CN115256449A - 用于机器人末端的柔性夹持机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人末端的柔性夹持机构及机器人，用于机器人末端的柔性夹持机构包括：机器人末端转接件；夹爪气缸，夹爪气缸连接机器人末端转接件；及设置于夹爪气缸上的左夹爪组件和右夹爪组件；左夹爪组件和右夹爪组件均包括夹爪固定架、用于接触并夹持待夹持物体的夹爪臂以及连接夹爪固定架和夹爪臂的柔性补偿机构。当柔性夹持机构移动待夹持物体至目标位置时，柔性补偿机构用于在至少一个方向上对夹爪臂进行柔性补偿。本申请所提供的用于机器人末端的柔性夹持机构，可以补偿机器人末端执行件因重复定位精度或错误指令引起的定位偏差，适用于需要精确定位的场景，尤其是在机器人更换刀具的过程中，能够降低机床主轴破损的风险。

Description

用于机器人末端的柔性夹持机构及机器人

技术领域

本发明涉及自动化应用设备技术领域，特别是涉及一种用于机器人末端的柔性夹持机构及机器人。

背景技术

随着智能自动化技术的不断提高，在机械加工领域采用机器人取代人力，可以实现机加工的高度自动化，例如实现智能无人加工，从而摆脱传统机械加工行业人力成本高、以及人为加工误差大等问题。

目前，在机加工过程中，机床刀具和工件均可由机器人自动更换或补充，例如，一些机床的刀具库无法满足工件加工的所有工序，因此需要机器人从外部刀库给机床补充刀具。在此基础上，若机床刀具库的位置与工件加工台并非位于机床的同一侧，则外部刀具的补充需要通过机床主轴进行转接；也即，需要机器人先将补充的刀具更换至机床主轴上，再由机床刀具库的夹具从机床主轴上将补充的刀具夹走。

然而，机床主轴作为机床加工精度保障的核心组件，机床主轴一旦受损，容易导致机床出现报废的风险。但是，由于机器人自身的重复定位精度，难以确保机器人所夹持刀具的定位能够绝对准确。因此，在这种情况下，机器人更换机床主轴上的刀具，容易出现机床主轴受损的风险。

发明内容

基于此，针对机器人末端执行件因重复定位精度或错误指令引起的定位偏差等问题，提供一种用于机器人末端的柔性夹持机构及机器人，从而可以在机器人更换刀具的过程中，有效降低机床主轴发生破损的风险。

一种用于机器人末端的柔性夹持机构，包括：机器人末端转接件；夹爪气缸，所述夹爪气缸连接于所述机器人末端转接件；及设置于所述夹爪气缸上的左夹爪组件和右夹爪组件，所述左夹爪组件和所述右夹爪组件相对设置；

其中，所述左夹爪组件和所述右夹爪组件均包括：夹爪固定架，设置于所述夹爪气缸上；夹爪臂，用于接触并夹持待夹持物体；

柔性补偿机构，所述柔性补偿机构连接所述夹爪固定架和所述夹爪臂，当所述柔性夹持机构移动所述待夹持物体至目标位置时，所述柔性补偿机构用于在至少一个方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿。

进一步地，所述柔性补偿机构包括第一柔性补偿机构和第二柔性补偿机构，所述第一柔性补偿机构连接所述夹爪固定架和所述第二柔性补偿机构，所述第二柔性补偿机构连接所述第一柔性补偿机构和所述夹爪臂；

其中，所述第一柔性补偿机构用于在第一方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿，所述第二柔性补偿机构用于在第二方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿，其中所述第一方向与所述第二方向垂直。

进一步地，所述第一柔性补偿机构包括第一旋转件和第一弹性件，所述第一弹性件设置于所述第一旋转件和所述夹爪固定架之间，所述第一弹性件配置为在所述第一旋转件相对于所述夹爪固定架旋转时受所述第一旋转件的作用力而发生弹性形变。

进一步地，所述第一柔性补偿机构还包括第一测距传感器，所述第一测距传感器设置于所述夹爪固定架上，所述第一测距传感器配置为感测所述第一旋转件与所述夹爪固定架之间的距离，并在所述距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

