增加扭转刚度并减少窜动的机器人工具更换器耦合机构的制作方法

增加扭转刚度并减少窜动的机器人工具更换器耦合机构
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年6月11日提交的标题为“robotic tool changer coupling mechanism with increased torsional rigidity and reduced freeplay”的美国专利申请16/899033的优先权，其全部的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明一般涉及机器人工具更换器，特别涉及具有实现增加扭转刚度和减少窜动(freeplay)的耦合机构的机器人工具更换器。


背景技术：

4.工业机器人已经成为现代制造业的不可或缺的一部分。无论是在无尘室中将半导体晶圆从一个处理室转移到另一个处理室，还是在汽车制造厂的场地上切割和焊接钢铁，机器人都不知疲倦地在不利的环境中高精度并且高重复性地进行许多制造任务。
5.在许多机器人制造应用中，工业机器人的相当大的成本通过提供能够与通用机械臂耦合的不同的工具或末端执行器而在各种任务中分摊。例如，在汽车制造应用中，可以在一个生产运行期间，将机器人用于切割、研磨、或以其他方式将金属部件成形，而在另一个生产运行中执行各种点焊任务。此外，即使在执行一种类型的任务时，机器人也可能使用不同的工具。例如，不同的焊接工具的几何形状可以有利地与特定机器人配合以在不同位置或不同取向上执行焊接任务。
6.在这些应用中，机器人工具更换器用于使不同的工具与机器人配合。被称为主组件的工具更换器的一半永久地固定到机器人臂。被称为工具组件的另一半固定到机器人可以使用的每个工具。当机器人控制器将在机器人臂末端的主组件与安装到所需工具的工具组件对准时，它指引主组件机械地与工具组件耦合，从而将工具安装到机器人。机器人工具更换器还有助于向工具提供应用品，如电流、气压、液压油、冷却水等，并将数据从一些工具传输回机器人控制器。
7.在机器人工具变换器中通常配备有滚珠锁定构造作为耦合机构。在一个这样的构造中，设置在工具组件的空腔内的主组件的套环中，包含诸如钢珠的多个滚动构件。例如通过推进活塞，径向地驱动滚珠使其前进以抵靠工具组件中的轴承座圈，从而将主组件和工具组件机械地耦合在一起。在拆开时，活塞缩回，在主组件与工具组件分离时，滚珠退回到套环中。在美国专利no.8005570、8132816、8209840、8500132、8533930、8601667、8794418、9151343、9724830、以及10335957中，描述了这样的滚珠锁定构造的各种构造、驱动机构和操作方面。所有这些专利都被转让给本技术的受让人，并且所有这些专利的公开内容都通过引用并入本文。
8.为了滚珠锁定机构与工具组件轴承座圈的正确机械耦合，以及为了安装至主组件和工具组件的应用品递送模块的耦合，需要主组件和工具组件之间对准。该对准通常由主组件上的一个或多个对准销完成，该对准销与工具组件中相应的对准套管接合。此外，当机
器人运行时，这些定位销和套管还为耦合的工具提供扭转刚度。为了防止卡滞，在对准销和与其相关的对准套管之间，需要有少量的径向间隙。该微小的间隙是工具更换器中旋转窜动的主要来源，这对位置可重复性和扭转刚度产生负面影响。该影响在大的臂端工具中被放大，并且可能在每个末端执行器上的工作点处导致不希望的变化或位置误差。因为主侧和工具侧的接触销被允许相对移动，所以窜动还给安装到工具更换器的电信号模块造成问题，从而可能导致间歇性的信号丢失。它还可能由于来回移位而引起过度磨损，从而导致过早失效。
9.为了减少扭转窜动，已知在工具组件中的工具轴承座圈中，在每个滚动构件的相应位置，加工出球形或圆柱形凹坑(在本文中称为“扇贝(scallop)”)。这些特征减少了窜动，但并没有消除它。已知设计的一个缺点是扇贝特征必须固有地具有比相应的滚动构件更大的半径，以防止卡滞。该径向间隙提供了极小的窜动量，使滚动构件在反向(reversing)扭转载荷作用下在其相应的扇贝内来回摇摆。为了耦合，每个滚动构件都为三点接触，一个接触点是主组件套环中孔的底部，第二个接触点是工具轴承座圈中扇贝的底部，第三个接触点位于锥形活塞凸轮上。这三个接触点位于同一平面上，相隔约120度，尽管活塞或推进滚动构件的其他机构上的接触点不承受显著的扭转耦合载荷。该三点接触方案再加上均匀的微小间隙，足以在工具更换器中产生有害的扭转窜动。
