CN101722515A - 用于多轴机器人的铰接式结构以及包括这种结构的机器人 - Google Patents

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Abstract

用于多轴机器人的具有三个自由度的铰接式结构(1)包括：固定的基座(10)；臂(11)，绕着第一轴线(Z1)铰接至基座；前臂(12)，绕着与第一轴线平行的第二轴线(Z2)铰接至臂，前臂形成可变形的平行四边形结构并包括第一连接杆(121)和第二连接杆(122)，第一连接杆(121)和第二连接杆(122)绕着与第一轴线和第二轴线垂直的各自的轴线(X13，X14，X23，X24)铰接至两个板(123，124)；第一电致动器(21)，控制臂(11)绕着第一轴线(Z1)枢转；第二电致动器(22)，控制前臂(12)绕着第二轴线(Z2)枢转；以及第三电致动器(23)，控制第一连接杆(121)相对于板(123，124)绕着与第一轴线(Z1)和第二轴线(Z2)垂直的轴线中的某些轴线(X14，X24)枢转。第三致动器(23)安装在基座(10)或臂(11)上。

Description

用于多轴机器人的铰接式结构以及包括这种结构的机器人
技术领域
本发明涉及用于多轴机器人的具有至少三个自由度的铰接式结构，还涉及包含这种结构的多轴机器人。
背景技术
在多轴机器人领域中，有时必须沿着接近平面的路径快速操纵零件。这应用于当例如当拾取在传送带上移动的零件并将其放置在平面调节(plane conditioning)件上时的情况。SCARA型机器人适于在水平面中工作。有时这种机器人还适于能够在竖直平面中进行运动。在这种机器人中，竖直运动通常由靠近工具、即位于通常被称为机械手的铰接式结构的端部的滚珠丝杠系统提供。这样给这种铰接式结构产生了大的惯性，从而限制了工具可被移动的速度。此外，在特定的使用条件下，滚珠丝杠系统的尺寸可能是一种阻碍。
JP-A-59-146774公开了一种铰接式结构，在该铰接式结构中，前臂包括两个板，这两个板之间铰接有两个连接杆以形成平行四边形结构，因而通过安装在前臂上的致动器使工具能够竖直地运动。这种运动增加了前臂的惯性，从而限制了工具可被移动的速度。
更具体地，本发明旨在通过提出一种新的用于多轴机器人的铰接式结构来弥补这些缺陷，这种铰接式结构具有三个自由度并具有足够小的惯性以适合于高速运动。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于多轴机器人的具有三个自由度的铰接式结构，所述铰接式结构包括：
·固定的基座；
·臂，绕着第一轴线铰接至所述基座；
·前臂，绕着与所述第一轴线平行的第二轴线铰接至所述臂，所述前臂形成可变形的平行四边形结构并包括第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆和所述第二连接杆绕着与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的各自的轴线铰接至两个板；
·第一电致动器，控制所述臂绕着所述第一轴线枢转；
·第二电致动器，控制所述前臂绕着所述第二轴线枢转；以及
·第三电致动器，控制所述第一连接杆相对于所述板绕着与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的轴线中的某些轴线枢转；
这种铰接式结构的特征在于，所述第三致动器安装在所述基座或所述臂上。
通过本发明，与现有技术的装置相比，由于所述前臂在绕着所述第二轴线进行枢转运动时无需移动所述第三致动器，因此所述前臂的惯性显著减小。这使得所述铰接式结构的、承载所述工具的端部能够实现运动的高速度。
根据本发明的有利但非必需的方面，该结构可以任何技术可行的组合方式包含一个或多个下列特征：
·所述第三致动器是转动的致动器，并且所述第三致动器的输出轴定中心线于与所述第一轴线平行的轴线；
