CN100482426C - 工业机器人 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人的机器人臂，所述机器人臂包括：手腕壳体(1)、手腕(2)以及转动盘(3)，其中手腕可转动地连接到手腕壳体上，转动盘可转动地连接到手腕上；第一电动机(5)，其用于驱动手腕；第二电动机(6)，其用于驱动转动盘；第一传动链(7)，其用于将电动机的转动传递给手腕；第二传动链(8)，其用于将电动机的转动传递给驱动皮带轮。

Description

工业机器人

技术领域

本发明涉及一种工业机器人。更具体地，本发明涉及这种工业机器人中的机器人臂。机器人臂包括手腕壳体、手腕以及转动盘。转动盘可相对于手腕的中心轴线转动。手腕及转动盘的转动由包含在机器人臂中的驱动单元驱动。特别地，本发明涉及一种支承手腕的手腕壳体。

背景技术

工业机器人由相互连接的机器人部件例如支架、机器人臂、臂壳、手腕以及转动盘组成。两个相互邻近的机器人部件彼此相互连接，以使得它们可绕转动轴彼此相对转动，或彼此相对线性位移。

根据现有技术的工业机器人的一例包括固定脚，该脚安装到基座上。该脚支承一支架，该支架绕第一轴线相对于脚可转动地配置。该支架支承第一机器人臂。第一机器人臂可绕第二轴线相对于支架转动。第一机器人臂支承臂壳。臂壳可绕第三轴线相对于第一机器人臂转动。臂壳支承第二机器人臂，第二机器人臂可绕第四轴线相对于臂壳转动，其中第四轴线与第二机器人臂的纵向轴线一致。第二机器人臂包括手腕壳体。手腕壳体支承手腕。手腕可绕第五轴线相对于手腕壳体转动。手腕支承转动盘，该转动盘绕第六轴线可转动地配置。转动盘包括工具保持器。工具保持器用于连接一工具。

手腕壳体包括两个驱动单元，该两个驱动单元基本确定了手腕壳体的尺寸。手腕壳体由其长度和转动半径决定。手腕壳体的长度是指沿其纵向的广度，该纵向平行于手腕壳体的中心轴线。手腕壳体的转动半径是指其垂直于手腕壳体的中心轴线的广度。操作空间是指这样的空间，即机器人能在该空间中的所有物理位置活动。

手腕壳体的驱动单元包括电动机。位于电动机和从动单元之间的传动机构定义为传动链。因此传动链包括齿轮、链条或传动带，这些齿轮、链条或传动带将电动机的转动传递给绕每一转动轴的期望转动。驱动位于机器人臂或手腕壳体中的手腕转动和转动盘转动的电动机的配置方法是一种已知设计。工业机器人的臂必须经常穿过狭窄的通道，并工作在狭窄空间中。越长越厚的手腕壳体其可达性越差。因此希望限制手腕壳体的长度和转动半径。为了限制手腕壳体的空间广度，驱动手腕运动的电动机通常安装在机器人臂的相对端部。

电动机由流经电缆的电流驱动，并被来自信号缆线的信号所控制。这些缆线通常设置在机器人臂的内部。工具和工具的特殊功能也经由处理缆线驱动和控制。处理缆线包括用于电力和信号的缆线、用于液体和气体的导管、有些时候还包括中空的可弯的保护套管，这些保护套管用于布置一根或多根导管或缆线。处理缆线向工具传输处理介质比如电、水以及空气。处理缆线需要空间而且是硬的，通常设置在机器人的外部。

设置在机器人外部的处理缆线很容易受到碰撞或极度弯曲。为了避免这种损坏，希望能将处理缆线设置在机器人内部。这种方法主要是防止缆线受到由挤压导致的损坏。这种方法也可以保护缆线免受极度扭曲从而导致破裂。同时，也可防止疏松的缆线占用操作空间。这些缆线使得机器人很难到达狭窄的空间并在其间工作。

已知电动机和齿轮位于手腕壳体的中间。电动机和齿轮的这种配置方式使得不可能将处理缆线配置在内部。

WO 97/47441描述了一种工业机器人，该机器人具有包含电动机的机器人臂。从这份公开的文献中可知电动机放置在手腕壳体中。该文献的目的是获得一条电动机缆线的密封缆线通道，该通道通向控制手腕的电动机。然而，该文献仅仅涉及到电动机缆线。而且，手腕壳体中的电动机是居中放置的。

