末端执行机构和人机协作机械臂末端系统

1.本发明涉及机械臂技术领域，尤其是涉及一种末端执行机构和人机协作机械臂末端系统。


背景技术：

2.相关技术中，传统的机械臂缺乏灵活性和判断能力，无法主动对很多突发情况进行有效反应，而操作者直接操作的形式中，操作者本身受限于人体的结构，在运动过程当中具有精度低、刚度弱、手部存在抖动等不足，限制了人工在精密任务当中的表现，由此人机协作系统应运而生，尤其是在需要人工干预的高非结构化应用场合如医疗手术、术后康复、打磨抛光等场合，人机协作机器人具有较高的研究价值，而现有技术中，人机协作机器人的机械臂功能单一、模块与模块之间固定不可拆，导致机械臂应用受限，存在改进的空间。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种末端执行机构，所述末端执行机构可以提高操作者操作的直观性，且便于操作者操作。
4.本发明还提出一种人机协作机械臂末端系统。
5.根据本发明第一方面实施例的末端执行机构，包括：支撑架、操作组件和工具更换组件，所述操作组件设于所述支撑架，所述操作组件具有用于把持的把手；所述工具更换组件设于所述支撑架，所述工具更换组件具有夹持工具的轴套，其中，所述把手的中轴线与所述轴套的中轴线共线。
6.根据本发明实施例的末端执行机构，通过将操作组件和工具更换组件安装在同一个支撑架上，有利于提高末端执行机构的集成度，可以实现多任务工具的模块化设计，且易于实现多种工具的快速更换和快速定位，以适应多种工况；通过设置与轴套中轴线同轴的把手，可以强化操作者在控制机械臂过程中的临场感，使得操作更加直观，提高了操作者的使用体验。
7.根据本发明的一些实施例，所述操作组件包括：第一安装座和第一检测装置，所述第一安装座设于所述支撑架且限定有第一安装腔，所述把手设在所述第一安装座上；第一检测装置设于所述第一安装腔内且与所述把手配合，所述第一检测装置用于检测所述把手的多维度操作力。
8.根据本发明的一些实施例，所述工具更换组件包括：第二安装座、工具夹具和锁定件，所述第二安装座设于所述支撑架；所述工具夹具可拆卸地设于所述第二安装座且具有所述轴套；所述锁定件设于所述第二安装座，所述锁定件适于与所述工具夹具配合，以将所述工具夹具固定在所述第二安装座。
9.在一些示例中，末端执行机构还包括：第二检测装置，所述第二检测装置与所述轴套配合，所述第二检测装置适于检测所述工具的多维度操作力。
10.在一些示例中，所述第二安装座包括转接架和连接架，所述转接架与所述支撑架连接且限定有安装所述第二检测装置的安装腔，所述连接架设于所述转接架一侧且与所述转接架之间限定有安装孔，所述工具夹具可拆卸地设于所述安装孔内。
11.在一些示例中，所述工具夹具包括工具夹具本体和锁紧套，所述轴套设于所述工具夹具本体内，所述锁紧套设于所述工具夹具本体外侧的安装凹槽内，其中，所述锁定件包括快速锁紧开关，所述快速锁紧开关与所述锁紧套配合以将所述工具夹具固定在所述第二安装座。
12.在一些示例中，所述锁定件包括弹性自锁紧件，所述弹性自锁紧件与所述快速锁紧开关在所述轴套的周向上间隔布置。
13.在一些示例中，所述第一检测装置和所述第二检测装置为六维力传感器。
14.根据本发明的一些实施例，所述支撑架包括支撑板和连接板，所述操作组件和所述工具更换组件分别设于所述支撑板的两侧，所述连接板设于所述支撑板的边沿，所述连接板适于连接至机械臂。
