CN102765095A - 与机器人臂一起使用的末端执行器所用的柔性管线包 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与机器人臂一起使用的末端执行器所用的柔性管线包。具体地，提供了一种用于将启动动力引导到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的工具模块的线管***，其包括：顺应可重构末端执行器的第一部分的固定线管部分，该第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分。线管***包括以可平移的方式连接至可重构末端执行器的第二部分的可平移线管部分，该第二部分包括分支和可旋转的导轨的第二侧向部分。线管***包括连接在可平移线管部分的端部与工具模块的工件接合工具之间的可旋转部分。

Description

与机器人臂一起使用的末端执行器所用的柔性管线包

技术领域

本发明涉及供机器人臂使用的末端执行器。

背景技术

在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

已知的末端执行器附接至机器人设备，以在制造过程期间操纵工件。末端执行器可利用工具模块抓取工件，将工件运输至新的位置，以及定向和释放工件。末端执行器优选地可调节以允许与多重设计的工件一起使用，包括调节工具模块。已知通过手动调节末端执行器的工具模块来调节供多重设计的工件使用的末端执行器。已知的是，手动调节末端执行器的工具模块非常费时，并且可能易于产生错误。具有末端执行器的机器人设备的应用可包括材料装卸、制造、包装和测试。

由末端执行器装卸的已知工件包括以三维形式成形并具有大的斜率和高程变化的零部件或片材金属板。但是，为自身适应工件的工具模块设计具有非常大的高度延伸和摆动角的末端执行器可能是不切实际的。

已知的末端执行器通过主悬臂和适配器连接至机器人臂，以将工件移入和移出诸如冲压机和相关模具之类的相关加工站。在有限的模口和三维模具形状的情况下，具有直悬臂的扁平末端执行器框架在工件的移动期间可能与模具和机架干涉。

已知的末端执行器包括具有管线包的工具模块，所述管线包容纳和路由用于压缩空气、液压流体和电力的线管，以致动安装在工具模块的端部上的例如真空杯和机械夹持器之类的工件接合工具。已知的管线包被捆扎或以另外的方式附接在末端执行器的框架上。末端执行器上的工具模块的变化或重构需要释放所述捆扎以实现这样的变化。用于安装在末端执行器上的工具模块的其他已知的管线包还包括为了夹持部件的调节或移动而以有些松弛的方式松散地保持的软管。设计成允许工具模块的宽广范围的运动的软管和动力线缆可能会缠结，并且与其他软管和动力线缆干涉。已知的管线包问题包括：与工件相互作用的末端执行器和工具模块的安装、末端执行器在操作期间的运动性、在重构期间的机械安装时间、和在装备的使用寿命期间的可维护性。

发明内容

一种用于将启动动力传送到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的工具模块的线管***，其包括：顺应可重构末端执行器的第一部分的固定线管部分，该第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分。线管***包括以可平移的方式连接至可重构末端执行器的第二部分的可平移线管部分，该第二部分包括分支和可旋转的导轨的第二侧向部分。线管***包括连接在可平移线管部分的端部与工具模块的工件接合工具之间的可旋转的部分。

本发明还包括以下方案：

1. 一种用于将启动动力传送到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的工具模块的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应所述可重构末端执行器的第一部分，所述第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述可重构末端执行器的第二部分，所述第二部分包括分支和所述可旋转的导轨的第二侧向部分；以及

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与所述工具模块的工件接合工具之间。

2. 根据方案1所述的线管***，其中，所述可旋转部分包括连接在所述可平移线管部分的所述端部与所述工件接合工具之间的旋转联接头装置。

3. 根据方案1所述的线管部分，其中，所述可平移线管部分包括：

第一可平移线管段，所述第一可平移线管段被配置成在与所述末端执行器的肢部上的所述分支的平移一致的第一方向上平移；以及

第二可平移线管段，所述第二可平移线管段被配置成在与所述第一方向正交并且与所述末端执行器的所述分支上的工件接合工具的平移一致的第二方向上平移。

4. 根据方案3所述的线管***，其中，所述第一可平移线管段包括被包含在柔性线缆携载器内的柔性线管部分。

5. 根据方案4所述的线管***，其中，所述柔性线缆携载器邻接所述可旋转的导轨，并且包括：连接至所述可旋转的导轨的所述第二侧向部分的第一端；和连接至与所述分支对应的线性锁定机构的第二端。