·用于在所述第三致动器与连接杆之间传递运动的装置包括至少一个皮带和90°的角传动。所述角传动可包括一对锥齿轮、螺旋锥齿轮、准双曲面齿轮或CYLKRO(注册商标)型齿轮、或者包括轮和蜗杆的系统；
·在某些实施方式中，所述第三致动器安装在所述臂上；
·在其它实施方式中，至少所述第一致动器和所述第三致动器安装在所述基座上。在这种情况下，所述第三致动器有利地是转动型的致动器，其输出轴的转动轴线与所述第一轴线成一直线。此外，所述第一致动器和所述第三致动器可以是转动型的致动器，所述第一致动器和所述第三致动器各自的输出轴的转动轴线可以成一直线；
·所述前臂的两个连接杆中的一个连接杆形成围绕另一连接杆的箱；
·所述铰接式结构包括第四致动器，所述第四致动器控制工具承载夹具绕着与所述第一轴线和所述第二轴线平行的轴线枢转。在这种情况下，所述第一连接杆可以被设置成通过用于传递由所述第三致动器产生的运动的装置绕着与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的轴线中的一个轴线快速转动，所述第二连接杆可以被设置成在连接杆相对于所述板的转动运动中跟随所述第一连接杆，所述第四致动器可以被设置成安装在铰接至所述臂的所述前臂的板上，所述工具承载夹具可以被设置成由另一个板支撑，所述第二连接杆可以被设置成将由所述第四致动器产生的运动传递至所述工具承载夹具。
本发明还提供了一种安装有如上所述的铰接式结构的多轴机器人。这种机器人与现有技术中的机器人相比可以更高的速度操作。此外，在具有较小运动质量的前提下，该机器人的寿命得到了延长。
附图说明
以下完全通过实施例的方式并参照附图对铰接式结构和使用该铰接式结构的多轴机器人的四个实施方式进行描述，从而可以更好地理解本发明，并且本发明的其它优点将变得更加清晰，在附图中：
·图1是根据本发明的第一实施方式的多轴机器人的铰接式结构的立体图；
·图2是处于直线型配置的图1的结构的纵向剖视图；
·图3是在图2的线III-III上的放大剖视图；
·图4是根据本发明的第二实施方式的结构的类似于图1的视图；
·图5是图4的结构的类似于图2的纵向剖视图；
·图6是根据本发明的第三实施方式的结构的类似于图1的视图；
·图7是图6的结构的类似于图2的纵向剖视图；
·图8是图6和7的结构的上臂的一部分和前臂的俯视图；VII-VII表示图7的剖切面；
·图9是在图7的线IX-IX上的放大剖视图；
·图10是根据本发明的第四实施方式的结构的类似于图1的缩小的视图；以及
图11是图10的结构的类似于图2的纵向剖视图。
具体实施方式
在图1至图3中可见的结构1形成多轴机器人的一部分，多轴机器人还包括为使附图清晰而未示出的电子控制单元、电缆束、和/或给送加压气体的管道束、以及其它附件。同样地，这些部件在其它实施方式的机器人中也未示出。
结构1用于将工具2移动至各个位置，该工具仅在图1中以点划线示意性表示，该工具沿着不仅在水平面中延伸而且还相对于该平面垂直地延伸的路径移动。例如，工具2可以是机械爪工具。
结构1包括基座10，基座10相对于安装结构1的地点固定。该基座形成用于绕着竖直轴线Z1铰接臂11的U形件(clevis)。
在底座10上安装有由转动齿轮减速电机(electric gear motor)构成的第一致动器21，致动器21的输出轴211与轴线Z1成轴线对准并且被固定以与臂11一起转动。致动器21驱动臂11绕着轴线Z1转动。
臂11支撑前臂12，前臂12相对于臂11绕着轴线Z2被铰接，轴线Z2平行于轴线Z1因而在所示的实施例中同样是竖直的。
前臂12包括被称为“主”连接杆121的第一连接杆和被称为“副”或“从”连接杆122的第二连接杆，这些连接杆彼此平行地从板123延伸，板123形成前臂12的一部分并安装在臂11的、离基座10最远的端部111处。前臂12还具有支撑工具承载夹具13的第二板124，工具2可通过工具承载夹具13被安装。板124形成容纳圆筒，在该容纳圆筒中夹具13被安装为绕着轴线Z3枢转，轴线Z3平行于轴线Z1和Z2并构成夹具13的中心轴线。