15.根据本发明第二方面实施例的人机协作机械臂末端系统，包括根据本发明第一方面实施例的末端执行机构，末端执行机构的集成化较高，使得人机协作机械臂末端系统具有较高的刚度，末端执行机构中的把手与轴套同轴，提高了操作者操作的直观性，简化了人机协作机械臂末端系统的操作方式，末端执行机构具有多任务工具的模块化设计，通过快速更换多种工具，可以提高人机协作机械臂末端系统功能的可拓展性，通过操作者操作末端执行机构来执行任务，可以提高人机协作机械臂末端系统精确运动能力的同时，使得人机协作机械臂末端系统兼具了操作者丰富的经验和灵活的决策能力。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1是根据本发明实施例的末端执行机构在一应用状态下的结构示意图；
19.图2是图1所示结构在一个视角的结构示意图；
20.图3是沿图2中a-a线的截面图；
21.图4是图3中b结构的局部放大图；
22.图5是根据本发明实施例的末端执行机构的结构示意图；
23.图6是根据本发明实施例的末端执行机构的爆炸示意图。
24.附图标记：
25.末端执行机构100，
26.支撑架10，支撑板11，连接板12，
27.操作组件20，第一安装座21，第一安装腔211，底板212，罩盖213，第一检测装置22，把手23，
28.工具更换组件30，工具夹具31，锁紧套311，工具夹具本体312，第一部分312a，第二部分312b，安装凹槽3121，轴套313，第二安装座32，转接架321，连接架322，快速锁紧开关
33，弹性自锁紧件34，第二检测装置35，
29.工具40。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的末端执行机构100。
34.如图1-图6所示，根据本发明一个实施例的末端执行机构100包括：支撑架10、操作组件20和工具更换组件30，操作组件20设置在支撑架10上，操作组件20具有把手23，把手23便于操作者把持，操作者通过把持把手23以控制操作组件20活动；工具更换组件30设置在支撑架10上，工具更换组件30具有轴套313，轴套313可以夹持工具40，使得工具40可与操作组件20共同活动，且通过工具更换组件30可以实现不同工具40的更换，其中，把手23的中轴线与轴套313的中轴线共线，使得操作者通过把手23对工具40的间接操作更接近于操作者直接握持工具40，操作更加直观，便于操作人员的操作，由此还可以减少操作人员培训或适应的时间。
35.根据本发明实施例的末端执行机构100，通过将操作组件20和工具更换组件30安装在同一个支撑架10上，可以提高末端执行机构100的集成度，有利于实现多任务工具40的模块化设计，且易于实现多种工具40的快速更换和快速定位，以适应复杂多种工况；通过设置与轴套313中轴线同轴的把手23，可以强化操作者在控制机械臂过程中的临场感，使得操作更加直观，提高了操作者的使用体验。
36.如图1、图2、图4和图6所示，根据本发明的一些实施例，操作组件20包括：第一安装座21和第一检测装置22，第一安装座21设置在支撑架10上，第一安装座21限定有第一安装腔211，把手23设置在第一安装座21上，且把手23与第一安装座21固定连接，由此操作者在操作把手23时，可以带动支撑架10活动，支撑架10可以连接至机械臂上，由此可实现把手23与机械臂的联动。
37.第一检测装置22设置在第一安装腔211内，第一检测装置22固定在第一安装座21
内，由此使得第一检测装置22可以和把手23相互配合，第一检测装置22用于检测操作者施加至把手23上的操作力，即操作者施加在把手23上驱动机械臂运动的力，具体而言，第一检测装置22可以通过测量操作者施加在把手23上的操作力，将操作力信号发送到机械臂的控制器，通过导纳控制等控制原理，将操作力信号转化为机器臂的运动，以引导机械臂顺从操作者的运动意图进行运动，使得操作者的操作更加省力且精准。
38.可以理解的是，在末端执行机构100运动到指定位置后，若操作者不向把手23施加外力，末端执行机构100则可以携带工具40在一个位置上固定不动，有利于节省操作者的体力，提高了操作者的使用体验。