进一步地，所述第一测距传感器位于所述第一旋转件背离所述第一弹性件的一侧。

进一步地，所述第二柔性补偿机构包括第二旋转件和第二弹性件，所述第二旋转件与所述第一旋转件的转动轴线垂直，所述第二弹性件设置于所述第一旋转件和所述第二旋转件之间，所述第二弹性件在所述第二旋转件相对于所述第一旋转件旋转时发生弹性形变。

进一步地，所述第二柔性补偿机构还包括第二测距传感器，所述第二测距传感器设置于所述第一旋转件上，所述第二测距传感器配置为感测所述第二旋转件与所述第一旋转件之间的距离，并在所述距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

进一步地，所述第二测距传感器位于所述第二旋转件背离所述第二弹性件的一侧。

进一步地，第一测距传感器和所述第二测距传感器为接触式位移传感器。

进一步地，提供一种机器人，包括以上所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，还包括机械臂，所述机械臂连接所述用于机器人末端的柔性夹持机构。

本申请所提供的用于机器人末端的柔性夹持机构，在其夹爪组件中对应设置柔性补偿机构，在机器人末端执行件，即夹爪臂夹持刀具后的移动过程中，若因机器人的重复定位精度或错误指令使得夹爪臂的定位出现偏差，则夹爪臂夹持的刀具可能与机床主轴接触，使得夹爪臂受到机床主轴施加的反作用力，利用柔性补偿机构在至少一个方向上对夹爪臂进行柔性补偿，能够对夹持臂所夹持刀具与机床主轴的接触给予缓冲，从而对机器人末端执行件因重复定位精度或错误指令引起的定位偏差进行有效补偿。

综上，本申请中用于机器人末端的柔性夹持机构，可以有效补偿机器人末端执行件因重复定位精度或错误指令引起的定位偏差，同时还适用于任意需要精确定位的场景，尤其是在机器人更换刀具的过程中，能够有效降低机床主轴发生破损的风险，从而提升机器人自动更换刀具的安全性和可靠性，进而可以拓宽机器人在机械自动化加工领域中的应用，有利于提高机械加工的生产效率以及降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请一些实施例中的技术方案，下面将对一些实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的立体图；

图2为本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的俯视图；

图3为图2所示的用于机器人末端的柔性夹持机构的F-F剖视图；

图4为本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的侧视图；

图5为图4所示的用于机器人末端的柔性夹持机构的J-J剖视图。

其中，1、机器人末端转接件；2、柔性夹持组件，20A、左夹爪组件，20B、右夹爪组件，21、夹爪气缸，201A、夹爪固定架，202A、第一旋转件，2011、第一容置槽，2021、第二容置槽，203A、第二旋转件，204A、柔性补偿机构，2041A、第一柔性补偿机构，2042A、第二柔性补偿机构，205A、夹爪臂；421、第二弹性件，422、第二测距传感器，411、第一弹性件，412、第一测距传感器，413、挡板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第二”、“第一”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第二”、“第一”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第二特征在第一特征“上”或“下”可以是第二和第一特征直接接触，或第二和第一特征通过中间媒介间接接触。而且，第二特征在第一特征“之上”、“上方”和“上面”可是第二特征在第一特征正上方或斜上方，或仅仅表示第二特征第二高度高于第一特征。第二特征在第一特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第二特征在第一特征正下方或斜下方，或仅仅表示第二特征第二高度小于第一特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“第二的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

图1示出了本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的立体图,该柔性夹持机构包括：机器人末端转接件1及设置于机器人末端转接件1上的柔性夹持组件2。柔性夹持组件2包括：与机器人末端转接件1固定连接的夹爪气缸21，以及设置于夹爪气缸21上的左夹爪组件20A和右夹爪组件20B，左夹爪组件20A和右夹爪组件20B相对设置。其中，夹爪气缸21用于驱动左夹爪组件20A和右夹爪组件20B运动(例如张开或闭合)，从而实现夹取操作。

可以理解的是，机器人末端转接件1用于连接机器人末端和柔性夹持组件2，机器人末端转接件1的结构通常应匹配机器人末端的结构设置。可选的，机器人末端转接件1为连接法兰，但并不限于此。此外，本发明中提及的机器人末端亦指机器人的手臂末端，即机器人用于安装夹持机构例如夹持臂的手臂端部。