X13和X23分别用于表示连接杆121和122相对于板123的铰接轴线。X14和X24分别指示连接杆121和122相对于板124的铰接轴线。在图2的平面中，轴线X13、X23、X14和X24垂直于轴线Z1和Z2并限定可变形的平行四边形。因此连接杆121和122以及板123和124形成铰接的或可变形的平行四边形形式的前臂结构12，从而使夹具13的高度能够如图2中的双头箭头F1所示地进行变化，同时保持夹具13的中心轴线Z3的定向。
板123安装在臂11的端部111上并具有绕着轴线Z2转动的自由度。当结构1处于组装形态时，板123具有定中心线于轴线Z2的管状形状。板123具有通过截头圆锥形部分127互连的、具有不同直径的两个部分125和126。
臂11在靠近端部111处形成定中心线于轴线Z2的套筒112。板123的部分125围绕套筒112的一部分放置，并且两个球轴承141和142被插在部分125与套筒112之间，从而使板123能够绕着套筒112和轴线Z2转动。
此外，皮带轮15的中心杆151置于套筒112的内部并与轴线Z2成轴线对准，并且两个球轴承143和144被插在中心杆151与套筒112之间。
第二致动器22安装在板10上。致动器22的输出轴221沿着水平轴线Z22延伸并具有与皮带轮162的带齿环形部分161啮合的齿轮形端部，皮带轮162被安装成通过被插入的球轴承145在基座10上自由转动。轴221和皮带轮162共同形成90°的角传动。在所示的示例中，皮带轮162的转动轴线Z162与轴线Z1重合。
皮带轮162驱动皮带163转动，该皮带穿行绕过板123的部分125的一部分。因此可以通过由致动器22产生并通过部件221、161、162和163传递的驱动力使板123绕着轴线Z2转动。换句话说，致动器22控制前臂12绕着轴线Z2枢转。
第三致动器23安装在臂11上，并且第三致动器23的输出轴231驱动皮带164，皮带164穿行绕过皮带轮15的头部。杆151在其远离皮带轮头部152的端部承载齿轮153，齿轮153与固定于连接杆121的带齿部分128啮合。由部件153和128构成的齿轮对构成90°的角传动，使皮带轮15绕着轴线Z2的旋转运动能够被转化为连接杆121绕着轴线X13的枢转运动。
在部件153与128之间形成的齿形部分可以是名为CYLKRO(注册商标)的类型，该齿形部分由具有渐开线形切口的普通齿轮和轮的带互补齿的部分制成。这种齿轮对具有调整简单的优点，因为齿轮153沿着其转动轴线Z2的位置不需要被精确设定。在杆151与连接杆121之间可以使用其它类型的90°齿轮对。
弹簧171安装在板123的部分126中并撑靠固定于主连接杆121的销件172，弹簧171在销件172上施加弹力E1且趋向于使板124升高。因此，弹簧171可被考虑为用于辅助板124在图2的向上方向上运动的装置。当轴线Z1和Z2是竖直的时，如附图所示，弹簧171构成用于补偿工具2的重量的装置。
可从图3中更清晰地看到，沿着轴线X13延伸的轴181构成将连接杆121铰接至板123的装置。弹簧171围绕轴181安装。沿着轴线X23延伸的两个销件182和183形成用于将连接杆122铰接至板123的装置。相同类型的轴用于构成连接杆121和122与板124之间的铰接装置。
连接杆121包括在图2中清晰可见的基本上竖直的腹板。连接杆122呈具有矩形横截面的箱形梁的形式，该箱形梁具有两个竖直壁122A和122B以及两个壁122C和122D，其中，可以在图1和3中看到两个竖直壁122A和122B，而两个壁122C和122D的定向随着连接杆122绕着轴线X23的枢转而变化并且在图2中可以看到这两个壁122C和122D。
