CN114407060A - 用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置 - Google Patents

Abstract

用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，包括承载外壳，承载外壳由外壳上端端盘、外壳下端端盘以及支撑杆组成，气缸组件安装在外壳上端端盘上，气缸组件的伸缩杆通过连接组件连接柔性平台组件，其中柔性平台组件包括平台上端板、平台下端板和弹性体，平台下端板连接机械手抓取组件，其抓取末端位于外壳下端端盘的下方；在所述外壳下端端盘的下表面安装有二维微动平台组件，所述二维微动平台组件包括微位移驱动器、导轨以及输出平台，在输出平台上安装有用于对被测工件测量的气动测量组件。该装置可有效解决被测工件与气动测量主体装配过程中，由于机器人末端存在位姿偏差，将导致被测零件无法进入测量主体或进入过程出现卡阻的问题。

Description

用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置

技术领域

本发明涉及气动测量技术领域，具体为一种用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置。

背景技术

气动测量技术是基于压缩空气的流量特性和压力特性，通过空气流量和压力变化量，能够把被测工件的物理尺寸值经过气动测量仪器的气动变换装置转变成气体压力、流量等一一对应的物理参数来实现对工件的测量，具有测量精度高、自洁功能、结构简单和操作维护方便等优点，已经广泛应用于工业生产中高精度大批量零件生产测量。

应用气动量仪对零件的外径进行测量，传统方法为人工操作，人工将被测零件与测头进行装配，测头内设置多个喷气孔，进而对测头内零件进行测量，但人工测量方法测量效率低，测量过程缺少柔性。机器人能够对人的手臂动作进行模拟，依据预定的系统程序、轨迹及其他的动作要求，实现对工件的抓取、搬运或进行各种复杂操作。利用机器人完成零件抓取、装配、测量，能够大大提高气动测量自动化的效率和灵活性。

为保证气动量仪的较高精度要求，气动量仪的喷嘴孔与工件之间的间隙要控制在非常小的范围，通常在几十微米以内。圆柱类零件与测头孔装配本质是轴与孔之间的装配，由于机器人末端存在位姿偏差，将导致被测零件无法顺利进入测头孔或进入过程出现卡阻问题，进而无法对零件外径进行顺利测量。

发明内容

为解决现有技术中被测工件与气动测量主体装配过程中，由于机器人末端存在位姿偏差，将导致被测零件无法进入测量主体或进入过程出现卡阻问题，进而无法对工件外径进行顺利测量的技术问题，本发明的目的是提供一种用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置。

本发明采用的技术方案是：用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，包括承载外壳和气缸组件，所述承载外壳由外壳上端端盘、外壳下端端盘以及连接外壳上端端盘和外壳下端端盘的支撑杆组成，气缸组件安装在外壳上端端盘上，气缸组件的伸缩杆经外壳上端端盘的预留孔伸入承载外壳内并通过连接组件连接柔性平台组件，所述柔性平台组件包括平台上端板、平台下端板以及连接平台上端板和平台下端板的弹性体，所述平台上端板通过连接组件连接伸缩杆，所述平台下端板连接机械手抓取组件，所述机械手抓取组件的抓取末端位于外壳下端端盘的下方；在所述外壳下端端盘的下表面安装有二维微动平台组件，所述二维微动平台组件包括微位移驱动器、导轨以及输出平台，微位移驱动器输出，通过导轨带动输出平台向指定方位微动，在输出平台上安装有用于对被测工件测量的气动测量组件。

作为优选方案，所述连接组件包括连接螺母、连接安装件以及浮动接头，气缸组件的伸缩杆依次经过连接螺母、连接安装件、浮动接头连接在柔性平台组件的平台上端板上。

作为优选方案，所述柔性平台组件，其平台下端板的中心部位设有凸台，在平台上端板对应的位置处设有与所述凸台相配合的凹孔，若干个所述弹性体沿凸台一周均匀分布，所述弹性体的两侧端部通过锁紧件分别与平台上端板、平台下端板固定连接。

作为优选方案，所述弹性体采用层叠弹性杆，其两端为安装端部，中间部分为金属片和橡胶片相互叠合而成。

作为优选方案，所述机械手抓取组件包括夹紧气缸、气动手指以及机械手手爪，所述夹紧气缸和气动手指位于外壳上端端盘和外壳下端端盘之间，所述的机械手手爪呈U型结构，其一端通过锁紧连接件与气动手指相连接，另一端为抓取末端，且抓取末端位于气动测量组件的下方。

