CN101115589A - 具有多个轴、多级传动齿轮机构并且用于在侵蚀性和有限的工作区域中工作的工业机器人 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人，具有用于绕其第一轴(3)旋转并且绕其第二轴旋转的驱动组件，所述驱动组件具有电动机和分别位于电动机的输出轴以及第一和第二轴之间的齿轮机构(11，12)。各个齿轮机构是具有平行的齿轮轴的多级齿轮传动装置；并且齿轮机构的其中一个齿轮分别相对于第一轴和第二轴固定。用于第二轴的齿轮机构设置在第一轴的齿轮机构之上，并且在第一轴的方向上从上观察时部分覆盖第一轴的齿轮机构。

Description

具有多个轴、多级传动齿轮机构并且用于在侵蚀性和有限的工作区域中工作的工业机器人

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，其具有固定基座、绕第一轴与基座枢转连接的机架、其一端绕第二轴与机架枢转连接的下臂和其一端绕第三轴与下臂的另一端枢转连接的上臂。

背景技术

本发明涉及工业机器人，该工业机器人可以用于各种可以想到的应用，举例而言，例如焊接、上漆、货物移动等等。

术语“固定基座”可以被解释为被固定到机器人所处的基座上，但是上述的后一个基座可以是非常便于移动的，举例而言，其可以采用在轨道上运行的车的形式。所述三个轴通常各自垂直地延伸(第一个轴)、水平地延伸(第二个轴)和与第二个轴平行的水平延伸，但是与之完全不同的方向也是可行的。考虑到上述的名称“水平的”和“垂直的”，在下面的描述中，将参考机器人站立在水平基座上的情况。

在这种工业机器人中，轴的数目通常是六个，以使经由所谓的机械腕(wrist)安装到上臂外端的夹钳、喷嘴等的运动获得最大程度自由度。然而，本发明还包括具有较少轴的工业机器人，并且机器人很可能仅具有上述三个轴。

该类型的机器人包括具有驱动组件(drive package)，所述驱动组件具有电动机和位于用于使机架相对于基座绕第一轴转动的电动机传动轴和用于使下臂相对于机架绕第二轴旋转的类似驱动组件之间的齿轮机构。

在现今公知的这种类型的机器人中，这些驱动组件相互临近布置，这使得机器人在水平方向上具有相对较大的范围，并且在水平方向上所述轴之间的相对较大的距离意味着机器人需要的能够在不撞击障碍物的情况下工作的自由空间变大，也就是说，这种机器人必须定位成相互之间具有相对较长的距离，从而需要较大的底板面积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上述类型的工业机器人，其提高了降低这种机器人所需底板面积的可能性。

该目标通过本发明提供的这种机器人得以解决，在该机器人中各齿轮机构是具有平行齿轮轴的多级齿轮传动装置，并且该齿轮机构的其中一个齿轮分别相对于第一和第二轴固定，并且用于第二轴的齿轮机构设置在第一轴的齿轮机构之上，并且从第一轴的方向上观察时部分覆盖第一轴的齿轮机构。

以这种方式，机器人制造成相对于其在水平方向上的延伸范围更为紧凑，并且第一轴和第二轴在水平方向上相互更为接近，其在下降方向上影响机器人需要移动而不撞到障碍物或者其他机器人的自由空间。以这种方式，两个齿轮机构可以设置在同一个外壳中。另外，在机器人的该位置上恰当应用多级齿轮传动装置提供的可能性是采取措施消除齿轮机构中的游隙并且因此使得连接到所讨论的驱动组件的机器人臂之间具有较高的机器人刚度。如果既不使用单级齿轮传动装置也不使用紧密的齿轮传动装置，该游隙的消除是不可能的。该游隙的消除如何实际得以实现是下面描述的本发明的一个实施方式的目标。

根据本发明的一个实施方式，相对于第二轴固定的所述齿轮设置在第二轴外部并且被第二轴穿过，并且在第一轴的方向上从上观察时，沿径向突出到大致第一轴，从而机器人可以制造得紧凑并且需要较小的区域。

根据本发明的另一个实施方式，所述驱动组件设置在所述机架中，当意图建造紧凑型机器人时上述设置是有优势的。有利地，第一和第二轴是中空的，这使得穿行的线缆能够穿过轴相对于外部密封。

根据本发明的另一个实施方式，第一轴和第二轴向机架中的公用空间敞开，该机架形成用于与第一和第二轴相关的齿轮机构的支架部分和外壳。以这种方式，机架中的所述空间可以简便有效地在外部密封，并且通过可去除的外壳仍然可以进入，其构成本发明的另一个实施方式。