致动器23是齿轮减速电机，其重量由臂11支撑，从而该重量不会阻碍前臂12和夹具13的如图2中双头箭头F1和F2所示的运动，这尤其有利于实现工具2的高行进速度。
应当观察到，致动器21、22和23的输出轴211、221和231的轴线Z21、Z22和Z23是竖直的且与轴线Z1和Z2平行。轴线Z1和Z21重合。
致动器23与连接杆121之间通过皮带轮162和90°的角传动形成的连接使得可以使用具有小惯性的轻质材料用于在竖直移动夹具13时驱动前臂12。输出轴231与连接杆121之间的减速比在30至100的范围中。
同样地，由皮带轮162和15与皮带163形成的连接使具有小惯性的轻质材料能够被用于驱动前臂12绕着轴线Z2枢转。
第四致动器24安装在板124上，致动器24的输出轴241形成与夹具13的带齿环形表面131接合的齿轮，从而使夹具13及其承载的工具2能够被驱动绕着轴线Z3转动。
安装了两个盖191和192，其中一个安装在基座10上以保护致动器21和22，另一个安装在臂11上以保护皮带164和皮带轮15的头部152。
在如图4至11所示的本发明的第二至第四实施方式中，赋予类似于第一实施方式的部件以相同的标号。
在第二实施方式中，铰接式结构1包括基座10、臂11和前臂12，前臂12由形成可变形的平行四边形结构的“主”第一连接杆121、“副”第二连接杆122以及两个板123和124构成。两个致动器21和22分别安装在基座10上，以使臂11绕着竖直轴线Z1枢转并使前臂12绕着与轴线Z1平行的竖直轴线Z2枢转。
为此，致动器21的输出轴211与臂11接合，而且致动器22的输出轴221呈齿轮形式并与皮带轮162的带齿部分161啮合。因而部件221和162形成90°的角传动组件，皮带轮162被驱动以绕着与轴线Z1成一直线的轴线Z162转动。该皮带轮自身驱动皮带163，皮带163接着驱动前臂12的板123转动，板123将前臂固定至臂11的端部111。
第三致动器23安装在基座10上，并且与第一实施方式相同用于驱动前臂12运动，以如双头箭头F1所示竖直地移动板124。
致动器23安装在皮带轮162的中心处，致动器23由基座10通过球轴承145支撑。致动器23被安装为相对于基座10固定，这可以通过致动器与皮带轮162之间的径向间隙实现。
与第一实施方式相同，致动器23的输出轴231与皮带164接合，皮带164围绕皮带轮15的头部152。该皮带轮的头部152固定至杆151，杆151的端部支承蜗杆154，蜗杆154与固定至主连接杆121的轮部分129接合。
如上所述，标号X13、X14、X23和X24指示连接杆121和122相对于板123和124的铰接轴线。轴线X13、X14、X23和X24垂直于轴线Z1和Z2。
由于致动器23由基座10支撑，因此致动器23的惯性不会阻碍由臂11和12构成的组件绕着轴线Z1的运动。
输出轴231的中心轴线Z23与输出轴211的中心轴线Z21成一直线，这些轴线与轴线Z1重合。这种配置使结构1非常紧凑，并使臂11和前臂12能够被快速且准确地驱动。具体地，轴线Z23、Z162与Z1重合的事实确保轴线Z23、Z162与Z2之间的间隔保持恒定，从而确保皮带163和164中的恒定张力。
与第一实施方式相同，板124承载第四致动器24。第四致动器24的输出轴241形成与夹具13上的环形的齿组131啮合的齿轮，以驱动夹具绕着与轴线Z1和Z2平行的轴线Z3转动。
对于如图6至9所示的第三实施方式，本说明书仅涉及其相对于第二实施方式不同之处。前臂12由“主”第一连接杆121构成，“主”第一连接杆121呈容纳“副”第二连接杆122的壳体形式。连接杆121通过球轴承146关于形成板123一部分的套筒221被铰接。该连接杆121固定至轴222，类型与第一实施方式中的相同并与齿轮153啮合的带齿部分128从轴222延伸，齿轮153的类型同样与第一实施方式中的相同，从而使连接杆121能够被驱动以相对于臂11绕着与前臂12的竖直铰接轴线Z2垂直的轴线X13转动。
