CN116133806A - 用于浮动末端执行器模块的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于抓持小型精密部件的浮动末端执行器的设备、系统和方法。所述端部执行器包括至少一个端部执行器模块，所述端部执行器模块至少具有：工具，该工具用于抓取部件以便拾取和放置；模块轴，所述模块轴在第一端上连接到所述工具，并且具有与所述工具相对的第二端；以及，与第二端相关联的至少两个空气轴承，其中，该至少两个空气轴承组合地在至少x轴和y轴以及θ方向上向所述工具赋予自由度。

Description

用于浮动末端执行器模块的设备、系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年6月25日提交的名称为“用于浮动末端执行器模块的设备、系统和方法”的美国临时申请63/043,911的优先权的权益，其全部内容通过引用结合于此，如同其全部内容被阐述一样。

背景技术

技术领域

本公开涉及一种拾取和放置末端执行器，更具体地，涉及一种用于提供浮动末端执行器模块的设备、系统和方法。

背景说明

机器人技术的使用被广泛确立为制造手段，特别是在人的处理效率低和/或无效的应用中，例如在小部件的精确放置期间。目前使用末端执行器自动安装非常小的精密部件的实践存在许多缺点，即，部件有扭转、未对准或断裂的倾向。这是因为目前的末端执行器不能提供微小精密部件的尺寸、形状和组成的可变性，并且也不能实现拾取或放置位置的变化。

因此，使用非常小的精密部件的产品的组装在制造场景中充满挑战。首先，拾取和放置末端执行器的工具必须小型化，以便抓住微小部件。然而，这种小型化工具不仅必须能够抓持该部件，而且必须能够在不损坏或扭转该部件且通过抓持该部件同时保持感知该部件的各个方面的位置(以便放置)的能力的情况下执行所述抓持。

此外，通常的情况是，在放置之前的由末端执行器进行抓持期间或者抓持之后，部件(尤其是微小的精密部件)可能移动。然而，即使末端执行器工具没有提供用于重新调整的极高精度水平(例如由于这种设备的高费用水平)，部件也必须被适当地放置。

更特别地，增加自由度和高敏感度以在x-y-z和θ方向上放置和操纵微小部件将导致末端执行器组件非常昂贵和精密。这种组件通常还承受过大的冲击和过大的惯性，以便允许处理微小、易碎的部件。

因此，需要一种改进的末端执行器，其能够在制造场景中放置微小、精密的部件。

发明内容

某些实施例为并且包括一种用于提供浮动末端执行器以抓取小型精密部件的设备、系统和方法。所述端部执行器包括至少一个端部执行器模块，所述端部执行器模块至少具有：工具，该工具用于抓取部件以便拾取和放置；模块轴，所述模块轴在第一端上连接到所述工具，并且具有与所述工具相对的第二端；以及，与第二端相关联的至少两个空气轴承，其中，该至少两个空气轴承组合地在至少x轴和y轴以及θ方向上向所述工具赋予自由度。

由此，本公开提供了至少一种改进的末端执行器的改进的设备、系统和方法，用于能够在制造场景中放置微小、精密的部件。

附图说明

下文中将参考附图描述示例性组合物、系统和方法，其仅作为非限制性实施例提出，其中：

图1是浮动末端执行器模块的图示；

图2是浮动末端执行器模块的方面的图示；

图3是浮动末端执行器模块的方面的图示；以及

图4是浮动末端执行器模块的方面的图示。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化，以说明并清楚理解本文描述的设备、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，去除了可以在典型的类似装置、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的装置、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为其不能促进对本公开的更好理解，因而为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开仍然被视为包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供了实施例，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。本文阐述了许多具体细节，例如具体组件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，某些具体公开的细节可以不需要被采用，并且可以以不同的形式来实现实施例。因此，所公开的实施例不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施例中，公知的工艺、公知的器件结构和公知的技术可能不被详细描述。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而非旨在限制该实施例。例如，如本文所用，单数形式“一种”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则本文描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所公开的方面或与所公开的方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“上方”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，除非另外明确指出，否则其可以直接在另一元件或层上、上方、连接到或耦合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件或层被称为“直接在(另一元件或层)上”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接……之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列对象的任意和所有组合。

