CN102765091A - 与机器人臂一起使用的末端执行器所用的可重构工具模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与机器人臂一起使用的末端执行器所用的可重构工具模块。具体地，提供了一种用于末端执行器的可重构的工具模块包括附接至摆臂的可调节高度的壳体。可调节高度的壳体包括阀芯和终止于工件接合工具处的流动路径。阀芯被配置成当可调节高度的壳体处于第一位置时中断流动路径。阀芯还被配置成当可调节高度的壳体移离第一位置时打开流动路径。

Description

与机器人臂一起使用的末端执行器所用的可重构工具模块

技术领域

本发明涉及供机器人臂使用的末端执行器。

背景技术

在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

已知的末端执行器附接至机器人设备，以在制造过程期间操纵工件。末端执行器可利用工具模块抓取工件，将工件运输至新的位置，以及定向和释放工件。末端执行器优选可调节以允许与多重设计的工件一起使用，包括调节工具模块。已知通过手动调节末端执行器的工具模块来调节供多重设计的工件使用的末端执行器。已知的是，手动调节末端执行器器的工具模块非常费时，并且可能易于产生错误。具有末端执行器的机器人设备的应用可包括材料装卸、制造、包装和测试。

由末端执行器装卸的已知工件包括以三维形式成形并具有大的斜率和高程变化的零部件或片材金属板。但是，为自身适应工件的工具模块设计具有非常大的高度延伸和摆动角的末端执行器可能是不切实际的。

用于材料装卸（例如在冲压操作中对片材金属板的拾取和放置）的可重构末端执行器包括多个工具模块，所述工具模块具有例如真空杯之类的工件接合工具，所述工件接合工具可以被配置到末端执行器框架上的不同位置处，以便与具有变化的几何形状和尺寸的工件相互作用。由于工件的尺寸或几何形状的缘故，所以有些工具模块在与有些工件相互作用时可能不接合。冗余的工具模块可在可重构末端执行器上移动，以避免干涉。用于禁止到冗余工件接合工具的动力的已知方法和系统包括给工具中的每个工具配备单独可控的真空供应，但这增加了部件以及相关的控制系统。可替代地，冗余的工件结合工具可以被去除，但是这增加了安装时间。

发明内容

一种用于末端执行器的可重构的工具模块，其包括被附接至摆臂的可调节高度的壳体。可调节高度的壳体包括阀芯和终止于工件接合工具处的流动路径。阀芯被配置成当可调节高度的壳体处于第一位置时中断流动路径。阀芯被配置成当可调节高度的壳体移离第一位置时打开流动路径。

本发明还包括以下方案：

1. 一种用于末端执行器的可重构的工具模块，包括：

可调节高度的壳体，所述可调节高度的壳体附接至摆臂；

所述可调节高度的壳体包括阀芯和终止于工件接合工具处的流动路径；

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于第一位置时中断所述流动路径；以及

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时打开所述流动路径。

2. 根据方案1所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体以可滑动的方式附接至从所述摆臂伸出的导杆。

3. 根据方案2所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体还包括锁定机构，所述锁定机构被配置成与所述导杆相互作用，以相对于所述摆臂将所述工件接合工具紧固在预定高度处。

4. 根据方案1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成与从所述摆臂伸出的柱塞相互作用，以中断所述流动路径。

5. 根据方案1所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体经由旋转接头机构连接至所述工件接合工具。

6. 根据方案1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于所述第一位置时中断到所述工件接合工具的真空。

7. 根据方案1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时允许到所述工件接合工具的真空。

8. 一种用于可附接至机器人臂的末端执行器的可重构的工具模块，包括：

可调节高度的壳体，所述可调节高度的壳体附接至臂，所述臂耦联至所述末端执行器；

所述可调节高度的壳体包括阀体和阀芯；

所述可调节高度的壳体经由流动路径耦联至工件接合工具；

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于第一位置时中断到所述工件接合工具的真空；以及

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时允许到所述工件接合工具的真空。

9. 根据方案8所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体以可滑动的方式附接至从所述臂伸出的平行导杆。