39.在一些示例中，第一安装座21包括：底板212和罩盖213，底板212与支撑架10连接，罩盖213罩设在底板212上，罩盖213与底部之间限定出第一安装腔211，罩盖213可以通过紧固件固定连接底板212，紧固件可以是螺丝、螺栓、螺钉等，罩盖213和底板212相互配合，有利于提高第一检测装置22的固定效果。第一检测装置22可以分别与底板212和罩盖213进行配合，例如，第一检测装置22通过定位销进行定位，并通过紧固件进行安装，实现第一检测装置22的固定。
40.其中，在第一检测装置22安装至第一安装座21内时，第一安装座21可以对第一检测装置22实现包裹作业，避免操作者执行任务过程中的液体和碎屑飞溅到第一检测装置22上，提高第一检测装置22的使用寿命。
41.在一些示例中，第一检测装置22可以是六维力传感器，六维力传感器可以检测出操作人员作用在把手上的三维正交力及三维正交力矩，且测力信息丰富、测量精度高，进而可以提高末端执行机构100工作中的精确度，有利于降低末端执行机构100控制过程中的操作风险，提高操作者使用体验。
42.如图1、图3和图5所示，根据本发明的一些实施例，工具更换组件30包括：第二安装座32、工具夹具31和锁定件，第二安装座32设置在支撑架10上，且第二安装座32可以通过紧固件与支撑架10固定连接，固定件可以是螺丝、螺栓和螺钉等，使得末端执行机构100形成一个整体，操作者通过把持把手23，即可控制末端执行机构100进行活动，提高了操作者操作末端执行机构100进行活动的精准性；工具夹具31可拆卸地设置在第二安装座32上，通过拆卸工具夹具31，可以实现多种工具40的配套使用，提高了结构的通用性；工具夹具31具有轴套313，工具40可以穿设并固定在轴套313中，以使工具40与工具夹具31固定配合；锁定件设置在第二安装座32上，锁定件可以与工具夹具31相互配合，以使锁定件将工具夹具31固定在第二安装座32上，方便操作者更换工具40，可以提升操作效率。
43.如图5和图6所示，在一些示例中，末端执行机构100还包括：第二检测装置35，第二检测装置35与轴套313配合，进而可以实现与工具40的配合，这里的配合是第二检测装置35与轴套313间接连接，具体地，第二检测装置35与转接架321和连接架322固定连接，通过锁定件将工具夹具31安装在转接架321和连接架322之间的安装孔，实现工具夹具31在第二安装座32上的固定，由此轴套313和工具40被夹紧在第二安装座32上，进而实现第二检测装置35与轴套313、工具40之间的相互配合。
44.第二检测装置35可以检测工具40的多维度操作力，其中，在操作者操作工具40触碰到操作对象时，第二检测装置35可以测量并记录工具40的作用力，即工具40施加在操作对象上的力，进而第二检测装置35将记录的数据输入运动控制系统中，运动控制系统通过
分析数据以监测末端执行机构100的运动，进而限定末端执行机构100施加在操作对象的过程力，机械臂系统通过阻抗控制等控制原理，将过程力的大小限定在一定阈值下，以保护操作对象，防止末端执行机构100过度移动，以损坏操作对象，有利于提高任务执行的安全性。
45.在一些示例中，第二安装座32包括转接架321和连接架322，转接架321与支撑架10连接，转接架321限定有安装第二检测装置35的安装腔，连接架322设置在转接架321的一侧(如图1所示的后侧)，连接架322与转接架321之间限定有安装孔，使得工具夹具31可拆卸地设置在安装孔内，方便操作者更换工具40，可以提升人机协作系统的任务切换效率。
46.在一些示例中，第二检测装置35可以通过定位销在转接架321进行定位，并通过紧固件连接，实现第二检测装置35的固定，进而第二检测装置35可以对工具40及轴套313的操作力有效检测。