此外，尽管在本文中术语第一、第二、第三等可以被用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，除非上下文清楚地指出，否则当在本文中使用诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。

所述实施例部分地利用了空气轴承的提升特性。这些空气轴承可用于例如多位置模块化的拾取和放置末端执行器。作为非限制性实例，该末端执行器可以是安装至工作台。

模块可以(例如以圆形、平行的行或单个模块)根据需要布置在末端执行器臂上。空气轴承允许每个模块为微小、精密的部件提供超低质量、超低惯性的定位。例如，所有特征可以由铝形成和/或被电镀，以提供非常低的质量，并且以便向模块添加非常小的惯性。

这种最小惯性和低质量的夹持允许模块头部“浮动”在空气轴承上。这种浮动克服了现有技术中使用的滚动轴承的显著缺点。例如，与现有技术相比，实施例中提供的可调浮体提供了对于部件变化的增加的公差水平，并提供了对于拾取和放置的呈现变化。

根据应用，模块可以被布置在相似或不相似类型的集群中。例如，四个、六个或八个相同或不同的模块可以在承载该模块的特定末端执行器上布置成一排。

这些实施例的一个优点是能够利用非常紧凑的末端执行器一次放置多个小的精密部件，即使这些部件具有不同的类型或尺寸。因此，该实施例节省了额外生产工作站的成本，通过允许一次放置所有有效载荷而减小了装配线长度，并且可在平行工具的许多构造上平移。

对于每个空气轴承，上板和下板可以合并用于空气分配的通道。此外，多孔陶瓷插入物可以被用于更精细的空气分配并减轻振动。该空气板可在移动元件上方间隔开3-35微米，或更精确地，在移动元件上方提供15-25微米。这种有限的距离最大限度地减少了空气泄漏和真空锁定泄漏。

所述空气板可将加压空气顶部和底部以及真空装置结合到顶板和底板中的任一个或两者。例如，为了将被夹持部件锁定就位，可以切断顶板的气浮，并且打开真空装置以提供快速位置锁定。

每个模块可以包括对中功能以初始化位置，并且随后提供任何必要的再定位。该对中功能可以由再对中气缸提供。该再对中气缸可以是低质量的和低惯性的。

因此，所述实施例的操作循环可以包括：模块对中；拾取部件，例如从专用工具拾取部件(且例如在拾取时进行部件配准)；在拾取所述部件和接合工具时浮动所述模块；用真空装置将被拾取的部件锁定；继续到插入点并根据需要使得部件与插入点部分地接合；以及，使模块浮动并使用机器人将部件降低到插入点中，以完成插入。

在所述实施例中，可以使用诸如小型伺服电机、扁平电机、压电电机、音圈电机等的其它部件来单独地驱动每个模块(例如在它们的一个、两个或所有轴(x、y、z和θ)上)。伺服驱动的模块可以实现每个单独的模块的机器视觉位置校正。例如，末端执行器或末端执行器的机械臂或外壳工作单元上的机器/机器人视觉可以捕获x-y、θ位置。然后，基于机器视觉“看到”的任何微小变化，校准后的模块头部可以重新定位，并且因此可以更容易地通过其夹持器来获取部件，而不会造成损坏或未对准。然后，额外的机器视觉相机可以捕获部件的特征，并且然后模块头部可以再次自动地再定位，使得部件的插入特征被适当地定位，以用于放置或插入。

此外，通过使用相机或传感器监视浮体可以增加附加的功能，例如提供视觉/机器视觉，用于获取和放置小部件。该相机可以与末端执行器外壳相关联，以便调整每个模块头部，从而最佳地进行拾取和放置。因此，通过补偿模块头部位置，可以在拾取和放置时减轻产品的变化。

现有技术解决方案通常基于彼此堆叠的多个滚动轴承模块。这种系统易于发生粘结和高摩擦。这种系统需要用于轴承的油，并且由于用于每个轴的单独的轴承而具有高水平的间隙。

所公开的实施例的较轻的重量和质量以及较小的惯性对于处理小的、易碎的、高精度的部件是有利的，所述部件例如为小型或微型部件，如光学或微电子部件。该实施例提供了模块化和可配置的设计。与现有技术相比，该模块非常坚固并且相对免维护。