10. 根据方案9所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体还包括锁定机构，所述锁定机构被配置成与所述平行导杆相互作用，以相对于所述臂将所述工件接合工具紧固在预定高度处。

11. 根据方案8所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成与从所述臂伸出的柱塞相互作用，以便当所述可调节高度的壳体处于所述第一位置时中断到所述工件接合工具的真空。

12. 根据方案8所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体经由所述流动路径和旋转接头机构耦联至所述工件接合工具。

13. 一种用于末端执行器的工具模块，包括：

壳体，所述壳体以可滑动的方式安装在从臂伸出的导杆上；

所述壳体包括：阀芯、终止于工件接合工具处的流动路径、和锁定机构，所述锁定机构被配置成与所述导杆相互作用，以相对于所述臂将所述壳体紧固在所述导杆上的优选位置处；

所述阀芯被配置成当所述壳体处于第一位置时中断所述流动路径；以及

所述阀芯被配置成当所述壳体移离所述第一位置时打开所述流动路径。

14. 根据方案13所述的工具模块，其中，所述阀芯被配置成与从所述臂伸出的柱塞相互作用，以便当所述壳体处于所述第一位置时中断所述流动路径。

15. 根据方案14所述的工具模块，其中，所述锁定机构被配置成与所述导杆相互作用，以将所述壳体紧固在所述第一位置。

16. 根据方案13所述的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述壳体处于所述第一位置时中断到所述工件接合工具的真空。

17. 根据方案13所述的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述壳体移离所述第一位置时允许到所述工件接合工具的真空。

附图说明

现在将参考附图作为示例来描述一个或多个实施例，附图中：

图1图示了根据本发明的包括多个可配置的工具模块的可重构末端执行器的一部分；

图2图示了根据本发明的工具模块和相关的安装工具；以及

图3图示了根据本发明的真空切断机构。

具体实施方式

现在参考附图，其中显示内容仅为了图示某些示例性实施例，而不是为了限制所述示例性实施例，图1图示了包括多个可配置的工具模块50的可重构末端执行器10的一部分。末端执行器10包括主悬臂12，主悬臂12附接至可铰接的机器人臂或另一材料装卸装置的自由端。在一个实施例中，机器人臂包括附接至基部并且可操作以使末端执行器10在空间中线性地和旋转地平移的可编程装置。机器人臂包括例如真空源之类的动力源，所述动力源经由可重构的线管系统15被可控制地引导穿过末端执行器10并到达工具模块50中的每个工具模块的工件接合工具52。参考包括x轴92、y轴94和z轴96的x-y-z参考坐标系90来描述的空间坐标系为末端执行器10和所附接的工具模块50提供了位置参考。末端执行器10优选地被机械调节成优选配置，所述优选配置限定了工具模块50中的每个工具模块相对于x-y-z坐标系90的位置。

可重构末端执行器10优选地布置成蜘蛛架构造，所述蜘蛛架构造（spider-frame configuration）包括位于名义的前方位置(如所示)中的第一分支组件70和位于名义的后方位置(如所示)中的第二分支组件80。蜘蛛架构造包括肢，所述肢具有为工具模块50提供结构支撑的一个或多个分支，其中，所述分支以悬臂方式附接至肢元件。第一和第二分支组件70、80分别结构地支撑一个或多个工具模块50。如在此所描述地，第一和第二分支组件70、80可移动，并且可布置成凸形构造、凹形构造或平坦构造中的任意一种，以允许工具模块50附接至工件或与工件相互作用。这样，可铰接的机器人臂能够根据工具模块50的具体操作方案来采用可重构末端执行器10使工件物理地移动或对工件进行操作。

主悬臂12耦联至双铰接机构20，以铰接第一与第二分支组件70、80。双铰接机构20包括第一旋转离合器机构30和第二旋转离合器机构40。主悬臂12的纵向中心线限定了x-y-z参考坐标系90的x轴92。

