一种机械臂末端器械快换装置

技术领域

本发明涉及机器人机械臂应用领域，涉及一种可用于要求末端执行器与机械 臂高可靠稳固连接的机械臂末端器械快换装置。

背景技术

机械臂末端器械快换装置，在工业机器人、手术机器人等领域有着广泛的 需求。工业机器人在进行不同货物的抓取或不同工艺操作时往往会用到不同的 末端执行器；手术机器人在一场手术下也涉及到了多种手术器械的使用，因此 其要求机器人具备末端器械更换的能力。

末端执行器或者末端手术器械安装在机器人末端随机械臂运动以完成各种 任务操作，为保证末端器械对机械臂的精准随动，要求机械臂与末端器械的连 接必须是稳固可靠的。此外，为了提高效率，机器人在更换末端执行器或手术 器械时应该尽可能的快速。目前主要采用的快换装置主要有插销式、液/气压式、 电磁式、钢珠式等结构，插销式通常是手动的，且存在一定间隙。液/气压式结 构需要外加气/液源，占用空间大。电磁式承载能力较弱，且通常结构较大。钢 珠式结构简单巧妙，但通常有较大间隙，连接不是完全固接，只限制了要求方 向的自由度。

综上，目前快换装置难以同时完全满足连接可靠，更换迅速、可以自动操 作、结构紧凑、承载大的要求。

发明内容

本发明的目的是基于榫卯机构的连接可靠性与折展机构的结构紧凑性优点， 发明一种榫卯机构与折展机构复合而成的快换装置，具有连接可靠，更换迅速、 可以自动操作、结构紧凑、承载大的优点。

本发明的机械臂末端器械快换装置，包括安装连接机构、器械连接件、压紧 机构和折展机构；

所述安装连接机构包括上连接件、下连接件和传感器；所述上连接件和下连 接件相互固定后形成用于容纳压紧机构和折展机构的圆柱形内部空间；所述传感 器设置于下连接件用于获得下连接件与器械连接件之间的相对位置；

所述压紧装置包括圆环结构的压紧件和固定连接于所述压紧件与上连接件 之间的弹簧；所述压紧件上沿周向均匀分布有多个导向柱，并通过所述导向柱与 上连接件的内壁槽滑动配合；

所述折展机构包括固定于所述上连接件的固定盘、同轴设置于所述固定盘下 方的转动件和沿周向均布于所述固定盘与转动件之间的多个折叠件、以及用于驱 动所述转动件相对于固定盘转动的驱动电机；所述折叠件设有两个铰轴分别对应 与固定盘和转动件之间形成移动副和转动副；

所述器械连接件的上端沿周向均布有多个扇形齿板；所述下连接件的底面设 有与所述器械连接件的上端匹配的异型孔；所述驱动电机驱动所述转动件相对于 固定盘转动后，将带动所述折叠件展开并推动压紧件将器械连接件的扇形齿片压 紧。

进一步，所述上连接件的内壁槽内设有钢珠或滑块。

进一步，所述驱动电机的机身通过电机固定件固定于所述转动件，驱动电机 的输出轴同轴固定连接于所述固定盘。

进一步，所述压紧件的底面沿周向均布有多个凸台；所述凸台可嵌入所述器 械连接件的相邻两扇形齿板之间。

本发明的有益效果：

1.本发明基于榫卯机构的原理，配合弹簧设计实现快换装置两个部分的可 靠连接。

2.本发明采用折展机构，将简单电机转动转化为装置锁紧运动，实现简单 控制并提高机构紧凑性。

3.本发明原理简单，包含零件数目少，制造生产成本低，具有较高的性价 比。

4.本发明通过一个电机就实现装置的更换控制，配合位置传感器实现装置 自动运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的外部总体示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明的压紧机构的结构示意图；

图4为本发明的折展机构的结构示意图；

图5为本发明的器械连接件、压紧机构和折展机构的配合示意图。

具体实施方式

本实施例的一种机械臂末端器械快换装置，包括安装连接机构1、器械连接 件2、压紧机构3和折展机构4；

所述安装连接机构1包括上连接件1-1、下连接件1-2和传感器；所述上连 接件1-1和下连接件1-2相互固定后形成用于容纳压紧机构3和折展机构4的圆 柱形内部空间；如图1所示，上连接件1-1和下连接件1-2通过侧边连接孔进行 螺纹连接形成安装连接机构1，其安装应为整个快换装置装配的最后一步，在其 他内部零件装配后进行；所述传感器设置于下连接件1-2用于获得下连接件1-2 与器械连接件2之间的相对位置；

