间接地连接在所述滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)上。

9.根据权利要求8所述的工具安装装置，其特征在于，在操纵器模块(20，40，94，96)中预期至少两个采用平行四边形形状的可倾斜的桁架结构(46，48)，所述桁架结构(46，48)机械连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，预期分别带有至少一个相关的滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)的至少两个平行的导轨(14，16，132，134，136，138，140)，所述滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)可彼此独立地运动，其中，所述两个导轨至少沿着其纵向伸延的一部分而重叠。

11.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，预期带有至少一个公共的可运动的安装的滑板(142，144，148，150，152，154)的至少两个平行的导轨(14，16，132，134，136，138，140)，其中，所述两个导轨至少沿着其纵向伸延一部分而重叠。

12.根据权利要求11所述的工具安装装置，其特征在于，各带有至少一个可运动的安装的滑板(148，150，152，154)的至少两个导轨(134，136，138，140)安置在公共导轨(132)周围，并且至少一个滑板(148，150，152，154)可额外运动地安装在所述公共导轨(132)上。

13.根据权利要求12所述的工具安装装置，其特征在于，至少两个滑板(142，144)或已经联接的滑板(148，150，152，154)被联接在一起，并且滑板这种联接组件由一个公共促动器沿着所述所属导轨被驱动。

14.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，可运动的安装的滑板(24，42，74，76，142，144，148，150，152，154)在所述导轨(16，18，72，92，132，134，136，138，140)上的实际位置和/或操纵器模块(20，40，94，96)的位置和/或工具接口(22，44)的位置可由传感器装置来确定。

15.根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，其特征在于，所述工具安装装置安装在机器人上。

16.根据权利要求12所述的工具安装装置，其特征在于，所述机器人的运动和所述工具安装装置的运动由相同的控制装置进行控制。

17.一种用于抓取工件的方法，其特征在于，使用根据前述权利要求中任一项所述的工具安装装置，并且所述操纵器模块在运动至最终抓取位置之前被预定位在预倾斜的位置中。

Images