CN105034018A - 一种用于工业机器人精密装配的柔性单元及柔性手腕 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工业机器人精密装配的柔性单元，包括长条状的柔性本体，该柔性本体的侧部开有多个切槽，各切槽沿柔性本体的长度方向间隔分布。本发明还公开了采用所述柔性单元的一种用于工业机器人精密装配的柔性手腕。本发明可在线性位移和角度方向提供较大的柔性变形，从而补偿较大的线性位移和角度方向误差，且成本低廉、使用寿命高。

Description

一种用于工业机器人精密装配的柔性单元及柔性手腕

技术领域

本发明涉及机械手腕，尤其涉及一种对工业机器人精密装配进行装配误差补偿的工业机器人用柔性单元及柔性手腕。

背景技术

在机器人自动化装配作业中，由于机器人和物料运送系统的可重复定位精度误差、工装夹具公差和零部件加工公差等，待装配的零部件之间会有装配误差(包括线性位移方向和角度方向)，而一般待装配的零部件之间的装配精度要求较高，特别是在3C(计算机、和通讯消费类电子设备)等要求精密装配的领域，从而导致机器人无法完成装配任务。因此，机器人自动化精密装配系统必须包含消除装配误差的装置。

装配误差可通过提高机器人、物料运送系统、工装夹具、零部件等的运动和加工精度的方式来消除，但此方法必将大幅提高机器人精密装配系统的成本，不适合大规模低成本的工业应用。目前已有的解决方法有两种：一是采用视觉伺服或力反馈等主动消除的方式，但此方式需要视觉传感器或力传感器、控制器等构成的伺服控制回路以及相关的软件系统，将会导致机器人装配系统成本的上升；另一种方法是采用机器人用柔性手腕被动地来消除装配误差，该种解决方法无需使用传感器和控制器等，当待装配零部件间接触时，柔性手腕可通过自身柔性部分的弹性变形来快速补偿装配误差，是一种简单低成本的装配误差补偿装置。

传统的刚性机器人手腕通常由球齿轮、锥齿轮组合等刚性传动机构连接构成，可在多个驱动器的驱动下，调整空间位置和姿态。但受机械结构限制，运动灵活性较差，自由度数也较少，不能适用于精密装配作业，仅可完成搬运、上下料等作业。

机器人用柔性手腕是连接机器人手臂与机械手或夹具等末端执行器的部件，其可利用自身柔性结构的弹性变形来改变末端执行器的空间姿态和位置以消除各个方向上的装配误差，完成机器人装配任务。

机器人用柔性手腕具有一个位于其装置之外的柔性中心，而此柔性中心设计在位于待装配零部件间的接触处。以轴孔装配为例，此柔性中心被设计在待装配杆件末端。在此柔性中心处，施加水平力仅可产生在该水平方向上的水平位移而不产生其它方向上的位移，施加扭矩仅会产生在该扭矩方向上的角度位移而不产生其它方向上的位移。从刚度矩阵方面阐述则为，在此柔性中心点处，柔性手腕装置的刚度矩阵是对角的，即无任何方向上的耦合。因此，采用柔性手腕的机器人在消除某一方向上的装配误差的过程中不会引入其它方向上的新的装配误差。

最早的机器人用柔性手腕通常有两种柔性单元组成。其中一种柔性单元用来提供线性位移的装配误差补偿，另一种用来提供角度方向上的装配误差补偿。此种由两种柔性单元构成的设计，结构较为复杂。此外，柔性单元的结构形式通常为在末端有柔性铰链的圆杆，此种结构应力较为集中，导致柔性手腕装置疲劳表现较差。因此，此种设计没有在工业上大规模应用。

后来，有柔性手腕采用封闭的一体化柔性单元，但封闭的一体化柔性刚度较大，在固定插入力下能够补偿的装配误差有限，而且相比较离散的柔性单元可更换部分柔性单元，一体化的柔性单元将只能全部更换，维护成本高。