作为非限制性示例，所述实施例可以在任何生产线上采用。在该生产线上生产的产品包括消费品、汽车部件等。

更具体地，所述实施例可具有多个模块，例如前述的2、4、6或8个模块，所有模块都能够至少在x轴和y轴上以及在旋转角θ上“浮动”。图1示出了6个这样的模块10，这些模块10可以与拾取和放置末端执行器100相关联。

每个模块10(特别是每个模块的拾取和放置模块头部102)与至少一个空气轴承14、15通信地相关联。所述空气轴承14、15提供了前述的自由度，以“浮动”模块头部102，例如在模块头部102的端部处通过工具/抓取器/夹具25拾取和放置期间，并且可以另外与真空装置14a、15a相关联。在致动时，真空锁14a、15a可以从空气轴承14、15中排出空气，从而消除浮动，并因此在位置上锁定相应的模块头部102。

所述空气轴承14、15可至少包括能够在模块头部102上提供向下压力的上空气轴承15以及能够在模块头部102上提供向上压力的下空气轴承14。相应地，下空气轴承14可以在末端执行器模块10的“拾取”模式期间控制，并且上空气轴承15可以在末端执行器模块10的“放置”模式期间控制。

没有真空锁，上空气轴承14和下空气轴承15能够实现所公开的在x、y和θ方向上(相对于图1中的轴线A)的独立运动。由空气轴承14、15提供的与每个单独的模块头部102相关联的专用浮体12允许对每个拾取的部件在x、y和θ方向上进行个性化的精确位置调节，所述拾取的部件被转移到每个模块头部102的抓取端25。在某些替代实施例中，每个轴和旋转调节可以是电机驱动118，例如伺服电机驱动。

因此，模块头部102可以以触觉方式对在工具25处拾取和放置的部件作出反应。即，对于具有部分可变位置的非常小的部件，空气轴承14、15可以移动或偏转。更具体地，部件可以具有位置已知的中心部分，但是可以具有从内部向外侧盘绕的外部，并且因此对于每次放置，所述外部可能必须被置于不同的位置。此外，如果遇到障碍物，则触觉方式的拾取或放置可能导致模块头部的抓取器25向上偏转，因为由空气轴承14、15为每个模块10提供的“浮体”12可能“感觉到”障碍物并且通过拒绝拾取或放置而作出反应。这样，在障碍或未对准的情况下，例如通过基于浮体12的触觉性质拒绝模块头部102的动作、提升回来以及重试或拒绝该动作，每个模块10可以保护部件和产品免受损坏。

此外，空气轴承浮体12的精巧触觉特性可通过设置触觉轴承(tactile bearing，未示出)来促进。例如，触觉轴承可以被包括在竖直轴中，以便在模块头部的完全向下和完全向上运动期间提供竖直触觉灵敏度。

每个模块10还可以包括独立的(相对于其它模块)再对中气缸13。该再对中气缸13可以包括将锥形销驱动到模块板的顶部中(从而使模块定心)的小气缸。也就是说，这些气缸13可以容易地使模块头部102或拾取的部件返回到已知的先前位置。

图2示出了一种实施例，其中小的精密部件可以被拾取和放置。例如，如图4所示，被拾取和放置的部件可以是具有中心线圈的弹簧，该中心线圈具有在其端部向外弯曲的线圈丝，用于在放置时连接这些端部。在以往，小弹簧极难拾取和放置，部分是因为弹簧的远端部分所呈现的定位的可变性。

为了解决上述困难，在该实施例中由空气轴承14、15提供给拾取和放置模块头部102的浮体12允许模块头部102向诸如上述弹簧的小部件提供轻柔的浮动压力，这允许弹簧(和/或模块头部102)在其被拾取时偏转。此外，当模块工具25放置弹簧时，模块头部102再次允许浮动偏转，以确保弹簧的适当放置。对于已知的滚动轴承，这种拾取和放置浮动偏转是不可能的。