6. 根据方案3所述的线管***，其中，所述第二可平移线管段包括连接至张紧器的柔性线管部分。

7. 一种用于将启动动力传送到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的多个工具模块的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应所述可重构末端执行器的主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述可重构末端执行器的第二部分，所述第二部分包括多个分支元件和所述可旋转的导轨的第二侧向部分；以及

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与多个对应的工件接合工具之间。

8. 根据方案7所述的线管***，其中，所述可旋转部分包括连接在所述可平移线管部分中的一个可平移线管部分的端部与所述对应的工件接合工具之间的旋转联接头装置。

9. 根据方案7所述的线管***，其中，所述可平移线管部分中的每个可平移线管部分包括：

第一可平移线管段，所述第一可平移线管段被配置成在与所述末端执行器的肢部上的分支的平移一致的第一方向上平移；以及

第二可平移线管段，所述第二可平移线管段被配置成在与所述第一方向正交并且与所述分支上的工件接合工具的平移一致的第二方向上平移。

10. 一种可重构的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应末端执行器的第一部分，所述第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述末端执行器的第二部分，所述第二部分包括分支和所述可旋转的导轨的第二部分；

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与包括工件接合工具的工具模块之间；以及

所述可重构的线管***被配置成将启动动力传送至所述工件接合工具。

11. 根据方案10所述的线管***，其中，所述工具模块包括连接在所述可平移线管部分的所述端部与所述工件接合工具之间的旋转联接头装置。

12. 根据方案10所述的线管***，其中，所述可平移线管部分包括：

第一可平移线管段，所述第一可平移线管段被配置成在与所述末端执行器的肢部上的分支的平移一致的第一方向上平移；以及

第二可平移线管段，所述第二可平移线管段被配置成在与所述第一方向正交并且与所述分支上的工件接合工具的平移一致的第二方向上平移。

13. 根据方案12所述的线管***，其中，所述第一可平移线管段包括被包含在柔性线缆携载器内的柔性线管部分。

14. 根据方案13所述的线管***，其中，所述柔性线缆携载器邻接所述可旋转的导轨，并且包括：连接至所述可旋转的导轨的所述第二侧向部分的第一端；和连接至与所述分支对应的线性锁定机构的第二端。

15. 根据方案12所述的线管***，其中，所述第二可平移线管段包括连接至张紧器的柔性线管部分。

附图说明

现在将参考附图作为示例来描述一个或多个实施例，附图中：

图1图示了根据本发明的包括了可重构的线管***的可重构末端执行器的一部分，所述可重构的线管***包括附接部分、可平移部分和可旋转部分；

图2、3和4图示了根据本发明的可重构末端执行器的包括可重构的线管***的可平移线管部分的那一部分；以及

图5图示了根据本发明的可重构末端执行器的包括可重构的线管***的可旋转线管部分的那一部分。

具体实施方式

现在参考附图，其中显示内容仅为了图示某些示例性实施例，而不是为了限制所述示例性实施例，图1-5图示了包括多个可配置的工具模块50和可重构的线管***60的可重构末端执行器10的一部分。

