CN103737609B - 几何端操纵器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种几何端操纵器系统。该系统包括平台和固定至该平台的框架。至少一个基部布置在该框架上的预定位置处。该系统还具有固定至基部的锚定安装架和通过套环组件而连接至锚定安装架的末端的部件。有键布置在该部件和锚定安装架之间。

Description

几何端操纵器系统

分案申请

本申请是第200710129106.1号中国申请的分案申请。200710129106.1号申请的申请日为2007年7月11日，发明名称为“几何端操纵器系统”

技术领域

本发明总体涉及机器人和制造系统，并且更具体地涉及与机器人一起使用的模块化几何端操纵器系统。

背景技术

用于装配系统中的端操纵器系统在本领域中已知多年。通常，在许多自动化装配系统中，使用装置将部件和零件保持和放置在指定位置，以便可在装配或完工的产品上执行加工、修整或其他中间步骤。这些自动化装配系统通常采用许多机器人，其可使人工干预的需求降低到最小或者消除，从而降低厂商的关于劳力和零件的成本。在这种自动化系统中，使用和制成的部件典型地通过本领域已知的方法、由机器人利用臂或腕来制成或移动。这些方法中的一些可包括具有联接至机器人臂的末端的端操纵器系统，并需要特殊的零件。端操纵器系统可在工作期间松开零件或者在对零件的实际操作期间将零件稳定地保持在预定的位置中。其他方法包括：使用机器人臂或腕保持工具，以对由其他机器人或其他部件保持在预定位置中的零件执行实际操作。

许多的这些现有技术的机器人系统都采用具有多个部件的机器人单元，该多个部件可通过机器人机构等等而将工件或材料提升、传递、降低或者布置在特定的工作站或者从工作站至工作站连续布置。在现有技术的装配中，连接在一个机器人单元中的许多的这些部件都必须与移动的工件精确对准和/或保持在其所工作的位置中。这需要生产线的停机时间，以确保由这种机器人所保持的机器人部件的有效对准。此外，许多具有多个部件的这些现有技术的机器人单元系统受到撞击、未对准、或者由于制造环境中的环境危害而受到污染，这需要关闭生产线，以便部件可完全地移开和更换或者修理，从而使机器人单元可在制造环境中再次工作。因此，使用现有技术中的多部件机器人端操纵器系统组件需要较高的维护费用和较长的停机时间，以确保在许多现代制造设置中的制造环境所需精确定位需要。此外，许多这些现有技术系统需要对保持部件，诸如端操纵器系统的末端上的夹爪、销等等的零件进行许多调整，以使其正确对准，从而增加了生产线的停机时间和手动进行这种调整所需的劳力成本。

因此，本领域需要改善的模块化端操纵器系统，其提出了更换和修理连接至机器人臂、腕等等的端操纵器系统上的机器人单元的每个部件的节约成本的方法。本领域还需要几何端操纵器系统，其将降低生产线的生产停机时间。本领域还需要改进的几何端操纵器系统，其消除使用第二端操纵器系统的需要，因而通过降低以有效的和精确的方式运行生产线所必需的机器人的数目来降低制造成本。本领域还需要改进的端操纵器系统，其与焊接站或者对接夹具相对接，从而将零件对准和保持在运行期间所处的并且相对于制造车间中的预定位置的适当位置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的机器人端操纵器系统。

