复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的制作方法

本实用新型涉及自动化微装配技术领域，具体而言，涉及一种复杂多构型微零件自动微操作机械手系统。

背景技术：

现有微零件装配中，会涉及到具有多尺寸、跨尺度、多种类复杂构型、多种构成材料的微型零部件之间的装配，这类复杂微零件难以通过自动装配设备统一、同时进行装配。

现有的装配方式主要通过手工的方式实现，由于人工装配每次操作的力度不能保持一致，装配精度及一致性难以保证，并且装配效率依赖工人的装配水平与熟练程度，难以大幅度提高生产效率。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种复杂多构型微零件自动微操作机械手系统，能够解决多尺寸、跨尺度、多种类复杂构型、多种构成材料的微型零部件之间的装配问题，提高装配效率和装配精度，确保装配力度均匀、一致。

本实用新型改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本实用新型提供的一种复杂多构型微零件自动微操作机械手系统，包括多手臂运动模块、装配机械手及快换模块和压装机械手模块。

所述多手臂运动模块包括Y轴方向的直线大程精密手臂运动台、X轴方向的直线大程精密手臂运动台、第一Z轴方向直线精密手臂运动台和第二Z轴方向直线精密手臂运动台。所述X轴方向的直线大程精密手臂运动台安装在所述Y轴方向的直线大程精密手臂运动台上，所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台和所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台均安装在所述X轴方向的直线大程精密手臂运动台上，且平行设置。所述装配机械手及快换模块设于所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述压装机械手模块设于所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台上。

所述装配机械手及快换模块包括装配手臂、力觉检测模块、快换-力觉转接块、机械手快换主模块和装配机械手。所述装配手臂安装在所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述力觉检测模块设于所述装配手臂上，所述机械手快换主模块和所述力觉检测模块通过快换-力觉转接块连接，所述装配机械手与所述机械手快换主模块连接，所述装配机械手用于完成零件的拾取、转运、涂胶、配准和装配操作。

所述压装机械手模块包括压装手臂、压装机械手本体和压力工装组件，所述压装手臂安装在所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述压装机械手本体安装在所述压装手臂上。所述压力工装组件包括压装中轴、压装套筒和压装基座，所述压装套筒套设在所述压装中轴上，所述压装套筒与所述压装基座连接，所述压装机械手本体用于夹持所述压装中轴和所述压装套筒。

进一步地，所述快换力觉转接块包括椭圆异形转接板，所述椭圆异形转接板的一端与所述力觉检测模块可拆卸地连接，所述椭圆异形转接板的另一端与所述机械手快换主模块可拆卸地连接。

进一步地，所述装配机械手包括第一装配机械手、第二装配机械手、第三装配机械手、第四装配机械手。所述机械手快换主模块选择性地与所述第一装配机械手、所述第二装配机械手、所述第三装配机械手、所述第四装配机械手中的任意一个连接。

进一步地，所述第一装配机械手包括孔形中空真空吸附头、第一装配手主体、第一快换模块。所述第一快换模块与所述机械手快换主模块连接，所述第一装配手主体与所述第一快换模块连接，所述第一装配手主体与所述孔形中空真空吸附头连接，所述孔形中空真空吸附头用于拾取零件。

所述第二装配机械手包括孔形异构网状真空吸附头、第二装配手主体、第二快换模块。所述第二快换模块与所述机械手快换主模块连接，所述第二装配手主体与所述第二快换模块连接，所述第二装配手主体与所述孔形异构网状真空吸附头连接，所述孔形异构网状真空吸附头用于拾取零件。

进一步地，所述第三装配机械手包括微孔形真空吸附头、第三装配手主体、第三快换模块。所述第三快换模块与所述机械手快换主模块连接，所述第三装配手主体与所述第三快换模块连接，所述第三装配手主体与所述微孔形真空吸附头连接，所述微孔形真空吸附头用于拾取零件。

所述第四装配机械手包括条形长真空腔吸附头、第四装配手主体、第四快换模块。第四快换模块与所述机械手快换主模块连接，所述第四装配手主体与所述第四快换模块连接，所述第四装配手主体与所述条形长真空腔吸附头连接，所述条形长真空腔吸附头用于拾取零件。

进一步地，所述机械手快换主模块上设有机械自动锁紧装置。

进一步地，所述压装基座设有基座装配基准台、基座让位槽和基座限位固定槽，所述基座装配基准台用于放置零件，所述基座让位槽用于与所述压装套筒配准后的空间让位，所述基座限位固定槽用于对所述压装基座配准后的位置固定。