图2示出了本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的俯视图，图3示出了图2所示的用于机器人末端的柔性夹持机构的F-F剖视图，图4示出了本申请一种实施例的用于机器人末端的柔性夹持机构的侧视图，图5示出了图4所示的用于机器人末端的柔性夹持机构的J-J剖视图。

结合图3、图5所示，其中，左夹爪组件20A和右夹爪组件20B的具体结构相同，此处以左夹爪组件20A为例，左夹爪组件20A包括：夹爪固定架201A、柔性补偿机构204A以及夹爪臂205A。夹爪固定架201A设置于夹爪气缸21上，夹爪固定架201A的结构、以及夹爪气缸21的类型和结构，均可以根据实际需求选择设置。

夹爪臂205A用于接触并夹持待夹持物体，柔性补偿机构204A连接夹爪固定架201A和夹爪臂205A，当本申请所提供的用于机器人末端的柔性夹持机构移动待夹持物体至目标位置时，柔性补偿机构204A用于在至少一个方向上对夹爪臂205A进行柔性补偿。需要说明的是，柔性补偿是相当于刚性而言的，即夹爪臂在移动时通过柔性补偿机构对夹持臂所夹持待夹持物体与目标位置的接触给予缓冲或提供一定的弹性变形量，防止移动过程中由于碰撞等刚性接触给待夹持物体造成的破坏。

继续参阅图3所示，柔性补偿机构204A由第一柔性补偿机构2041A和第二柔性补偿机构2042A组成。第一柔性补偿机构2041A连接夹爪固定架201A和第二柔性补偿机构2042A，第一柔性补偿机构2041A用于在第一方向C-C上对夹爪臂205A进行柔性补偿，具体在图3中，第一方向C-C可选为竖直方向。

第一柔性补偿机构2041A包括第一旋转件202A、第一弹性件411和第一测距传感器412，第一弹性件411设置于第一旋转件202A和夹爪固定架201A之间，第一旋转件202A与夹爪固定架201A转动连接，第一旋转件202A能够沿第一方向C-C发生转动，第一弹性件411在第一旋转件202A相对于夹爪固定架201A旋转时发生弹性形变。第一测距传感器412设置于夹爪固定架201A上,第一测距传感器412感测第一旋转件202A与夹爪固定架201A之间的距离，并在该距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

继续参阅图5所示，第二柔性补偿机构2042A连接第一柔性补偿机构2041A和夹爪臂205A，第二柔性补偿机构2042A包括第二旋转件203A、第二弹性件421和第二测距传感器422。第二柔性补偿机构2042A用于在第二方向D-D上对夹爪臂205A进行柔性补偿，其中第一方向与第二方向垂直,具体在图5中，第二方向D-D可选为水平方向。

第二弹性件421设置于第一旋转件202A和第二旋转件203A之间，第二旋转件203A与第一旋转件202A转动连接，第二旋转件203A能够沿第二方向D-D旋转，第二弹性件421在第二旋转件203A相对于第一旋转件202A旋转时发生弹性形变。第二测距传感器422设置于第一旋转件202A上，第二测距传感器422感测第二旋转件203A与第一旋转件202A之间的距离，并在该距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

可选的，第一弹性件411和第二弹性件421为弹簧。此处，弹性的具体形状、尺寸及弹性模量等参数，可以根据实际需求合理设计，本申请实施例对此不作限定。

需要说明的是，以上所述的第一旋转件202A和第二旋转件203A用于区分两者的转动方向，第一旋转件202A和第二旋转件203A的转动轴线垂直。本申请一种实施方式，即第一旋转件202A为竖直方向设置，第二旋转件203A为水平方向设置，与之对应的，第一柔性补偿机构2041A为竖直方向设置，第二柔性补偿机构2042A为水平方向设置。

上述可转动连接可以有多种实现方式，例如通过销轴可转动连接，或者通过轴承可转动连接等，以能实现对应连接部件的相对旋转为限，本申请实施例对此不作限定。

进一步地，继续参阅图3所示，第一旋转件202A上设有第一容置槽2011，第二旋转件203A位于第一容置槽2011内，并通过销轴等与第一旋转件202A可转动连接。第二旋转件203A的远离夹爪臂205A的端部与第一旋转件202A之间具有间隔，且该端部的一侧通过第二弹性件421与第一旋转件202A接触，另一侧与第二测距传感器422接触。