本发明的另一个目的是提供一种用于机器人应用的模块化几何端操纵器系统。

本发明的又一目的是提供一种机器人端操纵器系统，其缩短生产的停机时间并消除对用于制造线的多个端操纵器的需要。

本发明的又一目的是提供一种模块化几何端操纵器系统，其能够装配至标准平台或者本行业已知的应用驱动平台。

本发明的又一目的是提供一种几何端操纵器系统，其具有防焊渣性和抵抗制造环境中的其他污染。

本发明的又一目的是提供一种几何端操纵器系统，其包括由为重量比提供高强度的高等级质量材料构造而成的部件。

本发明的又一目的是提供一种几何端操纵器系统，其具有模块化部件，该模块化部件可容易进行配置并提供快速应急修复等等。

本发明的又一目的是提供一种模块化几何端操纵器系统，其具有可预测的碰撞断裂点。

为了实现上述目的，公开了一种根据本发明的模块化几何端操纵器系统。该模块化几何端操纵器系统包括连接至框架的平台。该框架包括布置在框架的预定位置处的多个基部。该几何端操纵器系统还包括通过紧固件而固定至至少一个基部的锚定安装架。有吊杆或其他部件通过套环组件而连接至锚定安装架。交叉键布置在吊杆和锚定安装架之间，以确保在零件由套环组件连接之后在零件之间不产生旋转。锚定安装架将邻近凸缘的预压区域。该凸缘还包括以彼此相隔90°的间距布置的四个沟槽。该交叉键布置在部件上的每个凸缘的沟槽和锚定安装架内，以确保部件相对于框架的精确定位。

本发明的一个优点是其可提供改进的模块化几何端操纵器系统。

本发明的另一优点是其可缩短制造线的生产的停机时间。

本发明的另一优点是其可消除对制造线上的机器人单元内的备用端操纵器系统的需要。

本发明的另一优点是其可具有用于连接至端操纵器系统的部件的可预测的碰撞断裂点。

本发明的另一优点是其可提供具有模块化部件的操纵器系统，该模块化部件可容易进行配置并提供对于碰撞的快速修复或其他停机时间情况。

本发明的另一优点是其可提供在机器人制造线中的不同平台的方法。

结合附图，通过下述说明和权利要求将使本发明的其他目的、特征和优点变得明显。

附图说明

图1示出根据本发明的几何端操纵器系统的透视图。

图2示出根据本发明的连接部件的分解图。

图3示出连接至一个部件的根据本发明的套环组件。

图4A-C示出根据本发明的具有键的套环组件。

图5A-D示出根据本发明的中心模块化平直接合。

图6A-D示出根据本发明的吊杆。

图7A-E示出根据本发明的具有短角支架的边缘零件。

图8A-G示出用于本发明的套环组件。

图9A-B示出根据本发明的吊杆的可选实施例。

具体实施方式

参考附图，示出根据本发明的模块化几何端操纵器系统10。几何端操纵器系统10为机器人的一部分，该机器人包括机器臂和机器腕和/或机器人和端操纵器系统10之间的其他类型的连接，该端操纵器系统10用于作用在产品上或者将产品保持在制造机器人的环境中。几何端操纵器系统10能够成形为连接至任何已知的机器人，并且能够成形为拾取或保持被装配的任何产品或者机器人装配线中加工的任何产品。尤其，该组件可用于汽车制造装配线。应注意的是，几何端操纵器系统10可用于将加工的产品或工件从一个位置移动至另一个位置，然后松开该产品或工件。应注意的是，该几何端操纵器10可用于移动产品，并将产品保持在预定位置，同时其它机器人或机器在被几何端操纵器系统10保持的产品上进行操作。对工件或产品的移动、加工或者保持在预定位置中的任何组合均可用于本发明所述的几何端操纵器系统10。在对工件的加工完成后，可利用几何端操纵器系统10将产品移动至可供机器人或者工人进行加工的另一工作站或者储存区域。