第一分支组件70附接至第一旋转离合器机构30。第一分支组件70包括从第一旋转离合器机构30沿相反的方向伸出的一对肢72，优选正交于其纵向轴线。肢72的纵向伸出优选地限定了x-y-z参考坐标90的y轴94。z轴96被限定成与由x轴92和y轴94限定的平面垂直。前方分支75经由线性锁定机构76耦联至肢72中的一个肢，优选地从所述肢正交地伸出。前方分支75被配置成随着肢72的旋转而旋转。该对肢72优选地被连结，以便通过第一旋转离合器机构30彼此一致地旋转。

第二分支组件80附接至第二旋转离合器机构40。第二分支组件80包括一对导轨82，所述一对导轨82与第一分支组件70的肢72平行地从第二旋转离合器机构40伸出。导轨82中的每根导轨利用单个梁元件形成，所述单个梁元件优选地为包括经由腹板部分耦联的顶部凸缘部分和底部凸缘部分的工字梁。

后方分支85经由轭77附接至对应的前方分支75和肢72，所述轭77连接至对应的线性锁定机构76，后方分支85以可滑动的方式耦联至导轨82中的一根导轨，并且优选地正交于导轨82伸出。

后方分支85被配置成随着导轨82的旋转而旋转。导轨82优选地被连结，以便通过第二旋转离合器机构40彼此一致地旋转。前方分支75与后方分支85由合适的材料制成，并包括一个或多个纵向花键。前方分支75与后方分支85中的每一个具有以可滑动的方式安装在其上的至少一个工具模块50。肢72的远离第一旋转离合器机构30的端部利用端托架46耦联至导轨82中的一根导轨的远离第二旋转离合器机构40的对应端部。优选地，端托架46固定地连接至导轨82的端部，并且以可旋转的方式连接至肢72的端部，从而允许肢72在其中旋转。

轭77与线性锁定机构76一致地沿着相应的肢72的花键轴平移。包括后方分支85的轭77沿着导轨82平移。轭77绕相应的肢72的花键轴自由旋转，以允许后方分支85相对于对应的前方分支75独立地旋转。轭77和相关的后方分支85的旋转受到导轨82的旋转位置的约束，所述导轨82的旋转位置利用第二输入杆42通过二旋转离合器机构40来控制。前方和后方分支75、85被配置成当线性锁定机构76解锁时沿着相应的肢72的长度平移。

每个工具模块50可安装在线性/旋转锁定机构54上，所述线性/旋转锁定机构54以可滑动的方式安装在前方和后方分支75、85中的一个上，并与所述一个分支的纵向花键相互作用，以防止绕相应分支75、85的纵向轴线的旋转。线性/旋转锁定机构54被配置成：当解锁时，在相应的分支75、85上平移；并且当锁定时，将工具模块50紧固在沿着相应分支75、85的长度的优选位置处。每个线性/旋转锁定机构54优选地是气动启动的，优选地被配置成在解锁以前都保持在锁定位置中，并且只有当注入压缩空气时才可解锁。每个工具模块50包括摆臂组件56，所述摆臂组件56允许工具模块50在优选位置被重构，以便与不同的工件相互作用。

每个工具模块50优选地具有五个运动自由度(5-d.o.f.)，并可为其相关的工件接合工具52配置到参考x轴位置、y轴位置、z轴位置、绕x-y-z坐标系90的z轴的旋转角φ、以及摆动角α限定的合适位置。关于末端执行器10的蜘蛛架构造的前述细节都是说明性的。

可重构的线管系统15是柔性的管线包，所述柔性的管线包布置在末端执行器10的被选择的元件上并附接至所述被选择的元件，以便于其重构。可重构的线管系统15优选一致地将动力从远程真空源引导至工具模块50的工件接合工具52中的每个工件接合工具，从而允许工件接合工具52同时夹持或释放工件。在一个实施例中，例如电磁控制阀之类的致动器可以被控制，以同时施加或中断动力源与工件接合工具52之间的真空。在此的说明包括对线管部分的参考，所述线管部分优选地是由尼龙或适于传输真空的其他合适材料形成的柔性管部分。替代地，可以考虑其他线管部分。