WO 01/39933描述了一种带有中空机器人臂的工业机器人。机器人臂绕其纵向轴线转动。该公开文献中公开了一种处理缆线配置在内部的方法。其目标基本是获得通向驱动皮带轮的控制缆线通道。然而，该公开文献并没有描述用于手腕和驱动皮带轮的驱动电动机是怎样放置的。

EP 1128937描述了又一种带有中空机器人臂的工业机器人。从该公开文献中可知缆线设置在机器人臂内部。该公开文献也涉及到一种控制所述缆线的控制装置。其目的是通过将缆线配置在机器人臂内部而保护缆线。然而，该公开文献仅仅涉及到缆线在机器人臂内部的配置。

因此，工业上需要使用这样一种工业机器人，其中该机器人具有结构紧凑的包含驱动单元的手腕壳体，并且该机器人能工作在狭窄的空间中。工业上也需要能使处理缆线有长的使用寿命，并不占用操作空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业机器人，该工业机器人具有包含有驱动单元的机器人臂，并且这种工业机器人允许处理缆线配置在机器人臂内部。另一目的是提供一种简单且节省成本的手腕壳体，在服务期间该手腕壳体容易安装或触及或更换。

根据本发明，这些目的可通过如下途径实现：提供一种具有技术方案1特征部分所述特有特征的机器人臂，提供一种具有技术方案9特征部分所述特征的方法，并提供一种具有技术方案13特征部分所述特征的工业机器人。

通过相对于手腕壳体的中心轴线将电动机偏心配置在手腕壳体中，从而形成一空间，该空间中配置有用于容纳处理缆线的通道。因此，手腕壳体包括一贯穿的通道和一围绕该通道的电动机空间，电动机放置在该电动机空间中。

手腕壳体可绕第一轴线即手腕壳体的中心轴线转动，该第一轴线与第二机器人臂的纵向轴线一致，并因此与前述的第四机器人轴线相同。手腕壳体可绕第二轴线转动，其中该第二轴线与前述的第五机器人轴线一致。转动盘以及工具保持器可绕第三轴线转动，其中该第三轴线与前述的第六机器人轴线相同。手腕壳体还包括第一电动机和第一传动链，用于驱动手腕绕上述第二轴线转动。手腕壳体还包括第二电动机和第二传动链，用于驱动转动盘绕第三轴线转动。手腕壳体中的第一电动机配置成与手腕壳体的中心隔开。第一电动机的驱动轴与机器人臂的纵向轴线交叉。第二电动机在手腕壳体中也配置成与手腕壳体的中心隔开。第二电动机的驱动轴与机器人臂的纵向轴线交叉。在手腕壳体中，一连续的通道配置在电动机之间。该通道基本沿臂的中心轴线配置。上述通道适于容纳处理缆线。按如下方式配置机器人臂可允许处理缆线居中放置。

在一个优选实施例中，上述第一电动机的驱动轴和上述第二电动机的驱动轴被配置在与手腕壳体的中心轴线平行的平面内。

在另一个优选实施例中，上述第一电动机的驱动轴和上述第二电动机的驱动轴彼此形成一角度。

在又一优选实施例中，上述第一电动机的驱动轴和上述第二电动机的驱动轴与手腕壳体的纵向轴线垂直。

在本发明的又一优选实施例中，使用直齿轮，根据本发明的手腕壳体中的电动机的位置使得直齿轮的使用成为可能。直齿轮是指具有圆柱齿轮和平行轴的齿轮。直齿轮容易安装，并且构成了节约成本的设计。而且，机器人臂的尺寸和重量也减小了。

在另一实施例中，处理缆线适于穿过转动盘的中心到达工具。本发明的该实施例的优点是，处理缆线适于穿过第二轴线的转动中心。通过将处理缆线牵引穿过转动中心，可降低缆线破裂的危险。如果处理缆线不是被牵引穿过转动中心，则当沿一个方向弯曲机器人臂时会引起缆线伸长，沿另一方向弯曲机器人臂则会引起缆线收缩。

本发明的一个优点是获得了紧凑的手腕壳体。紧凑的手腕壳体容易使机器人臂到达小而狭窄的工作空间，同时缆线也不会在物理上占用操作空间。因此下述一点是很重要的，即电动机在手腕壳体中配置成使得手腕壳体的尺寸最小化。