图1至9示出根据本发明的几何端操纵器系统10的一个设想实施例。端操纵器系统10包括平台12，该平台优选由钢制成，然而应注意的是，金属、塑料、陶瓷或者合成物等其它类型的材料也可用于平台12。该平台12具有通过该平台以与已知的机器臂、机器腕等相配合的多种孔口。平台12可以是任何已知的形状，诸如具有贯穿其中的孔口的板，圆形的、正方形的、三角形的或其它形状的板，或者已知连接至机器人端的任何类型的平台。平台12通过任何已知的固定技术，即化学的、机械的或类似技术而连接至框架14，该框架14优选由钢材料制成。然而，应注意的是，框架14可由任何已知的其它材料制成，诸如任何已知的金属、塑料、陶瓷、合成物、天然材料或类似物。框架14可具有任何已知的形状。该形状将取决于使用机器人单元的环境。框架14允许连接有多个部件，以便一个机器臂可执行多种功能或者保持复杂的几何零件，用于在制造环境中在该框架上操作或在站之间移动。每个框架14将具有多个固定至该框架14的基础构件16。该基础构件16通过已知的机械的或化学的粘合方法（诸如焊接，紧固或类似方式）而固定至框架14。每个基础构件16将具有布置在其上的预定位置处的多个孔口18。在所示的实施例中，孔口18沿基础构件16每个末端的附近布置或者布置在基础构件16每个末端处。一些孔口18可具有螺纹，而一些孔口可不具有螺纹。然而，在一些实施例中，所有的孔口18都具有螺纹，在一些实施例中，没有一个孔口18具有螺纹。基础构件16通常为具有预定厚度的矩形。在所述实施例中，有三个孔口18布置在基础构件16的每个末端处或者之附近。应注意的是，根据设计需要和框架14上的基础构件16的可用空间，基础构件16可利用任何已知的形状。基础构件16通常由钢材料制成，然而应注意的是，根据机器人单元和使用这种机器人的环境，任何其他金属、塑料、陶瓷或者合成物或类似物可用于基础构件16。框架20还可包括定位球70，该定位球70被布置在框架20的每个末端处或之附近。至少一个止动垫72也可布置在框架20的每个末端上的定位球70附近。在所示实施例中，有两个止动垫72布置成与每个定位球70相邻。定位球70可允许端操纵器系统10正确地以及精确地对准，以及保持在机器人生产线内的对接夹具或焊接台内的预定位置。定位球70将确保由系统10所保持的工件位于车间内的理想位置，以由其他机器人、焊接器或类似物进行加工，从而确保非常极小误差和高质量的生产零件。

锚定安装架20固定至基础构件16。应注意的是，根据连接至机器人端操纵器系统10的框架14的部件，锚定安装架20可固定至机器人端操纵器系统框架14上的所有基础构件16上或仅固定在所选择的基础构件16上。锚定安装架20通常具有模仿基础构件16的形状的基部22。本发明中的锚定安装架基部22通常为具有预定厚度的矩形形状。多个孔口24布置为通过锚定安装架基部22的厚度，以与框架基础构件16中的孔口18相对准和配合。通常，圆柱形构件26从锚定安装架基部22一侧上的锚定安装架基部22的正中央延伸。圆柱形构件26通过任何已知的固定技术（诸如焊接等等）而固定至锚定安装架基部22的表面，或者预想圆柱形构件26与基部22铸造为一个构件，或者制成为冲压件或者进行机械加工。周向联接凸缘28布置在圆柱形构件26的端部。凸缘28具有预定的直径，并且具有通过凸缘28的正中央的预定尺寸的孔或孔口。多个槽30布置在联接凸缘28的端面上。槽30延伸入联接凸缘28的表面以预定距离。槽30布置在该端面上，使得在槽30之间布置了任意的度数。在所示实施例中，四个槽30布置在凸缘28的端面内。槽30绕凸缘28的环状端面以相隔90°布置。锚定安装架20设计为：使得断裂点32通常形成在凸缘28和圆柱形构件26的交叉处。凸缘28和圆柱形构件26之间的交叉点32可通过增加或减小锚定安装架20的断裂点32处使用的材料的厚度设计而成。材料的减少将形成断裂点32，该断裂点32在比具有更厚的材料截面的断裂点32较低的作用力下失效。此外，预想了形成断裂点32的其他方法，诸如对凸缘28和圆柱形构件26之间的交叉处进行刻痕、预加应力、沿其布置多个切口、在其周围布置多个孔口、使用不同材料、或者形成断裂点32的任何其他预想方法和已知方法，该断裂点相比于连接至锚定安装架20且在端操纵器系统系统10内的其他部件将在尤其较低的作用力下失效。断裂点32将形成特定点，在该特定点处，相比于连接至位于机器人和由端操纵器系统10所保持的部件之间的锚定安装架20的所有其他部件，预定作用力将使锚安装20破裂。

