一种用于汽车加油机器人的末端执行器 |
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| 申请号 | CN201710296529.6 | 申请日 | 2017-04-28 | 公开(公告)号 | CN107150994A | 公开(公告)日 | 2017-09-12 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 徐海波; 李和薇; 付兴; 白志东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于 汽车 加油 机器人 的 末端执行器 ，目的在于，集成化地实现汽车内、外油箱盖的自动化开闭、油枪的抓取与油枪 开关 把的自动化开闭，降低系统的控制复杂程度，减小系统体积，所采用的技术方案为：包括与汽车 加油机 器人末端连接的安装架，安装架上固定设置有内盖开闭机构和 传动系统 ，传动系统连接有油枪抓取机构和外盖开闭机构，传动系统包括摆动 气缸 ，摆动气缸连接油枪抓取机构和外盖开闭机构，摆动气缸用于驱动油枪抓取机构和外盖开闭机构轴向摆动；油枪抓取机构包括第一气爪和第二气爪，第一气爪上设置有 手爪 ，第二气爪上设置有拨指；外盖开闭机构包括伸缩 吸盘 ；内盖开闭机构包括圆柱形气爪，圆柱形气爪上设置有卡指。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于汽车加油机器人的末端执行器，其特征在于，包括与汽车加油机器人末端连接的安装架(3)，安装架(3)上固定设置有内盖开闭机构(2)和传动系统(5)，传动系统(5)连接有油枪抓取机构(1)和外盖开闭机构(4)，所述油枪抓取机构(1)和外盖开闭机构(4)的相对位置固定，所述传动系统(5)包括摆动气缸(28)，摆动气缸(28)连接油枪抓取机构(1)和外盖开闭机构(4)，摆动气缸(28)用于驱动油枪抓取机构(1)和外盖开闭机构(4)轴向摆动；所述油枪抓取机构(1)包括第一气爪(6)和第二气爪(9)，第一气爪(6)上设置有用于抓取油枪的手爪(13)，第二气爪(9)上设置有用于控制油枪开关的拨指(12)；所述外盖开闭机构(4)包括用于吸取外油箱盖的伸缩吸盘(24)；所述内盖开闭机构(2)包括能够轴向转动的圆柱形气爪(20)，圆柱形气爪(20)上设置有用于抓取内油箱盖的卡指(21)。 |
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| 说明书全文 | 一种用于汽车加油机器人的末端执行器技术领域背景技术[0002] 随着科学技术的进步，尤其是自动化、信息化技术的迅猛发展，以人为主导的传统生产模式向着以机器人为主导的智能化生产模式转换。机器人技术的发展为加油站提供了新的服务方式，即汽车加油机器人，而汽车加油机器人研究开发成为热点和难点。汽车加油过程涉及步骤很多，而且汽车油箱盖形状各异，油枪形状特殊，对末端执行器的适应性和多功能性提出了极高要求。在传感器定位技术与六自由度机器人技术比较成熟的情况下，现有的功能集成化末端执行器重量大不便于悬挂安装作业，如何集成化地实现汽车内、外油箱盖的自动化开闭、油枪的抓取与油枪开关把的自动化开闭功能成为难题。 发明内容[0003] 为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种用于汽车加油机器人的末端执行器，能够集成化地实现汽车内、外油箱盖的自动化开闭、油枪的抓取与油枪开关把的自动化开闭，降低系统的控制复杂程度，减小系统体积，能够实现全自动化汽车加油过程，有助于汽车加油机器人技术的进一步发展。 [0004] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括与汽车加油机器人末端连接的安装架，安装架上固定设置有内盖开闭机构和传动系统，传动系统连接有油枪抓取机构和外盖开闭机构，所述油枪抓取机构和外盖开闭机构的相对位置固定，所述传动系统包括摆动气缸，摆动气缸连接油枪抓取机构和外盖开闭机构，摆动气缸用于驱动油枪抓取机构和外盖开闭机构轴向摆动；所述油枪抓取机构包括第一气爪和第二气爪，第一气爪上设置有用于抓取油枪的手爪，第二气爪上设置有用于控制油枪开关的拨指；所述外盖开闭机构包括用于吸取外油箱盖的伸缩吸盘；所述内盖开闭机构包括能够轴向转动的圆柱形气爪，圆柱形气爪上设置有用于抓取内油箱盖的卡指。 [0005] 所述油枪抓取机构包括与摆动气缸连接的右安装臂，所述第一气爪和第二气爪设置在右安装臂，所述第一气爪上对称设置有两个手爪，两个手爪闭合时形成两个多边形孔，所述第二气爪上通过安装板设置有小型气缸，小型气缸的末端连接拨指。 [0007] 所述内盖开闭机构包括减速步进电机，减速步进电机连接有弹性伸缩杆，所述减速步进电机用于带动弹性伸缩杆轴向转动；弹性伸缩杆末端连接圆柱形气爪，圆柱形气爪上对称设置有两个卡指。 [0008] 所述安装架上设置有轴承座，弹性伸缩杆与轴承座通过轴承连接。 [0009] 所述弹性伸缩杆上固设有上卡扣和下卡扣，上卡扣和下卡扣上设置有用于测量弹性伸缩杆伸缩量的直线位移传感器。 [0010] 所述外盖开闭机构包括与摆动气缸连接的左安装臂，伸缩吸盘通过套筒设置在左安装臂上。 [0011] 所述左安装臂上设置有依次连接的真空发生器和第二电磁阀，伸缩吸盘连接至真空发生器。 [0012] 所述左安装臂上设置有用于定位汽车位置和油箱盖位置的定位传感器。 [0014] 与现有技术相比，本发明将油枪抓取机构、内盖开闭机构、外盖开闭机构集成于一体，在机器人的位姿调节和摆动气缸的摆动作用下，使外盖开闭机构对准油箱盖位置，使得伸缩吸盘贴合并吸取外油箱盖，打开外油箱盖，内盖开闭机构利用圆柱形气爪和卡指抓取内油箱盖并旋转，打开内油箱盖，利用油枪抓取机构上的第一气爪和手爪抓取油枪，机器人位姿调节，使油枪出油口插入油箱口，同时第二气爪带动拨指动作打开油枪加油，加油完毕后反向工作，完成内外油箱盖的开闭、油枪的抓取、油枪开关把的开闭动作，克服了当前汽车加油机器人末端执行器功能单一的缺点。之前需要多台机器人配合才能完成的汽车加油过程，现在只需要一台安装该末端执行器的六自由度机器人便可完成，降低系统控制复杂程度，节约成本，减少能耗，并减少整体系统的占地面积，有助于汽车加油机器人投入实用。本发明提高了汽车加油机器人末端执行器的功能集成化程度，有助于加油机器人技术的推广与发展。 [0015] 进一步，油枪抓取机构、内盖开闭机构、外盖开闭机构均采用气动元件，采用气动驱动的方法，最大化的减轻了末端执行器的重量，克服了某些六自由度工业机器人因工作载荷不足而无法安装功能集成化末端执行器的难题，同时末端执行器工作环境为加油站，采用气动驱动的方法提高了末端执行器的安全性能。附图说明 [0016] 图1为本发明的结构示意图； [0017] 图2为油枪抓取机构的结构示意图； [0018] 图3为内盖开闭机构的结构示意图； [0019] 图4为外盖开闭机构的结构示意图； [0020] 图5为传动系统的结构示意图； [0021] 其中，1为油枪抓取机构，2为内盖开闭机构，3为安装架，4为外盖开闭机构，5为传动系统，6为第一气爪，7为右安装臂，8为第一电磁阀，9为第二气爪，10为安装板，11为小型气缸，12为拨指，13为手爪，14为减速步进电机，15为轴承座，16为上卡扣，17为直线位移传感器，18为下卡扣，19为弹性伸缩杆，20为圆柱形气爪，21为卡指，22为定位传感器，23为真空发生器，24为伸缩吸盘，25为套筒，26为第二电磁阀，27为左安装臂，28为摆动气缸，29为轴承，30为关节轴，31为密封圈，32为端盖，33为端盖螺钉，34为法兰，35为法兰螺钉。 具体实施方式[0023] 参见图1，本发明包括与汽车加油机器人末端连接的安装架3，安装架3上固定设置有内盖开闭机构2和传动系统5，传动系统5连接有油枪抓取机构1和外盖开闭机构4，所述油枪抓取机构1和外盖开闭机构4的相对位置固定，所述传动系统5包括摆动气缸28，摆动气缸28连接油枪抓取机构1和外盖开闭机构4，摆动气缸28用于驱动油枪抓取机构1和外盖开闭机构4轴向摆动；所述油枪抓取机构1包括第一气爪6和第二气爪9，第一气爪6上设置有用于抓取油枪的手爪13，第二气爪9上设置有用于控制油枪开关的拨指12；所述外盖开闭机构4包括用于吸取外油箱盖的伸缩吸盘24；所述内盖开闭机构2包括能够轴向转动的圆柱形气爪20，圆柱形气爪20上设置有用于抓取内油箱盖的卡指21。 [0024] 参见图2，油枪抓取机构1包括与摆动气缸28连接的右安装臂7，所述第一气爪6和第二气爪9设置在右安装臂7，所述第一气爪6上对称设置有两个手爪13，两个手爪13闭合时形成两个多边形孔，所述第二气爪9上通过安装板10设置有小型气缸11，小型气缸11的末端连接拨指12。右安装臂7上设置有第一电磁阀8，第一气爪6和第二气爪9均连接有第一电磁阀8。 [0025] 参见图3，内盖开闭机构2包括减速步进电机14，减速步进电机14连接有弹性伸缩杆19，所述减速步进电机14用于带动弹性伸缩杆19轴向转动；弹性伸缩杆19末端连接圆柱形气爪20，圆柱形气爪20上对称设置有两个卡指21。安装架3上设置有轴承座15，弹性伸缩杆19与轴承座15通过轴承连接。弹性伸缩杆19上固设有上卡扣16和下卡扣18，上卡扣16和下卡扣18上设置有用于测量弹性伸缩杆19伸缩量的直线位移传感器17。 [0026] 参见图4，外盖开闭机构4包括与摆动气缸28连接的左安装臂27，伸缩吸盘24通过套筒25设置在左安装臂27上。左安装臂27上设置有依次连接的真空发生器23和第二电磁阀26，伸缩吸盘24连接至真空发生器23。左安装臂27上设置有用于定位汽车位置和油箱盖位置的定位传感器22。 [0027] 参见图5，摆动气缸28通过轴承29与安装架3连接，摆动气缸28的输出轴固定连接关节轴30，关节轴30端部固定设置有端盖32，端盖32固定连接法兰34，端盖32通过端盖螺钉33与安装架3连接，且端盖32与安装架3间设置密封圈31，法兰34通过法兰螺钉35固定连接油枪抓取机构1的右安装臂7和外盖开闭机构4的左安装臂27。 [0028] 参见图1，本发明包括油枪抓取机构1、内盖开闭机构2、安装架3、外盖开闭机构4和传动系统5； [0029] 参见图2，油枪抓取机构1包括第一气爪6、右安装臂7、第一电磁阀8、第二气爪9、安装板10、小型气缸11、拨指12和手爪13。右安装臂7采用轻质金属合金材料，减轻自重。第一气爪6、第一电磁阀8、第二气爪9均安装于右安装臂7上，采用螺钉紧固。手爪13包括左右两个，对称安装于第一气爪6上，可在第一气爪6的驱动下完成抓取油枪动作。两个手爪13闭合时会形成两个多边形孔，可卡紧油枪，避免油枪滑落。安装板10与第二气爪9螺钉连接，小型气缸11与安装板10螺钉连接，且小型气缸11的末端安装拨指12。小型气缸11驱动拨指12完成伸缩动作，由此完成油枪开关把的开闭过程。 [0030] 参见图3，内盖开闭机构2包括减速步进电机14、轴承座15、上卡扣16、直线位移传感器17、下卡扣18、弹性伸缩杆19、圆柱形气爪20和卡指21。减速步进电机14与弹性伸缩杆19键连接，可驱动弹性伸缩杆19轴向转动，进而使圆柱形气缸20做旋转运动，由此完成内油箱盖的旋进与旋出动作。弹性伸缩杆19对内盖开闭机构2的末端起到碰撞保护作用，与轴承座15过盈配合，轴承座15安装于安装架3，采用螺钉紧固。直线位移传感器17通过上卡扣16和下卡扣18安装于弹性伸缩杆19上，可测量弹性伸缩杆19的伸缩量。卡指21分左右两个，对称安装于圆柱形气爪20上，可卡紧内油箱盖。 [0031] 参见图4，外盖开闭机构4包括定位传感器22、真空发生器23、伸缩吸盘24、套筒25、第二电磁阀26和左安装臂27。定位传感器22可定位汽车位置和油箱盖位置，为机器人完成加油动作的基础。伸缩吸盘24通过套筒25安装于左安装臂27上，可吸合于外油箱盖表面，对末端起到碰撞保护作用。真空发生器23可使伸缩吸盘24牢固吸合外油箱盖表面。第二电磁阀26可配合真空发生器23控制气源气体的正向流通与逆向流通，完成伸缩吸盘24对外油箱盖的吸合与释放。 [0032] 参见图5，传动系统5包括摆动气缸28、轴承29、关节轴30、密封圈31、端盖32、端盖螺钉33、法兰34和法兰螺钉35。端盖32和端盖螺钉33可将整个系统固定于安装架3上，传动系统5通过轴承29与安装架3过盈配合，端盖32通过端盖螺钉33与安装架3安装，可固定传动系统5。法兰34含有螺纹柱结构，关节轴30含有螺纹孔结构，两者螺纹连接。