作为优选方案，所述的夹紧气缸采用三爪夹紧气缸。

作为优选方案，所述的机械手手爪，其抓取末端连接有手爪橡胶垫。

作为优选方案，所述二维微动平台组件，采用两层嵌套式结构，内外两层均采用双平行四杆机构，对称布置，外层控制横向位移微动，内层控制纵向位移微动；其中微位移驱动器采用压电陶瓷驱动器，分别安装于内层和外层；其中导轨部分采用直圆型柔性铰链作为导轨形式，将微位移驱动器输出的位移传递至输出平台上。

作为优选方案，所述气动测量组件，包括气动测量主体以及四个压力传感器，在气动测量主体上设有喷嘴孔，四个压力传感器均匀布置在气动测量主体的前端，在每一个压力传感器上均安装有压紧橡胶垫，在所述压紧橡胶垫的端部设有朝向气动测量主体内孔的倒角，所述压力传感器的输出信号端连接所述微位移驱动器。

利用上述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、夹紧气缸控制机械手手爪对被测工件进行抓取，抓取后通过气缸组件带动被测工件向上移动，为保证气动测量的较高精度要求，气动测量组件中喷嘴孔与被测工件之间的间隙通常控制在几十微米以内；

S2、工件首先与气动测量组件中压紧橡胶垫倒角部分接触，进而柔性平台组件发挥作用，使被测工件被动进入气动测量主体内；

S3、若干个压力传感器的初始值均设置为零，在测量过程中任一个或多个压力传感器达到一定数值则认为被测工件与气动测量主体卡住，压力传感器将信息传递给二维微动平台中的微位移驱动器，进而带动输出平台向存在数值的压力传感器方向进行微动，从而带动气动测量组件微动以解决被测工件被卡住的问题；

S4、当气缸组件运动至设定位置时，则认为被测工件到达预定测量位置，启动气动测量主体，气动量仪通过喷嘴孔对被测工件进行测量，从而完成测量。

本发明的有益效果是：

本方案通过创新的结构设计，提供一种由气缸组件、柔性平台组件、机械手抓取组件、二维微动平台组件以及气动测量组件结合承载外壳集成为一体结构的用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，该装置可以有效解决被测工件与气动测量主体装配过程中，由于机器人末端存在位姿偏差，将导致被测零件无法进入测量主体或进入过程出现卡阻的技术问题；

进一步的，本方案通过优化设计，运用柔性平台组件的被动柔性和二维微动平台组件主动柔性相结合的方式，实现了被测工件顺利进入气动测量主体的测量孔内进行测量，其中，柔性平台组件中设置有弹性体，弹性体能根据装配时的位置和倾斜误差产生的附加力，使柔性平台产生微小的弹性变形，从而实现自动纠正并减小位置与倾斜误差，使被测工件能顺利地进入到气动测量主体相应的孔中。

进一步的，本方案通过优化设计，在气动测量主体的前端沿四个方位均匀布置有四个压力传感器，在每一个压力传感器上均安装有压紧橡胶垫，在所述压紧橡胶垫的端部设有朝向气动测量主体内孔的倒角，工件首先与气动测量组件中压紧橡胶垫倒角部分接触，进而柔性平台组件发挥作用，使被测工件被动进入气动测量主体内；若干个压力传感器的初始值均设置为零，在测量过程中任一个或多个压力传感器达到一定数值则认为被测工件与气动测量主体卡住，压力传感器将信息传递给二维微动平台中的微位移驱动器，进而带动输出平台向存在数值的压力传感器方向进行微动，从而带动气动测头部件微动以解决被测工件被卡住的问题。

进一步的，为了降低气缸组件的伸缩杆与被驱动工件的安装精度的要求，在气缸组件的伸缩杆与柔性平台之间设有连接螺母、连接安装件以及浮动接头，通过浮动接头和螺钉与柔性平台的上端端盘连接。

进一步的，所述柔性平台组件，其平台下端板的中心部位设有凸台，在平台上端板对应的位置处设有与所述凸台相配合的凹孔，若干个所述弹性体沿凸台一周均匀分布；所述弹性体优选用层叠弹性杆，其两端为安装端部，中间部分为金属片和橡胶片相互叠合而成。其中平台下端板的凸台伸入平台上端板的凹孔中，凸台与凹孔间的间隙可以在满足要求的柔顺变形范围的同时，保护柔性平台组件在受较大的力时不发生过度的横向变形和倾转，避免层叠弹性杆超过控制限度损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为承载外壳的结构示意图；