锚定安装架20还可在其表面中包括校准孔口34，该校准孔口34将允许工具球或者相似的测量装置插入其中，以确保锚定安装架20相对于机器人端操纵器系统框架14的正确对准和定位。应注意的是，锚定安装架20优选由防焊渣的铝材料制成，尤其为铝7075-T6。然而，应注意的是，根据设计需要和将使用端操纵器系统10的环境，任何其他金属、塑料、陶瓷、合成物、或者天然材料也可用于锚定安装架20。

吊杆36和/或接合构件38可通过套环组件40而固定至锚定安装架20。吊杆36通常为圆柱形，并具有通过其整个纵向长度的孔。吊杆36在其两端上将包括大致圆形的联接凸缘42。吊杆36可具有端操纵器系统10内所需的任何长度或者增量长度。吊杆36还将包括预先布置在预定位置处的多个孔口44，使得通过安全吊带等等而可将配件安装至吊杆36或者可将吊杆36连接至所连接的部件或者连接至锚定安装架20。根据设计需要和所保持的部件，孔口44具有预定尺寸并沿吊杆36以预定间隔布置。位于吊杆36的每个末端的联接凸缘42在其中具有多个槽46，以与锚定安装架20上的槽30、其他接合构件38或者任何其他部件相对准。槽46将具有围绕凸缘42的末端的相同定位，并且将具有与锚定安装架凸缘28相同的预定深度。吊杆36可具有预定厚度，从而形成将能够吸收大于锚定安装架20的断裂点32处的作用力的部分。接合构件38通常在其上具有至少一个周向联接凸缘42，但是在其上可具有任何数目的联接凸缘42和面，诸如两个面接合构件、三个面、四个面、五个面等等。这些接合构件38可允许以各种角度连接至锚定安装架20，或者连接有其他各种部件。接合构件38的每个面都将包括大致圆周的联接凸缘42，该联接凸缘42具有槽46，该槽46以与锚定安装架凸缘28所述相同的方式布置。其他边缘配件构件48也可连接至或者用作末端构件，该末端构件连接至夹爪或者由端操纵器系统10保持的其他部件。通常，边缘配件构件48将具有布置在其上的一个周向联接凸缘42，但是也可使用超过一个凸缘。凸缘42将包括以与锚定安装架凸缘28相同的间隔布置的相同的槽46。边缘配件部件48能够将零件以预定的角度保持和/或保持零件竖直，如图1所示。如图9A-B所示，吊杆36的另一个实施例包括处于其上预定位置处的断裂点74。断裂点74与上述锚定安装架20的断裂点32相似。断裂点74可布置在吊杆36的每个末端上的凸缘42之间的任何位置处。吊杆36可具有任何已知的长度。吊杆36的断裂点74将允许仅端操纵器系统10在预定点或者已知点处失效（或者与锚定安装架20的断裂点3一同失效）。