进一步地，所述压装中轴包括中轴支撑边台和中轴加持面。所述中轴支撑边台与所述压装中轴的端面之间形成所述中轴加持面，所述中轴加持面作为所述压装机械手本体进行夹持操作的第一基准面。所述压装套筒包括套筒加持面，所述套筒加持面作为所述压装机械手本体进行夹持操作的第二基准面。所述压装套筒上设有套筒导向基准槽，用于对零件起导向作用。

进一步地，所述压装机械手本体包括两指手爪和电动加持手，所述电动加持手与所述压装手臂固定连接，所述两指手爪包括两指爪上手指和两指爪下手指，所述两指爪上手指和所述两指爪下手指均与所述电动加持手连接，所述两指爪上手指用于拾取所述第一基准面，所述两指爪下手指用于拾取所述第二基准面。

进一步地，所述压装机械手本体包括三指手爪、三指电动加持手和三指压装手臂。所述三指电动加持手与所述三指压装手臂固定连接，所述三指电动加持手的轴向与所述三指压装手臂的轴向相互垂直；所述三指手爪包括三指爪上手指和三指爪下手指，所述三指爪上手指用于拾取所述第一基准面，所述三指爪下手指用于拾取所述第二基准面。

本实用新型提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统具有以下几个方面的有益效果：

本实用新型提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统，通过多手臂运动模块实现装配机械手及快换模块和压装机械手模块的三轴空间运动，便于对各个方向、部位的零件进行配准、粘接及压装固定。装配机械手及快换模块能够快速更换不同的装配机械手，用于对不同尺寸、形状的零件的装配。力觉检测模块和快换-力觉转接块能够实时监控装配力度，确保装配到位，连接可靠。压装机械手模块通过压力工装组件对装配后的零件组件进行压装固定，防止零件变形，提高装配精度。该复杂多构型微零件自动微操作机械手系统结构简单紧凑、功能多样，模块集成度高，更换速度快，适用于各类尺寸、形状、材料的微零件装配，微零件装配一致性高，生产效率高，装配质量好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的一种应用场景结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的装配机械手及快换模块中各个装配机械手的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的压装机械手模块的结构示意图；

图4为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的压力工装组件的结构示意图；

图5为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的压装机械手模块中两指手爪方案的结构示意图；

图6为本实用新型具体实施例提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统的压装机械手模块中三指手爪方案的结构示意图。

图标：1设备工作台；2托板快换模块及换手支架模块；23换手支架模块；3复杂多构型微零件自动微操作机械手系统；31多手臂运动模块；31-1Y轴方向的直线大程精密手臂运动台；31-2X轴方向的直线大程精密手臂运动台；31-3第一Z轴方向直线精密手臂运动台；31-4第二Z轴方向直线精密手臂运动台；32装配机械手及快换模块；32-1第一装配机械手；32-2第二装配机械手；32-3第三装配机械手；32-4第四装配机械手；32-7装配手臂；12力觉检测模块；32-6快换-力觉转接块；32-5机械手快换主模块；32-11孔形中空真空吸附头；32-12第一装配手主体；32-13第一快换模块；32-21孔形异构网状真空吸附头；32-22第二装配手主体；32-23第二快换模块；32-31微孔形真空吸附头；32-32第三装配手主体；32-33第三快换模块；32-41条形长真空腔吸附头；32-42第四装配手主体；32-43第四快换模块；33压装机械手模块；33-1压装机械手本体；33-2压装手臂；33-12电动加持手；33-11两指手爪；33-111两指爪上手指；33-112两指爪下手指；33-41三指手爪；33-42三指电动加持手；33-43三指压装手臂；33-411三指爪上手指；33-412三指爪下手指；22-2压力工装组件；22-21压装中轴；22-212中轴加持面；22-211中轴支撑边台；22-22压装套筒；22-221套筒加持面；22-222套筒导向基准槽；22-23压装基座；22-231基座装配基准台；22-232基座让位槽；22-233基座限位固定槽。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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，或者是本实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。

本实用新型的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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实用新型中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供的一种复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3，包括多手臂运动模块31、装配机械手及快换模块32和压装机械手模块33，多手臂运动模块31安装在设备工作台1上。通过复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3与托板快换模块及换手支架模块2相互配合，用于实现跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、位姿调整、涂胶操作、装配位置精确定位、零件装配、机械手快换、压装拾取、压装配准放置等。

具体地，多手臂运动模块31包括Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1、X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2、第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3和第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4。Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1安装在设备工作台1上，X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2安装在Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1上，第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3和第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4均安装在X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2上，且平行设置。装配机械手及快换模块32设于第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3上，压装机械手模块33设于第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4上。通过多手臂运动模块31带动装配机械手及快换模块32和压装机械手模块33运动，以实现操作机械手的大行程高精度运动控制和定位。