图1图示了可重构末端执行器10的一部分，所述可重构末端执行器10包括顺应其的可重构的线管***60。可重构的线管***60包括附接部分120、可平移部分140和可旋转部分180。末端执行器10包括附接至可铰接的机器人臂或另一材料装卸装置的自由端的主悬臂12。在一个实施例中，机器人臂包括附接至基部并且可操作以使末端执行器10在空间中线性地和旋转地平移的可编程装置。机器人臂包括以真空的形式的启动动力源，所述启动动力源经由可重构的线管***60被可控制地引导穿过末端执行器10并且到达工具模块50中的每个工具模块的工件接合工具52。参考包括了x轴92、y轴94、z轴96和绕z轴96的旋转角φ 97的x-y-z参考坐标系90来描述的空间坐标系为末端执行器10和所附接的工具模块50提供位置参考。末端执行器10优选地被机械调节成优选配置，所述优选配置限定工具模块50中的每个工具模块相对于x-y-z坐标系90的位置。

可重构末端执行器10优选地布置成蜘蛛架构造（spider-frame configuration），所述蜘蛛架构造包括位于名义的前方位置(如所示)中的第一分支组件70和位于名义的后方位置(如所示)中的第二分支组件80。蜘蛛架构造包括肢，所述肢具有为工具模块50提供结构支撑的一个或多个分支，其中，分支以悬臂方式附接至肢元件。第一和第二分支组件70、80分别结构地支撑一个或多个工具模块50。如在此所描述地，第一和第二分支组件70、80可移动，并且可布置成凸形构造、凹形构造或平坦构造中的任意一种，以允许工具模块50附接至工件或与工件相互作用。这样，可铰接的机器人臂能够根据工具模块50的具体操作方案来采用可重构末端执行器10使工件物理地移动或对工件进行操作。

主悬臂12耦联至双铰接机构20，以铰接第一和第二分支组件70、80。双铰接机构20包括第一旋转离合器机构30和第二旋转离合器机构40。主悬臂12的纵向中心线限定x-y-z参考坐标系90的x轴92。

第一分支组件70附接至第一旋转离合器机构30。第一分支组件70包括从第一旋转离合器机构30沿相反的方向伸出的一对肢72，优选正交于其纵向轴线。肢72的纵向延伸优选地限定x-y-z参考坐标90的y轴94。z轴96被限定成与由x轴92和y轴94限定的平面垂直。前方分支75经由线性锁定机构76耦联至肢72中的一个肢，优选与所述一个肢正交地伸出。前方分支75被配置成随着肢72的旋转而旋转。该对肢72优选地被连结，以便通过第一旋转离合器机构30彼此一致地旋转。

第二分支组件80附接至第二旋转离合器机构40。第二分支组件80包括一对导轨82，所述一对导轨82与第一分支组件70的肢72平行地从第二旋转离合器机构40伸出。导轨82中的每根导轨优选地利用单个梁元件形成，所述单个梁元件优选地为包括经由腹板部分83耦联的顶部凸缘部分84和底部凸缘部分86的工字梁。

后方分支85经由轭77附接至对应的前方分支75和肢72，所述轭77连接至对应的线性锁定机构76，后方分支85以可滑动的方式耦联至导轨82中的一根导轨，并且优选地正交于导轨82伸出。

后方分支85被配置成随着导轨82的旋转而旋转。导轨82优选地被连结，以便通过第二旋转离合器机构40彼此一致地旋转。前方分支75与后方分支85由合适的材料制成，并包括一个或多个纵向花键。前方分支75与后方分支85中的每一个具有以可滑动的方式安装在其上的至少一个工具模块50。肢72的远离第一旋转离合器机构30的端部利用端托架46耦联至导轨82中的一根导轨的远离第二旋转离合器机构40的对应端部。优选地，端托架46固定地连接至导轨82的端部，并且以可旋转的方式连接至肢72的端部，从而允许肢72在其中旋转。

轭77和线性锁定机构76一致地沿着相应的肢72的花键轴平移。包括后方分支85的轭77沿着导轨82平移。轭77绕相应的肢72的花键轴自由旋转，以允许后方分支85相对于对应的前方分支75独立地旋转。轭77和相关的后方分支85的旋转受到导轨82的旋转位置的约束，所述导轨82的旋转位置利用第二输入杆42通过第二旋转离合器机构40来控制。前方和后方分支75、85被配置成当线性锁定机构76解锁时沿着相应的肢72的长度平移。

