CN113400349B - 一种机械臂执行器快换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂执行器快换装置，其包括用于连接机械臂末端的第一连接部件和用于连接执行器的第二连接部件，第一连接部件的壳体内设有驱动机构和锁紧机构，第二连接部件设有插接机构；驱动机构与锁紧机构传动连接，驱动机构沿第一方向驱动锁紧机构在第一状态和第二状态间动作；处于第一状态，插接机构可沿第一方向由壳体的开口***至锁紧机构内，处于第二状态，锁紧机构可锁紧位于其内的插接机构。本发明利用驱动机构来带动锁紧机构对插接机构进行锁紧或解除锁紧，无需高压气源，可以适用于户外或家居环境，提高了装置的普适性，并且结构较为简单紧凑，更换过程更加便捷。

Description

一种机械臂执行器快换装置

技术领域

本发明涉及机电技术领域，具体而言，涉及一种机械臂执行器快换装置。

背景技术

在现代生产过程中，机械臂被广泛的运用于自动生产线中，为了适配不同的工作场景，经常需要更换机械臂末端的执行器；现有的机械臂末端的执行器大多通过高压气体涨紧的快换装置实现，但是由于在户外以及家居等环境下无法获得高压气源，因此，此种更换装置的普适性较差，而且整体体积较大、更换过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂执行器快换装置，以解决现有利用高压气体为动力源的快换装置存在的普适性差、体积大且更换过程复杂等问题。

为解决上述问题，本发明首先提供了一种机械臂执行器快换装置，包括用于连接机械臂末端的第一连接部件和用于连接执行器的第二连接部件，所述第一连接部件包括壳体以及设于所述壳体内的驱动机构和锁紧机构，所述第二连接部件面向所述第一连接部件的一侧设有插接机构；所述壳体的底壁开口，所述驱动机构与所述锁紧机构传动连接，所述驱动机构沿第一方向驱动所述锁紧机构在第一状态和第二状态间动作；处于所述第一状态，所述插接机构可沿所述第一方向由所述开口***至所述锁紧机构内，处于所述第二状态，所述锁紧机构可锁紧位于其内的所述插接机构。

进一步的，所述驱动机构包括驱动电机和丝杆传动组件；所述驱动电机包括定子和套设在所述定子外的转子，所述丝杆传动组件包括相连接的螺母和丝杆，所述转子与所述螺母相连接且同步转动，所述丝杆与所述锁紧机构相连接。

进一步的，所述定子内部中空，所述丝杆位于所述定子内，并与所述定子同轴设置。

进一步的，所述锁紧机构包括第一环形限位壁、第二环形限位壁、滚珠安装件和锁紧滚珠；沿靠近所述第二连接部件的方向，所述第一环形限位壁和所述第二环形限位壁依次设于所述开口的内壁面，所述第一环形限位壁的径向尺寸小于所述第二环形限位壁的径向尺寸；所述滚珠安装件位于所述开口内，并与所述驱动机构的输出端相连接，所述滚珠安装件沿其圆周方向设有多个通孔；多个所述锁紧滚珠一一对应安装于所述通孔内；处于所述第一状态时，所述锁紧滚珠与所述第二环形限位壁在第二方向上限位配合，所述第二方向与所述第一方向垂直，多个所述锁紧滚珠形成供所述插接机构***的避让空间；处于所述第二状态时，所述锁紧滚珠与所述第一环形限位壁在第二方向上限位配合，多个所述锁紧滚珠锁紧所述插接机构。

进一步的，所述第一环形限位壁和所述第二环形限位壁之间设有导向壁，由所述第一环形限位壁至所述第二环形限位壁的方向，所述导向壁的径向尺寸逐渐增大。

进一步的，所述插接机构包括立柱、限位件和制退弹簧；所述限位件套装在所述立柱顶部，所述限位件可***所述锁紧机构，并被所述锁紧机构锁紧；所述制退弹簧套设在所述立柱上，其一端与所述限位件连接固定，另一端与所述立柱或所述第二连接部件连接固定，所述制退弹簧在所述限位件被锁紧后呈压缩状态。