还有部分柔性手腕设计采用离散分布的单种柔性单元，可同时提供在线性位移和角度方向上的装配误差补偿。此单种柔性单元通常采用标准化的螺旋弹簧或一种金属和橡胶的复合结构构成。然而由螺旋弹簧设计成的机器人用柔性手腕有以下不足：由于螺旋弹簧结构形式固定，用其所构成的柔性手腕装置的柔性中心位置有限，另外线性位移和角度误差补偿能力也非常有限，因此，难以在工业上大规模应用。部分采用螺旋弹簧的设计仅可实现三个自由度方向上的位置和姿态调整，仅可补偿三个自由度方向上的装配误差(如公开号为CN101863035A、CN101863035B、CN201824359U的专利文献)。现在工业上应用的设计多是采用以金属和橡胶的复合结构构成的柔性单元设计而成。然而金属和橡胶的复合机构也有以下不足：首先加工复杂，加工成本较高，难以大规模工业应用。其次，此种结构仅可允许小范围的弹性变形，因为较大变形可使橡胶层发生疲劳和撕裂。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于工业机器人精密装配的柔性单元，可在线性位移和角度方向提供较大的柔性变形，从而补偿较大的线性位移和角度配合误差，且成本低廉、使用寿命高。

本发明的目的之二在于提供一种用于工业机器人精密装配的柔性手腕，能在成本低廉、使用寿命高的基础上有效实现装配误差补偿。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

一种用于工业机器人精密装配的柔性单元，包括长条状的柔性本体，该柔性本体的侧部开有多个切槽，各切槽沿柔性本体的长度方向间隔分布。

优选地，切槽交错分布于柔性本体相对的两侧。

优选地，相邻切槽的间距相等，各切槽的槽宽相等，各切槽的槽深相等。

优选地，各切槽的槽宽由柔性本体的两端向柔性本体的中心逐渐增大或逐渐减小。

优选地，柔性本体为等截面的柱体，该柔性本体的截面为圆形或正多边形。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

采用所述柔性单元的一种用于工业机器人精密装配的柔性手腕，包括主动板、从动板和至少二个所述柔性单元，主动板和从动板相互平行且相互间隔，柔性单元的两端分别以可拆卸的方式固接主动板和从动板，各柔性单元关于主动板的中心轴线轴对称分布。

优选地，各柔性单元与主动板固接一端所在圆的直径大于与从动板固接一端所在圆的直径。

优选地，主动板和从动板分别开有多个呈圆周阵列分布的安装孔，安装孔内设有安装平台，柔性单元的两端分别插装于安装孔内并分别通过螺钉锁紧于安装平台。

优选地，所述柔性手腕还包括限位杆，主动板和从动板分别开有多个呈圆周阵列分布的限位孔，限位杆的一端与主动板的限位孔固接，限位杆的另一端小于从动板的限位孔。

优选地，所述柔性手腕还包括锁紧机构，该锁紧机构具有固定部和由固定部伸出并作伸缩动作的锁紧部，其中：固定部固定于主动板，锁紧部在缩回脱离从动板和伸出锁紧从动板的位置间切换，或者，固定部固定于从动板，锁紧部在缩回脱离主动板和伸出锁紧主动板的位置间切换。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的柔性单元，通过线切割等工艺则可获得高精度的切槽，各切槽形成后，能获得线性位移和扭转方向较大的柔性变形能力，从而补偿较大的线性位移和角度配合误差，更关键是，通过对柔性本体切切割形成切槽就能获得柔性变形能力，而且，切槽的数量、延伸方向、宽度、深度、间距可根据设计需要灵活调节，设计变量更多，扩大了柔性单元的设计域，和同类的采用金属橡胶复合结构作为柔性单元的柔性手腕相比，本发明中的柔性单元采用单种材料，加工方法简单，降低了加工制造成本，且使用寿命高；

本发明的柔性手腕，无需驱动器、传感器、控制器和控制软件等外部执行机构，可被动通过自身柔性单元变形来补偿误差，能够在成本低廉、使用寿命高的基础上有效实现装配误差补偿，特别是结合三个以上柔性单元，就能实现柔性手腕6个自由度的装配误差补偿，并且，柔性单元的轴对称分布，形成了有旋转对称性的柔性手腕，该柔性单元的离散分布，以便在某个柔性单元损坏后，可单独更换受损柔性单元，无需全部更换，进一步利于降低成本；

本发明的柔性手腕还能作为一种通用标准件，通过主动板和从动板，与已有的机械臂末端安装面和机械手的顶部安装面均可实现快速安装固定，无需改造已有机器设备。

附图说明

图1为本发明柔性单元的结构示意图；

图2为本发明柔性手腕具备三个柔性单元的结构示意图；

图3为本发明柔性手腕具备四个柔性单元的结构示意图；

图4为本发明柔性手腕具备六个柔性单元的结构示意图；

图5为本发明柔性手腕具备限位杆的结构示意图。

图中：10、柔性单元；11、柔性本体；12、切槽；20、主动板；30、从动板；40、安装孔；50、螺钉；60、限位杆；70、限位孔。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示的一种用于工业机器人精密装配的柔性单元，包括长条状的柔性本体11，该柔性本体11的侧部开有多个切槽12，各切槽12沿柔性本体11的长度方向间隔分布。