根据本发明的另一个实施方式，第三轴和下臂也是中空的，并且用于控制机器人移动的线缆在基座、机架和下臂内部、在相对于外部密封的路径中从基座穿过所述三个轴延伸到上臂。这使得机器人较好地适用于侵蚀性的环境，例如充满对于线缆的功能和机器人的其他重要部分有损害的湿气或者其他介质的环境。

在此，下臂最好包括外壳，该外壳能够取下以进入下臂的内部。

根据本发明的另一个实施方式，工业机器人包括的所述驱动组件包括用于第三轴的多级齿轮传动装置和电动机，并且该驱动组件与具有电动机和用于使上臂相对于下臂绕平行于上臂纵向长度的第四轴旋转的齿轮机构的驱动组件一起设置在上臂的空间中。以这种方式，上臂中的所述空间有利地通过可去除的外壳相对于外部密封，从而工业机器人的这些关键部分受到保护，防止了外部环境的影响，但是在期望的时候仍然可以进入。

因此，布置在上臂另一端的、用于轴——如果该轴存在的话——的电动机设置在上臂的所述空间中，所述上臂的另一端位于其与下臂的连接的相对的位置。

根据本发明的另一个实施方式，机器人包括从基座内部穿过所述第一轴延伸到机架的所谓的专用线缆，所述专用线缆亦即专门用于机器人的特定线缆，例如焊条，并且所述专用线缆不属于专门用于控制机器人移动的线缆。因为此处使用的齿轮机构的类型，所述第一轴中的连续孔可以具有较大的横截面积，从而将该专用线缆穿过该轴没有任何问题。这也使得在所述第一轴中设置一个管成为可能，所述管在所述轴的方向上延伸，具有比轴内径较小的外径；并且能够将所述专用线缆布置在管中以及将用以控制机器人移动的线缆布置在管和轴内壁之间的空间中，以密封地分离这两种类型的线缆。有些时候这时很重要的，例如对于焊条形式的专用线缆的情况，在该专用线缆中可能流动着非常强的电流，该电流可能对机器人的其他线缆中的信号和供电有影响。

根据本发明的另一个实施方式，对于至少其中一个所述齿轮机构，工业机器人具有用以消除齿轮机构的末级中的任何游隙的装置，因为相对于各个轴固定的所述末级齿轮和与所述末级齿轮啮合的次末级齿轮在其旋转轴方向上具有楔形齿；并且设置了沿所述旋转轴方向对所述次末级齿轮施加弹簧加载影响以使其与所述末级齿轮啮合的装置。这增加了绕所讨论的轴的旋转运动的精度和平稳度，当机器人执行精确操作时，上述特性是重要的。另外，因为楔形齿的形状，所讨论的机器人手臂之间的合成刚度多带来的游隙的消除随着时间的消逝也可以得以维持，因为齿的磨损实现了更好的配合，并且其与弹簧加载一起提供了更小的游隙。

通过下面的描述和其他独立权利要求，本发明的其他优点和有益特征将变得更加清楚。

附图说明

本发明的给出为示例的实施方式将在下面参照附图加以描述，其中：

附图1是根据本发明的一个实施方式的工业机器人的立体图；

附图2是非常简单的简化图，其图示了在用于根据附图1的机器人的第一和第二轴的驱动组件中的齿轮机构的相互位置；

附图3是简化的立体图，其图示了用于绕根据附图1的机器人的轴旋转的驱动组件的构成；

附图4是简化的根据附图1的机器人的部分剖切图，其图示了穿过其中的可能的线缆；

附图5是根据本发明的机器人的基座和机架的剖视图，其图示了穿过机器人这些部分的线缆；以及

附图6是与附图5对应的视图，其图示了穿过机器人相关部分的可替代的线缆。

具体实施方式

附图1图示了根据本发明的工业机器人，所述机器人具有固定基座1，该基座的外壳限定了用于线缆和电子设备的内部紧密空间，所述线缆和电子设备既用以将电能传送到机器人的不同电动机，还用以信号传送。机架2绕垂直的第一轴3(仅在附图中示意性地指明了不同轴)与基座旋转连接。另外，下臂4的一端5绕水平的第二轴6与机架2旋转连接。在机架2内部，设置了包括电动机和齿轮机构(gear)的驱动组件，既用以使机架相对于基座绕第一轴旋转，还用以使下臂相对于机架绕第二轴旋转。