进一步的，所述限位件外壁设有与所述锁紧机构限位配合的限位凸缘，沿背离所述制退弹簧的方向，所述限位凸缘的外壁径向尺寸逐渐增大。

进一步的，所述壳体的底部设有第一定位凸台，所述开口设于所述第一定位凸台；所述第二连接部件设有第一定位凹槽，所述插接机构设置在所述第一定位凹槽内，所述第一定位凸台的外侧壁与所述第一定位凹槽的内侧壁定位配合。

进一步的，所述第一连接部件和/或所述第二连接部件上安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测对接后的所述第一连接部件和所述第二连接部件之间的压力；当所述压力传感器检测到的压力值低于预设阈值时，所述驱动机构带动所述锁紧机构动作至所述第二状态。

进一步的，所述第二连接部件上设有识别码，所述识别码包含执行器的重力补偿和惯量补偿参数信息。

根据本发明提供的机械臂执行器快换装置，区别于传统的高压气体锁紧方式，利用驱动机构来带动锁紧机构对插接机构进行锁紧或解除锁紧，无需高压气源，可以适用于户外或家居环境，提高了装置的普适性，并且结构较为简单紧凑，更换过程更加便捷。

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本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的机械臂执行器快换装置的结构示意图；

图2为图1的A-A截面图；

图3为图2的B-B截面图。

附图标记说明：

100-第一连接部件；110-壳体；111-第一定位凸台；120-驱动机构；121-驱动电机；1211-定子；1212-转子；1213-滚珠花键套筒；1214-薄壁型深沟球轴承；122-丝杆传动组件；1221-螺母；1222-丝杆；130-锁紧机构；131-第一环形限位壁；132-第二环形限位壁；133-滚珠安装件；134-锁紧滚珠；135-导向壁；

200-第二连接部件；210-插接机构；211-立柱；212-限位件；2121-限位凸缘；213-制退弹簧；220-第一定位凹槽；

300-气路接口；

400-电路接口；

500-压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1所示，本实施例提供了一种机械臂执行器快换装置，主要包括第一连接部件100和第二连接部件200两大模块，其中的第一连接部件100可也称之为公头部件，第二连接部件200可以称之为母头部件，第一连接部件100安装在机械臂末端（图中未示出），第二连接部件200用于连接执行器（图中未示出），第一连接部件100和/或第二连接部件200设有气路接口300、电路接口400等结构。

当需要不同功能执行器时，需要解除第一连接部件100和当前第二连接部件200的连接，然后快速更换具有其他执行器的第二连接部件200，因此，需要快速解除两者的连接，并且能够快速实现两者的装配。

结合附图2和附图3所示，区别于现有的高压气体涨紧方式，本实施例的第一连接部件100的对接和解除连接通过驱动机构120和锁紧机构130实现，具体的，是本实施例的第一连接部件100包括壳体110以及设于壳体110内的驱动机构120和锁紧机构130，本实施例的驱动机构120与锁紧机构130传动连接，相应的，本实施例的第二连接部件200面向第一连接部件100的一侧设有插接机构210。

并且，需要在本实施例的第一连接部件100的壳体110的底壁开口，本实施例的驱动机构120被配置为可沿第一方向（图中的竖直方向）做直线往复运动，并且该驱动机构120的直线往复动作可带动锁紧机构130在第一状态和第二状态间动作。

处于本实施例中所述的第一状态时，本实施例的插接机构210可沿第一方向由开口***至锁紧机构130内，处于本实施例中的第二状态时，本实施例的锁紧机构130可锁紧位于其内的插接机构210。

此种结构设计，区别于传统的高压气体锁紧方式，利用驱动机构120来带动锁紧机构130对插接机构210进行锁紧或解除锁紧，无需高压气源，可以适用于户外或家居环境，提高了装置的普适性，并且结构较为简单紧凑，更换过程更加便捷。

再结合附图2和3所示，本实施例的驱动机构120包括驱动电机121和丝杆传动组件122；驱动电机121包括定子1211和套设在定子1211外的转子1212，定子1211通过滚珠花键套筒1213固定安装在第一连接部件100的壳体110上，滚珠花键套筒1213内部包含的滚珠元件实现滚动摩擦替代滑动摩擦，具有摩擦系数低、寿命长、精度高的优点，通过施加一定的预载荷提高了中心轴系的弯曲刚度和定位精度；本实施例的转子1212通过两个薄壁型深沟球轴承1214安装在壳体110上，并采用定压预紧的方式实现轴向、径向支撑。