10.本说明书的背景部分旨在将本发明的实施例置于技术和操作语境中，以帮助本领域技术人员理解其范围和实用性。除非明确认定，否则其中的任何陈述都不得仅由于在其包含在背景部分中而被认为是现有技术。


技术实现要素：

11.为了使本领域的技术人员基本理解，以下给出本发明的简单概要。该概要不是对本公开的广泛概述，并且不旨在认定本发明的实施例的关键/重要要素或描绘本发明的范围。本概要的唯一目的是以简化的形式呈现本文公开的一些概念，作为后面呈现的更详细描述的前序。
12.根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，在工具组件中轴承座圈的滚动构件的接触点处和主组件中孔的相对内表面的至少一个、优选双方中，形成交叉接触凹部形式的扇贝状特征。交叉接触凹部的尺寸和形状适于容纳滚动构件，但具有垂直于滚动构件在扭转窜动时的运动而不接触滚动构件的中心空隙或沟道。交叉接触凹部在中心空隙的任意一侧的接触区域与滚动构件接触。这些接触区域对滚动构件施加两个单独的接触力，这两个接触力都朝向滚动构件的中心，并因此用于防止滚动构件在交叉接触凹部内的侧向移动或摇摆，从而基本消除机器人工具更换器的扭转窜动。
13.一个实施例涉及机器人工具更换器。该机器人工具更换器包括具有轴承座圈的工具组件。该机器人工具更换器还包括具有多个孔的主组件。每个孔配置为包含滚动构件。所述主组件还包括驱动机构，所述驱动机构被配置为使所述滚动构件抵靠所述轴承座圈的表面以使所述主组件和所述工具组件耦合，并且允许所述滚动构件缩回以拆开所述主组件和所述工具组件。在每个孔的内表面和轴承座圈上的多个位置中的至少一个包括交叉接触凹部，该交叉接触凹部被配置为当主组件和工具组件耦合时收纳滚动构件。每个交叉接触凹部包括尺寸和形状适于容纳滚动构件的凹部和与滚动构件不接触的中心空隙。交叉接触凹
部在中心空隙的两侧的两个接触区域与滚动构件接触。
14.另一个实施例涉及一种使机器人工具更换器的主组件和工具组件耦合的方法。移动主组件使其与工具组件抵接。移动设置在主组件中的孔中的多个滚动构件使其与工具组件中的轴承座圈接触。将每个滚动构件收纳在形成在每个孔的内表面和轴承座圈上的多个相应位置中至少一个中的交叉接触凹部中。每个交叉接触凹部包括尺寸和形状适于容纳滚动构件的凹部和与滚动构件不接触的中心空隙，使得交叉接触凹部在中心空隙的两侧的两个接触区域与滚动构件接触。
附图说明
15.下面参照附图更全面地描述本发明，附图示出本发明的实施例。然而，不应解释为本发明只限于本文给出的实施例。相反，这些实施例是为了彻底和完整地公开并且向本领域的技术人员充分传达本发明的范围而提供的。所有的相似附图标记表示相似元件。
16.图1是机器人工具更换器的立体图。
17.图2是处于配合位置但处于拆开状态的机器人工具更换器的剖面图。
18.图3是处于耦合状态的机器人工具更换器的剖面图。
19.图4是处于耦合状态的机器人工具更换器的滚动构件的放大剖面图。
20.图5是轴承座圈的立体图，和在轴承座圈的耦合面形成的交叉接触凹部的放大立体图。
21.图6是位于轴承座圈的交叉接触凹部中的滚动构件的剖面图。
22.图7是套环的孔中的滚动构件的立体图，以及示出位于交叉接触凹部中的滚动构件的剖面图。
23.图8是位于两个交叉接触凹部中的滚动构件的剖面图，一个在主组件孔中，一个在轴承座圈中。
24.图9是机器人工具更换器的3种构造的角度偏转与施加力矩的关系图。
25.图10a～图10d是位于交叉接触凹部的各种构造中的滚动构件的剖面图。
26.图11是使机器人工具更换器的主组件和工具组件耦合的方法的流程图。
具体实施方式
