[发明专利]增加扭转刚度并减少窜动的机器人工具更换器耦合机构

说明书

为了基本消除具有滚珠锁定耦合机构的机器人工具更换器中的扭转窜动，在工具组件中的轴承座圈的滚动构件接触点处和主组件中包含滚动构件的孔的相对内表面中的至少一个(优选二者)中，形成交叉接触凹部形式的扇贝状特征。该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并与滚动构件不接触的中心空隙或沟道。该交叉接触凹部在中心空隙的两侧的接触区域与滚动构件接触。这些接触区域在滚动构件上施加两个单独的接触力，这两个接触力都朝向滚动部件的中心，因此可以防止滚动构件在该交叉接触凹部内侧向移动或摇摆，从而基本消除机器人工具更换器的扭转窜动。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年6月11日提交的标题为“Robotic Tool Changer CouplingMechanism 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

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

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。

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。

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。

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申请的受让人，并且所有这些专利的公开内容都通过引用并入本文。

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。