更具体地，关于小弹簧的示例性拾取，通过非限制性示例，弹簧的端部可以被提供到模块头部，其中弹簧端部被保持在已知位置。然而，弹簧线圈因此可能从怀疑位置偏转和/或旋转。因此，例如在拾取小线圈期间，模块头部102浮动12的能力(例如可以由图2中所示的气动轴承驱动卡盘202而赋予)对如小型精密对象的最佳拾取是必要的，这在实施例中提供，但在现有技术中没有提供。

具体地，关于小型精密部件的放置，模块头部的浮动允许部件平缓地“降至底部”就位。也就是说，部件可以向下浮动直到其降至最低点，在该点，浮体允许所述部件不遭受可能导致变形或破裂的任何额外压力。此外，直到响应压力施加到浮体为止，部件的触底提供了最大的可能性，即，向下拾取的浮动特性将允许小型部件(如弹簧)的甚至远端方面自然对准到其适当的放置位置。

因此，模块头部的浮动可以实现多种拾取和放置模式。作为非限制性示例，可以采用居中拾取模式，其中，仅拾取部件的一部分(如其中心或其端部)被抓住，例如在本文所提及的仅弹簧部件的中心线圈或未卷绕端部被抓取。另外，作为示例，如上所述，向下浮动放置直到降至最低点可以构成自引导模式，并且可以类似地在拾取期间采用。

如所提及的，已知技术在其拾取和放置模块上采用滚动轴承。因为这些滚动轴承不能在多个轴上浮动，所以在x、y和θ中的至少两个方向上的多轴调整导致轴承上的过度摩擦，这将不期望的力施加到针对的部件。这种不希望的力可能导致小型部件的偏转或破坏。

本实施例优于已知滚动元件轴承系统的其它优点可包括：较小的包装(在滚动轴承系统中，每个轴向的调节堆叠在其它轴向调节的顶部上)；以及例如至少部分地由于25微米的气隙而具有最小的致动间隙。此外，本实施例中的可配置和模块化设计提供了若干优点，包括：多模式操作，其中如本文所讨论的，部件可以是“有底的”而不损坏部件或空气轴承；以及可配置的模块图案，作为非限制性示例，其可以包括直列式、圆形、方形、弧形、悬挂或支撑。最后，在浮动和真空锁定模式之间容易地切换的能力意味着相对于已知的末端执行器具有非常短的循环时间。

如图3所示，每个模块头部102可以连接到模块轴302。该模块轴302可以通过例如末端执行器框架杆或条形杆310而在模块头部的抓取器25和模块的空气轴承14、15之间延伸，所述末端执行器框架杆或条形杆310可以具有从其中通过的多个这样的模块轴。

更具体地，用于模块轴的贯通部320可以构成通孔320a，其必须具有有限的尺寸和形状。这样，贯穿部320和模块轴302的组合可以物理地限制模块抓取器25在x、y和θ方向的浮动，该浮动可以由空气轴承14、15提供给模块抓取器25。

由于各种原因，限制沿x轴和y轴和θ方向的浮动变得重要。首先，它能够实现已知的定位和定位中的变化，从而允许通过再对中气缸(如上所述)从已知位置和到已知位置执行再定心。类似地，对模块轴302的物理限制防止了严重未对准的可能性。

因此，限制通孔320a可以被设计能够对浮动提供期望的限制。作为示例并且如图所示，“锁眼”设计可以限制模块轴在多个轴上的移动，例如通过包括中心通道320a，但是具有径向延伸的“锁眼”槽320b，其接收从模块轴302的基本上圆柱形的主要部分径向向外延伸的销302a。图3中还示出了可选的机器视觉相机350。

图4示出了拾取和放置小的中心线圈402，该中心线圈402在其远侧点处具有裸露的、螺旋弯曲的、未缠绕的丝线404，正如以上关于图2所讨论的。对于所示的示例性部分，中心线圈402显然是螺旋形的，而与中心线圈相比，远侧部分处的触头404是螺旋形的并且未被缠绕。在典型的现有技术实施例中，抓住图4的中心线圈将导致中心线圈旋转，从而使远侧触头与插入位置不对准。