根据优选实施例，电动机在该通道两侧被放置在共用平面内。在该实施例中，手腕壳体的长度最小化。手腕壳体的转动半径被两个电动机的位置所限制。对于根据本发明所设计的手腕壳体，这导致物理尺寸增大而操作空间减小。

根据本发明的另一优选实施例，电动机在管道的同一侧被放置在共用平面内。诚然，该实施例导致较长的手腕壳体，但使得手腕壳体适宜工作在狭窄的通道中。

根据本发明的手腕壳体的结构被配置成用于获得长的使用寿命和灵活的活动能力。手腕壳体中的空间是有限的，而且，其中所包含的电动机也需要空间。电动机和齿轮以下述方式配置在手腕壳体中，即、使得可以容纳设置在内部的处理缆线。

根据本发明的带有机器人臂的工业机器人具有设置在内部的处理缆线，因此这样的机器人具有可简单地用图形限定的清晰的外部轮廓。与处理缆线配置在机器人臂外部的工业机器人相比，这种机器人能简单实现其在虚拟计算机环境中的有效仿真。这例如可用于使操作阶段形象化或用于控制工业机器人。

从下面的描述和权利要求中将会清楚了解本发明的进一步的优点。

附图说明

下面通过结合相应附图对实施例进行描述，从而更为详细地解释本发明，其中：

图1是本发明的一个实施例的透视图；

图2是本发明的另一个实施例的透视图；

图3是图2所示的本发明的实施例从相对侧看过去的透视图；以及

图4是本发明的又一实施例的透视图。

具体实施方式

下面的介绍既涉及方法也涉及装置。

图1示出了前述类型的工业机器人(未完整示出)的第二机器人臂的外部部件的透视图。第二机器人臂的外部部件包括手腕壳体1。手腕壳体支承手腕2和转动盘3。手腕壳体1包括一叉，该叉包括两个叉元件4a，4b。手腕2包括一外壳部件2a，该外壳部件包括两个凸耳。手腕利用上述凸耳经由上述叉元件连接到手腕壳体1上。手腕壳体还包括第一驱动单元和第一传动链7，其中第一驱动单元包括第一电动机5，第一传动链7包括第一齿轮机构7a，7b以及第一转矩传递构件7c。手腕壳体也包括第二驱动单元和第二传动链8，其中第二驱动单元具有第二电动机6，第二传动链8包括第二齿轮机构8a，8b以及第二转矩传递构件8c。而且，手腕壳体包括一空间，即一贯穿的通道9。上述通道用于容纳缆线。电动机所在的电动机空间20围绕在通道9的周围。

手腕壳体可绕第一轴线A即手腕壳体的中心轴线相对于臂壳(未示出)转动，其中该第一轴线A与第二机器人臂的纵向轴线一致，因此该第一轴线与前述的第四机器人轴线相同。手腕被构造成可绕第二轴线B相对于手腕壳体转动，其中该第二轴线与前述的第五机器人轴线相同。第二轴线B被定位成与第一轴线A垂直。随着手腕绕第二轴线B的转动，实现了相对于手腕壳体的转动，并因此实现了手腕相对于第一轴线A的转动。转动盘3被构造成可绕第三轴线C相对于手腕转动，其中该第三轴线与前述的第六机器人轴线相同。在图1中所示的第三轴线C与第一轴线A一致。然而，可以理解这只是当手腕绕第二轴线转动时，第三轴线C所呈现的位置之一。随着转动盘绕第三轴线的转动，实现了转动盘相对于手腕的转动和相对于手腕壳体的转动。第三轴线优选与第一轴线垂直。而且，转动盘适合配置成使得其可绕第三轴线沿两个方向转动一圈或多圈。