图3为位于气缸组件和柔性平台组件之间的连接组件的示意图；

图4为柔性平台组件的结构示意图；

图5为弹性体的结构示意图；

图6为机械手手爪的结构示意图；

图7为二维微动平台组件的结构示意图；

图8为气动测量组件的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的被测工件与测头的倒角接触时的示意图；

图10为本发明实施例提供的被测工件与测量装置一点接触和两点接触时的示意图。

附图标记：1、支撑杆；2、外壳上端端盘；3、外壳下端端盘；4、导向型气缸缸体；5、导向杆；6、连接螺母；7、连接安装件；8、浮动接头；9、平台上端板；10、弹性体；11、安装端部；12、金属片；13、橡胶片；14、平台下端板；15、夹紧气缸；16、气动手指；17、机械手手爪；18、手爪橡胶垫；19、二维微动平台组件；20、连杆；21、柔性铰链；22、输出平台；23、微位移驱动器；24、气动测量主体；25、喷嘴孔；26、压力传感器Ⅰ；27、压力传感器Ⅱ；28、压力传感器Ⅲ；29、压力传感器Ⅳ；30、压紧橡胶垫；31、被测工件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其他实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。

实施例1、

下面结合附图1-10对本实施例的详细结构进行描述：

如图1和图2所示，用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，主要由承载外壳、气缸组件、柔性平台组件、机械手抓取组件、二维微动平台组件以及气动测量组件构成，其中，所述承载外壳由外壳上端端盘2、外壳下端端盘3以及连接外壳上端端盘2和外壳下端端盘3的支撑杆1组成，外壳上端端盘2、外壳下端端盘3以及支撑杆1整体围成了一个具有内腔的柱形体结构，气缸组件采用导向杆型气缸，其中，导向型气缸缸体4通过螺钉固定安装在外壳上端端盘2的上端面上，由外壳上端端盘2负责导向杆型气缸的位置固定以及导向杆5连接的其它部件的承重，其中为了不影响导向杆型气缸的正常运动，外壳上端端盘采用圆环端盘，气缸组件的导向杆5经外壳上端端盘2的圆心孔伸入承载外壳内并通过连接组件连接柔性平台组件，所述柔性平台组件包括平台上端板9、平台下端板14以及连接平台上端板和平台下端板的弹性体10，所述平台上端板9通过连接组件连接导向杆5，所述平台下端板14连接机械手抓取组件，所述机械手抓取组件的抓取末端位于外壳下端端盘的下方；在所述外壳下端端盘的下表面安装有二维微动平台组件，所述二维微动平台组件包括微位移驱动器23、导轨以及输出平台22，微位移驱动器23输出，通过导轨带动输出平台22向指定方位微动，在输出平台22上安装有用于对被测工件测量的气动测量组件，外壳下端端盘3与二维微动平台组件19由螺钉固定连接，负责二维微动平台组件19的位置固定以及二维微动平台组件和气动测量组件的承重，其中为方便二维微动平台组件19与气动测量组件的连接，下端端盘采用圆环端盘。

本实施例中，如图3所示，所述的连接组件主要由连接螺母6、连接安装件7以及浮动接头8组成，气缸组件的导向杆5依次经过连接螺母6、连接安装件7、浮动接头8连接在柔性平台组件的平台上端板9上；为降低导向杆型气缸与被驱动工件间安装精度（同轴度或同心度）的要求，通过浮动接头8和螺钉与柔性平台组件的平台上端板9连接，其中所述的浮动接头8采用标准简易型法兰盘。

本实施例中，如图4所示，所述柔性平台组件，其平台下端板14的中心部位设有凸台，在平台上端板9对应的位置处设有与所述凸台相配合的凹孔，若干个所述弹性体10沿凸台一周均匀分布，所述弹性体10的两侧端部通过螺钉分别与平台上端板9、平台下端板14固定连接；所述弹性体优选用层叠弹性杆，在安装时，平台下端板14的凸台伸入平台上端板9的凹孔中，凸台与凹孔间的间隙可以在满足要求的柔顺变形范围的同时，保护柔性平台组件在受较大的力时不发生过度的横向变形和倾转，避免层叠弹性杆超过控制限度损坏。如图5所示，两端端盘与层叠弹性杆的两侧端部由螺钉连接，其中层叠弹性杆两端安装端部11为金属，中间部分使用金属片12和橡胶片13相互叠合而成，层叠弹性杆能根据装配时的位置和倾斜误差产生的附加力，使柔性平台产生微小的弹性变形，从而实现自动纠正并减小位置与倾斜误差，使工件能顺利地装到相应的孔中。

