CN105216006B - 机器人用柔性法兰及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机器人用柔性法兰及机器人，包括：外壳，其上设有用以输入设定压力的气体或液体的输入接口，并在一端设有开口；连接法兰，其活动设置于外壳的该一端，且其连接部分伸出开口，其基座部分位于外壳的内部，连接法兰和外壳之间形成一用以容纳所述气体或液体的密封室；以及弹性部件，设置在密封室内，其连接连接法兰，并能够带动连接法兰作一定的弹性伸缩，从而连接法兰能够根据气体或液体压力和外力的作用，并在所述弹性部件的配合下相应浮动；还包括限制部，用以限制连接法兰绕其轴线转动。本发明的柔性法兰可以多自由度运动，解决机器人在装配和加工过程中因不能灵活移动或信号反馈延迟，而导致的碰撞损坏工件的问题。

Description

机器人用柔性法兰及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及的是机器人和执行机构的过渡连接装置。

背景技术

目前，工业机器人的应用越来越普遍，应用范围也越来越广。关节式工业机器人由于自身结构的原因，重复精度相对较高，而定位精度较低，这个特点导致工业机器人在装配和加工领域应用受限。

现有的解决方式是，采用高精度的六维力传感器作为机器人和执行机构的过渡连接装置。六维力传感器能够测量x，y，z三个方向的力及绕三个轴向的力矩，传感器所获得的力和力矩信号反馈给机器人的控制系统，从而使机器人作出相应的反应。但是该方式存在以下的不足：1、力传感器成本较高，反馈控制系统较复杂，不利于广泛的推广和应用。2、力反馈控制系统存在时间上存在滞后，碰撞发生以后，系统延迟一定时间才会产生相应的动作，然而当控制系统作出响应时，工件可能已经被破坏了。

另外一种解决方式是，通过单轴气缸和伺服阀来控制气缸对工件的压力，但是该方式为单自由度机构，只在一个方向上有作用，而工业中使用的六自由度机器人的运动自由度较多，执行工具和工件之间的接触力通常是多维的，若要满足需求，就要采用多个单自由度机构串联起来，系统刚度降低，误差增大，控制变得复杂，成本上升。

发明内容

本发明所要解决的目的是提供一种机器人用柔性法兰，可以多自由度移动，解决机器人在装配和加工过程中因不能灵活移动或信号反馈延迟，而导致的碰撞损坏工件的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种机器人用柔性法兰，包括：

外壳，其上设有用以输入设定压力的气体或液体的输入接口，并在一端设有开口；

连接法兰，其活动设置于外壳的该一端，且其连接部分伸出所述开口，其基座部分位于外壳的内部，所述连接法兰和外壳之间形成一用以容纳所述输入接口输入的气体或液体的密封室；以及

弹性部件，设置在所述密封室内，其连接所述连接法兰，并能够带动所述连接法兰作一定的弹性伸缩，从而所述连接法兰能够根据气体或液体压力和外力的作用，并在所述弹性部件的配合下相应浮动；还包括

限制部，用以限制所述连接法兰绕其轴线转动。

根据本发明的一个实施例，所述外壳包括外壳基座和端盖，所述端盖固定连接外壳基座，所述端盖上设有用于连接法兰的连接部分伸出其外的开口，所述端盖能够阻挡所述连接法兰的基座部分以限制其向外滑出。

根据本发明的一个实施例，所述连接法兰上设有定位凸部，所述端盖上设有和所述定位凸部配合的定位凹槽。

根据本发明的一个实施例，所述端盖的开口口径稍大于所述连接法兰的连接部分的外径，所述连接法兰的连接部分和所述端盖之间设置有密封件。

根据本发明的一个实施例，所述密封件为旋转油封，其安装在所述端盖开口附近，其内圈与所述连接法兰的连接部分的侧壁贴合。

根据本发明的一个实施例，所述限制部包括转动限制件和直线滑槽或直线滑轨，所述转动限制件设置在所述连接法兰的基座部分的侧壁上，所述直线滑槽或直线滑轨设置在所述外壳内壁上，并配合所述转动限制件，所述直线滑槽或直线滑轨使得所述转动限制件仅在其槽向或轨向上滑动，从而所述连接法兰无法绕其轴向转动。