然而，本实施例提供了对这种拾取和放置问题的解决方案。更特别地，使用由所公开的空气轴承在x、y和θ方向提供的自由度和低惯性进行放置容易允许遵循螺旋路径，例如通过轻轻地将夹具25压底，从而将弹簧402降至进入放置位置，直到外部触头404与放置位置自然对准。

前述设备、系统和方法还可包括对本文提及的各种机器人和抓取功能的控制。作为非限制性示例，这种控制可以包括使用一个或多个用户界面的手动控制，所述用户界面例如为控制器、键盘、鼠标、触摸屏等，以允许用户输入指令，从而由与机器人和本文讨论的系统相关联的软件代码执行。另外，如本领域技术人员所公知的，系统控制也可以是完全自动化的，例如其中手动用户交互仅用于“设置”和编程所引用的功能，即，用户可以仅初始地编程或上载计算代码以执行贯穿本文所讨论的预定移动和操作序列。在手动或自动的实施例或其任何组合中，控制器可被编程，例如，以使得基板、机器人、固定点的已知位置以及其间的相对位置相关联。

应当理解，本文所描述的系统和方法可以根据任何计算环境来操作和/或由任何计算环境来控制，并且因此所采用的计算环境并不将此处所描述的系统和方法的实现限于具有不同组件和配置的计算环境。也就是说，本文描述的概念可以使用各种组件和配置中的任何组件和配置在各种计算环境中的任一种中实现。

此外，本公开的说明书提供为使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它变形。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种末端执行器模块，包括：

工具，该工具用于抓取部件以便拾取和放置；

模块轴，所述模块轴在第一端上连接到所述工具，并且具有与所述工具相对的第二端；以及

与所述第二端相关联的至少两个空气轴承，其中该至少两个空气轴承组合地在至少x轴和y轴以及在θ方向上向所述工具赋予自由度。

2.根据权利要求1所述的末端执行器模块，还包括流体连接到所述空气轴承中的至少一个的真空装置，其中，所述真空装置的致动使得从所连接的至少一个空气轴承排出空气，以实现所述模块轴的位置真空锁定。

3.根据权利要求1所述的末端执行器模块，其中，所述至少两个空气轴承包括能够在所述工具上提供向下的压力的上空气轴承和能够在所述工具上提供向上的压力的下空气轴承。

4.根据权利要求3所述的末端执行器模块，其中，所述下空气轴承通过所述工具实现所述拾取。

5.根据权利要求3所述的末端执行器模块，其中，所述上空气轴承通过所述工具实现所述放置。

6.根据权利要求1所述的末端执行器模块，还包括至少两个马达，以驱动在所述x轴、所述y轴和所述θ方向上的调节。

7.根据权利要求6所述的末端执行器模块，其中，所述至少两个马达中的每一个包括伺服马达。

8.根据权利要求1所述的末端执行器模块，其中，在所述工具上的外部压力下，所述至少两个空气轴承使得所述工具偏转。

9.根据权利要求8所述的末端执行器模块，其中，所述外部压力包括障碍物阻塞。

10.根据权利要求9所述的末端执行器模块，其中，所述障碍物阻塞处于所述放置时。

11.根据权利要求8所述的末端执行器模块，其中，所述外部压力包括在所述放置时的降至最低点。

12.如权利要求8所述的末端执行器模块，其中，在所述偏转时，所述工具被拉起。

13.根据权利要求1所述的末端执行器模块，还包括再对中气缸，该再对中气缸至少与所述模块轴相关联。

14.根据权利要求13所述的末端执行器模块，其中，所述再对中气缸包括用于所述工具的已知中心位置。

15.根据权利要求14所述的末端执行器模块，其中，所述再对中气缸包括驱动锥形销的气缸。

16.根据权利要求1所述的末端执行器模块，其中，所述部件包括弹簧。

17.根据权利要求1所述的末端执行器模块，其中，所述放置是通过所述空气轴承自引导的。

18.根据权利要求1所述的末端执行器模块，还包括轴框架，所述模块轴穿过所述轴框架。

19.根据权利要求18所述的末端执行器模块，其中，所述轴框架的尺寸和形状限制所述空气轴承的致动。

20.根据权利要求19所述的末端执行器模块，其中所述轴框架包括能够接收所述模块轴上的销的径向槽。

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