该柔性本体11可采用金属材质制成，切槽12的数量和切槽12的延伸方向，可根据柔性能力的设计需要来对应设置。为使柔性单元10各向具备均匀的柔性能力，本例可作如下设置：

切槽12交错分布于柔性本体11相对的两侧。相邻切槽12的间距相等，各切槽12的槽宽相等，各切槽12的槽深相等。

当然，根据柔性能力和复位能力的设计需要，也可作出如下设置：

如图1所示，各切槽12的槽宽由柔性本体11的两端向柔性本体11的中心逐渐增大或逐渐减小。特别地，槽深可作如下设置：柔性本体11一侧的切槽12槽深大于柔性本体11另一侧切槽12槽身。

为方便制造加工，控制加工成本，同时提供各向均匀的柔性能力，本例的柔性本体11为等截面的柱体，如图4所示，该柔性本体11的截面为圆形或正多边形。在其它实施例中，柔性本体11的截面也可以是对称的任意多边形。

如图2～5所示，采用所述柔性单元10的一种用于工业机器人精密装配的柔性手腕，包括主动板20、从动板30和至少二个所述柔性单元10，主动板20和从动板30相互平行且相互间隔，柔性单元10的两端分别以可拆卸的方式固接主动板20和从动板30，各柔性单元10关于主动板20的中心轴线轴对称分布。

主动板20用于固定在工业机器人的机械手臂，提供主动驱动能力。在进行精密装配前，从动板30用于固定在工业机器人的末端执行器，通过主动板20、柔性单元10的带动下移动或旋转。在进行精密装配时，由于待装配零部件之间会相接触，导致待装配杆件的运动，带动末端执行器的运动，进而带动从动板30的运动并联动柔性单元10形变。为方便主动板20和从动板30的固定，主动板20和从动板30可分别采用法兰盘。

当柔性单元10为三个以上时，可补偿6个自由度方向上的位置误差。当使用两个柔性单元10，则变为平面机构，可仅补偿部分自由度方向上的位置误差。当然柔性单元10可根据柔性能力的设计需要来配置更多的数量。特别地，如图4所示，柔性单元10的设置，可采用圆柱形的柔性单元10与矩形的柔性单元10相间配置。特别地，也可将柔性单元10的截面设为其它任意的多边形形状，并结合圆柱形的柔性单元10与矩形的柔性单元10相间设置

示例性地，本例的各柔性单元10与主动板20固接一端所在圆的直径大于与从动板30固接一端所在圆的直径，即各个柔性单元10倾斜设置，使柔性中心位于待装配零件间的装配接触点处，使得每一个方向上的装配误差在消除的过程中都不会引入其它方向上的新的装配误差。该柔性单元10的倾角将作为设计变量，用于进一步扩大本柔性手腕的设计域，控制柔性手腕柔性能力和恢复能力。

示例性地，为方便柔性单元10与主动板20和从动板30的安装，以利于更换维护，如图2、图3所示，主动板20和从动板30分别开有多个呈圆周阵列分布的安装孔40，安装孔40内设有安装平台，柔性单元10的两端分别插装于安装孔40内并分别通过螺钉50锁紧于安装平台，对应地，可在柔性单元10两端设置螺纹孔以供螺钉50锁入。

备选地，如图5所示，本例的所述柔性手腕还包括限位杆60，主动板20和从动板30分别开有多个呈圆周阵列分布的限位孔70，限位杆60的一端与主动板20的限位孔70固接，限位杆60的另一端小于从动板30的限位孔70，以使限位杆60另一端与限位孔70之间形成间隔。当主动板20和从动板30发生相对位移时，限位杆60的另一端可在所述间隔的范围内移动，以提供装配误差补偿，而当主动板20和从动板30的相对位置偏离过大时，为防止过载，限位杆60的另一端则被限位孔70限制，从而有效保护了本柔性手腕，避免柔性单元10拉伸过度而无法复位。也可在限位杆60的另一端设置倒扣头，以在竖直方向上防止从动板30被过度拉伸而过载。