在其中一个实施例中，第一测距传感器412位于对应的第一旋转件202A的背离第一弹性件411的一侧。可选的，第一测距传感器412为接触式位移传感器，但并不仅限于此，其他任一能够检测第一旋转件与夹爪固定架之间距离变化的位移传感器，也均是允许的。

另一种实施方式，第一柔性补偿机构2041A还包括第一弹性件411、挡板413、第一测距传感器412和第一旋转件202A。第一弹性件411设置于对应的第一旋转件202A和夹爪固定架201A之间，被设定为在第一旋转件202A相对于夹爪固定架201A进行旋转的情况下发生弹性形变。挡板413设置于夹爪固定架201A上,且位于第一旋转件202A的背离第一弹性件411的一侧。例如，挡板413通过螺钉等固定件安装在左夹爪固定架201A的背离右夹爪固定架201B的外侧。如此，可以在将第一弹性件411、第一旋转件202A依次安装于左夹爪固定架201A上之后，再将挡板413安装至左夹爪固定架201A上，从而简化柔性夹持机构的组装工艺。

第一测距传感器412设置于挡板413上，被设定为感测第一旋转件202A与挡板413之间的距离，并在所述距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

此处，挡板413与夹爪固定架201A固定连接，第一测距传感器412感测到的第一旋转件202A与挡板413之间的距离变化，也即为第一旋转件202A与夹爪固定架201A之间的距离变化。

继续参阅图5所示，夹爪固定架201A上设有第二容置槽2021，第一旋转件202A位于第二容置槽2021内，并通过销轴等与夹爪固定架201A可转动连接。第一旋转件202A的远离夹爪臂205A的端部与夹爪固定架201A之间具有间隔，且该端部的一侧通过第一弹性件411与夹爪固定架201A接触，另一侧与安装在挡板413上的第一测距传感器412接触。

在其中一个实施例中，第二测距传感器422位于对应的第二旋转件203A的背离第二弹性件421的一侧。可选的，第二测距传感器422为接触式位移传感器。但并不仅限于此，其他任一能够检测第二旋转件与第一旋转件之间距离变化的位移传感器，也均是允许的。

如此，当夹爪臂205A夹持刀具移动至机床主轴的对应区域时，若因机器人的重复定位精度影响而出现刀具的刀柄与机床主轴不同心的情况，使得刀具的刀柄与机床主轴上的刀柄安装孔的某侧内壁接触，那么机床主轴会施加反作用力在刀柄上，进而传递至夹爪臂205A，此时，第一旋转件202A和第二旋转件203A会根据夹爪臂205A传递过来的力发生旋转，从而使第一柔性补偿机构2041A和第二柔性补偿机构2042A发生响应。

具体而言，第二旋转件203A的远离夹爪臂205A的端部的一侧会压缩第二弹性件421，使得该端部的另一侧脱离其与第二测距传感器422的接触。当第二旋转件203A的脱离第二测距传感器422接触的端部至第二测距传感器422的距离，还在第二测距传感器422的可检测距离内时，夹爪臂205A夹持的刀具可以继续靠近机床主轴，以利用第二弹性件421的弹性变形对因机器人的重复定位精度造成的定位偏差进行有效补偿。当第二旋转件203A脱离第二测距传感器422接触的端部至第二测距传感器422的距离，已经超出了第二测距传感器422的可检测距离内时，第二测距传感器422输出制动预警信号，并将该制度预警信号传递至机器人的控制系统，以使得机器人根据该制动预警信号及时控制夹爪臂205A停止移动。

