專利名稱：用于末端執(zhí)行器夾具的力和常態(tài)傳感的制作方法
用于末端執(zhí)行器夾具的力和常態(tài)傳感
背景技術(shù)：
在商用飛機(jī)的裝配過程中，在限制空間(confined space)的內(nèi)部和外部同步執(zhí)行某些操作?？紤]將翼梁緊固至翼盒面板的操作。在面板的一側(cè)，翼盒外部的裝配系統(tǒng)執(zhí)行鉆孔、打埋頭孔(countersinking)和緊固件插入任務(wù)。在面板另一側(cè)的翼盒內(nèi)的人或系統(tǒng)將套管和螺母放置在插入的緊固件上。在鉆孔過程中，裝配系統(tǒng)需要對面板施加適當(dāng)?shù)膴A緊力。如果電磁體被用于施加夾緊力，則可以根據(jù)供應(yīng)給電磁體線圈的電流估算夾緊力。然而，估算并不總是正確的。錯誤的估算會導(dǎo)致夾緊力不足。如果在鉆孔操作過程中夾緊力不足，則鉆孔器會偏移。結(jié)果，鉆出的孔的位置將超差?？紤]到需要在商用飛機(jī)里精確地鉆出的孔的數(shù)量，超差的孔成本會相當(dāng)大。在鉆孔過程中期望準(zhǔn)確地測量夾緊力而不是估算夾緊力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)此處的一個方面，機(jī)器人系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器、力傳感器和多個常態(tài)(normality)傳感器，末端執(zhí)行器包括電磁夾具，力傳感器附著于末端執(zhí)行器，用于測量由夾具對工件表面施加的力。常態(tài)傳感器置于力傳感器周圍，從而在力傳感器與表面接觸前確定夾具是否垂直于表面。根據(jù)此處的另一方面，電磁夾具包括芯子、環(huán)繞芯子的繞組、夾具表面上的力傳感器和在力傳感器周圍設(shè)置的多個線性位移傳感器。線性位移傳感器具有比力傳感器從夾緊表面更進(jìn)一步延伸的頂部(tip)，這使得在力傳感器不觸碰表面的情況下，能夠確定夾具相對于工件表面的常態(tài)。根據(jù)此處的又一方面，一種方法包括使用夾具對工件執(zhí)行制造操作，其中夾具包括力傳感器，用于測量夾具對工件表面的夾緊力。使用夾具包括將夾具的夾緊表面接近工件表面放置、在夾緊表面觸碰工件表面之前確定夾緊表面相對于工件表面的常態(tài)、在維持夾緊表面的常態(tài)的同時將夾緊表面朝向工件表面移動以及對著/倚著工件表面夾緊夾具。


圖I示出包括末端執(zhí)行器的機(jī)器人系統(tǒng)。圖2示出控制機(jī)器人系統(tǒng)以對著工件表面夾緊末端執(zhí)行器的方法。圖3示出相對于末端執(zhí)行器軸線的力傳感器和常態(tài)傳感器。圖4A示出常態(tài)傳感器。圖4B示出相對于校準(zhǔn)平面的兩個常態(tài)傳感器頂部。圖5示出電磁夾具的芯子，其中芯子中嵌有力傳感器和常態(tài)傳感器。圖6示出包括圖5的芯子的電磁夾具。圖7示出控制圖6的電磁夾具的方法。圖8A-8D示出在校準(zhǔn)、定位和夾緊過程中圖6的電磁夾具。、
圖9示出制造操作期間的電磁夾具。
具體實施例方式參考圖1，其示出了使用測得的夾緊力對著工件表面(S)夾緊末端執(zhí)行器110的機(jī)器人系統(tǒng)100。末端執(zhí)行器110包括主體112和電磁夾具114。在一些實施例中，主體112和夾具114可以是集成的。在其他實施例中，主體112和夾具114可以是分開的元件。在系統(tǒng)100的操作過程中，末端執(zhí)行器110的夾緊表面(C)將離開工件表面(S)移動。末端執(zhí)行器110還包括力傳感器116，其用 于測量由夾具114對工件表面(S)施加的力。例如，力傳感器116可以包括應(yīng)變計、液壓傳感器或形狀記憶傳感器(shape memorysensor)。當(dāng)夾緊表面(C)垂直于工件表面(S)時,讀數(shù)(Reading)最準(zhǔn)確。末端執(zhí)行器110還包括安置在力傳感器116周圍的多個常態(tài)傳感器118。在一些實施例中，常態(tài)傳感器118可以是線性位移傳感器。在其他實施例中，常態(tài)傳感器118可以是接近度/距離傳感器。常態(tài)傳感器118能夠在力傳感器116接觸工件表面(S)之前確定夾緊表面(C)是否垂直于工件表面(S)。該布置允許常態(tài)傳感器118的運動與力傳感器116去耦合，以便可以相對于工件表面(S)標(biāo)準(zhǔn)化夾緊力。當(dāng)力傳感器116垂直于工件表面時，力測量值更準(zhǔn)確。將運動去耦合進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確性。