备选地，由于在高速自动化装配应用上对装配周期时间有较高要求，所以工业机器人的运动速率都较快，对应地，工业机器人的机械手臂反应速率、移动速率一般较快，因此，在机械手臂开始加速启动时，由于惯性，主动板20已开始偏离从动板30，但从动板30仍保持静止，此时容易导致柔性单元10拉伸过大，而导致从动板30后续的晃动，导致晃动后，在装配时就必须等待柔性手腕装置静止后再进行装配操作，这样会增加装配周期，为解决该问题，本例的柔性手腕作出如下设置：本例的所述柔性手腕还包括锁紧机构(图中未示出)，该锁紧机构具有固定部和由固定部伸出并作伸缩动作的锁紧部，其中：固定部固定于主动板20，锁紧部在缩回脱离从动板30和伸出锁紧从动板30的位置间切换，或者，固定部固定于从动板30，锁紧部在缩回脱离主动板20和伸出锁紧主动板20的位置间切换。

锁紧机构可采用气动驱动，机械手臂启动时，令锁紧部伸出锁紧主动板20或从动板30，使主动板20和从动板30通过固定部、锁紧部的连接形成刚性整体，以便机械手臂快速启动和快速移动，避免晃动，而在需要进行装配时，可缩回锁紧部，解除主动板20和从动板30的刚性连接，使柔性单元10投入装配误差补偿工作。

以杆件装配到孔中为例，采用本柔性手腕的工作原理如下：

因为待装配杆件有装配误差，所以杆件无法精确地落入孔中，杆件将会落在孔上的倒角上。随着机器人继续进行装配，这时柔性手腕就会利用自身均匀离散对称分布的柔性单元10产生弹性变形，被动地将待装配杆件滑落到孔上，从而补偿了待装配杆件和孔的装配误差。当杆件插入孔中后，如有角度方向上的装配误差，柔性手腕装置中的柔性单元10会再次通过弹性变形调整待装配杆件的角度，从而补偿角度方向上的误差，完成装配。当装配完成无外力作用后，柔性手腕的柔性单元10可迅速恢复原位。

将柔性手腕的柔性中心设计在杆件末端也即装配发生面，则线性位移的装配误差在消除的时候不会引起新的装配误差，角度装配误差在消除的时候也不会引起其他新的装配误差。特别地，当柔性手腕的主动板20、从动板30均为水平设置时，线性位移的装配误差指水平方向的装配误差。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于工业机器人精密装配的柔性单元，其特征在于，包括长条状的柔性本体，该柔性本体的侧部开有多个切槽，各切槽沿柔性本体的长度方向间隔分布。

2.根据权利要求1所述的用于工业机器人精密装配的柔性单元，其特征在于，切槽交错分布于柔性本体相对的两侧。

3.根据权利要求2所述的用于工业机器人精密装配的柔性单元，其特征在于，相邻切槽的间距相等，各切槽的槽宽相等，各切槽的槽深相等。

4.根据权利要求2所述的用于工业机器人精密装配的柔性单元，其特征在于，各切槽的槽宽由柔性本体的两端向柔性本体的中心逐渐增大或逐渐减小。

5.根据权利要求1～4任一项所述的用于工业机器人精密装配的柔性单元，其特征在于，柔性本体为等截面的柱体，该柔性本体的截面为圆形或正多边形。

6.采用权利要求1～5任一项柔性单元的一种用于工业机器人精密装配的柔性手腕，其特征在于，包括主动板、从动板和至少二个所述柔性单元，主动板和从动板相互平行且相互间隔，柔性单元的两端分别以可拆卸的方式固接主动板和从动板，各柔性单元关于主动板的中心轴线轴对称分布。

7.根据权利要求6所述的用于工业机器人精密装配的柔性手腕，其特征在于，各柔性单元与主动板固接一端所在圆的直径大于与从动板固接一端所在圆的直径。

8.根据权利要求6所述的用于工业机器人精密装配的柔性手腕，其特征在于，主动板和从动板分别开有多个呈圆周阵列分布的安装孔，安装孔内设有安装平台，柔性单元的两端分别插装于安装孔内并分别通过螺钉锁紧于安装平台。

9.根据权利要求6所述的用于工业机器人精密装配的柔性手腕，其特征在于，所述柔性手腕还包括限位杆，主动板和从动板分别开有多个呈圆周阵列分布的限位孔，限位杆的一端与主动板的限位孔固接，限位杆的另一端小于从动板的限位孔。

10.根据权利要求6～9任一项所述的用于工业机器人精密装配的柔性手腕，其特征在于，所述柔性手腕还包括锁紧机构，该锁紧机构具有固定部和由固定部伸出并作伸缩动作的锁紧部，其中：固定部固定于主动板，锁紧部在缩回脱离从动板和伸出锁紧从动板的位置间切换，或者，固定部固定于从动板，锁紧部在缩回脱离主动板和伸出锁紧主动板的位置间切换。