如图1和6所示，所述机械手抓取组件包括夹紧气缸15、气动手指16以及机械手手爪17，所述夹紧气缸15和气动手指16位于外壳上端端盘2和外壳下端端盘3之间，本实施例中，所述的夹紧气缸15优选用三爪夹紧气缸，所述的机械手手爪17呈U型结构，其一端通过锁紧连接件与气动手指相连接，另一端为抓取末端，且抓取末端位于气动测量组件的下方，由于工件精度较高，直接抓取易对被测工件31造成损伤，使用手爪橡胶垫18对被测工件进行保护，手爪橡胶垫18由螺钉安装在机械手手爪17的抓取末端。

本实施例中，如图7所示，所述的二维微动平台组件19采用两层嵌套式结构，内外两层均采用双平行四杆机构，对称布置，外层主要控制横向位移微动，内层主要控制纵向位移微动；其中微位移驱动器23采用压电陶瓷驱动器，分别安装于内层和外层；其中导轨部分采用直圆型柔性铰链21作为导轨形式，传递微位移驱动器23输出位移。通过导轨带动输出平台22向指定方位微动。

本实施例中，如图8所示，气动测量组件由螺钉固定在微动输出平台22上，气动测量组件由气动测量主体24、喷嘴孔25、压力传感器Ⅰ26、压力传感器Ⅱ27、压力传感器Ⅲ28、压力传感器Ⅳ29以及压紧橡胶垫30组成，四个压力传感器与四个压紧橡胶垫30均匀布置在气动测量主体24前端，其中压力传感器分别由螺钉与压紧橡胶垫30相连接，压紧橡胶垫30由螺钉与测量主体24连接，在压紧橡胶垫的端部设有朝向气动测量主体内孔的倒角，所述压力传感器的输出信号端连接所述微位移驱动器，其中四个压力传感器初始值设定为零，在测量过程中任一个或多个压力传感器达到一定数值则认为被测工件31与测量主体24卡阻，进一步的将信息传递给微动平台部件中的微位移驱动器23，进而带动输出平台22向存在数值的压力传感器方向进行微动，以解决卡住的问题；其中测量主体24上对被测工件喷出空气的阻尼孔为喷嘴孔25，喷嘴孔25外接数字气动量仪，当被测工件31进入到测量装置时，气动量仪通过喷嘴孔25对被测工件31进行测量。

该装置对被测工件测量的工作流程如下：

当被测工件31到达指定测量位置，机器人控制机械手到达抓取位置，三爪夹紧气缸15通过气动手指16控制机械手手爪17抓取被测工件31；

进一步的，导向杆型气缸带动被测工件31上移，进入到寻孔阶段；

进一步的，为保证气动测量的较高精度要求，气动量仪的喷嘴孔25与被测工件31之间的间隙通常控制在几十微米以内，由于机器人末端存在位姿误差，工件首先与气动测量部件中压紧橡胶垫30倒角部分接触，具体示意图如9所示，进入到倒角接触阶段；

进一步的，此时柔性平台部件发挥作用，其中层叠弹性杆能根据装配时的位置和倾斜误差产生的附加力，使柔性平台组件能够产生微小的弹性变形，从而实现自动纠正并减小位置与倾斜误差，使被测工件能顺利地进入到气体测量本体相应的孔中；

进一步的，柔性平台组件使被测工件进入孔中，但由于测量间隙小及柔顺平台限度等原因易使被测工件31卡在测量装置上，具体示意图如图10所示，图10中a图为被测工件31与测量装置一点接触的示意图；图10中b图为被测工件31与测量装置两点接触的示意图，此时为一点接触阶段或两点接触阶段；

进一步的，四个压力传感器初始值均设定为零，此时任一个或多个压力传感器达到一定数值则认为被测工件31与气动测量主体24卡住，进一步的将信息传递给二维微动平台组件中的微位移驱动器23，进而带动输出平台22向存在数值的压力传感器方向进行微动，带动气动测量组件微动以解决卡住的问题，当导向杆气缸运动设定行程时，则认为被测工件到达预定测量位置；

进一步的，两个喷嘴孔25同时喷气，其中喷嘴孔25距离被测工件越近，则受到的测头喷出的气体作用力越大，因此，可以将被测工件的轴心线与测量主体的轴心线对齐，以使气动量仪准确地对被测工件直径进行测量；