27.为了简化和说明，主要参考本发明的示例性实施例来描述本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，给出了许多具体细节。但是，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以不限于这些具体细节实施本发明。在本说明书中，为了避免不必要地模糊本发明，没有详细描述公知的方法和结构。
28.图1示出采用滚珠锁定耦合机构的代表性的机器人工具更换器10。被称为主组件12的机器工具更换器10的一半永久地固定到机器人臂(未图示)。被称为工具组件14的另一半固定到机器人能够使用的每个工具(未图示)。在任意的特定应用中，这些配件可以互换。因此，本文所使用的术语“主”和“工具”仅为参考术语。主组件12上的对准销16与工具组件14上的对准套管18配合，以确保当组件耦合在一起时主组件12与工具组件14正确对准。
29.主工具组件12包括壳体20和从壳体20突出并延伸到壳体20的表面平面之外的环形套环22。工具组件14包括其中形成有圆形空腔26的壳体24。如图2的剖面图所示，在准备
将主组件12和工具组件14耦合在一起而朝向抵接移动二者时，套环22被置于空腔26内。
30.在套环22中形成有多个孔28并且孔28延伸穿过套环22，沿着套环22的圆周，孔28具有大致均匀的径向间距。孔28可以是锥形的，套环22的内表面的直径比套环22的外表面的直径稍大。在每个孔28中设置有滚动构件30，例如球形滚珠。滚动构件30通过每个锥形孔28保持在套环22内，每个锥形孔28在套环22外表面的直径略小于相应的滚动构件30的直径。因此，滚动构件30可以在缩回位置和伸出位置之间移动，其中在缩回位置，每个滚动构件30的最外表面与套环22的外表面齐平或低于套环22的外表面，在伸出位置，每个滚动构件30从套环22的外表面伸出略小于滚动构件30的半径的量。
31.在本实施例中，固定到气动活塞的端部的凸轮32设置在由套环22限定的内部空间中。凸轮32具有至少一个与滚动构件30接触的锥形表面34。锥形表面34倾斜，使得当凸轮32朝向工具组件14前进以与之耦合时，滚动构件穿过孔28沿径向向外移动。在拆开时，当凸轮32缩回到主组件12中时，其产生空间以允许滚动构件30缩回到套环28内。在各种实施例中，锥形表面34可以包括多面表面，具有失效保护特征，以在推进凸轮32的动力失去时保持耦合状态。在上述美国专利no.8005570中描述了这些特征。在其他实施例中，如上述美国专利no.8132816和8209840中所述，滚动构件30可以通过装配到气动活塞凸轮32以外的机构前进和缩回。
32.图2是现有的机器人工具更换器10的相关部分的剖面图，这时，主组件12与工具组件14抵靠或配合，但还未启动滚珠锁定耦合机构，即机器人工具更换器10处于拆开状态。在凸轮32处于完全缩回位置时，滚动构件30仍保持在孔28内。在凸轮32在机器人控制器的控制下向工具组件14前进时，凸轮32的锥形表面34在径向上向外推进滚动构件30，并且与工具组件14中的轴承座圈38接触，以将主组件12和工具组件14耦合在一起。
33.图3是工具更换器10的相关零件的剖面图，这时主组件12与工具组件14完全耦合。凸轮32被完全推进，将滚动构件30从孔28中部分地推出，并与工具组件14中的轴承座圈38接触。
34.图4是图3的一部分的放大图，示出了主组件12和工具组件14耦合时的一个滚动构件30，力矢量表示施加到滚动构件30上的力。主要的力来自轴承座圈38、孔28的相对内表面、以及凸轮32的锥形表面。凸轮32施加力，促使滚动构件30向外与轴承座圈38接触；但是，该力并非直接由耦合产生(例如，工具的重量、或工具在其使用过程中施加到机器人工具耦合器10的力或扭矩)。如上所述，即使扇贝形成在轴承表面中的这些力的接触点处，但由于3点耦合接触，并且扇贝的直径必须比滚动构件30的直径稍大以防止卡滞，因此该耦合还是具有扭转窜动，这对性能有不利影响。