图2图示了工具模块50及相关的安装工具190的实施例。工具模块50安装在线性/旋转锁定机构54上，所述线性/旋转锁定机构54以可滑动的方式安装在前方和后方分支75、85中的一个上。工具模块50包括摆臂组件56、闭锁柱64和压缩空气接头65，所述摆臂组件56在输出轴63处附接至线性/旋转锁定机构54。安装工具190包括轴接收器193、闭锁柱接收器194和压缩空气源195，在安装程序的执行期间并且当安装工具190与工具模块50相互作用时，轴接收器193、闭锁柱接收器194和压缩空气源195分别与输出轴63、闭锁柱64和压缩空气街头65相对应。安装工具190包括可移动杯垫组件192，所述可移动杯垫组件192被配置成响应于安装命令在安装工具190上纵向平移。

摆臂组件56从线性/旋转锁定机构54侧向延伸，并被配置成当其从线性/旋转锁定机构54解锁时绕输出轴63旋转。摆臂组件56的远端包括优选沿z轴取向从所述远端伸出的一对平行导杆57。壳体60以可滑动的方式安装在平行导杆57上。压缩空气接头65经由空气软管61流体地连接至壳体60的一对锁定机构62。壳体60在锁定机构62锁定时被保持在导杆57上的固定的z轴位置中，并且被配置成当锁定机构62解锁时在导杆57上平移。锁定机构62通过压缩空气的施加而解锁，所述压缩空气在重构期间可源自安装工具190，经由压缩空气接头65来源于压缩空气源195。

摆臂组件56包括优选位于平行导杆57之间的柱塞59。压缩弹簧58位于摆臂组件56与壳体60之间，并在摆臂组件56与壳体60之间施加弹簧力。壳体60被构造成安装旋转接头51，工件接合工具52耦联至所述旋转接头51。

图3图示了包括真空端口53、流动路径16和真空切断机构66的壳体60。流动路径16经由旋转接头51中的流动通道流体地连接在真空端口53与工件接合工具52的内表面之间。真空端口53经由可重构的线管系统15流体地耦联至真空源。真空切断机构66被配置成在特定的条件下中断流动路径16并从而切断流动路径16中的真空。

真空切断机构66包括形成在壳体60中的阀体67，壳体60包含可移动的阀芯68以及附随的压缩弹簧69。当阀芯68移至第一位置160时，阀芯68切断真空端口53与工件接合工具52之间的流动路径16，从而中断到工件接合工具52的真空。当阀芯68移离第一位置160时，阀芯68不再切断真空端口53与工件接合工具52之间的流动路径16，并且可向工件接合工具52施加真空。压缩弹簧69在阀芯68移离第一位置160的情况下并且当施加真空时防止阀芯68被拉入阀体67中。

安装工具190可操作，以在安装程序的执行期间使阀芯68移到第一位置160，从而当工具模块50冗余或者另外地不必需或不可用于接合工件时禁止到所述工具模块50的动力。应意识到的是，机器人臂可用于操纵安装工具190，以在可重构末端执行器10的重构期间接合工具模块50。

参考图2和图3来描述包括使能或禁止工具模块50的安装程序的执行。轴接收器193、闭锁柱接收器194和压缩空气源195接合工具模块50的对应的输出轴63、闭锁柱64和压缩空气接头65，以开始安装程序的执行。通过压缩空气接头65供应压缩空气，以解锁壳体60的一对锁定机构62。

当锁定机构62解锁时，压缩弹簧58的力作用于壳体62，以使壳体60在导杆57上平移，直到工件接合工具52安置在安装工具190可移动杯垫组件192上时为止。安装工具190被配置成使可移动杯垫组件192移动，以调节工具模块50的工件接合工具52的z轴位置。

当安装程序包括禁止将动力提供到工具模块50时，可移动杯垫组件192施加力，以使工件接合工具52移动，从而使壳体60在导杆57上朝摆臂组件56移动，以压缩压缩弹簧58。当壳体60接近摆臂组件56时，柱塞59与阀芯68干涉，从而使阀芯68中断移动。壳体60随着可移动杯垫组件192的移动而继续移动，直到通过与摆臂组件56的干涉而停止时为止。阀芯68由此移动至第一位置160。到一对锁定机构62的压缩空气被中断，以使该对锁定机构62接合导杆57从而将壳体60锁定在阀芯68处于第一位置160的情况下的位置中。因此，通过将处于第一位置160的阀芯68定位在阀体67中来中断到工件接合工具52的真空，从而禁止工具模块50。阀芯68切断真空端口53与工件接合工具52之间的流动路径16。