结合图1和图2，装配机械手及快换模块32包括装配手臂32-7、力觉检测模块12、快换-力觉转接块32-6、机械手快换主模块32-5和装配机械手，装配手臂32-7安装在第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3上，力觉检测模块12设于装配手臂32-7上，快换-力觉转接块32-6设于力觉检测模块12和机械手快换主模块32-5之间，且快换-力觉转接块32-6同时与力觉检测模块12和机械手快换主模块32-5连接。装配机械手与机械手快换主模块32-5连接，装配机械手用于完成零件的拾取、转运、涂胶、配准和装配操作。装配机械手及快换模块32用于实现对被装配对象的操作，通过配合换手支架模块23上的多种机械手实现各个机械手的快速更换，从而实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、装配等操作。

快换-力觉转接块32-6用于实现机械手快换主模块32-5与力觉检测模块12之间的主动刚性连接。优选地，本实施例中，快换-力觉转接块32-6包括椭圆异形转接板，椭圆异形转接板的一端与力觉检测模块12可拆卸地连接，椭圆异形转接板的另一端与机械手快换主模块32-5可拆卸地连接，采用可拆卸的连接方式，便于实现模块间的快速更换，优选采用真空吸附方式连接，当然，也可以是卡接、粘接、磁性吸合连接等方式。力觉检测模块12具有6个自由度的微力/力矩检测功能，用于对微装配过程中的微力信息进行实时在线监测，同时用于判断微装配零件的装配位置到位信息。

装配机械手的数量和结构形式不作具体限定。本实施例中，装配机械手的数量为四个，分别放置在换手支架模块23上，与换手支架模块23采用真空吸附方式连接。装配机械手包括第一装配机械手32-1、第二装配机械手32-2、第三装配机械手32-3、第四装配机械手32-4。机械手快换主模块32-5选择性地与第一装配机械手32-1、第二装配机械手32-2、第三装配机械手32-3、第四装配机械手32-4中的任意一个连接。

如图2所示，第一装配机械手32-1包括孔形中空真空吸附头32-11、第一装配手主体32-12、第一快换模块32-13。第一快换模块32-13与机械手快换主模块32-5连接，第一装配手主体32-12与第一快换模块32-13连接，第一装配手主体32-12与孔形中空真空吸附头32-11连接，孔形中空真空吸附头32-11用于拾取零件。

第二装配机械手32-2包括孔形异构网状真空吸附头32-21、第二装配手主体32-22、第二快换模块32-23。第二快换模块32-23与机械手快换主模块32-5连接，第二装配手主体32-22与第二快换模块32-23连接，第二装配手主体32-22与孔形异构网状真空吸附头32-21连接，孔形异构网状真空吸附头32-21用于拾取零件。

第三装配机械手32-3包括微孔形真空吸附头32-31、第三装配手主体32-32、第三快换模块32-33。第三快换模块32-33与机械手快换主模块32-5连接，第三装配手主体32-32与第三快换模块32-33连接，第三装配手主体32-32与微孔形真空吸附头32-31连接，微孔形真空吸附头32-31用于拾取零件。

第四装配机械手32-4包括条形长真空腔吸附头32-41、第四装配手主体32-42、第四快换模块32-43。第四快换模块32-43与机械手快换主模块32-5连接，第四装配手主体32-42与第四快换模块32-43连接，第四装配手主体32-42与条形长真空腔吸附头32-41连接，条形长真空腔吸附头32-41用于拾取零件。优选地，机械手快换主模块32-5上设有机械自动锁紧装置，用于实现与上述各个装配机械手的快换模块之间的快速更换功能，同时可用于给各个机械手进行正负功能气压的传输。

如图3所示，压装机械手模块33包括压装手臂33-2、压装机械手本体33-1和压力工装组件22-2，压装手臂33-2安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4上，压装机械手本体33-1安装在压装手臂33-2上。压力工装组件22-2包括压装中轴22-21、压装套筒22-22和压装基座22-23，压装套筒22-22套设在压装中轴22-21上，压装套筒22-22与压装基座22-23连接，压装机械手本体33-1用于夹持压装中轴22-21和压装套筒22-22。压装机械手模块33用于实现对托板快换模块及换手支架模块2上的压力工装组件22-2的拾取和装配操作，通过配合压力工装组件22-2实现对被装配对象的压装操作。

压力工装组件22-2用于实现微零件的压装固定功能，保证微零件完成装配后的精度稳定性。具体的，如图4所示，压装中轴22-21包括中轴支撑边台22-211和中轴加持面22-212。中轴支撑边台22-211与压装中轴22-21的端面之间形成中轴加持面22-212，中轴加持面22-212作为压装机械手本体33-1进行夹持操作的第一基准面，用以提供压装机械手本体33-1进行加持操作的基准面。中轴支撑边台22-211用于提供相对于压装套筒22-22的支撑力。