吊杆36、接合构件38、边缘配件构件48、其他部件和锚定安装架20都彼此互连并以多种组合彼此固定。该连接通过套环组件40形成。套环组件40包括第一和第二套环构件50和交叉键52。交叉键52通常为具有预定厚度的X形。预定厚度将使得大约一半的交叉键52将延伸至任何一个联接凸缘28、42上的槽30、46内，而交叉键52的另一半将延伸至所连接的其他部件的邻近联接凸缘28、42内。交叉键52布置在所有的四个槽30、46内，因而对彼此连接的部件进行固定，使得在利用套环组件40而使该部件彼此固定之后，在部件之间不能够产生旋转。套环组件40将包括第一套环半环50和第二套环半环50。套环半环50将具有布置在其内径上的半圆形圆周沟槽54。内圆周沟槽54将具有第一和第二有角表面56，使得当沟槽54的有角表面56延伸至套环50内时，沟槽54具有缩小的半径。在所示实施例中，沟槽54的表面56与套环构件50的中心线的角度成大致15°。因此，有角表面56之间的总角度为大约30°。然而，应注意的是，根据设计要求和套环50所需的保持力，可使用任何的度数。第一半和第二半套环50将布置在第一和第二联接凸缘28、42的外圆周表面的周围。一旦联接凸缘28、42通过其中的槽30、46而布置为彼此对准时，套环50将被放置在对接联接凸缘28、42的外表面的周围，第一和第二紧固件58通过彼此相对的两个套环50中的孔口60而将第一半套环50连接至第二半套环50。这允许在凸缘28、42的外圆周的周围将两个半套环50连接成一个环状套环。在操作中，使紧固件58变紧，从而迫使得半套环50朝向彼此移动，直到凸缘28、42彼此面对地接合为止。一旦在套环50的两侧上的距离相同时，进行最终的紧固，直到两个半套环50的相对面彼此接合，从而在端操纵器系统10中的相对部件上的两个联接凸缘28、42之间形成固定接合。应注意的是，可使用任何类型的紧固件58来将套环50和锚定安装架20连接至相应的邻接部件。在一个实施例中，M8螺栓用于机器人端操纵器系统10的部件和框架14之间的所有连接。然而，应注意的是，上述的端操纵器系统10可使用任何其他类型的紧固件。此外应注意的是，除由钢制成的交叉键52之外，所述用于套环组件40、吊杆36、接合部件38和边缘配件部件48中的所有部件都由与锚定安装架20所述相同的铝材料制成。然而，任何其他已知的金属、陶瓷、塑料、合成物或天然材料也可用于上述这些部件。

任何接合构件38或边缘配件部件48，以及其他配件安装部件在其中都可包括孔口62，用于通过工具球等等而对系统进行校准。这些工具球将用于确保所有连接至几何端操纵器系统10的部件和所保持的部件64的精确定位和精确度。应注意的是，通过上述的几何端操纵器系统所实现的公差可使所保持的部件（诸如夹爪、工具或其他部件64）处于用于精确制造线的0毫米至0.01毫米的公差范围内。此外，应注意的是，整体的几何端操纵器系统10的强度在于诸如吊杆36、接合构件38、边缘配件构件48等等的部件。这些部件通常比锚定安装架20的断裂点32处的接合坚固百分之十至百分之九十。该增加的强度应归因于许多变化，诸如部件的厚度、使用的材料和部件的形状。此外，应注意的是，任何形状的部件可用于根据本发明的端操纵器系统10内的吊杆、接合构件或边缘配件。任何部件的形状可以是正方形、三角形、八角形、矩形或任何其他已知的形状，而不仅仅是附图所示的形状。附图仅示出根据本发明的几何端操纵器系统10的一个预想实施例。

在操作中，几何端操纵器系统10将具有固定至基础构件16的至少一个锚定安装架20，该基础构件16固定至机器人的末端上的机器人单元的框架14。锚定安装架20在框架14上的定位将允许在操作过程中将工件保持在框架14上的精确位置处，或者允许工件通过机器臂等等而从一个站移动至另一个站。通过连接至锚定安装架20的部件之间的连接，可进行精确的定位。应注意的是，任何组合和排序的部件或者任何其他配件部件可以任何已知的组合方式进行连接，所述部件包括但不限于吊杆、接合构件、边缘配件部件。然后，这些各种构造连接至锚定安装架20，使得保持在部件系统构造的末端处的工具或部件相对于机器人的框架14保持在精确的位置中，因此，保持该工件或者加工该工件。部件系统的强度将在于部件，而不在于锚定安装架20，具体而言，脆弱点将处在位于凸缘28和圆柱形构件26末端接合点附近的断裂点32处。这将改善安全性和减少使用模块化几何端操纵器系统10的制造线的停机时间。在诸如与其他机器相碰撞等等的事故的情况下，部件的强度将吸收所有的作用力，使得几何端操纵器系统10的任何故障将发生在位于联接凸缘28和圆柱形构件26的交叉处的锚定安装架20上的断裂点32处。这将允许所有损害大部分发生在锚定安装架20处。然后，仅需要更换锚定安装架20来使机器人端操纵器系统10随同制造线再次操作。通过如下步骤，可容易地和快速地更换替换安装架20，即移开连接锚定安装架20至第一部件的套环50，从连接至基础构件16的锚定安装架20上移开紧固件58，然后将新的锚定安装架放置在基础机构16上，并将其与上述紧固件58固定，然后重新连接套环50，使得新的锚定安装架20固定至先前布置的第一部件。因此，通过仅改变一个部件，而不是现有技术中必须进行的固定许多部件或者使连接至机器人端操纵器系统的框架14的夹爪或部件变直，从而可极大地缩短制造线的停机时间。包括X形键52的套环连接器系统40的使用将能够更加精确地连接部件和连接至最后部件的末端的夹爪或工具。此外，在被连接部件和连接至框架14的锚定安装架20之间不存在旋转。应注意的是，在包括框架14和部件之间的连接中使用的材料通常为钢和铝，且该材料和所有的紧固件进行处理使得在不同材料的部件之间不生锈。这将提高制造环境中的几何端操纵器系统10的可靠性。此外，应注意的是，可使用所有其他形状的键系统，在所示实施例中使用X形键系统，但是也可使用Y状系统或所有其他的形状，以在几何端操纵器系统10内连接的部件之间形成键系统。

