CN108638103B - 一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器及调整方法，执行器主要由定位调整板、升降电缸、激光位移传感器、夹爪机构、连接法兰、基座、驱动电机、固定连杆、铰链构成。定位调整板和零件的定位面贴合后，能够通过几何结构获取零件定位面和安装面的相对位置几何关系。四个激光位移传感器能够判断被装配面的型面实际姿态和法向，定位调整板能够在升降电缸的作用下按照实际配合型面的姿态完成零件安装面角度的调整，保证零件安装面和被装配面的法向近似一致性。该末端执行器安装在多关节机器人末端，能够完成零件自动抓取、零件姿态的调整，完成零件的自动定位，保证零件和被装配面之间的装配间隙值，提高零件装配的质量和效率。

Description

一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器及调整方法

技术领域

本发明涉及一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器装置，用于零件装配时被自动抓取、姿态的调整等，属于装配制造技术领域。

背景技术

运载火箭等箭体舱段部件为柱形或锥形薄壁回转体结构，在舱段内壁或外壁上安装装配有支架类零件。目前零件完全采用人工划线、定位等操作方式进行装配。为实现支架类零件自动化装配，在关节臂机器人基础上，研制支架类零件自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器。箭体舱段具有一定的变形，因此舱段上和零件的配合面和理论值具有一定偏差，而目前自动抓取机构不能够对实际的配合面变形量进行判断并对零件的姿态进行调整，造成两者配合质量差，产生较大的装配间隙和干涉。

另外，部分零件配合面和定位面并不近似平行，因此在回转体舱段内部自动调整并装配零件时，末端执行器调整的姿态幅度较大，会和产品发生干涉。这就要求末端执行器上具备零件姿态大角度的调整机构，而末端执行器本身作微量调整，满足回转体舱段内部零件的定位空间要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种支架类零件自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器，

为解决以上问题，本装置的具体技术方案如下：一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器，包括定位调整板、升降电缸、激光位移传感器、夹爪机构、连接法兰、基座、电机、连杆组件；通过连接法兰将整个末端执行器与机器人连接；

定位调整板包括一个抓取定位面板和固定在该面板一面上的两个支腿，两个支腿的自由端分别连接连杆组件，其中一个连杆组件与基座固连，另外一个连杆组件连接升降电缸的输出端，激光位移传感器安装在夹爪机构上，激光发射方向朝向待抓取物件方向，用于测量被装配面的实际型面；夹爪机构通过滑轨的形式安装在定位调整板的两侧，通过两侧夹紧的方式将待抓取物件夹持，通过电机驱动升降电缸控制连杆组件调整定位面板的角度，使待抓取物件与被装配面的实际型面相匹配。

进一步的，所述的抓取定位面板型面与待抓取物件的定位平面贴合。

进一步的，所述的连杆组件包括固定连杆和铰链；定位调整板的两个支腿自由端以及固定连杆的一端均设置圆孔结构，用于安装铰链，固定连杆和定位调整板能够绕铰链轴线进行回转运动。

进一步的，所述的夹爪机构包括两个夹爪、T型导轨座；两个夹爪结构对称，底部和T型导轨座上的导轨槽配合实现直线移动。

进一步的，所述的末端执行器适用于支架类零件，所述的支架类零件具有支腿结构，包括定位平面、被装配型面，定位平面和被装配型面间具有相对准确的几何结构关系。

进一步的，夹爪夹持长度为l，夹持宽度为d，应满足下述条件5R₁≥l≥3R₁，d≥1/2d₁，d₁为零件宽度。

进一步的，所述的激光位移传感器为四个，安装位置相对抓取定位面板的中心对称分布。

一种所述的末端执行器的调整方法，步骤如下：

第一步，通过机器人控制系统控制末端执行器的定位调整板的抓取定位面板贴合待抓取物件的抓取面；

第二步，控制夹爪机构从两侧将待抓取物件夹持，并移动到待安装位置；

第三步，激光位移传感器测量待安装位置处被装配面的实际型面，将实际型面数据发送至机器人控制系统；

第四步，机器人控制系统根据接收到的实际型面数据结合当前末端执行器的位置，计算需要调整的定位面板的角度，将该角度值根据连接组件与定位调整板的相对位置关系，转化成升降电缸的驱动指令，升降电缸根据该驱动指令进行驱动进而完成上述角度调整。