压装套筒22-22包括套筒加持面22-221，套筒加持面22-221作为压装机械手本体33-1进行夹持操作的第二基准面，用以提供压装机械手本体33-1进行加持操作的基准面。压装套筒22-22上设有套筒导向基准槽22-222，实现对长条形微零件的导向基准作用。

压装基座22-23设有基座装配基准台22-231、基座让位槽22-232和基座限位固定槽22-233。基座装配基准台22-231用于放置第一级基准微零件，基座让位槽22-232用于与压装套筒22-22配准后的空间让位，基座限位固定槽22-233用于对压装基座22-23与托板快换模块及换手支架模块2配准后的位姿固定。

压装机械手本体33-1包括两指手爪33-11和电动加持手33-12，电动加持手33-12与压装手臂33-2固定连接，两指手爪33-11包括两指爪上手指33-111和两指爪下手指33-112。两指爪上手指33-111和两指爪下手指33-112均与电动加持手33-12连接，两指爪上手指33-111用于拾取压装中轴22-21的中轴加持面22-212，即第一基准面。两指爪下手指33-112用于拾取压装套筒22-22的套筒加持面22-221，即第二基准面。电动加持手33-12为压装机械手本体33-1的自动加持运动模块，可实现两爪手指的开合操作，完成抓取、放置动作。压装手臂33-2具有超大力/力矩承载功能，为特殊定制的用于各种压装操作的长行程机械手臂。

压装机械手本体33-1包括但不限于两指抓手的方案，还可以为三指或多指抓手结构。可选地，如图5所示，压装机械手本体33-1包括三指手爪33-41、三指电动加持手33-42和三指压装手臂33-43。三指电动加持手33-42与三指压装手臂33-43固定连接，三指电动加持手33-42的轴向与三指压装手臂33-43的轴向相互垂直。三指手爪33-41包括三指爪上手指33-411和三指爪下手指33-412，三指爪上手指33-411用于拾取压装中轴22-21的中轴加持面22-212，即第一基准面。三指爪下手指33-412用于拾取压装套筒22-22的套筒加持面22-221，即第二基准面。三指电动加持手33-42为三指压装抓手本体33-4的自动加持运动模块，可实现三爪手指的同时开合操作，完成抓取、放置动作。三指压装手臂33-43具有超大力/力矩承载功能，为特殊定制的用于各种压装操作的长行程机械手臂。该三指手爪33-41的结构方案可实现压力工装组件22-2更好的自定心抓取操作，同时抓取力更大，抓取操作更加牢靠。

本实用新型提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3，其工作原理如下：

本实施例提供的微装配机械手及换手系统3中的装配机械手臂可根据待装配微零件的形状大小自动的选择相应的装配机械手，通过机械手快换模块完成机械手的快速更换和固定。完成机械手更换后，多手臂运动模块31将机械手运动至待装配为零件预存放位置，通过真空吸附的方式对微零件进行无损、高效的拾取、转运、涂胶、配准、装配。通过以上多个机械手对不同微零件的装配操作，实现多个复杂多构型微小零件的自动微装配。

由于微零件间通过特殊胶液粘接固定，在其胶液固化过程中会发生一定的形变，故通过设计具有针对性的特殊工装-压力工装组件22-2对装配好的组件进行压装操作，采用压装机械手模块33对压力工装组件22-2进行自动的拾取、配准、装配，实现高精度的压装。装配好的微零件组件可随着托板快换模块22一起从设备上快速取下来，转移至固化存放区，当固化时间达到后可取出装配成品件。压装机械手本体33-1可以采用上述两种压装抓取方式，通过同时分别抓取压力工装组件22-2的压装套筒22-22和压装中轴22-21，实现同手分别取和同时分别释放功能。

综上所述，本实用新型提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3具有以下几个方面的有益效果：

本实用新型提供的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3，可解决尺寸范围从亚微米级到分米级不等的多种微零件同时装配问题；零件材质包含金属、工程塑料、粉末合成材料等；结构形状涉及到圆柱体、半球形、薄型圆片、长条形薄片以及不规则形体。由于微零件间通过特殊胶液粘接固定，在胶液固化过程中会发生一定的形变，通过设计具有针对性的压力工装组件22-2对装配好的微零件组件进行压装操作，通过机械手对压力工装组件22-2进行自动的拾取、配准、装配，实现高精度的压装。通过这种自动装配模式，微零件的装配精度优于5μm，可实现高精度、高度一致性和高效微装配的目的。并且，本实用新型提出的一种全新的可实现高效快换多功能扩展应用的复杂多构型微零件自动微操作机械手系统3，解决了目前跨尺度复杂多构型微装配技术中的难题，可有效应用于自动化微装配设备中，既可作为自动化设备当中的一部分使用，同时也可作为手工装配作业的辅助工装。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改、组合和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。