而第一旋转件202A旋转时，其远离夹爪臂205A的端部的一侧会压缩第一弹性件411，使得该端部的另一侧脱离其与第一测距传感器412的接触。当第一旋转件202A的脱离第一测距传感器412接触的端部至第一测距传感器412或挡板413的距离，还在第一测距传感器412的可检测距离内时，夹爪臂205A夹持的刀具可以继续靠近机床主轴，以利用第一弹性件411的弹性形变对因机器人的重复定位精度造成的定位偏差进行有效补偿。当第一旋转件202A的脱离第一测距传感器412接触的端部至第一测距传感器412或挡板413的距离，已经超出了第一测距传感器412的可检测距离内时，第一测距传感器412输出制动预警信号，并将该制度预警信号传递至机器人的控制系统中，以使得机器人根据该制动预警信号及时控制夹爪臂205A停止移动。由此，可以有效避免夹爪臂夹持的刀具与机床主轴进一步接触，从而避免机床主轴受损，确保机器人自动化作业的安全。

综上，本申请中用于机器人末端的柔性夹持机构，可以有效补偿机器人末端执行件因重复定位精度或错误指令引起的定位偏差，同时还适用于任意需要精确定位的场景，尤其是在机器人更换刀具的过程中，能够有效降低机床主轴发生破损的风险，从而提升机器人自动更换刀具的安全性和可靠性，进而可以拓宽机器人在机械自动化加工领域中的应用，有利于提高机械加工的生产效率以及降低生产成本。

进一步地，本申请提供一种机器人，包括以上所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，还包括机械臂，机械臂连接用于机器人末端的柔性夹持机构。本申请所提供的机器人，其技术效果类似于本申请所提供的用于机器人末端的柔性夹持机构，因此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，包括：机器人末端转接件；夹爪气缸，所述夹爪气缸连接于所述机器人末端转接件；及设置于所述夹爪气缸上的左夹爪组件和右夹爪组件，所述左夹爪组件和所述右夹爪组件相对设置；

其中，所述左夹爪组件和所述右夹爪组件均包括：

夹爪固定架，设置于所述夹爪气缸上；

夹爪臂，用于接触并夹持待夹持物体；

柔性补偿机构，所述柔性补偿机构连接所述夹爪固定架和所述夹爪臂，当所述柔性夹持机构移动所述待夹持物体至目标位置时，所述柔性补偿机构用于在至少一个方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿。

2.根据权利要求1所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述柔性补偿机构包括第一柔性补偿机构和第二柔性补偿机构，所述第一柔性补偿机构连接所述夹爪固定架和所述第二柔性补偿机构，所述第二柔性补偿机构连接所述第一柔性补偿机构和所述夹爪臂；

其中，所述第一柔性补偿机构用于在第一方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿，所述第二柔性补偿机构用于在第二方向上对所述夹爪臂进行柔性补偿，其中所述第一方向与所述第二方向垂直。

3.根据权利要求2所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第一柔性补偿机构包括第一旋转件和第一弹性件，所述第一弹性件设置于所述第一旋转件和所述夹爪固定架之间，所述第一弹性件配置为在所述第一旋转件相对于所述夹爪固定架旋转时受所述第一旋转件的作用力而发生弹性形变。

4.根据权利要求3所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第一柔性补偿机构还包括第一测距传感器，所述第一测距传感器设置于所述夹爪固定架上，所述第一测距传感器配置为感测所述第一旋转件与所述夹爪固定架之间的距离，并在所述距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

5.根据权利要求4所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第一测距传感器位于所述第一旋转件背离所述第一弹性件的一侧。

6.根据权利要求3所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第二柔性补偿机构包括第二旋转件和第二弹性件，所述第二旋转件与所述第一旋转件的转动轴线垂直，所述第二弹性件设置于所述第一旋转件和所述第二旋转件之间，所述第二弹性件在所述第二旋转件相对于所述第一旋转件旋转时发生弹性形变。

7.根据权利要求6所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第二柔性补偿机构还包括第二测距传感器，所述第二测距传感器设置于所述第一旋转件上，所述第二测距传感器配置为感测所述第二旋转件与所述第一旋转件之间的距离，并在所述距离增大至目标值的情况下输出制动预警信号。

8.根据权利要求7所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，所述第二测距传感器位于所述第二旋转件背离所述第二弹性件的一侧。

9.根据权利要求7所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，第一测距传感器和所述第二测距传感器为接触式位移传感器。

10.一种机器人，包括权利要求1-9中任一项所述的用于机器人末端的柔性夹持机构，其特征在于，还包括机械臂，所述机械臂连接所述用于机器人末端的柔性夹持机构。

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