在禁止之后接合工具模块50包括：逆反安装程序的执行，使得壳体60被定位在导杆57上处于远离摆臂组件56的位置处。向该对锁定机构62提供压缩空气，以使该对锁定机构62脱离导杆57从而解锁壳体60。由压缩弹簧58施加的弹簧力推动壳体60在导杆57上平移。同时地，由阀弹簧69施加的作用于阀芯68的弹簧力将阀芯68推出壳体60，从而允许施加的真空通过阀体67和旋转接头51传到工件接合工具52。当壳体60在导杆57上平移至优选位置时（例如平移至工具模块50的新的安装位置时），去掉到锁定机构62的压缩空气，以将壳体60锁定在优选位置处。在利用处于优选位置中并且能够接合工件的工具模块50进行的操作期间，阀芯68与处在本体60下部中的插塞机构71相互作用。当在工件接合工具52处不存在工件的情况下在流动路径16中施加真空时，插塞机构71可以被吸至关闭位置，其中，阀芯68被显示为处在位置180中，通过弹簧69的弹簧力来控制阀芯68的位置。当在工件接合工具52处存在工件的情况下在流动路径16中施加真空时，阀芯68将插塞机构71推动到如位置170所示的打开位置。真空力不足以克服弹簧69的弹簧力以将阀芯68移动到关闭位置。因此，在真空端口53与工件接合工具52之间的流动路径16通过在阀体67中将阀芯68定位成远离第一位置160而被打开的情况下，使能工具模块50。

本发明已描述了某些优选的实施例及所述某些优选实施例的变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和修改。因此，本发明不应局限于作为用于实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于末端执行器的可重构的工具模块，包括：

可调节高度的壳体，所述可调节高度的壳体附接至摆臂；

所述可调节高度的壳体包括阀芯和终止于工件接合工具处的流动路径；

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于第一位置时中断所述流动路径；以及

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时打开所述流动路径。

2.根据权利要求1所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体以可滑动的方式附接至从所述摆臂伸出的导杆。

3.根据权利要求2所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体还包括锁定机构，所述锁定机构被配置成与所述导杆相互作用，以相对于所述摆臂将所述工件接合工具紧固在预定高度处。

4.根据权利要求1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成与从所述摆臂伸出的柱塞相互作用，以中断所述流动路径。

5.根据权利要求1所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体经由旋转接头机构连接至所述工件接合工具。

6.根据权利要求1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于所述第一位置时中断到所述工件接合工具的真空。

7.根据权利要求1所述的可重构的工具模块，其中，所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时允许到所述工件接合工具的真空。

8.一种用于可附接至机器人臂的末端执行器的可重构的工具模块，包括：

可调节高度的壳体，所述可调节高度的壳体附接至臂，所述臂耦联至所述末端执行器；

所述可调节高度的壳体包括阀体和阀芯；

所述可调节高度的壳体经由流动路径耦联至工件接合工具；

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体处于第一位置时中断到所述工件接合工具的真空；以及

所述阀芯被配置成当所述可调节高度的壳体移离所述第一位置时允许到所述工件接合工具的真空。

9.根据权利要求8所述的可重构的工具模块，其中，所述可调节高度的壳体以可滑动的方式附接至从所述臂伸出的平行导杆。

10.一种用于末端执行器的工具模块，包括：

壳体，所述壳体以可滑动的方式安装在从臂伸出的导杆上；

所述壳体包括：阀芯、终止于工件接合工具处的流动路径、和锁定机构，所述锁定机构被配置成与所述导杆相互作用，以相对于所述臂将所述壳体紧固在所述导杆上的优选位置处；

所述阀芯被配置成当所述壳体处于第一位置时中断所述流动路径；以及

所述阀芯被配置成当所述壳体移离所述第一位置时打开所述流动路径。

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