进一步的，在第一步前通过驱动电机驱动升降电缸，使定位调整板的抓取定位面处于0°，即定位调整板与连接法兰轴线垂直。

进一步的，所述的计算需要调整的定位面板的角度通过下属方式实现：

首先，通过激光位移传感器反馈的测量数据拟合出四个测量点几何中心的法向；

然后，将拟合得到的法向与当前末端执行器的法向进行比较，二者之间的角度即为需要调整的定位面板的角度；所述的当前末端执行器的法向为定位调整板的抓取定位面的法向。

本发明与现有技术相比的有益效果是：该装置能够实现支架类零件的自动抓取，抓取可靠性高，并且具有一定的柔性，可适应一定尺寸范围的支架类零件；支架类零件定位面和定位板抓取面贴合后，通过几何结构可将其被装配面、支架类零件的定位面(即定位板抓取面)快速确立相对位置关系，机器人通过上述关系可获得当前支架类零件的装配配合面的姿态等数据信息，从而通过控制系统驱动零件实现装配定位；通过四个激光位移传感器测量待安装位置处被装配面的实际型面，将实际型面数据发送至机器人控制系统，机器人控制系统根据接收到的实际型面数据结合当前末端执行器的位置，计算需要调整的定位面板的角度，将该角度值根据连接组件与定位调整板的相对位置关系，转化成升降电缸的驱动指令，升降电缸根据该驱动指令进行驱动进而完成上述角度调整，从而完成支架类零件被装配面的姿态和精度调整，使支架类零件被装配面和其配合的型面实现准确匹配。该装置能够实现零件的快速抓取、被装配面的准确测量、支架类零件姿态的准确调整，填补了支架类零件自动化装配的空白，提高了自动化装配技术水平，提高了零件的装配效率。

附图说明

图1为一种支架类零件自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器；

图2为铰链。

图3为典型的支架类零件。

具体实施方式

一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器，如图1所示，包括：定位调整板1、升降电缸2、激光位移传感器3、夹爪机构4、连接法兰5、基座6、驱动电机7、连杆组件(固定连杆8、铰链9)。

所述的连接法兰将整个末端执行器与机器人连接；

所述的定位调整板1能够实现通过定位板上的平面定位待抓取物件10，保证零件面和定位面贴合。两侧支腿上的圆孔结构和连杆组件(固定连杆8、铰链9)相配合，能够实现绕铰链9中心的回转运动，实现待抓取物件10角度姿态的调整。

如图1所示，所述的升降电缸2为标准件，具有输出端，输出端和连杆组件中的一处固定连杆8固连。

如图1所示，所述的激光位移传感器3为标准件，共四个。分别均布在夹爪机构4上的导轨座上，激光发射方向朝向待抓取物件10方向。四个激光位移传感器可以判断被装配舱段内型面的实际姿态。

如图1所示，所述的夹爪机构4包括两个夹爪、导轨座。两个夹爪结构对称，底部和导轨座上的导轨槽配合实现直线移动。

所述的连接法兰5安装于基座6一端。连接法兰5另一端连接机器人。所述的基座6用于安装夹爪机构4、升降电缸2、连接法兰5、驱动电机7、固定连杆8。所述的驱动电机7为标准件，用于驱动升降电缸2以实现升降杆的直线移动。驱动电机7固连在基座6上。

本例中的连杆组件包括固定连杆8和铰链9，所述的固定连杆8一端安装在基座6上，另一端具有孔结构通过铰链9和定位调整板1连接。能够实现绕孔轴线的回转运动。

如图1、2所示，所述的铰链9包括铰链轴11和铰链盖12，铰链轴11和铰链盖12通过螺纹固连，铰链轴11和定位调整板1的孔、固定连杆8上的孔相配合，实现回转运动。

本发明可以适用被装配面需调姿的零件的自动化装配，尤其适用于一种支架类零件，如图3所示，该支架类零件包括定位平面、被装配型面(不局限于平面)等结构，定位平面和被装配型面间具有相对准确的几何结构关系。当抓取上述支架类零件时，为了提高抓取的可靠性，夹爪夹持长度为l，夹持宽度为d，应满足下述条件5R₁≥l≥3R₁，d≥1/2d₁，d₁为零件宽度。夹持长度l过短，零件加持后不稳定；夹持长度l过长，会导致零件局部变形。