此外，应注意的是，有管道可固定在诸如吊杆36、接合构件38和锚定安装架20的部件中的多个孔口44之间，或者固定至该多个孔口44，使得其他部件可连接至该管道，诸如但不限于贯穿该管道的电气系统，气动系统、流体系统等等可用于连接至保持在布置在末端操作器系统10中的部件系统构造的末端的工具、夹爪、销等等。此外，应注意的是，本系统能够与机器人、工具转换器等等一起使用，界面图案可以设计成适应所有已知的对接应用以及与其兼容。本系统10可使用自动光学和标准CMM确认点，与模块化部件一起形成简易的可配置系统，该系统提供对制造线的快速应急修复，从而缩短停机时间以及提高工作在该制造线上的工人的效率。

已经以说明性的方式描述了本发明。应了解的是，使用的术语意图为采用说明文字的特性而不是限制。

根据上述原理能够对本发明进行许多改进和变化。因此，在权利要求的范围内，能够与具体描述不同地实践本发明。

Claims (14)

1.一种几何端操纵器系统，所述系统包括：

平台；

固定至所述平台的框架；

布置在所述框架上的预定位置处的多个基部；

固定至所述多个基部中的至少一个基部的锚定安装架，所述锚定安装架具有端面，在所述锚定安装架的所述端面中形成有至少一个纵长槽；

通过套环组件而连接至所述锚定安装架的部件，该部件具有端面，在该部件的所述端面中形成有至少一个纵长槽；和

布置在所述部件和所述锚定安装架之间的位于所述至少一个纵长槽中的每一个内的键。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述键为交叉键，其确保在所述部件和所述锚定安装架之间不发生旋转。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述锚定安装架具有断裂点或者断裂区域。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述锚定安装架具有凸缘，该凸缘具有彼此相隔预定间距布置的多个纵长槽。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述凸缘具有四个纵长槽，且所述四个纵长槽之间以90°的间隔布置。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述断裂区域布置在所述凸缘的附近。

7.如权利要求3所述的系统，其中，所述断裂点出现在所述锚定安装架的凸缘和圆柱形构件的交叉处。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述断裂点由在所述交叉处减小材料的厚度的弱化方法或技术限定。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述部件为吊杆或接合构件。

10.如权利要求9所述的系统，其中还包括固定至所述吊杆、所述接合构件或所述锚定安装架的配件构件。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述套环组件包括第一套环半环和第二套环半环，所述套环半环在其内径上具有半圆形周向沟槽，所述沟槽具有第一有角表面和第二有角表面，所述有角表面将促进所述锚定安装架和所述部件的凸缘彼此接合。

12.如权利要求11所述的系统，其中，每个所述有角表面离所述套环组件的中心线的角度均为大约15°。

13.如权利要求9所述的系统，其中，所述吊杆具有布置在其上的预定位置处的断裂点。

14.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个纵长槽包括多个纵长槽。