根据本发明的一个实施例，所述转动限制件为球状物件，所述球状物件部分设置在连接法兰上，部分设置在所述直线滑槽或直线滑轨上，所述连接法兰能够贴合于球状物件的球面做相对运动。

根据本发明的一个实施例，所述弹性部件一端连接在所述连接法兰的基座部分的底部，另一端连接在所述外壳不设有开口的一端的底部。

根据本发明的一个实施例，所述弹性部件包括多个弹性元件，且呈圆周分布在所述连接法兰的基座部分的底部。

根据本发明的一个实施例，所述输入接口连接一快插接头。

一种机器人，使用前述中任意一项所述的机器人用柔性法兰。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：连接法兰和外壳的连接为可活动连接，两者之间又构成一密封室，并在密封室内设置弹性部件，连接法兰可以通过弹性部件弹性伸缩，从而在工作时，密封室内通入设定压力的气体或液体，连接法兰受到外力和气体或液体压力的作用，在弹性部件的配合之下，作出相应浮动，从而能够找到相应力的平衡点，当作用在工件的外力大于柔性法兰内气体或液体压力时，连接法兰可以沿轴线方向移动或相对于轴线方向倾斜、偏转，从而防止过大的作用力破坏工件，本发明的柔性法兰能够使执行工具在受到超过设定的负载的时候，有一定的浮动能力，具有多个方向自由度，从而执行工具能够准确定位工件。

附图说明

图1为本发明一个实施例的机器人用柔性法兰的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的柔性法兰与机器人连接结构示意图；

图3为本发明一个实施例的带有柔性法兰的机器人结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的柔性法兰适合用于工业机器人，可以作为在机器人和执行机构之间的过渡连接装置，将法兰设置为柔性机构，连接法兰能够在多个方向上移动，连接法兰连接执行机构，从而执行机构具有多运动自由度，执行结构例如是抓取工件的执行机构，本发明的柔性法兰相比单自由度机构而言运动自由度多，相比六维力传感器而言，无需反应延迟时间，减小了工件受损害的可能性，本发明柔性法兰能够根据所需受外力及所需姿态，确定需要通入柔性法兰内的气体或液体压力，在外力和气体或液体压力的作用下，连接法兰移动到所需位置，能够实现精确定位。

参看图1，在本实施例中，机器人用柔性法兰包括：外壳，连接法兰4，弹性部件7和限制部。外壳由一端开口的外壳基座2和端盖1构成，也可以是两端开口的外壳基座和上下两个端盖构成，具体的可以通过螺栓将外壳基座2和端盖1连接起来，或者螺纹连接或其他方式连接，当然，外壳的具体形式并不限制于此，例如可以是一体成型的外壳，或者以其他构成部件及形式连接的外壳。

外壳上设有用以输入设定压力的气体或液体的输入接口，可以通入具有设定压力的气体或液体，例如是压缩的液体或气体，该设定压力可以根据执行机构所需承受的外力和其姿态确定，通入的气体或液体进入到外壳的内部，外壳的壁上还可以开设一通道连通输入接口和外壳内部，在图1中，外壳的形状为圆柱形，在外壳的底面靠近边缘处设置输入接口。在一个较佳的实施例中，输入接口连接一快插接头6，即插即用，且连接方便。

在外壳一端面上还设有开口，该开口用于伸出连接法兰，若外壳由外壳基座2和端盖1构成，则也可以在端盖1上开设相应开口，该开口用于伸出连接法兰，因而开口最好呈圆形。

连接法兰4活动设置于外壳的设有开口的一端，且其连接部分伸出开口之外，其基座部分位于外壳的内部，连接法兰4的基座部分外径大于连接部分的外径，因而外壳的开口口径小于连接法兰4基座部分的外径，从而能够抵挡基座部分，防止其往外滑出。连接法兰4和外壳之间形成一用以容纳输入接口输入的气体或液体的密封室8，密封室8所起的作用是在气体或液体输入到密封室8内时，由于密封室8的构成部分，连接法4是可活动的，而密封室8本身是密封的，则气体或液体会对连接法兰4产生推动力，从而推动连接法兰运动，当然，弹性部件7也起到了一定的推动作用，弹性部件7和密封室8内通入的气体或液体产生的力，与外部作用到连接法兰4上的力，共同作用在连接法兰4上，使得连接法兰4浮动，最终得到力和力矩的平衡。