两个叉元件4a，4b固定安装到手腕壳体上。手腕2安装在手腕壳体的两个叉元件4a、4b之间，并可转动地轴颈支承在每个叉元件中。手腕壳体有一主侧和一从侧。在附图中，主侧背离观察者，而从侧面向观察者。手腕通过从手腕壳体的第一电动机5经由第一齿轮机构7a，7b到第一转矩传递构件7c的转矩传递而转动。第一齿轮机构被配置在手腕壳体的主侧。转动盘用于将一工具连接到工具保持器上。因此通过从手腕壳体的第二电动机6经由第二齿轮机构8a，8b到第二转矩传递构件8c的转矩传递，工具保持器可在不同位置之间转动。第二齿轮机构被配置在手腕壳体的从侧。转矩传递构件以一种本领域中公知的方式配置。电动机例如在这种情况下被选择为普通的紧凑型伺服电动机。在这种情况下，第一齿轮机构为齿轮传动，第二齿轮机构也为齿轮传动。

图1中所示的手腕壳体的端部与手腕壳体相对，并被用于安装到机器人臂上，该末端与手腕壳体的主侧和从侧一起形成了一个矩形，其中主侧和从侧作为矩形的两侧。主侧和从侧然后将所述矩形的另两侧互连，这里称之为第一侧和第二侧。第一电动机放置在手腕壳体中与手腕相对的那个端部。第一电动机被配置在朝向上述矩形的第一侧从手腕壳体的中心离开一定距离的位置处，其中电动机的驱动轴D与第一轴线A成直角。第二电动机也被配置在与手腕壳体的中心有一定距离的位置处，但是不同的是，第二电动机朝向上述矩形的第二侧，其中电动机的驱动轴E与贯通手腕壳体的第一轴线A成直角。使用的是长而窄的电动机。使用的紧凑型电动机很短，以便其可以被这样放置，即使得驱动轴与机器人臂的转动轴线交叉，而同时电动机可整体容纳于手腕壳体中。按照上述的电动机和齿轮的位置，中心的空间没有被电动机和齿轮占用。上述空间沿贯通手腕壳体的第一轴线A延伸穿过整个手腕壳体。贯穿的通道9配置在这个空间中。该通道用于容纳处理缆线。手腕壳体还包括一中心开口，该开口允许上述缆线插入和通过。手腕也包括至少一个开口，该开口允许上述缆线引入并传出到转动盘上。由于手腕具有两个凸耳，因此上述缆线以最小的张力穿过第三轴线。

因此，在该实施例中，第一电动机和第二电动机对称配置在一空间的周围，所述空间在中心配置缆线，在这种情况下该缆线是处理缆线。一个优点就是：这样的手腕壳体很容易接近，以便实现机器人臂的维修保养。手腕壳体包括缆线、驱动电动机、以及齿轮机构这个事实也意味着该机器人臂的外部部件可以整体地简单移走或用新的替换，而不用在组装时对齿轮机构进行复杂的调整。

根据本发明的一个实施例，第一驱动单元的电动机以图1所示的方式配置在手腕壳体中，即电动机的驱动轴垂直于第一轴线。转矩从电动机的驱动轴到手腕的可旋转的转矩传递构件的传递通过第一齿轮机构实现。第一齿轮机构配置在手腕壳体的主侧。第一电动机的驱动轴适合用一直齿轮直接驱动第一齿轮机构的齿轮。利用齿轮机构来传递扭力。与利用斜齿轮完成从电动机来的转矩传递的现有技术的其他解决方法相比，本发明利用直轴减小了机器人臂的尺寸和重量。直齿轮容易安装。而且与成对的斜齿轮相比，利用直齿轮很容易获得高的精度。第二电动机经由第二齿轮机构驱动转动盘。第二齿轮机构配置在手腕壳体的从侧。

图2示出了根据本发明的一个实施例的第二机器人臂的外部部件的透视图，其中第二机器人臂包括支承手腕的手腕壳体。该图示出了传动链，该传动链包括齿轮11，或可选择地，包括中间齿轮12。

图3是图2所示的手腕壳体从相对侧看过去的透视图，其中该手腕壳体从相对侧支承手腕。所示的传动链包括齿轮11，或可选择地，包括中间齿轮13。

图4示出了根据本发明的一个实施例的第二机器人臂的外部部件的透视图，其中第二机器人臂包括支承手腕的手腕壳体。所示的传动链包括紧凑型齿轮(compact gear)14和楔形齿皮带【也称之为同步传动带】。

图1-4所示的根据本发明优选实施例的第一机器人臂的外部部件包括手腕壳体，该手腕壳体连接到例如工业机器人上。带有根据本发明的机器人臂的工业机器人并不仅限于六轴工业机器人，也可被用于其他类型的工业机器人中，例如笛卡儿机器人、类人机器人、极坐标机器人、圆柱坐标型机器人或高架移动起重机机器人。