本实施例的丝杆传动组件122为梯形丝杆1222传动结构，其包括相连接的螺母1221和丝杆1222，转子1212与螺母1221固定连接且同步转动，丝杆1222包括上端的螺纹部和位于螺纹部下方并与螺纹部一体连接的杆体，杆体与锁紧机构130相连接，螺纹部与螺母1221螺纹连接，丝杆1222在螺母1221的转动下直线运动，进而带动本实施例的锁紧机构130张开或锁紧。梯形丝杆传动具备可靠的机械自锁特性，保证快换装置的可靠性与安全性，对接锁紧完成购不需要力矩电机长时间保持一定力矩，有效降低快换装置的能耗，有利于提高快换装置的整机使用寿命，本实施例的螺母1221内部包含有涨紧弹簧实现轴向间隙消除，提高了丝杆1222和螺母1221长时间运行磨损后的运行精度。

为了便于安装本实施例的丝杆1222等结构，实现装置的小型化、紧凑化设计，本实施例将定子1211设计为内部中空结构，本实施例的丝杆1222位于定子1211内，并与定子1211同轴设置。

此种结构设计完全电驱动来实现锁紧机构130的动作，无需高压气源等外界设备供能，进而能够实现装置的体积小型化和结构的紧凑化，并且对电机结构做出了适应性的改进，进一步优化结构。

本实施例的锁紧结构的结构形式有多种，例如锁紧机构130包括凸轮（图中未示出此种方式），丝杆1222带动凸轮转动来实现对插接机构210的锁紧或解除锁紧，再例如锁紧机构130包括齿轮和齿条（图中未示出此种方式），丝杆1222带动齿轮转动，齿轮带动齿条动作来实现对插接机构210的锁紧或解除锁紧，但是以上结构均需要占用较大的安装空间，而且锁紧过程需要与插接机构210产生滑动摩擦，长期使用锁紧力下降，有鉴于此，本实施例提供了一种利用滚珠来锁紧插接机构的结构。

具体的，结合附图3所示，本实施例的锁紧机构130包括第一环形限位壁131、第二环形限位壁132、丝杆传动组件133和锁紧滚珠134等。沿靠近第二连接部件200的方向，本实施例的第一环形限位壁131和第二环形限位壁132依次设于开口的内壁面，并且，本实施例的第一环形限位壁131的径向尺寸小于第二环形限位壁132的径向尺寸。

本实施例的丝杆传动组件133位于开口内，丝杆传动组件133近似于一个筒状结构，丝杆传动组件133与驱动机构120的输出端，即本实施例的丝杆1222的杆体固定连接，并通过滚珠花键套筒1213实现对丝杆1222的导向和支撑。

本实施例的丝杆传动组件133沿其圆周方向设有多个通孔（图中未标识）；多个锁紧滚珠134一一对应安装于通孔内，并且被丝杆传动组件133在第一方向上限位。

处于第一状态时，本实施例的丝杆传动组件133的位置使得锁紧滚珠134与第二环形限位壁132在第二方向限位配合，第二方向与第一方向垂直，进而使得多个锁紧滚珠134形成供插接机构210***的避让空间，然后可以***本实施例的插接机构210，随后，丝杆1222向上运动，丝杆传动组件133带动锁紧滚珠134向上运动，并且使得锁紧滚珠134与第一环形限位壁131限位配合，由于第一环形限位壁131的径向尺寸小于第二环形限位壁132的径向尺寸，进而本实施例的多个锁紧滚珠134向内滚动，使得多个锁紧滚珠134形成的避让空间缩小，最终包围并锁紧本实施例的插接机构210，实现第一连接部件100和第二连接部件200的对接，在需要解除第一连接部件100和第二连接部件200的对接时，只要通过电机带动丝杆1222组件的丝杆1222向下运动，解除滚珠对插接机构210的锁紧即可。

另外，为了便于滚珠在第一环形限位壁131和第二环形限位壁132之间的滚动，本实施例在第一环形限位壁131和第二环形限位壁132之间设有倾斜的导向壁135，结合附图3可知，本实施例的第一环形限位壁131和第二环形限位壁132沿第一方向设置，导向壁135相对于第一方向倾斜设置，具体的，可以理解为由第一环形限位壁131至第二环形限位壁132的方向（由上至下），本实施例的导向壁135的径向尺寸逐渐增大。