每个工具模块50安装在线性/旋转锁定机构54上，所述线性/旋转锁定机构54以可滑动的方式安装在前方和后方分支75、85中的一个上，并与所述一个分支的纵向花键相互作用，以防止绕相应分支75、85的纵向轴线的旋转。线性/旋转锁定机构54被配置成：当解锁时，在相应的分支75、85上平移；并且当锁定时，将工具模块50紧固在沿着相应分支75、85的长度的优选位置处。每个线性/旋转锁定机构54优选地是气动启动的，优选地被配置成在解锁以前都保持在锁定位置中，并且只有当注入压缩空气时才可解锁。每个工具模块50包括摆臂组件56，所述摆臂组件56允许工具模块50在优选位置被重构，以便与不同的工件相互作用。

每个工具模块50优选地具有五个运动自由度(5-d.o.f.)，并可为其相关的工件接合工具52配置到参考x轴位置、y轴位置、z轴位置、绕x-y-z坐标系90的z轴的旋转角φ、以及摆动角α限定的合适位置。关于末端执行器10的蜘蛛架构造的前述细节都是说明性的。

图1-5图示了用于可重构末端执行器10的可重构的线管***60的一部分。可重构的线管***60是柔性的管线包（dress package），所述柔性的管线包布置在具有蜘蛛架构造的末端执行器10被选择的元件上并附接至所述被选择的元件，以便于其重构。可重构的线管***60包括附接部分120、可平移部分140和可旋转部分180。可重构的线管***60优选一致地将动力从远程源引导至工具模块50的工件接合工具52中的每个工件接合工具，从而允许工件接合工具52同时夹持或释放工件。在一个实施例中，从远程源引导的动力是真空，但在此描述的概念不如此受限制。在一个实施例中，例如电磁控制阀之类的致动器可以被控制，以同时允许或中断动力源与工件接合工具52之间的真空流。在此的说明包括对线管部分的参考，所述线管部分优选地是由尼龙或适于传输真空的其他材料形成的柔性管部分。替代地，可以考虑其他线管部分。

可重构的线管***60的附接线管部分120顺应可重构末端执行器10的一部分。可重构的线管***60的附接部分120优选地包括源于主悬臂12的远端并可利用合适的耦联装置耦联至机器人臂的真空源的第一线管部分121。第一线管部分121优选地被路由通过主悬臂12的内部，并且在主悬臂12与双铰接机构20之间的耦联处耦联至主气动歧管122。主气动歧管122包括单个入口和两个出口，其中两个出口在一个实施例中与导轨82对应。第二线管部分123耦联至主气动歧管122的出口中的一个出口，在相应导轨82的顶部凸缘84的顶上被路由并且被固定地连接至所述顶部凸缘84。第二线管部分123耦联至第一气动歧管124的入口，所述第一气动歧管124附接至相应的导轨82。第一气动歧管124优选地位于或接近相应导轨82的线性长度的中点，并连接至导轨82的腹板部分83。第一气动歧管124在一个实施例中具有两个出口，并且是线管***60的附接部分120的终点125。应意识到的是，存在耦联至主气动歧管122的两个出口中的另一出口的对应的第二线管部分，所述对应的第二线管部分在另一导轨82的顶部凸缘的顶上被路由并且被固定地连接至所述顶部凸缘，所述对应的第二线管部分耦联至另一气动歧管的入口，所述另一气动歧管位于或接近另一导轨82的线性长度的中点，并在该另一导轨82的侧边以相似的构造连接至该导轨82的腹板部分。该布置允许可重构的线管***60的附接部分120通过双铰接机构20的第一和第二旋转离合器机构30、40的旋转来调节。