47.在一些示例中，第二检测装置35可以是六维力传感器，六维力传感器可以检测出工具40作用物体上的三维正交力及三维正交力矩，且测力信息丰富、测量精度高，进而可以提高末端执行机构100工作中的精确度，有利于降低末端执行机构100控制过程中的操作风险，提高工具过程力的稳定性。
48.如图3和图6所示，在一些示例中，工具夹具31包括工具夹具本体312和锁紧套311，轴套313设置在工具夹具本体312内，工具夹具本体312外侧具有安装凹槽3121，锁紧套311设置在安装凹槽3121内，锁紧套311可以通过紧固件与工具夹具本体312固定连接，紧固件可以是螺丝、螺栓和螺钉等，其中，通过将锁紧套311设置在安装凹槽3121内，可以减小工具夹具31整体结构的尺寸，便于工具夹具31在第二安装座32内的安装。
49.在一些示例中，工具夹具31包括锁紧套311、工具夹具本体312和轴套313，其中，轴套313的数量与人机协作应用场合中工具40的数量一致，即每一个工具40都具有与之相匹配的轴套313。
50.在一些具体的示例中，工具更换组件30具有五套工具夹具31，五套工具夹具31均包括锁紧套311、工具夹具本体312和轴套313，其中，五套工具夹具31中锁紧套311保持一致，工具夹具本体312也保持一致，便于批量制造，以及便于安装在第二安装座32内，且便于与锁定件配合。轴套313按照工具40外观定制，五套轴套313各不相同，轴套313的内壁面形状与工具40的外壁面形状完全匹配，且轴套313的外壁面形状与工具夹具本体312的内壁面形状始终保持一致，由此增加了末端执行机构100的功能，使得机械臂具有多种用途。
51.可以理解的是，五套工具40在移动过程中始终与各自的工具夹具31连接，操作者只需解锁锁定件，即可拔出现有的一套工具夹具31，并在第二安装座32插入另一套工具夹具31后，锁定锁定件，使得操作者在更换工具40时，无须拆装工具夹具31，提升了人机协作系统的任务切换效率。
52.其中，锁定件包括快速锁紧开关33，快速锁紧开关33通过与锁紧套311相互配合，以便将工具夹具31固定在第二安装座32上，其中，快速锁紧开关33具有朝向锁紧套311延伸的销轴，销轴的外壁面具有旋转槽，锁紧套311中心具有通孔，通孔内壁面具有凸起，操作者可以通过转动快速锁紧开关33，使销轴上的旋转槽与锁紧套311中心的凸起旋合，使得快速锁紧开关33处于锁紧状态，锁紧套311与快速锁紧开关33锁定配合，此时，快速锁紧开关33会对锁紧套311施加拉紧力，进而使得工具夹具本体312被快速锁紧开关33拉紧，使得工具夹具31固定在第二安装座32上，此外，快速锁紧开关33中的销轴可以分担工具40受到的各
向外力，提高整体的结构强度。
53.如图6所示，在一些示例中，工具夹具本体312可以包括第一部分312a和第二部分312b，第一部分312a和第二部分312b通过紧固件固定连接形成整体，以围设出一通孔，该通孔可以穿设轴套313和工具40，其中，紧固件可以是螺栓、螺钉或螺丝等，操作者通过调节紧固件，使得第一部分312a和第二部分312b可以夹紧不同尺寸的轴套313和工具40，以便工具40固定在工具夹具31上，当然，这里的工具夹具本体312还可以包括更多个部分。
54.如图3和图5所示，在一些示例中，第二安装座32的内壁面与工具夹具31的外壁面抵接配合，使得工具夹具31只能沿着安装孔中轴线的延伸方向(如图1所示的上下方向)移动，进而第二安装座32起到了约束工具40安装方向的作用。
55.如图2、图5和图6所示，在一些示例中，锁定件还包括弹性自锁紧件34，弹性自锁紧件34内部的弹簧会将弹性销钉穿设在工具夹具31上的销孔当中，进而将工具夹具31固定在第二安装座32上，当操作者将弹性自锁紧件34抽出的同时，销钉也被抽出销孔中，使得工具夹具31可以脱离第二安装座32，其中，在快速锁紧开关33处于开启状态时，且弹性自锁紧件34处于抽出状态时，操作者可以取出工具夹具31，并更换工具40。