法兰螺钉35将右安装臂7与左安装臂27固定于法兰34上，由此完成油枪抓取机构1和外盖开闭机构4与传动系统5的连接。摆动气缸28输出轴与关节轴30键连接，摆动气缸28可驱动油枪抓取机构1和外盖开闭机构4轴向摆动，完成两工作头的基本位姿调节。 [0033] 本发明中包含油枪抓取机构1、内盖开闭机构2和外盖开闭机构4，分别完成油枪抓取与油枪开关的开闭、内油箱盖的抓取与开闭和外油箱盖的开闭动作，功能集成化程度高；传动系统5可驱动油枪抓取机构1和外盖开闭机构4轴向转动，完成两工作头的基本位姿调节；主要驱动部件为气动元件，减轻了末端执行器的重量。 [0034] 本发明末端执行器工作过程中，定位传感器22定位汽车位置和油箱盖位置，在机器人的位姿调节和摆动气缸28的摆动作用下，使外盖开闭机构4对准油箱盖位置，机器人将末端执行器靠近油箱盖，使得伸缩吸盘24贴合外油箱盖，真空发生器23与第二电磁阀26配合工作，气流逆向流动，使得伸缩吸盘24达到吸合外油箱盖的状态，此时机器人带动末端执行器做原理油箱盖动作，使得外油箱盖打开，内油箱盖外露。第二电磁阀26工作，气流正向流动，伸缩吸盘24释放外油箱盖。在机器人末端位姿的调节作用下，使内盖开闭机构2对准油箱口位置，机器人将末端执行器靠近油箱口，当直线位移传感器17测量到弹性伸缩杆19的伸缩量时，证明内盖开闭机构2末端与内油箱盖接触，圆柱形气爪20与卡指21工作，卡紧内油箱盖。加速步进电机14驱动内盖开闭机构2转动，使内油箱盖旋出，机器人带动末端执行器原理油箱口，内油箱盖在圆柱形气爪20与卡指21的卡紧作用下，暂时停留在内盖开闭机构2末端。第一气爪6和第二气爪9张开，小型气缸11带动拨指12伸长，同时机器人调节末端位姿，使油枪处于两个手爪13中间。第一气爪6闭合，使得两个手爪13抓取油枪下部圆柱形部分并卡住油枪限位板下端。第二气爪9闭合，使得小型气缸11和拨指12勾住油枪开关把，由此完成油枪的抓取动作。机器人位姿调节，加油枪出油口插入油箱口，小型气缸11带动拨指12缩回，油枪开关把开启，开始加油。加油完成后，小型气缸11带动拨指12伸长，油枪开关把关闭，加油过程结束。机器人带动末端执行器将油枪放回原位，第一气爪6和第二气爪9张开，与末端执行器脱离。机器人调节位姿，使夹取内油箱盖的内盖开闭机构2对准油箱口。在机器人带动下，使内油箱盖放回油箱口，直线位移传感器17检测到弹性伸缩杆19的压缩量时，减速步进电机14驱动内盖开闭机构左旋转动作，内油箱盖旋进油箱口后，圆柱形气爪20与卡指21释放内油箱盖，内油箱盖与末端执行器脱离。机器人末端位姿调节，同时摆动气缸28摆动，使外盖开闭机构对准外油箱盖表面，真空发生器23与第二电磁阀26配合工作，气流逆向流动，伸缩吸盘24吸合外油箱盖，机器人继续带动末端执行器运动，完成外油箱盖闭合动作。第二电磁阀26工作，气流正向流动，伸缩吸盘24释放外油箱盖。至此完成汽车加油的全部动作。 [0035] 本发明由油枪抓取机构、外盖开闭机构、内盖开闭机构、传动系统、安装架五部分组成。工艺过程中，摆动气缸可驱动外盖开闭机构与油枪抓取机构摆动，达到工作头的基本位姿调节。油枪抓取机构的手爪由气爪驱动，抓取油枪，拨指由小型气缸驱动，控制油枪开关把的开闭。外盖开闭机构的伸缩吸盘可吸合和释放外油箱盖。内盖抓取手由减速步进电机驱动轴向转动，可完成内油箱盖旋进与旋出动作。 [0036] 本发明解决了以下问题：其一为汽车内、外油箱盖的自动化开闭、油枪的抓取与油枪开关把的自动化开闭的问题，并功能集成化；其二为功能集成化末端执行器重量大，难以应用于载荷有限的六自由度机器人的问题。本发明采用气动驱动的方法与传感器技术，可实现汽车及汽车油箱盖的位置识别，并可解决以上难题。该装置采用气动驱动的方法，大量应用气动元件，减轻了整体装置的重量，便于六自由度机器人末端安装作业。另外，在加油站这种特殊工作环境下，气动驱动是一种安全可靠的驱动方式。该装置集成的实现了汽车内、外油箱盖的自动化开闭、油枪的抓取与油枪开关把的自动化开闭过程，为实现全自动化汽车加油过程提供一种切实有效的方法，有助于汽车加油机器人技术的进一步发展。 |
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