进一步的，气体通过喷嘴孔25进入气体测量主体24，与被测工件31接触，当被测工件31外径改变时，喷嘴孔25与被测工件31的距离也随之改变，则被测工件31外径的变化被转变为气压波动信号，通过气动测量仪器的气动变换装置转变成对应的气体压力物理参数来实现对被测工件的测量。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：包括承载外壳和气缸组件，所述承载外壳由外壳上端端盘、外壳下端端盘以及连接外壳上端端盘和外壳下端端盘的支撑杆组成，气缸组件安装在外壳上端端盘上，气缸组件的伸缩杆经外壳上端端盘的预留孔伸入承载外壳内并通过连接组件连接柔性平台组件，所述柔性平台组件包括平台上端板、平台下端板以及连接平台上端板和平台下端板的弹性体，所述平台上端板通过连接组件连接伸缩杆，所述平台下端板连接机械手抓取组件，所述机械手抓取组件的抓取末端位于外壳下端端盘的下方；在所述外壳下端端盘的下表面安装有二维微动平台组件，所述二维微动平台组件包括微位移驱动器、导轨以及输出平台，微位移驱动器输出，通过导轨带动输出平台向指定方位微动，在输出平台上安装有用于对被测工件测量的气动测量组件。

2.根据权利要求1所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述连接组件包括连接螺母、连接安装件以及浮动接头，气缸组件的伸缩杆依次经过连接螺母、连接安装件、浮动接头连接在柔性平台组件的平台上端板上。

3.根据权利要求1所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述柔性平台组件，其平台下端板的中心部位设有凸台，在平台上端板对应的位置处设有与所述凸台相配合的凹孔，若干个所述弹性体沿凸台一周均匀分布，所述弹性体的两侧端部通过锁紧件分别与平台上端板、平台下端板固定连接。

4.根据权利要求3所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述弹性体采用层叠弹性杆，其两端为安装端部，中间部分为金属片和橡胶片相互叠合而成。

5.根据权利要求1所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述机械手抓取组件包括夹紧气缸、气动手指以及机械手手爪，所述夹紧气缸和气动手指位于外壳上端端盘和外壳下端端盘之间，所述的机械手手爪呈U型结构，其一端通过锁紧连接件与气动手指相连接，另一端为抓取末端，且抓取末端位于气动测量组件的下方。

6.根据权利要求5所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述的夹紧气缸采用三爪夹紧气缸。

7.根据权利要求5所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述的机械手手爪，其抓取末端连接有手爪橡胶垫。

8.根据权利要求1所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述二维微动平台组件，采用两层嵌套式结构，内外两层均采用双平行四杆机构，对称布置，外层控制横向位移微动，内层控制纵向位移微动；其中微位移驱动器采用压电陶瓷驱动器，分别安装于内层和外层；其中导轨部分采用直圆型柔性铰链作为导轨形式，将微位移驱动器输出的位移传递至输出平台上。

9.根据权利要求1所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置，其特征在于：所述气动测量组件，包括气动测量主体以及四个压力传感器，在气动测量主体上设有喷嘴孔，四个压力传感器均匀布置在气动测量主体的前端，在每一个压力传感器上均安装有压紧橡胶垫，在所述压紧橡胶垫的端部设有朝向气动测量主体内孔的倒角，所述压力传感器的输出信号端连接所述微位移驱动器。

10.根据权利要求1-9任一项所述用于圆柱类零件外径气动测量的主被动柔顺机械手装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、夹紧气缸控制机械手手爪对被测工件进行抓取，抓取后通过气缸组件带动被测工件向上移动，为保证气动测量的较高精度要求，气动测量组件中喷嘴孔与被测工件之间的间隙通常控制在几十微米以内；

S2、工件首先与气动测量组件中压紧橡胶垫倒角部分接触，进而柔性平台组件发挥作用，使被测工件被动进入气动测量主体内；

S3、若干个压力传感器的初始值均设置为零，在测量过程中任一个或多个压力传感器达到一定数值则认为被测工件与气动测量主体卡住，压力传感器将信息传递给二维微动平台中的微位移驱动器，进而带动输出平台向存在数值的压力传感器方向进行微动，从而带动气动测量组件微动以解决被测工件被卡住的问题；

S4、当气缸组件运动至设定位置时，则认为被测工件到达预定测量位置，启动气动测量主体，从而完成测量。

Images