其中，弹性部件7设置在密封室8内，其连接该连接法兰4，并能够带动连接法兰4作一定的弹性伸缩，较佳的，在初始状态下，弹性部件7由连接法兰4和外壳预先压紧，将连接法兰4顶出，但是弹性部件7依然还可以拉伸或压缩，而后在连接法兰4受到外力和密封室8内压力时，连接法兰4根据受力情况，拉动或压缩弹性部件7，做前后移动，或者偏移轴向运动，或倾斜于轴向运动，换言之，连接法兰4能够根据气体或液体压力和外力的作用，并在弹性部件7的配合下相应浮动。

通过限制部限制连接法兰4绕其轴线转动，防止连接法兰4受外力后随意转动，而无法具有一个固定的承力部，限制部的具体实施方式不作为限制，只要起到阻止连接法兰4周向转动即可。

在系统工作时，根据工件的重量和姿态，确定往柔性法兰的密封室8内输入的压力，从而通入相应量的液体或气体。当作用在工件外力大于密封室8内的作用力的时候，连接法兰4就会沿着其轴线产生前后移动或者相对其轴线产生倾斜和偏转，从而防止过大的作用力破坏工件。

在一个实施例中，外壳可以包括外壳基座2和端盖1，如图1，端盖1固定连接外壳基座2，端盖1上设有用于连接法兰4的连接部分伸出其外的开口，端盖1能够阻挡连接法兰4的基座部分以限制其向外滑出。

较佳的，连接法兰4上设有定位凸部5，端盖1上设有和定位凸部5配合的定位凹槽，具体的，连接法兰4上设有定位凸环，设置在基座部分的靠近边缘处，当然是面向端盖1的一面上，端盖1相应位置在设有和定位凸环相配合的环形凹槽，在连接法兰4被密封室8内作用力推动时，连接法兰4的定位凸环落入环形凹槽中，连接法兰4被支撑并定位住。定位凸部5也可以采用圆周布置的多个钢球，定位凹槽为多个和钢球配合的凹部，或者为一环形凹槽。

端盖1的开口口径(直径)稍大于连接法兰4伸出的连接部分的外径(直径)，以使连接法兰4相对于端盖1可活动，连接法兰4的连接部分和端盖1之间设置有密封件3，保证柔性法兰的气密性，避免实际的气体压力和理想的气体压力偏差过大，由于连接法兰4的基座部分和外壳内壁之间可以存在一定的间距，因而气液会跑到基座部分上方去，因而连接部分和端盖设置密封件3也可以作为密封室8的一部分。

较佳的，该密封件3为旋转油封，其安装在端盖1开口附近，其内圈与连接法兰4的连接部分的侧壁贴合，从而在实现密封性能的同时，不影响连接法兰4的可活动，只是活动范围在旋转油封的可延展范围内。当然，该密封件3也可以采用其他具体方式，例如是弹性膜结构或弹性伸缩防护罩。

较佳的，限制部(图中未示出)包括转动限制件和直线滑槽，直线滑槽也可以替换为直线滑轨，连接法兰4上设有转动限制件，外壳内部设有配合并用于转动限制件前后滑动的直线滑槽，或者也可以是直线滑轨，直线滑槽或直线滑轨使得转动限制件仅在其槽向或轨向上滑动，从而连接法兰无法绕其轴向转动。

具体的，该转动限制件为球状物件，球状物件部分设置在连接法兰4上，部分设置在直线滑槽或直线滑轨上，连接法兰4能够贴合于球状物件的球面做相对运动。球状物件例如可以是钢珠，连接法兰4的基座部分的侧壁上设有匹配钢珠的凹部，外壳内壁对应钢珠移动的位置上则有用于钢珠滑动的直线滑槽，钢珠部分位于凹部内，部分位于直线滑槽内，钢珠可以滚滑，也可以非滚滑，连接法兰4的基座部分外径小于外壳基座2内径，也就是钢珠架起了连接法兰。由于钢珠被直线滑槽限制，连接法兰被钢珠限制，因而连接法兰4无法绕其轴线做周向运动，那么连接法兰4可以在固定的方向上承受相应工作力和力矩，而连接法兰4仍然可以做偏移轴线运动、倾斜于轴线运动、前后移动，在各个运动自由度上浮动。