下臂的另一端7绕平行于第二轴的水平的第三轴与上臂8的一端9旋转连接。在上臂的另一端10处设置不同类型的设备；然而其与本发明无关并且因此在此处不加以描述。

在附图2中，上部以沿第二轴方向的侧视图示意性地图示了驱动组件中的齿轮机构11、12，所述驱动组件具有电动机和分别位于电动机的外轴以及第一轴3和第二轴6之间的齿轮机构；并且下部图示了沿第一轴方向从上方观察的视图。下面将参照附图3详细描述具有齿轮机构的这些驱动组件如何构造。显然，用于第二轴6的齿轮机构12布置在第一轴3的齿轮机构11之上，并且沿第一轴的方向从上方观察时(附图2的下部)，该齿轮机构12部分覆盖第一轴的齿轮机构，更精确地，覆盖的程度为，相对于第二轴6固定的齿轮机构12的末级齿轮(gear wheel)13，从上述第一轴的方向观察时，沿径向突出基本上到达第一轴3。以这种方式，描述了机器人相对于其他机器人的干涉区域以及相对于机架产生干涉的半径R相对较短，这对于以紧密方式布置机器人或将其布置在较小的表面上是有利的。另外，两个轴的齿轮机构可以设置在同一外壳中。附图1清楚示出机架2的可能的紧凑型设计，其中以可去除的外壳29紧密密封了机架的内部空间。而且显然，外壳28在上臂中围起一定的空间，所述空间尤其包括下述类型的用于使上臂绕第三轴旋转的驱动组件。

附图3图示了优选设置为绕第一、第二以及第三轴旋转的该类型的驱动组件的构成。驱动组件展示出电动机14。在电动机14和轴3(或者任何其他轴)之间设置了齿轮机构11，用以将电动机输出轴15的速度降低到比轴3的速度低至少50倍的速度，优选为多于100倍的速度。齿轮机构包括第一级，其形式为较小的齿轮16，其设置在电动机的输出轴15上，与轴17上设置的较大轮部18啮合。轴17设置为能够在轴承(未示出)中绕与电动机轴平行的轴旋转。

齿轮机构具有第二级，其形式为较小的所谓的次末级齿轮19，该齿轮设置在轴17上，并且与齿轮机构的较大的所谓的末级齿轮20啮合。较大的齿轮20固定到轴3上，由于该齿轮具有较大直径，所以轴3可以设置有相对较大横截面积的通孔21。

次末级齿轮19和末级齿轮20在其旋转轴的方向上具有楔形齿21、22，并且因为轴17在其纵向延伸方向上受到弹簧23的影响，楔形齿始终受压而相互密切啮合，从而消除了齿轮机构的该末级中的任何游隙。

该类型齿轮机构的一个优点在于：所讨论的轴可以设置有较大横截面积的孔21，而不会使驱动组件变大并且使得驱动组件仍然能够置于机器人支架内。这使得将机器人的线缆穿过该轴以防止其受机器人外部环境的影响成为可能。附图4图示了如何使得用于控制机器人移动的线缆24，例如用以向电动机提供能量和用于传送信号的线缆，在与外部密封并且位于机器人内的路径中穿过不同的轴从基座1穿行到上臂8。为此，下臂4也制造为中空并且通过可去除的外壳25相对于外部密封，所述可去除的外壳25用于进入下臂的内部。“线缆”可以采用任何形式，例如电导体、光学纤维、用于水和空气的软管等等。

附图5显示了如何将管26设置为延伸穿过第一轴3，以将所谓的专用线缆27穿过其中，所谓的专用线缆27亦即专门用于机器人的特定线缆，例如焊条(welding wire)。管26具有小于轴3内径的外径，用于控制机器人移动的线缆24设置在管26的外壁和轴3的内壁之间的空间内，从而这两种线缆不会相互影响。

附图6显示了：在30处，所谓的专用线缆27如何从机器人的支架侧向穿出，改为在其外部延伸，并且可能在第三轴的区域中回到机器人的支架中。在特定的应用中，这种线缆穿行可以实现较长的线缆服务寿命，从经济角度考虑，这一点是非常重要的。

根据上面描述的本发明的机器人，在设计上非常紧凑并且密封，尤其是隔水，并且因此适用于恶劣的环境而不需要昂贵的密封。随后，其也可以采用简便的方式用水和/或其他清洁剂加以清洗，而不会对机器人的操作造成有害的影响。