例如，正在確定常態(tài)性的同時力傳感器116與工件表面接觸。末端執(zhí)行器110將要求更復(fù)雜的設(shè)計，包括力傳感器和末端執(zhí)行器之間的球面軸承，以便力傳感器正在觸碰工件表面(S)的同時旋轉(zhuǎn)夾具。結(jié)果，反作用力(reactionary force)將磨損球面軸承并引起夾具偏移。將運動去稱合避免了這些問題。除了以較高準(zhǔn)確度測量夾緊力之外，系統(tǒng)100還具有無需球面軸承的較簡單的設(shè)計。機(jī)器人系統(tǒng)100還包括用于移動末端執(zhí)行器110的機(jī)器人操作器120。例如，機(jī)器人操作器120可以包括機(jī)器人臂。機(jī)器人系統(tǒng)100還包括用于命令機(jī)器人操作器120移動末端執(zhí)行器110的控制器122?？刂破?22還讀取力傳感器116和常態(tài)傳感器118 ;并且控制夾具114產(chǎn)生夾緊力?？刂破?22可以是基于微處理器的。現(xiàn)在參考圖2，其示出由控制器122執(zhí)行的某些功能。在方框210中，控制器122命令機(jī)器人操作器120移動末端執(zhí)行器110離開工件表面(S)，直到常態(tài)傳感器118指示夾緊表面(C)垂直于工件表面(S)。在該移動過程中，力傳感器116不與工件表面(S)接觸。在方框220中，控制器122命令機(jī)器人操作器120將末端執(zhí)行器110朝向工件表面(S)移動?？刂破?22還使用常態(tài)傳感器118以確保夾緊表面(C)與工件表面(S)保持垂直。在方框230中，控制器122讀取力傳感器166，以確定末端執(zhí)行器110與工件表面
(S)何時接觸。在夾具與工件表面(S)垂直的情況下，控制器122命令夾具144產(chǎn)生夾緊力。夾緊力引起末端執(zhí)行器110向工件表面(S)夾緊?？刂破?22讀取力傳感器116并控制夾具114，以確保施加精確的夾緊力?，F(xiàn)在參考圖3，其示出了一個實施例，在其中圍繞力傳感器116間隔四個常態(tài)傳感器118。沿第一旋轉(zhuǎn)軸(Rl)布置第一對相向的傳感器118，由NI和N2指代。沿第二旋轉(zhuǎn)軸(R2)布置第二對相向的傳感器，由N3和N4指代。在平面和非平面表面上可以使用四個常態(tài)傳感器118。在一些實施例中，在平面表面上可以使用三個常態(tài)傳感器118。
現(xiàn)在參考圖4A，其示出常態(tài)傳感器410的實施例。圖4的常態(tài)傳感器410可以是線性位移傳感器412，例如線性可變差動變壓器(LVDT)。傳感器410包括銷件(pin) 414和線圈(未示出)。銷件414的頂部416被配置為與工件的表面接觸。在操作過程中，相對于線圈移動銷件414，其感測電壓。電壓的變化與銷件414的位移成比例。在一些實施例中，可以將力傳感器116和/或常態(tài)傳感器118與夾具114分離地安裝至末端執(zhí)行器110。在其他實施例中，一個或多個傳感器116和118可以與夾具114集成?，F(xiàn)在參考圖5和圖6，其示出具有集成的力傳感器512和常態(tài)傳感器514的電磁夾具510的實施例。夾具510包括具有轂件518和板件520的芯子516。軸向通道522穿過轂件518和板件520延伸。 具有環(huán)形的力傳感器512嵌入轂件518中，并且包圍軸向通道522。軸套(bushing) 524將力傳感器512保持在轂件518中并從轂件518向外延伸。軸套524提供夾緊表面(C)。只有軸套524的夾緊表面(C)將會與工件表面(S)接觸。在一些實施例中，軸套524和力傳感器512可以是分開的元件。在其他實施例中，軸套524和力傳感器512可以是集成的。圖4A中所示類型的四個常態(tài)傳感器514圍繞軸向通道522被隔開。使用對應(yīng)的可移動銷件將每個線性位移傳感器嵌入轂件518中。可以移動銷件，使得其頂部延伸越過夾緊表面(C)?？梢砸苿愉N件，使得其頂部與夾緊表面(C)齊平或在其下方。按圖3所示模式布置常態(tài)傳感器514。沿第一軸線Rl布置兩個相向的常態(tài)傳感器514 (NI和N2)。沿第二軸線R2布置其他兩個相向的常態(tài)傳感器514 (N3和N4)。繞組526環(huán)繞轂件518。當(dāng)繞組526通電時，其產(chǎn)生電磁場。殼體528覆蓋繞組526。圖5和圖6的芯子510包含若干針對鉆孔操作的特征。軸向通道522允許鉆頭插入其中。碎片出口 530允許在鉆孔過程中移除碎片?，F(xiàn)在再參考圖7，其示出電磁夾具510的操作。操作開始于傳感器校準(zhǔn)。可以使用具有凸起部分812和較低部分814的校準(zhǔn)板810。