56.可以理解的是，通过设置快速锁紧开关33和弹性自锁紧件34，使得末端执行机构100对工具夹具31实现双重锁定的效果，其中，快速锁紧开关33和弹性自锁紧件34彼此相互配合，提高了工具40在末端执行机构100中固定的稳定性，防止工具40从末端执行机构100脱落，同时，采用快速锁紧开关33和弹性自锁紧件34，能够实现工具40的快速装卸功能，提高工具40的更换速度，提升人机协作系统的任务切换效率。
57.此外，在轴套313的周向上，弹性自锁紧件34与快速锁紧开关33间隔布置，由此可以进一步提高两者的锁定效果。
58.在一些示例中，锁定件可以是自锁连杆系统、弹性销和手动螺钉等，有利于快速拆卸工具夹具31，方便更换工具40，锁定件还可以为其他可行实施例。
59.在一些示例中，操作者通过更换末端执行机构100上的工具40，可以拓展末端执行机构100的功能，例如，外部定位导航、冷却和喷淋等功能，有利于满足操作者的多种需求，提高操作者使用体验。
60.在一些示例中，第二安装座32外壁面可以具有可拓展接头，可拓展接头通过紧固件固定连接第二安装座32，紧固件可以是螺栓、螺钉和螺丝等，以便在末端执行机构100上安装附件，该附件无需与工具40一起更换，通过在可扩展接头上安装多种附件，例如，喷淋结构、吹吸结构和测量结构等，使得末端执行机构100具有多种功能，进一步增强了末端执行机构100的可拓展性。
61.此外，工具夹具本体312可以具有可拓展空间和配套螺钉孔接口，即工具夹具本体312可以安装有附件，例如，工具配套靶标系统和温度传感器等，该附件可以与工具40一起更换，通过在工具夹具本体312上安装多种附件，扩展了末端执行机构100的应用范围。
62.如图3、图5和图6所示，根据本发明的一些实施例，支撑架10包括支撑板11和连接板12，操作组件20和工具更换组件30分别设置在支撑板11的两侧，连接板12设置在支撑板11的边沿，连接板12可以连接在机械臂上，以便机械臂控制末端执行机构100整体进行活动，有利于末端执行机构100整体执行机械臂系统的指示。
63.在一些示例中，底板212可以通过紧固件固定连接支撑板11，第二安装座32与支撑
板11通过紧固件固定连接，紧固件可以是螺丝、螺栓和螺钉等，使得操作组件20和工具更换组件30固定在一起，提高了末端执行机构100整体结构强度，提高操作者的使用体验。
64.根据本发明实施例的人机协作机械臂末端系统，包括末端执行机构100，末端执行机构100的集成化较高，使得人机协作机械臂末端系统具有较高的刚度，末端执行机构100中的把手23与轴套313同轴，提高了操作者操作的直观性，简化了人机协作机械臂末端系统的操作方式，末端执行机构100具有多任务工具40的模块化设计，通过快速更换多种工具40，可以提高人机协作机械臂末端系统功能的可拓展性，通过操作者操作末端执行机构100来执行任务，可以提高人机协作机械臂末端系统精确运动能力的同时，使得人机协作机械臂末端系统兼具了操作者丰富的经验和灵活的决策能力。
65.根据本发明实施例的人机协作机械臂末端系统的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。其中，上下方向、左右方向和前后方向以图示的上下方向、左右方向和前后方向为准。
66.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
67.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
68.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。