CN105881586B - 一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构 - Google Patents

一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构 Download PDF

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范庆麟
王燕波
陈志鸿
张科
邹河彬
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Abstract

一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，夹持机构与气爪固定，气爪上端通过气爪法兰盘安装在下法兰板的下方；下法兰板两端固定安装直线轴承，两个直线轴承的内工作面与导向限位轴配合，导向限位轴穿过下法兰板的部分通过两个下锁紧螺母连接，压缩弹簧穿过导向限位轴，压缩弹簧一端与直线轴承的外端面固定，另一端通过安装在上法兰板下方的弹簧套筒进行固定，弹簧套筒和直线轴承位于下法兰板上方的部分作为压缩弹簧上下两端的导向限位机构，通过压缩弹簧的预紧力使整个末端执行保护机构在正常工作时为刚性结构；导向限位轴穿过上法兰板的部分通过两个上锁紧螺母进行锁紧固定，上法兰板与机械臂固定，气爪接收机械臂上的气体，实现对夹持机构的夹持控制。

Description

一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构
技术领域
本发明涉及一种机械臂防撞保护机构，尤其适用于分拣机械臂。
背景技术
工业机械臂是可以完成预定动作的一种自动化机械设备，由于其工作内容和外形与人类手臂有相似性，固被称为工业机械臂。工业机械臂的应用十分广泛，遍布于点爆、弧辉、装配、喷漆、切割、搬运、包装码操等各个工位。对于不同的工作环境和工作目标，机械臂要承担相应的的工作内容。
运用工业机械臂对生产工艺进行改进，可以在保障人身安全、降低工作环境对人体造成的危害、减轻劳动强度、提高生产效率的同时，还可以提高产品的质量与产量，节约生产原材料以及降低生产成本，带来经济效益，对工业制造业的发展具有重要的意义。常见的工业机械臂包括六个自由度的六轴垂直多关节机械臂、四自由度的四轴搬运机械臂和SCARA装配机械臂以及DELTA并联拾取机械臂等。
工业机械臂都是基于刚性机构连接来保证系统的精度和机构的刚度。当机械臂按照人工设定的轨迹进行重复性工作时，基本都是假定机械臂末端执行机构的操作对象和周围环境是人工预定的状态。而在实际工况中，由于不确定因素的存在，机械臂的操作对象和作为环境往往和人工预定的状态不一致。比如机械臂在执行分拣、搬运、码垛等任务时，机械臂的末端执行机构很容易与操作对象发生和着变化的操作环境发生碰撞。当末端执行器发生碰撞时会给刚性机械臂本体带来巨大冲击甚至直接损坏机械臂。目前还没有发现针对这一问题的相关专利和文献，为了保护末端执行器发生冲击碰撞时机械臂本体的安全，本文特提出一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构。
发明内容
本发明的技术解决问题：填补现有技术的空白，提供一种体积小、重量轻、可靠性高的具有单向缓冲功能的机械臂末端执行保护机构。
本发明的技术解决方案：一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，包括上法兰板、上锁紧螺母、弹簧套筒、压缩弹簧、直线轴承、下法兰板、下锁紧螺母、导向限位轴、气爪法兰盘、气爪、夹持机构；
夹持机构与气爪固定，气爪上端通过气爪法兰盘安装在下法兰板的下方；下法兰板两端固定安装直线轴承，两个直线轴承的内工作面与导向限位轴配合，导向限位轴穿过下法兰板的部分通过两个下锁紧螺母连接，压缩弹簧穿过导向限位轴，压缩弹簧一端与直线轴承的外端面固定，另一端通过安装在上法兰板下方的弹簧套筒进行固定，弹簧套筒和直线轴承位于下法兰板上方的部分作为压缩弹簧上下两端的导向限位机构，通过压缩弹簧的预紧力使整个末端执行保护机构在正常工作时为刚性结构；导向限位轴穿过上法兰板的部分通过两个上锁紧螺母进行锁紧固定，上法兰板与机械臂固定，气爪接收机械臂上的气体，实现对夹持机构的夹持控制。