在方框710中，確定用于常態(tài)傳感器514的校準(zhǔn)平面。夾具510置于校準(zhǔn)板810上，其中軸套524停留在凸起部分812上，并且所有四個常態(tài)傳感器514與較低部分814接觸(參看圖8A)。讀取并存儲每個常態(tài)傳感器514的位置。這些存儲的位置定義校準(zhǔn)平面。傳感器校準(zhǔn)完成后，夾具510從校準(zhǔn)板810移除。當(dāng)移除夾具510時，銷件頂部延伸越過校準(zhǔn)平面。然后，夾具510置于工件820的表面(S)上。在方框720中，夾具510放置為使得常態(tài)傳感器514的延長銷件(extended pin)觸碰表面(S)(參看圖8B)。在方框730中，讀取常態(tài)傳感器514，以確定每個頂部離校準(zhǔn)平面的距離φ。圖4Β示出針對常態(tài)傳感器NI和Ν2的距離CpNl和(pN2。在方框740中,偏移ΔΑ被確定為ΦΝ1-ΦΝ2。類似地，偏移Δ B被確定為φΝ3-φΝ4。在方框750中，操縱夾具510直到相向的傳感器的頂部離校準(zhǔn)平面具有相同的距離。也就是，移動夾具直到AA = O且ΛΒ = 0(參看圖8C)。當(dāng)AA = O且AB = O時，夾緊表面(C)被認(rèn)為與工件表面(S)垂直。
在方框760中，移動夾具514朝向工件表面(S)，確保ΛΑ和Λ B保持在AA = O且ΛΒ = O。以這種方式，當(dāng)夾緊表面(C)朝向工件表面(S)移動時，夾緊表面(C)保持垂直。監(jiān)控力傳感器512，以確定軸套524與工件表面(S)何時接觸。當(dāng)力傳感器512指示軸套524觸碰工件表面(S)(參看圖8D)時，停止夾具510的運動。此時,夾具510垂直于表面(S)，但還尚未施加夾緊力。在方框770中，繞組526被通電從而產(chǎn)生夾緊力。在方框780中，施加夾緊力的同時執(zhí)行制造操作。在方框770和780中，不停地讀取力傳感器512以確定正在施加的實際夾緊力，并且調(diào)整繞組526的電流，以確保在制造操作期間施加精確的夾緊力。
現(xiàn)參考圖9，其示出對工件910的制造操作過程中的由復(fù)合材料或其他非金屬制成的夾具510。夾具510可以被校準(zhǔn)，然后置于工件910的一側(cè)，金屬支撐板920 (例如鋼板)置于工件910的另一側(cè)。當(dāng)夾具510的繞組通電時，工件910被夾緊在夾具510和支撐板920之間。軸套在將被鉆孔的位置周圍提供高夾緊力。制造操作可以包括穿過夾具510的軸向通道插入鉆孔器以及在工件910里鉆出孔。當(dāng)正在鉆孔時，將真空應(yīng)用于出口從而移除鉆屑。鉆出孔后，移除鉆孔器，并且將緊固件插入軸向通道522且穿過鉆出的孔。釋放夾緊力，移除支撐板920，并在緊固件上放置螺母。在飛機(jī)的組裝過程中可以使用圖9的制造操作。例如，其可以被用來將翼梁緊固至翼盒的面板上。夾具510被用于在面板的一側(cè)執(zhí)行鉆孔、打埋頭孔和緊固件插入任務(wù)。在面板的另一側(cè)的翼盒內(nèi)的人或系統(tǒng)將套管和螺母放置在插入的緊固件上。美國公開No. 2009/0287352描述了能夠?qū)⑻坠芑蚵菽阜胖迷谙拗瓶臻g內(nèi)的緊固件上的機(jī)器人系統(tǒng)，該限制空間只能通過進(jìn)入口進(jìn)入。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人系統(tǒng),其包括 末端執(zhí)行器，其包括電磁夾具； カ傳感器，其附著于所述末端執(zhí)行器，用于測量由所述夾具向エ件表面施加的力；以及 多個常態(tài)傳感器，其置于所述カ傳感器周圍，用于在所述カ傳感器與所述表面接觸前確定所述夾具是否垂直于所述表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述常態(tài)傳感器包括至少三個傳感器，用于測量關(guān)于所述夾具的第一和第二旋轉(zhuǎn)軸的方位。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的系統(tǒng)，還包括 機(jī)器人操作器，其用于移動所述末端執(zhí)行器；以及 控制器，其響應(yīng)于所述常態(tài)傳感器的輸出，用于命令所述機(jī)器人操作器移動所述末端執(zhí)行器，直到所述夾具垂直于所述エ件表面而不允許所述力傳感器與所述エ件表面接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述控制器響應(yīng)于所述カ傳感器的輸出而命令所述夾具產(chǎn)生夾緊力。