如图3所示，所述压紧机构包括圆环结构的压紧件3-2和粘接固定连接于所 述压紧件3-2与上连接件1-1之间的弹簧3-1；所述压紧件3-2上沿周向均匀分 布有三个导向柱，并通过所述导向柱与上连接件1-1的内壁槽滑动配合；所述上 连接件1-1的内壁槽内设有钢珠或滑块，以减小导向柱相对滑动时的阻力；最终 使压紧件3-2与安装连接机构1形成一个可相对移动的结构，同时压紧件3-2又 受弹簧3-1限制；所述弹簧3-1与压紧件3-2通过粘接等方式实现固接。压紧件 3-2与安装连接机构1之间形成移动副，在常态下，弹簧3-1处于最短位置，压 紧件3-2被拉紧，处于未压紧状态。在折展机构4作用时，压紧件3-2被压下，处于压紧状态。折展机构4撤去作用后，压紧件3-2在弹簧3-1的作用下又拉伸 回常态。

所述折展机构4包括固定于所述上连接件1-1的固定盘4-1、同轴设置于所 述固定盘4-1下方的三角转动件4-6和沿周向均布于所述固定盘4-1与三角转动 件4-6之间的三个折叠件4-3、以及用于驱动所述三角转动件4-6相对于固定盘 4-1转动的驱动电机4-4；所述折叠件4-3设有两个铰轴4-2分别对应与固定盘 4-1和三角转动件4-6之间形成移动副和转动副；即三角转动件4-6设有与其中 一个铰轴4-2配合的圆孔，而固定盘4-1设有与另一个铰轴4-2滑动配合的长圆 形滑槽；折展机构4通过其固定盘4-1与上连接件1-1进行螺纹连接，实现折展 机构4与安装连接机构1的固接；所述驱动电机4-4的机身通过电机固定件4-5固定于所述三角转动件4-6，驱动电机4-4的输出轴同轴固定连接于所述固定盘 4-1。

所述器械连接件2的上端沿周向均布有三个扇形齿板；所述下连接件1-2的 底面设有与所述器械连接件2的上端形状相匹配的异型孔；驱动电机4-4输出轴 固定在固定盘4-1上，驱动电机4-4的机身通过电机固定件4-5固定在三角转动 件4-6上，三角转动件4-6在驱动电机4-4的驱动下可以相对固定盘4-1转动， 折展件通过两个铰链分别与固定盘4-1和三角转动件4-6之间形成移动副和转动 副，驱动电机4-4正转带动三角转动件4-6正转，折展件展开；驱动电机4-4反 转带动三角转动件4-6反转，折展件折叠；所述压紧件3-2的底面沿周向均布有 三个凸台；所述凸台可嵌入所述器械连接件2的相邻两扇形齿板之间。

工作时，本快换装置除器械连接件2外连接到机械臂末端上，器械连接件2 连接末端执行器械，放置在器械库中。初始时，机械臂末端空置，运动机械臂到 器械库连接末端执行器械：通过传感器1-3对位器械连接件2进行对位，此时折 展机构4处于折叠状态，压紧件3-2在弹簧3-1作用下收缩至最短的位置(使压 紧件最靠近上连接件1-1)，其下方与下连接件1-2的下端面不接触，并留有空 间供器械连接件2进入；对位之后，机械臂控制安装连接机构1下移，器械连接 件2的上端通过异形孔进入安装连接机构1，随后机械臂旋转，使得器械连接件 2的扇形齿板与下连接件1-2的突出齿部对齐；随后，驱动电机4-4正转，驱动 折展机构4展开，折展件4-3的外侧面为斜面或弧面，使其与压紧件接触时产生 向下的分力，折展件4-3展开驱使压紧件3-2下压，使压紧件3-2处于距上连接 件1-1最远的地方，压紧压住器械连接件2的扇形齿板，通过压力实现紧固连接， 同时压紧件3-2的凸台设计进一步增强了周向移动的限制，此时器械连接件2与 安装连接机构1连接完成(即末端执行器与机械臂连接完成)，运动机械臂到工 作区域可以进行相关任务操作。完成一个操作之后，需要再次更换末端执行器时， 移动机械臂到达器械库，对齐末端执行器存放位置，驱动电机4-4反转，驱动折 展件4-3折叠，压紧件3-2在弹簧3-1作用下上升，解除对器械连接件2的压紧，随后转动机械臂(安装连接件1随其转动)，使结构回到空置状态，抬升机械臂 带动安装连接件1上移退出连接，而后运动到下一个末端执行器处重复上述操 作，可以再次实现末端执行器的更换。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。