所述压缩弹簧的预紧力需要保证末端抓取机构在机械臂最大加速度运动时，压缩弹簧不发生形变。
所述的夹持机构为弯曲的钣金结构，通过优化弯曲角度和长度使得夹持机构对目标夹持物的适应性最好，具体确定步骤如下：
首先，根据机械臂末端最后一个关节即上法兰板处伸出的距离要求，在要求范围内选取目标夹持物中心相对夹持机构回转中心高度差为H和夹持机构上半段长度L1；
然后，根据公式以目标夹持物圆周的覆盖面积σ最大为优化目标进行优化，在已经目标夹持物的直径的基础上，确定夹持机构弯曲角度θ以及夹持夹片弯曲后的长度L2；所述的目标夹持物为主要为圆柱形的物体。
当目标夹持物为瓶子时，夹片弯曲后的长度L2为15～20mm，夹持机构弯曲角度θ为110°～125°。
在钣金结构外侧设计夹片加强筋，实现减重并保证刚度的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：该机构作为机械臂本体与末端执行器的连接机构，在机械臂最后一个关节的轴向上具有弹性。同时该机构在该方向上具有预紧力，当这个方向上的载荷小于预紧力的时候，该机构作为一个刚体保证机械臂的刚度；当这个方向上的冲击载荷大于对应预紧力的时候，该机构会压缩变形吸收冲击势能，保护机械臂本体。
附图说明
图1为本发明机构正常状态示意图；
图2为本发明受力后缓冲碰撞机构示意图；
图3为本发明夹持结构相关参数表示示意图；
图4为本发明装备在机械臂状态下装配简图。
具体实施方式
普通工业机械臂都是基于刚性机构连接，当末端执行器发生刚性碰撞时会给机械臂本体带来巨大冲击甚至直接损坏机械臂，本文提出一种基于皮囊气缸的全自由度机械臂末端保护机构。该机构作为机械臂本体与末端执行器的连接机构，在空间全部六个自由度上都具有弹性。同时该机构在六个自由度上具有预紧力，当每个方向上的载荷小于对应的预紧力的时候，该机构作为一个刚体保证机械臂的刚度；当某个方向上的载荷大于对应预紧力的时候，该机构会压缩变形吸收冲击势能，保护机械臂本体。
如图1、2、4所示，本发明单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，上锁紧螺母1、包括上法兰板2、弹簧套筒3、压缩弹簧4、直线轴承5、下法兰板6、导向限位轴7、下锁紧螺母8、气爪法兰盘9、气爪10、夹持机构11和机械臂12。
夹持机构11与气爪10固定，气爪10上端通过气爪法兰盘9安装在下法兰板6的下方；下法兰板6两端固定安装直线轴承5，两个直线轴承的内工作面与导向限位轴7配合，导向限位轴7穿过下法兰板6的部分通过两个下锁紧螺母8连接，压缩弹簧4穿过导向限位轴7，压缩弹簧4一端与直线轴承的外端面固定，另一端通过安装在上法兰板2下方的弹簧套筒进行固定，弹簧套筒3和直线轴承5位于下法兰板上方的部分作为压缩弹簧上下两端的导向限位机构，通过压缩弹簧的预紧力使整个末端执行保护机构在正常工作时为刚性结构；导向限位轴穿过上法兰板2的部分通过两个上锁紧螺母进行锁紧固定，上法兰板与机械臂固定，气爪10接收机械臂上的气体，实现对夹持机构11的夹持控制。
夹持机构11采用带有一定角度的钣金件，角度与钣金件下方弯曲部分的长度，需要达到与夹持目标(圆柱体)紧密贴合，达到抓取状态最稳定且不容易脱落的目的，因此，通过上述考虑，如图3所示，目标夹持物直径为夹持机构两个回转中心的距离为D，夹持机构弯曲角度为θ，夹持机构上半段长度L1，下半段长度L2，目标夹持物中心相对夹持机构回转中心高度差为H。以夹持机构对目标夹持物圆周的覆盖面积σ为优化目标，σ越大说明抓取稳定性越好。夹持机构的关键尺寸具体确定方法如下：
首先根据机械臂末端最后一个关节(即上法兰板2处)伸出的距离要求，在要求范围内选取目标夹持物中心相对夹持机构回转中心高度差为H和夹持机构上半段长度L1；
然后根据选定的和L1和H，可以得出：