当然，本发明并不以任何方式限于上述实施方式，而是在不脱离所附权利要求定义的本发明的基础概念的前提下，其许多可能的改变对于本领域技术人员而言是显而易见的。

举例而言，所述驱动组件中的多级齿轮传动装置可以是两级以上，举例而言，可以是三级。

机器人并非必需具有任何所谓的专用线缆。

当然，图2示出的驱动组件的用于绕第一轴和第二轴旋转的齿轮机构的相互次序可以在本发明的范围进行一定程度的改变。

Claims (14)

1.一种工业机器人，具有固定基座(1)、绕第一轴与基座旋转连接的机架(2)、其一端绕第二轴与机架旋转连接的下臂(4)和其一端绕第三轴与下臂的另一端旋转连接的上臂(8)，其中所述工业机器人包括用于绕第一轴和第二轴二者旋转的驱动组件，所述驱动组件具有电动机和分别位于电动机的输出轴以及第一和第二轴之间的齿轮机构，其特征在于：

各齿轮机构(11，12)是具有平行的齿轮轴的多级齿轮传动装置，齿轮机构的其中一个齿轮(20)分别相对于第一轴和第二轴固定，并且用于第二轴(6)的齿轮机构(12)设置在第一轴的齿轮机构(11)之上，并且在第一轴的方向上从上观察时部分覆盖第一轴的齿轮机构。

2.如权利要求1所述的工业机器人，其特征在于相对于第二轴固定的所述齿轮(13)设置在第二轴(6)外部并且被第二轴(6)贯穿，并且在第一轴的方向上从上观察时，沿径向基本上突出到所述第一轴(3)。

3.如权利要求1或2所述的工业机器人，其特征在于所述两个驱动组件设置在所述机架(2)内部。

4.如上述任一权利要求所述的工业机器人，其特征在于第一轴(3)和第二轴(6)是中空的。

5.如权利要求4所述的工业机器人，其特征在于第一轴(3)和第二轴(6)向机架(2)中的公用空间敞开，所述机架形成用于与第一和第二轴相关联的齿轮机构的支架部分和外壳。

6.如权利要求5所述的工业机器人，其特征在于机架(2)中的所述空间在外部由可去除的外壳(29)密封。

7.如权利要求4-6中任一项所述的工业机器人，其特征在于第三轴和下臂(4)也是中空的，并且用于控制机器人移动的线缆(24)在基座、机架和下臂内部、在相对于外部密封的路径中从基座(1)穿过所述三个轴延伸到上臂(8)。

8.如权利要求7所述的工业机器人，其特征在于下臂(4)包括外壳(25)，所述外壳设置为可被去除从而进入下臂的内部。

9.如上述任一权利要求所述的工业机器人，其特征在于其包括具有电动机(14)和同样用于所述第三轴的多级齿轮传动装置的所述驱动组件，并且该驱动组件与具有电动机和用于使上臂相对于下臂绕平行于上臂纵向长度的第四轴旋转的齿轮机构的驱动组件一起设置在上臂(8)的空间中。

10.如权利要求9所述的工业机器人，其特征在于上臂中的所述空间相对于外部由可去除的外壳(28)密封。

11.如权利要求9或者10所述的工业机器人，其特征在于布置在上臂另一端的、用于轴的电动机设置在上臂(8)的所述空间中，所述上臂的另一端位于其与下臂的连接的相对的位置。

12.如至少权利要求4所述的工业机器人，其特征在于其包括从基座(1)内部穿过所述第一轴(3)延伸到机架(2)的所谓的专用线缆(27)，所述专用线缆亦即专门用于机器人的特定线缆，例如焊接线缆，并且所述专用线缆不属于专门用于控制机器人移动的线缆(24)。

13.如权利要求12所述的工业机器人，其特征在于其包括管(26)，该管在所述第一轴(3)内沿其方向延伸，该管具有比轴的内径更小的外径，并且所述专用线缆(27)设置在所述管中，用于控制机器人移动的线缆(24)设置在管和轴内壁之间的空间中以密封地分离这两种类型的线缆。

14.如上述任一权利要求所述的工业机器人，其特征在于对于至少其中一个所述齿轮机构，工业机器人具有用以消除齿轮机构的末级中的任何游隙的装置，因为相对于各个轴固定的所述末级齿轮(20)和与所述末级齿轮啮合的次末级齿轮(19)在其旋转轴方向上具有楔形齿(21，22)；并且设置了沿所述旋转轴方向对所述次末级齿轮施加弹簧加载影响以使其与所述末级齿轮啮合的装置(23)。

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