为了实现第一连接部件100和第二连接部件200的稳定连接和装配定位，本实施例在壳体110的底部设有第一定位凸台111，本实施例的开口设于第一定位凸台111，并且在第一方向上具有一定的高度。

相应的，本实施例的第二连接部件200设有第一定位凹槽220，插接机构210设置在第一定位凹槽220内，第一定位凸台111的外侧壁与第一定位凹槽220的内侧壁定位配合，在装配时利用第一定位凸台111和第一定位凹槽220的配合实现第一连接部件100和第二连接部件200的定位连接，便于装配和提高装配后的稳定性。

第一定位凸台111和第一定位凹槽220均呈锥体状，进而使得两者的侧壁的配合锥面承受了末端驱动器引入的弯曲载荷、径向载荷，点接触承载能力较小的滚珠锁紧机构130仅承受末端驱动器引入的轴向载荷，因此相比于传统的使用高压气体涨紧结构的快换装置具有刚度大、精度高、承载力强的优点。

并且，在本实施例的锁紧机构130锁紧插接机构210时，第一定位凸台111的底壁和第一定位凹槽220的底壁具有预设间隔，避免第一定位凸台111和第一定位凹槽220之间产生过大的分子间力和负压。

当然，为了进一步便于装配连接，还可以在本实施例的壳体110的底部设有多个第二定位凸台（图中未标识），多个第二定位凸台分布于第一定位凸台111的四周，第二连接部件200设有与第二定位凸台相适配的第二定位凹槽（图中未标识）。

结合附图3所示，插接机构包括立柱211、限位件212和制退弹簧213；限位件212套装在立柱211顶部，限位件212可***锁紧机构130，并被锁紧机构130锁紧；制退弹簧213套设在立柱211上，其一端与限位件212连接固定，另一端与立柱211或第二连接部件200连接固定，制退弹簧213在限位件212被锁紧后呈压缩状态，通过制退弹簧213能够便于限位件212脱离锁紧滚珠134，并且利于本实施例的第一定位凸台111和第一定位凹槽220的分离，避免两者的配合面产生的分子间力、负压、摩擦涨紧等现象影响第一连接部件100和第二连接部件200的分离，并且由于增加了制退弹簧213减弱了分离脱开时快换装置母头部件所受的冲击力，在对接锁紧过程中避免了空间干涉。

再结合附图2和3所示，为了便于和锁紧滚珠134配合，本实施例的限位件212的外壁设有与滚珠限位配合的限位凸缘2121，并且沿背离制退弹簧213的方向，限位凸缘2121的外壁径向尺寸逐渐增大，进而使得限位凸缘2121的下侧形成与锁紧滚珠134相适配的配合面，便于限位凸缘2121脱离锁紧滚珠134。

另外，结合附图2所示，本实施例在第一连接部件100和/或第二连接部件200上安装有压力传感器500，具体是安装在第一连接部件100的壳体110底部，压力传感器500用于检测对接后的第一连接部件100和第二连接部件200之间的压力，该压力在机械臂和末端执行器工作过程中由于姿态变化、速度变化、外部环境的作用发生一定的变化并保持在一定的范围；随后通过微型计算机驱动电机121的转子1212做旋转运动，使得丝杆1222向上运动，进而防止第一连接部件100和第二连接部件200的分离。

另外，发明人发现，现有的力控柔性机械臂为保证较高的力控性能，需要针对不同型号的末端执行器单独进行重力补偿和惯量补偿；为保证力控柔性机械臂使用不同末端执行器时重力补偿和惯量补偿参数准确无误，本实施例在第二连接部件200上设置识别码（图中未示出），识别码可以是在第二连接部件200的端面上激光雕刻形成的二维码，二维码包含了执行器的重力补偿和惯量补偿参数信息，在第一连接部件100和第二连接部件200对接之前通过力控柔性机械臂末端配置的手眼相机扫描二维码，保证力控性能指标，由于二维码与末端执行器一一对应，因此不会因为误操作造成信息匹配不准确。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种机械臂执行器快换装置，包括用于连接机械臂末端的第一连接部件（100）和用于连接执行器的第二连接部件（200），其特征在于，所述第一连接部件（100）包括壳体（110）以及设于所述壳体（110）内的驱动机构（120）和锁紧机构（130），所述第二连接部件（200）面向所述第一连接部件（100）的一侧设有插接机构（210）；