从上式可以看出，σ与目标夹持物直径夹持机构弯曲角度θ、夹持机构上半段长度L1、下半段长度L2、目标夹持物中心相对夹持机构回转中心高度差H相关。由于本文针对的目标夹持物为主体为圆柱形的物体，例如市面上常见的普通瓶子，直径在一个确定的范围，因此可以确定。综上所述，目标夹持物圆周的覆盖面积σ与夹持机构弯曲角度θ以及夹持夹片弯曲后的长度L2有关。
以夹持机构对目标夹持物圆周的覆盖面积σ为优化目标，σ越大说明抓取稳定性越好。通过计算，当夹片弯曲后的长度L2为15～20mm，时夹持机构弯曲角度θ为110°～125°时(以120°为最优角度)，目标夹持物圆周的覆盖面积σ最大，夹持稳定性最好。
机械臂运动到目标点的过程中，要保证整个末端执行保护机构是一个刚性机构，当本发明机构在机械臂的作用下根据指令运动到目标的位置时，当目标所在环境使得抓取过程中末端执行保护机构遭受到意外冲击时，由于夹持机构、气爪、气爪法兰盘9和下法兰板6、直线轴承相对固连，构成一个刚性体，冲击力带动刚性体运动，压缩弹簧在冲击力的作用下进一步压缩，对冲击力进行缓冲，起到对机械臂的保护作用。
为了保证在机械臂运动到目标点的过程中，要保证整个末端执行保护机构是一个刚性机构，以及在抓捕过程中未发生意外冲击过程中末端执行保护机构是一个刚性机构，因此必须保证压缩弹簧预紧力。压缩弹簧预紧力计算区别一般预紧力计算方法是加入了机械臂末端执行机构的最大加速度，压缩弹簧的预紧力需要保证末端抓取机构在机械臂最大加速度运动时，压缩弹簧不发生形变。假设机械臂末端最大加速度是a，末端执行机构的质量为m，当a竖直向上时，压缩弹簧所受到的压力最大,此时压力为弹簧预紧力的临界值。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，其特征在于：包括上法兰板(2)、上锁紧螺母(1)、弹簧套筒(3)、压缩弹簧(4)、直线轴承(5)、下法兰板(6)、下锁紧螺母(8)、导向限位轴(7)、气爪法兰盘(9)、气爪(10)、夹持机构(11)；
夹持机构(11)与气爪(10)固定，气爪(10)上端通过气爪法兰盘(9)安装在下法兰板(6)的下方；下法兰板(6)两端固定安装直线轴承(5)，两个直线轴承的内工作面与导向限位轴(7)配合，导向限位轴(7)穿过下法兰板(6)的部分通过两个下锁紧螺母(8)连接，压缩弹簧(4)穿过导向限位轴(7)，压缩弹簧(4)一端与直线轴承的外端面固定，另一端通过安装在上法兰板(2)下方的弹簧套筒进行固定，弹簧套筒(3)和直线轴承(5)位于下法兰板上方的部分作为压缩弹簧上下两端的导向限位机构，通过压缩弹簧的预紧力使整个末端执行保护机构在正常工作时为刚性结构；导向限位轴穿过上法兰板(2)的部分通过两个上锁紧螺母进行锁紧固定，上法兰板与机械臂固定，气爪(10)接收机械臂上的气体，实现对夹持机构(11)的夹持控制；
所述的夹持机构(11)为弯曲的钣金结构，通过优化弯曲角度和长度使得夹持机构对目标夹持物的适应性最好，具体确定步骤如下：
首先，根据机械臂末端最后一个关节即上法兰板(2)处伸出的距离要求，在要求范围内选取目标夹持物中心相对夹持机构回转中心高度差为H和夹持机构上半段长度L1；
然后，根据公式以目标夹持物圆周的覆盖面积σ最大为优化目标进行优化，在已知目标夹持物的直径的基础上，确定夹持机构弯曲角度θ以及夹持夹片弯曲后的长度L2；所述的目标夹持物为圆柱形的物体。
2.根据权利要求1所述的一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，其特征在于：所述压缩弹簧的预紧力需要保证末端抓取机构在机械臂最大加速度运动时，压缩弹簧不发生形变。
3.根据权利要求1所述的一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，其特征在于：当目标夹持物为瓶子时，夹片弯曲后的长度L2为15～20mm，夹持机构弯曲角度θ为110°～125°。
4.根据权利要求1所述的一种具有单向缓冲功能的机器人末端执行保护机构，其特征在于：在钣金结构外侧设计夹片加强筋，实现减重并保证刚度的目的。
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