图2、3和4图示了柔性线管***60的可平移部分140的一部分。如所示，柔性线管***60的可平移部分140从关于附接部分120的终点125延伸至工具模块50的入口端口141。可平移部分140提供了在所述终点125与入口端口141之间可线性平移的线管部分。可平移部分140包括第一可平移线管段150和第二可平移线管段160，所述第一可平移线管段150用于使可重构的线管***60的一部分沿着与y轴94平行的导轨82中的一根导轨平移，所述第二可平移线管段160用于使可重构线管***60的一部分沿着分支75、85中的一个分支（优选与第一可平移线管段150正交地）平移。

第一可平移线管段150包括被包含在柔性线缆携载器128内的第三线管部分127。第三线管部分127耦联至第一气动歧管124的出口和第二气动歧管126的入口。第二气动歧管126优选地附接至轭77，所述轭77连接至相关的线性锁定机构76。柔性线缆携载器128包括：在第一气动歧管124处或者在第一气动歧管124附近附接至导轨82的第一端；和在第二气动歧管126附近附接至轭77的第二端。柔性线缆携载器128被沿着导轨82路由，并邻接所述导轨82的腹板部分83被引导。包括第三线管部分127的柔性线缆携载器128优选地以回转180°的部分延伸超出导轨82的端部，以将柔性线缆携载器128附接至轭77并且将第三线管部分127附接至第二气动歧管126。

第二可平移线管段160包括第四线管部分129和张紧器170。第二可平移线管段160与相关的前方和后方分支75、85中的任何一个大致平行地延伸。如所示，第二可平移线管段160的第四线管部分129与前方分支75大致平行地延伸。第四线管部分129是将第二气动歧管126的出口中的一个出口耦联至肘管配件145的柔性空气软管，所述肘管配件145流体连接至工具模块50的空气入口端口141。引导元件27安装在相关的线性/旋转锁定机构54上，以与张紧器170一致地引导第四线管部分129。肘管配件145被锚固至工具模块50的线性/旋转锁定机构54。第四线管部分129包括居间环路。张紧器170包括与第四线管部分129的居间环路相互作用的滑动配件172。张紧器170使用滑动配件172，以在由拉伸弹簧175提供张力的情况下在居间环路与对应分支75的远端之间产生张力。参考图4，其示出了张紧器170的示例性实施例，包括滑动配件172、缆绳173、滑轮174和连接至锚固销176的拉伸弹簧175，其中拉伸弹簧175和锚固销176被包含在前方和后方分支75、85中对应的一个分支内。

当线性/旋转锁定机构54沿着对应相关的前方或者后方分支75、85移动时，拉伸弹簧175具有预加载的张力，以保持第四线管部分129的居间环路沿着由滑动配件172的几何形状决定的方向和半径弯曲。

图3图示了安装在前方分支75中的一个前方分支上的线性/旋转锁定机构54上的工具模块50中的一个工具模块。应意识到的是，安装在前方分支75上的工具模块50相对于轭77和第二气动歧管126旋转。安装在后方分支85中的一个后方分支上的工具模块85以相似的方式采用具有张紧器175的第二可平移线管段160。另外，连接至后方分支85的第二可平移线管段160配置有连接器部分142，以便利用合适的肘管和弯曲线管以不干涉的方式越过柔性线缆携载器128。连接器部分142流体耦联至另一第四线管部分229，所述另一第四线管部分229如所示的那样以相似的方式与后方分支85大致平行地延伸。优选地，第二可平移线管段160以例如参考图2所示的合适的方式锚固至导轨82。

图5图示了线管***60的从工具模块50的入口端口141延伸至工件接合工具52的可旋转部分180。可旋转部分180优选地包括结合在工具模块50中的旋转联接头装置55。旋转联接头包括：入口端口141；和与内圈135同轴的外圈134，所述外圈134和内圈135都与线性/旋转锁定机构54的旋转轴136同轴，所述线性/旋转锁定机构54优选地与所述外圈134和内圈135结合。外圈134与内圈135共用环形腔。