同样在其他方面，图中所示的实施例并不是本发明的限制性实例，它们可在本发明的权利要求的保护范围中任意变形。因此针对用户接口和手腕及转动盘的悬挂问题可以有不同的解决办法。在减小尺寸的同时可选择不同的详细的解决办法来安排手腕和转动盘的驱动。

例如，手腕壳体的形状依赖于工业机器人的应用。任何一种根据已知或未知技术的转矩传递构件都可用于本发明的连接中。齿轮齿数比也可以改变。在第一电动机直接驱动工具比如钻孔机的情况下也可以省略工具保持器。而且，包含有根据本发明的机器人臂的工业机器人当然也可以具有较大而数量较少、且形状不同于上述机器人臂形状的协作机器人臂。

在又一实施例中使用紧凑型齿轮，这些紧凑型齿轮经由楔形齿皮带由电动机直接驱动，这种结构减小了重量，但也导致手腕壳体的设计在尺寸方面稍微大于优选实施例。

在又一实施例中，手腕包括一中心开口，该开口允许上述缆线引入并穿过该开口而到转动盘。

Claims (12)

1.一种工业机器人的机器人臂，所述机器人臂包括：手腕壳体(1)、手腕(2)以及转动盘(3)，其中手腕可转动地连接到手腕壳体上，转动盘可转动地连接到手腕上；第一电动机(5)，其用于驱动手腕；第二电动机(6)，其用于驱动转动盘；第一传动链(7)，其用于将第一电动机的转动传递给手腕；第二传动链(8)，其用于将第二电动机的转动传递给驱动皮带轮，其特征在于：手腕壳体包括一贯穿的通道(9)和电动机空间(20)，其中贯穿的通道(9)用于容纳处理缆线，电动机空间(20)围绕着该通道，上述第一电动机和第二电动机被配置在上述电动机空间中，其中第一电动机和第二电动机被以下述方式配置在电动机空间中，即、使得第一电动机的驱动轴(D)和第二电动机的驱动轴(E)被配置成与手腕壳体的中心隔开，这样在电动机之间形成一空间，上述通道配置在所述空间中。

2.根据权利要求1所述的机器人臂，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)被配置在与手腕壳体的中心轴线(A)平行的平面内。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的机器人臂，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)相对于手腕壳体的中心轴线(A)形成一角度。

4.根据权利要求1或2所述的机器人臂，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)与手腕壳体的中心轴线(A)垂直。

5.根据权利要求1或2所述的机器人臂，其特征在于：所述第一传动链和所述第二传动链分别包括一中间齿轮(12、13)。

6.根据权利要求1或2所述的机器人臂，其特征在于：所述第一传动链和所述第二传动链各包括至少一个齿轮(11)。

7.根据权利要求1或2所述的机器人臂，其特征在于：所述第二传动链包括一紧凑型齿轮(14)和一楔形齿皮带(15)。

8.一种制造工业机器人的机器人臂的方法，所述机器人臂包括：手腕壳体(1)、手腕(2)以及转动盘(3)，手腕可转动地连接到手腕壳体上，转动盘可转动地连接到手腕上；第一电动机(5)，其用于驱动手腕；第二电动机(6)，其用于驱动转动盘；第一传动链(7)，其用于将第一电动机的转动传递给手腕；第二传动链(8)，其用于将第二电动机的转动传递给驱动皮带轮，其特征在于：一用于容纳处理缆线的贯穿的通道(9)被配置在手腕壳体中，一电动机空间(20)被配置成围绕该通道，将上述第一电动机和第二电动机配置在电动机空间中，其中第一电动机和第二电动机被以下述方式配置在电动机空间中，即、使得第一电动机的驱动轴(D)和第二电动机的驱动轴(E)被配置成与手腕壳体的中心隔开，这样在电动机之间形成一空间，上述通道配置在所述空间中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)被配置在平行的平面内。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)被配置成相对于手腕壳体的中心轴线倾斜调整了。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述第一电动机的驱动轴(D)和所述第二电动机的驱动轴(E)配置成与手腕壳体的中心轴线(A)垂直。

12.一种工业机器人，其特征在于：该工业机器人包括权利要求1-7中任一项所述的机器人臂。

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