35.根据本发明的实施例，如图5所示，在轴承座圈38中的滚动构件30的接触点处形成有交叉接触凹部40形式的扇贝状特征。如下面参照图6所讨论的，交叉接触凹部40还形成在孔28的相对内表面中。每个交叉接触凹部40包括尺寸和形状适于容纳滚动构件30的凹部、以及与滚动构件30不接触的中心空隙44或沟道。由于中心空隙44，交叉接触凹部40在中心空隙44的两侧的接触区域42处与滚动构件接触。如本文进一步解释的，这些接触区域42在滚动构件30上施加两个单独的力，这两个力成角度都朝向滚动构件30的中心，因此用于防止滚动构件30在交叉接触凹部40内的侧向移动或摇摆。这基本上消除了机器人工具更换器10的扭转窜动。交叉接触凹部40至少与每个滚动构件30对应地形成在主组件12中孔28的内
表面，或者形成在工具组件14中的轴承座圈38上的相应位置。优选地，在孔28中和轴承座圈38上都形成交叉接触凹部40，使得在机器人工具更换器10处于耦合位置时，每个滚动构件都位于两个交叉接触凹部40中。
36.如图5所示，接触区域42是凹面圆柱表面的一部分，其尺寸和形状适于容纳滚动构件30，而中心空隙44是垂直沟道。但是，在其他实施例中，接触区域42可以是凹面球形表面的一部分，其尺寸和形状适于容纳滚动构件30。此外，在其他实施例中，中心空隙44可以包括圆形或类似形状的第二凹部或孔，并且接触区域42包括弧形表面的“环”，其围绕中心空隙44延伸，并且在其相对侧上环绕其全部周边与滚动构件30接触。
37.由于中心空隙44与滚动构件30不接触，因此没有卡滞的风险；因此，两个接触区域42不必需要包括滚动构件30的直径上的径向间隙(尽管在任意给定的实施例中，考虑到加工公差，这样的间隙可能是需要的)。当交叉接触凹部40能够更精确地将滚动构件30保持在位时，这一点有助于减少窜动。但是，窜动主要是通过孔28和轴承座圈38中的相对交叉接触凹部40对每个滚动构件30施加的单独的力来消除的。
38.图6示出滚动构件30的剖面图，该滚动构件30位于形成于轴承座圈38中的交叉接触凹部40中。由于中心空隙44与滚动构件30不接触，所以两个单独的接触力作用于滚动构件30。如图6中的力矢量所示，这两个力都是与滚动构件30的表面垂直，并且指向滚动构件30的中心。因此，每个力都部分地向不同方向(即向右和左)推动滚动构件30。这些相反的力基本上消除了滚动构件30在交叉接触凹部40内的“摇摆”或前后移动的能力，大大增强扭转刚度，并基本上消除了扭转窜动。
39.图7示出主组件12的带有孔22的套环22，每个孔22包含滚动构件30。放大的局部剖面图示出形成在孔22中的交叉接触凹部40。当主组件12和工具组件14耦合在一起，并且滚动构件30部分地从孔22中伸出并与轴承座圈38接触时，滚动构件位于交叉接触凹部40中。如图6所示，交叉接触凹部40是凸圆柱形的凹部(垂直于纸面延伸)，其中形成有中心空隙44作为凹槽或沟道。每个滚动构件在中心空隙44两侧的接触区域42与交叉接触凹部40接触。如力矢量所示，每个接触区域42以朝向滚动构件30的中心的力推压滚动构件30。因此，每个力矢量的一个分量向相对的方向作用，同时推动滚动构件向左和向右，从而将其锁定到位。
40.图8示出工具更换器10处于完全耦合位置时的滚动构件30。滚动构件30同时位于两个交叉接触凹部40中，一个交叉接触凹部40在主组件12中的孔28中，另一个交叉接触凹部40在工具组件14中的轴承座圈38中。每个交叉接触凹部40对滚动构件40施加上述两个力，将其更加紧固地锁定不能运动。注意，实际上存在作用于滚动构件30的第五个力矢量，该力矢量来自凸轮32，推动滚动构件30抵靠轴承座圈38。
41.图9示出仅采用轴承座圈38的机器人工具更换器；采用其中形成有传统(现有技术)的扇贝的轴承座圈38的机器人工具更换器；和采用在轴承座圈38和孔28二者内都形成有交叉接触凹部40机器人工具更换器的对比测试结果。施加反向扭转载荷，并测量工具组件14相对于主组件12的偏转。如图9所示，采用交叉接触凹部40的工具更换器实现了最小的总偏转，并且发生的偏转率最小。另外，与使用任何现有技术的实施例相比，利用交叉接触凹部40的实施例的数据曲线明显更线性。这是在所施加载荷的范围内间隙和窜动较低导致的。
42.图5～图8所示的并且用于上述对比试验的交叉接触凹部40包括大致圆柱形凹部，