在一个实施例中，弹性部件7一端连接在连接法兰4的基座部分的底部，另一端连接在外壳不设有开口的一端的底部，弹性部件7由连接的基座部分和外壳压紧，当工作时，连接法兰4受外力或密封室8内压力，而拉动或压缩弹性部件7，并且拉动或压缩可以是针对弹性部件7整体，也可以是其上的某一个部位。

较佳的，弹性部件7包括多个弹性元件，且呈圆周分布，连接在连接法兰4的基座部分的底部，弹性部件7例如是波纹管，多个波纹管均匀地呈圆周排列分布在连接法兰4的基座部分和外壳底部之间，也就是圆周分布在密封室8内，从而使得连接法兰4在多个方位上浮动时，弹性部件7都能够配合。

为了实现密封室的气密性，实际中，可以在需要使用密封部件的部位添加密封部件。

参考图2和图3，示出一种机器人，使用前述实施例中任意一项所述的机器人用柔性法兰。在图2中，柔性法兰S通过螺栓102与转接板101和103连接，转接板103通过螺栓固定在机器人输出轴104的法兰盘上，但是连接方式也可以是螺栓连接以外的其他方式。在图3中，柔性法兰S一方面和机器人连接，另一方面和执行机构H连接，具体是连接法兰和执行机构H连接，执行机构H例如是工件抓手，用于抓取工件P，在机器人的工作过程中，将工件P之间的接触力控制在预先设定的范围内。当然执行机构H也可以为其他，例如是切割机构，在机器人加工的过程中，能够避免切削力过大，破坏不该被加工的区域。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种机器人用柔性法兰，其特征在于，包括：

外壳，其上设有用以输入设定压力的气体或液体的输入接口，并在一端设有开口；

连接法兰，其活动设置于外壳的该一端，且其连接部分伸出所述开口，其基座部分位于外壳的内部，所述连接法兰和外壳之间形成一用以容纳所述输入接口输入的气体或液体的密封室；以及

弹性部件，设置在所述密封室内，其连接所述连接法兰，并能够带动所述连接法兰作一定的弹性伸缩，从而所述连接法兰能够根据气体或液体压力和外力的作用，并在所述弹性部件的配合下相应浮动；还包括

限制部，用以限制所述连接法兰绕其轴线转动；

弹性部件也起到一定的推动作用，弹性部件和密封室内通入的气体或液体产生的力，与外部作用到连接法兰上的力，共同作用在连接法兰上，使得连接法兰浮动，最终得到力和力矩的平衡。

2.如权利要求1所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述外壳包括外壳基座和端盖，所述端盖固定连接外壳基座，所述端盖上设有用于连接法兰的连接部分伸出其外的开口，所述端盖能够阻挡所述连接法兰的基座部分以限制其向外滑出。

3.如权利要求2所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述连接法兰上设有定位凸部，所述端盖上设有和所述定位凸部配合的定位凹槽。

4.如权利要求2所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述端盖的开口口径稍大于所述连接法兰的连接部分的外径，所述连接法兰的连接部分和所述端盖之间设置有密封件。

5.如权利要求4所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述密封件为旋转油封，其安装在所述端盖开口附近，其内圈与所述连接法兰的连接部分的侧壁贴合。

6.如权利要求1所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述限制部包括转动限制件和直线滑槽或直线滑轨，所述转动限制件设置在所述连接法兰的基座部分的侧壁上，所述直线滑槽或直线滑轨设置在所述外壳内壁上，并配合所述转动限制件，所述直线滑槽或直线滑轨使得所述转动限制件仅在其槽向或轨向上滑动，从而所述连接法兰无法绕其轴向转动。

7.如权利要求6所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述转动限制件为球状物件，所述球状物件部分设置在连接法兰上，部分设置在所述直线滑槽或直线滑轨上，所述连接法兰能够贴合于球状物件的球面做相对运动。

8.如权利要求1所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述弹性部件一端连接在所述连接法兰的基座部分的底部，另一端连接在所述外壳不设有开口的一端的底部。

9.如权利要求1所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述弹性部件包括多个弹性元件，且呈圆周分布在所述连接法兰的基座部分的底部。

10.如权利要求1所述的机器人用柔性法兰，其特征在于，所述输入接口连接一快插接头。

11.一种机器人，其特征在于，使用如权利要求1至10中任意一项所述的机器人用柔性法兰。