上述末端执行器的调整方法，包括以下步骤：

1)首先通过驱动电机7驱动升降电缸2，使定位调整板1定位面处于0°(即定位调整板与连接法兰轴线垂直)。

2)抓取待抓取物件10之后完成和定位调整板1的定位面贴合，夹爪机构4从待抓取物件10两侧完成夹紧。

3)移动至被装配区域后，通过四个激光位移传感器3完成实际被装配面姿态的测量。具体的：

由于四个激光位移传感器为安装位置相对抓取定位面板的中心对称分布，因此能够获取四个方位的距离信息，将该距离信息传输至机器人的控制系统，控制系统通过现有的四点法向调平方法，可以拟合出四个测量点几何中心的法向；将拟合得到的法向与当前末端执行器的法向进行比较，二者之间的角度即为需要调整的定位面板的角度；所述的当前末端执行器的法向为定位调整板的抓取定位面的法向。

4)将该角度值根据连接组件与定位调整板的相对位置关系，转化成升降电缸的驱动指令，通过驱动电机7驱动升降电缸2，调整定位调整板1上定位面的角度姿态，完成待抓取物件10姿态的调整，保证待抓取物件10和被装配面的配合质量。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种自动抓取及位姿调整的机器人末端执行器，其特征在于：包括定位调整板(1)、升降电缸(2)、激光位移传感器(3)、夹爪机构(4)、连接法兰(5)、基座(6)、电机(7)、连杆组件；通过连接法兰将整个末端执行器与机器人连接；

定位调整板(1)包括一个抓取定位面板和固定在该面板一面上的两个支腿，两个支腿的自由端分别连接连杆组件，其中一个连杆组件与基座(6)固连，另外一个连杆组件连接升降电缸(2)的输出端，激光位移传感器(3)安装在夹爪机构上，激光发射方向朝向待抓取物件(10)方向，用于测量被装配面的实际型面；夹爪机构(4)通过滑轨的形式安装在定位调整板(1)的两侧，通过两侧夹紧的方式将待抓取物件夹持，通过电机(7)驱动升降电缸(2)控制连杆组件调整定位面板的角度，使待抓取物件与被装配面的实际型面相匹配。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述的抓取定位面板型面与待抓取物件的定位平面贴合。

3.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述的连杆组件包括固定连杆(8)和铰链(9)；定位调整板(1)的两个支腿自由端以及固定连杆的一端均设置圆孔结构，用于安装铰链(9)，固定连杆(8)和定位调整板(1)能够绕铰链(9)轴线进行回转运动。

4.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述的夹爪机构(4)包括两个夹爪、T型导轨座；两个夹爪结构对称，底部和T型导轨座上的导轨槽配合实现直线移动。

5.根据权利要求1或4所述的末端执行器，其特征在于：所述的末端执行器适用于支架类零件，所述的支架类零件具有支腿结构，包括定位平面、被装配型面，定位平面和被装配型面间具有相对准确的几何结构关系。

6.根据权利要求5所述的末端执行器，其特征在于：夹爪夹持长度为l，夹持宽度为d，应满足下述条件5R₁≥l≥3R₁，d≥1/2d₁，d₁为零件宽度；所述的R₁为支架类零件上的圆角半径。

7.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述的激光位移传感器为四个，安装位置相对抓取定位面板的中心对称分布。

8.一种权利要求1所述的末端执行器的调整方法，其特征在于步骤如下：

第一步，通过机器人控制系统控制末端执行器的定位调整板的抓取定位面板贴合待抓取物件的抓取面；

第二步，控制夹爪机构从两侧将待抓取物件夹持，并移动到待安装位置；

第三步，激光位移传感器测量待安装位置处被装配面的实际型面，将实际型面数据发送至机器人控制系统；

第四步，机器人控制系统根据接收到的实际型面数据结合当前末端执行器的位置，计算需要调整的定位面板的角度，将该角度值根据连接组件与定位调整板的相对位置关系，转化成升降电缸的驱动指令，升降电缸根据该驱动指令进行驱动进而完成上述角度调整。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在第一步前通过驱动电机驱动升降电缸，使定位调整板的抓取定位面处于0°，即定位调整板与连接法兰轴线垂直。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述的计算需要调整的定位面板的角度通过下述方式实现：

首先，通过激光位移传感器反馈的测量数据拟合出四个测量点几何中心的法向；

然后，将拟合得到的法向与当前末端执行器的法向进行比较，二者之间的角度即为需要调整的定位面板的角度；所述的当前末端执行器的法向为定位调整板的抓取定位面的法向。

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