所述壳体（110）的底壁开口，所述驱动机构（120）与所述锁紧机构（130）传动连接，所述驱动机构（120）沿第一方向驱动所述锁紧机构（130）在第一状态和第二状态间动作；

处于所述第一状态，所述插接机构（210）可沿所述第一方向由所述开口***至所述锁紧机构（130）内，处于所述第二状态，所述锁紧机构（130）可锁紧位于其内的所述插接机构（210）；

所述插接机构包括立柱（211）、限位件（212）和制退弹簧（213）；所述限位件（212）套装在所述立柱（211）顶部，所述限位件（212）可***所述锁紧机构（130），并被所述锁紧机构（130）锁紧；

所述制退弹簧（213）套设在所述立柱（211）上，其一端与所述限位件（212）连接固定，另一端与所述立柱（211）或所述第二连接部件（200）连接固定，所述制退弹簧（213）在所述限位件（212）被锁紧后呈压缩状态；

所述壳体（110）的底部设有第一定位凸台（111），所述开口设于所述第一定位凸台（111）；

所述第二连接部件（200）设有第一定位凹槽（220），所述插接机构（210）设置在所述第一定位凹槽（220）内，所述第一定位凸台（111）的外侧壁与所述第一定位凹槽（220）的内侧壁定位配合；所述第一定位凸台（111）和所述第一定位凹槽（220）均呈锥体状；

所述锁紧机构（130）包括第一环形限位壁（131）、第二环形限位壁（132）、滚珠安装件（133）和锁紧滚珠（134）；

沿靠近所述第二连接部件（200）的方向，所述第一环形限位壁（131）和所述第二环形限位壁（132）依次设于所述开口的内壁面，所述第一环形限位壁（131）的径向尺寸小于所述第二环形限位壁（132）的径向尺寸；

所述滚珠安装件（133）位于所述开口内，并与所述驱动机构（120）的输出端相连接，所述滚珠安装件（133）沿其圆周方向设有多个通孔；

多个所述锁紧滚珠（134）一一对应安装于所述通孔内；

处于所述第一状态时，所述锁紧滚珠（134）与所述第二环形限位壁（132）在第二方向上限位配合，所述第二方向与所述第一方向垂直，多个所述锁紧滚珠（134）形成供所述插接机构（210）***的避让空间；

处于所述第二状态时，所述锁紧滚珠（134）与所述第一环形限位壁（131）在第二方向上限位配合，多个所述锁紧滚珠（134）相互配合锁紧所述插接机构（210）；

所述第一环形限位壁（131）和所述第二环形限位壁（132）之间设有导向壁（135），由所述第一环形限位壁（131）至所述第二环形限位壁（132）的方向，所述导向壁（135）的径向尺寸逐渐增大；

所述限位件（212）外壁设有与所述锁紧机构（130）限位配合的限位凸缘（2121），沿背离所述制退弹簧（213）的方向，所述限位凸缘（2121）的外壁径向尺寸逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的机械臂执行器快换装置，其特征在于，所述驱动机构（120）包括驱动电机（121）和丝杆传动组件（122）；

所述驱动电机（121）包括定子（1211）和套设在所述定子（1211）外的转子（1212），所述丝杆传动组件（122）包括相连接的螺母（1221）和丝杆（1222），所述转子（1212）与所述螺母（1221）相连接且同步转动，所述丝杆（1222）与所述锁紧机构（130）相连接。

3.根据权利要求2所述的机械臂执行器快换装置，其特征在于，所述定子（1211）内部中空，所述丝杆（1222）位于所述定子（1211）内，并与所述定子（1211）同轴设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的机械臂执行器快换装置，其特征在于，所述第一连接部件（100）和/或所述第二连接部件（200）上安装有压力传感器（500），所述压力传感器（500）用于检测对接后的所述第一连接部件（100）和所述第二连接部件（200）之间的压力；当所述压力传感器（500）检测到的压力值低于预设阈值时，所述驱动机构（120）带动所述锁紧机构（130）动作至所述第二状态。

5.根据权利要求1-3任一项所述的机械臂执行器快换装置，其特征在于，所述第二连接部件（200）上设有识别码，所述识别码包含执行器的重力补偿和惯量补偿参数信息。

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