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，還包括校準(zhǔn)板，其用于校準(zhǔn)所述常態(tài)傳感器的位置，所述校準(zhǔn)板具有凸起部分和較低部分，所述カ傳感器停留在凸起部分上，在較低部分上為所述常態(tài)傳感器的頂部定義了校準(zhǔn)平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中所述控制器確定用于所述常態(tài)傳感器的校準(zhǔn)平面；將所述夾具移動至エ件表面，確定銷件離所述校準(zhǔn)平面的距離，然后定向所述夾具，使得相向的常態(tài)傳感器的距離相等。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的系統(tǒng)，其中所述カ傳感器位于所述夾具的表面；并且其中每個常態(tài)傳感器包括銷件和用于確定所述銷件位置的線性位移傳感器，每個銷件可移動以便其頂部能夠延伸超過所述夾具的表面。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的系統(tǒng)，其中所述カ和常態(tài)傳感器與所述夾具集成。
9.ー種電磁夾具,其包括 芯子; 環(huán)繞所述芯子的繞組； 夾具表面上的カ傳感器；以及 布置在所述カ傳感器周圍的多個線性位移傳感器，所述線性位移傳感器具有比所述カ傳感器從所述夾具表面進(jìn)ー步延伸的頂部，這使得在所述カ傳感器不觸碰所述表面的情況下，能夠確定所述夾具相對于エ件表面的常態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的夾具，其中四個線性位移傳感器設(shè)置于所述カ傳感器周圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的夾具，其中每個線性位移傳感器包括嵌入所述芯子中的線性可變差動變壓器即LVDT和從所述LVDT延伸的銷件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的夾具，進(jìn)ー步包括用于將所述カ傳感器固定至所述芯子的軸套，其中所述軸套提供夾具表面。
13.ー種使用權(quán)利要求9至12中任一項所述的夾具的方法，其包括 為所述線性位移傳感器確定校準(zhǔn)平面； 將所述夾具置于エ件上，其中所有常態(tài)傳感器的頂部觸碰所述エ件表面；確定每個頂部離所述校準(zhǔn)平面的距離； 重新定向所述夾具，直到相向的傳感器的距離相等； 在維持所述距離的同時，將所述夾具朝向所述エ件表面移動，直到所述夾具表面觸碰所述エ件表面；以及施加所述夾緊力。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的使用夾具的方法，還包括對所述エ件執(zhí)行制造操作，其包括 將鉆孔器通過軸線開ロ插入所述芯子中，以及 在讀取所述カ傳感器并且控制所述繞組從而確保在鉆孔過程中施加精確的夾緊カ的 同時，使用所述鉆孔器在所述エ件中鉆出孔。
15.ー種包括使用夾具對エ件執(zhí)行制造操作的方法，所述夾具包括カ傳感器，其用于測量所述夾具對所述エ件表面的夾緊力，其中使用所述夾具包括 將所述夾具的夾緊表面接近于所述エ件表面放置； 在所述夾緊表面觸碰所述エ件表面之前，確定所述夾緊表面相對于所述エ件表面的常態(tài)； 在維持所述夾緊表面的常態(tài)的同時，將所述夾緊表面朝向所述エ件表面移動；以及 對著所述エ件表面夾緊所述夾具。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述制造操作包括鉆孔操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述エ件包括復(fù)合飛機(jī)板；所述方法還包括將金屬支撐板放置在所述復(fù)合板之后。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于末端執(zhí)行器夾具的力和常態(tài)傳感。機(jī)器人系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器、力傳感器和多個常態(tài)傳感器，末端執(zhí)行器包括電磁夾具，力傳感器附著于末端執(zhí)行器，用于測量由夾具對工件表面施加的力。常態(tài)傳感器置于力傳感器周圍，從而在力傳感器與表面接觸前確定夾具是否垂直于表面。
文檔編號B25J9/16GK102649169SQ201210042188
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者B·薩, C·J·埃里克森, J·D·甘博亞 申請人:波音公司