入口端口141流体地耦联至外圈134。外圈134安装在托架137上，所述托架137附接至所结合的线性/旋转锁定机构54。内圈135耦联至摆臂组件56。内圈135具有与摆臂组件56的侧面相接的多个突起140。结果，在末端执行器的重构期间，外圈134对所结合的线性/旋转锁定机构54保持静止，而内圈135被配置成与摆臂组件56一起旋转。旋转联接头装置55包括流体地耦联至内圈135的出口端口144。因此，真空流动路径包括：从入口端口141进入外圈134，通过环形腔进入内圈135并且到达出口端口144。出口端口144经由短的空气软管148耦联至高度可调节的壳体147的入口端口146。工件接合工具52利用旋转接头51附接至高度可调节的壳体147。旋转接头51例如利用经由可重构的线管***60供应的真空，允许工件接合工具52以摆动角α来顺应工件，以允许与所述工件的相互作用。如所描绘地，例如供应至可重构的线管***60的真空之类的单个动力输入可用于同时启动工具模块50的多个工件接合工具52以拾取工件，或者替代性地同时停用工具模块50的多个工件接合工具52以放下工件。

本发明已描述了某些优选的实施例及所述某些优选实施例的变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和修改。因此，本发明不应局限于作为用于实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种用于将启动动力传送到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的工具模块的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应所述可重构末端执行器的第一部分，所述第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述可重构末端执行器的第二部分，所述第二部分包括分支和所述可旋转的导轨的第二侧向部分；以及

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与所述工具模块的工件接合工具之间。

2. 根据权利要求1所述的线管***，其中，所述可旋转部分包括连接在所述可平移线管部分的所述端部与所述工件接合工具之间的旋转联接头装置。

3. 根据权利要求1所述的线管部分，其中，所述可平移线管部分包括：

第一可平移线管段，所述第一可平移线管段被配置成在与所述末端执行器的肢部上的所述分支的平移一致的第一方向上平移；以及

第二可平移线管段，所述第二可平移线管段被配置成在与所述第一方向正交并且与所述末端执行器的所述分支上的工件接合工具的平移一致的第二方向上平移。

4. 根据权利要求3所述的线管***，其中，所述第一可平移线管段包括被包含在柔性线缆携载器内的柔性线管部分。

5. 根据权利要求4所述的线管***，其中，所述柔性线缆携载器邻接所述可旋转的导轨，并且包括：连接至所述可旋转的导轨的所述第二侧向部分的第一端；和连接至与所述分支对应的线性锁定机构的第二端。

6. 根据权利要求3所述的线管***，其中，所述第二可平移线管段包括连接至张紧器的柔性线管部分。

7. 一种用于将启动动力传送到可附接至机器人臂的可重构末端执行器的多个工具模块的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应所述可重构末端执行器的主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述可重构末端执行器的第二部分，所述第二部分包括多个分支元件和所述可旋转的导轨的第二侧向部分；以及

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与多个对应的工件接合工具之间。

8. 根据权利要求7所述的线管***，其中，所述可旋转部分包括连接在所述可平移线管部分中的一个可平移线管部分的端部与所述对应的工件接合工具之间的旋转联接头装置。

9. 根据权利要求7所述的线管***，其中，所述可平移线管部分中的每个可平移线管部分包括：

第一可平移线管段，所述第一可平移线管段被配置成在与所述末端执行器的肢部上的分支的平移一致的第一方向上平移；以及

第二可平移线管段，所述第二可平移线管段被配置成在与所述第一方向正交并且与所述分支上的工件接合工具的平移一致的第二方向上平移。

10. 一种可重构的线管***，包括：

固定线管部分，所述固定线管部分顺应末端执行器的第一部分，所述第一部分包括主悬臂和可旋转的导轨的第一部分；

可平移线管部分，所述可平移线管部分以可平移的方式连接至所述末端执行器的第二部分，所述第二部分包括分支和所述可旋转的导轨的第二部分；

可旋转部分，所述可旋转部分连接在所述可平移线管部分的端部与包括工件接合工具的工具模块之间；以及

所述可重构的线管***被配置成将启动动力传送至所述工件接合工具。

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