其尺寸和形状适于容纳滚动构件30，且具有与滚动构件不接触的中心空隙44。在这种设计中，交叉接触凹部40在位于中心空隙44两侧的两个接触区域42与滚动构件30接触。因此，每个接触区域42是部分圆柱形的凹面，其半径与滚动构件30基本相同。这种设计如图10a的剖面图所示。但是，本发明的实施例并不限于该特定设计。例如，图10b示出基本相同的设计，但其中中心空隙44是方形沟道，而不是弧形沟道。本领域技术人员能够容易认识到，中心空隙44可以是任意的横截面形状，例如u形、v形等。
43.图10c和图10d示出可选的实施例，其中交叉接触凹部40的接触区域42不是部分圆柱形的表面，而是滚动构件30上的接触点或接触线。例如，在图10c的实施例中，交叉接触凹部40包括球形或圆柱形的凹部，其半径大于滚动构件30。在本实施例中，中心空隙44不是一个独立的特征，而是交叉接触凹部40的主要部分，并且中心空隙44两侧的接触区域42包括围绕滚动构件延伸的接触线(在图10c的剖面图中被视为接触点)。本实施例的优点是只需一个制造步骤即可形成交叉接触凹部40，而不需要单独制造中心空隙44。类似地，图10d示出交叉接触凹部40包括u形或v形沟道(即，垂直于纸面延伸)的实施例，而不是圆柱形或球形的凹槽。在本实施例中，交叉接触凹部40的接触区域42包括在滚动构件30两侧的接触点。根据本公开的教导，本领域技术人员容易认识到，在本发明的广泛范围内，交叉接触凹部40的各种其他形状能够实现在中心空隙44两侧的接触区域42的优点，从而在耦合时实现消除窜动的力矢量。
44.图11示出将机器人工具更换器10的主组件12和工具组件14耦合的方法100中的步骤。工具组件14包括轴承座圈38。主组件12包括多个孔28，每个孔配置为包含滚动构件30，以及驱动机构32，该驱动机构32被配置为使滚动构件30抵靠轴承座圈38以使主组件12和工具组件14耦合，并且允许滚动构件30缩回以拆开主组件12和工具组件14。每个孔28的内表面和轴承座圈38上的多个位置中的至少一个包括交叉接触凹部40，其被配置为当主组件12和工具组件14耦合时收纳滚动构件30。为了使主组件12和工具组件14耦合，移动主组件12，使其与工具组件14抵接，如图2所示的位置(方框102)。移动设置在主组件12中的孔28中的多个滚动构件30，使其与工具组件14中的轴承座圈38接触，如图3中所示的位置(方框104)。使每个滚动部件30收纳在交叉接触凹部40中，该交叉接触凹部40形成在每个孔28的内表面和轴承座圈38上的多个相应位置中的至少一个中，如图6和图7中所示(方框104)。如图5所示，每个交叉接触凹部40包括尺寸和形状适于容纳滚动构件30的凹部和与滚动构件不接触的中心空隙44，使得交叉接触凹部40在中心空隙44两侧的两个接触区域42与滚动构件30接触。
45.与现有技术相比，本发明的实施例具有许多优点。通过使每个滚动部件30收纳在至少一个(优选为两个)交叉接触凹部40中，至少一对(优选为两对)接触力被施加到滚动构件30上。该对接触力被间隔开(由于接触区域42被中心空隙44隔开)，并朝向滚动部件30的中心。因此每个力的分量是相对的，并且在运动学上限制每个滚动构件30侧向运动。应用两对力可增加这种效果。与扩大的扇贝仅向每个滚动构件30提供一个接触点的现有技术的设计相比，交叉接触凹部40实际上消除了机器人工具更换器10中的扭转窜动。
46.本文所使用的术语“接触区域”是指交叉接触凹部40的与位于其中的滚动构件30接触的部分。“区域”可以包括表面、线、或点。
47.本文所使用的术语“中心空隙”是指交叉接触凹部40的在接触区域42之间与位于
其中的滚动构件40不接触的部分。“空隙”可包括凹部、沟道、凹槽等。本文所使用的术语“配置为”是指设置、组织、调整、或安排，从而以特定方式操作；该术语与“设计为”同义。
48.本文所使用的术语“基本上”包含并考虑了机械公差、测量误差、随机变化、以及类似的不精确来源。
49.当然，在不偏离本发明的基本特征的情况下，可以通过本文具体阐述的方式以外的其他方式实施本发明。这些实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的，并且在所附权利要求的含义和等效范围内的所有变化都将被包含在其中。