两个辅助板223和224分别通过销件226固定至板123和124，销件226穿过在主连接杆121中形成的孔225。辅助板223和224支撑副连接杆122的绕着轴线X23和X24的铰接装置。因此，轴线X13和X23在板123的参考框架中相对于彼此保持固定，同样，轴线X14和X24在板124的参考框架中也相对于彼此保持固定。
连接杆121围绕连接杆122的事实具有安全性方面的明显优点，并且不会不利于前臂12的总体尺寸。
第四致动器24由板124支撑，并且第四致动器24的输出轴241的转动轴线Z24平行于前臂12与臂11之间的铰接轴线Z2且平行于工具承载夹具的转动轴线Z3。轴241通过皮带165连接至工具承载夹具13。
第四实施方式的描述仅涉及其相对于第二实施方式的不同之处。
在该实施方式中，第四致动器24安装在前臂12的板123上，前臂通过板123连接至臂11，从而结构1的末端部分的惯性，即承载夹具13的部分的惯性得到了进一步的减小。
与第二实施方式中分别通过第二和第三致动器驱动皮带163和164的方式以及通过具有包括齿轮153和带齿部分128的锥齿轮的角传动的方式相比，“主”第一连接杆121被驱动以相对于板123并绕着轴线X13转动。
致动器24的输出轴241与叉形件242接合，叉形件242通过十字接头(未示出)连接至“副”或“辅助”第二连接杆122的第一端122E。副杆的第二端122F，即其远离第一端的端部通过另一十字接头(未示出)连接至第二叉形件243，第二叉形件243固定至齿轮244，齿轮244与夹具13的带齿表面131接合以驱动夹具绕着竖直轴线Z3转动，轴线Z3与位于前臂12与臂11之间的铰接轴线Z2平行。
位于叉形件242和243与连接杆122之间的连接处的十字接头使轴线X23和X24能够得到限定。与上述的实施方式相同，轴线X13和X14由轴或销件限定。
在该实施方式中，副连接杆122执行两种功能：它构成可变形的平行四边形的第二连接杆，可变形平行四边形构成前臂12；以及，它将由箭头F3表示的转动运动从第四致动器24传递至工具承载夹具13。
部件122、242和243之间的连接可被考虑为一对万向节。
另外，第三和第四实施方式以与第二实施方式相同的方式操作。具体地，三个致动器21、22和23安装在基座10上以绕着竖直轴线Z1驱动臂11以及绕着轴线Z2驱动前臂12并且驱动前臂12绕着轴线X13和X23竖直枢转。前臂12具有可变形的平行四边形结构。安装在致动器22的输出轴221上的齿轮、部分162的带齿部分161以及皮带163和164分别用于将来自从第二致动器22的转动运动绕着轴线Z2传递至板123以及将来自第三致动器23的转动运动通过90°的角传动153/128传递至第一连接杆121。
在所描述的实施方式中，致动器21至24由转动减速电机形成。在本发明的意义下，减速电机不一定安装有其自身的齿轮件，在这种情况下，减速电机具有等于1的减速比。
在所有的实施方式中，第一连接杆121是“主”的，这意味着致动器23主要用于控制第一连接杆121绕着轴线X13枢转。该枢转导致第二连接杆122枢转，从而第二连接杆122构成该运动的从动件。因此，前臂12在高度方向上的枢转对于第一连接杆121而言由致动器23通过皮带轮15直接控制，对于第二连接杆122而言由致动器23通过连接杆121以及板123和124间接控制。
在未示出但应用于所有实施方式的本发明的变体中，第二致动器22可安装在基座上，并且第二致动器22的输出轴的转动轴线与皮带轮162的转动轴线平行。皮带用于在所述致动器与所述皮带轮之间传递运动。在这种情况下，致动器22通过两个皮带和中间皮带轮控制前臂12绕着轴线Z2的转动。
上述实施方式的技术特征可在本发明范围内相互组合。
在本发明的范围内，用于驱动前臂的主连接杆121的角传动可包括一对伞齿轮、螺旋伞齿轮、准双曲面齿轮或CYLKRO型齿轮。在一对准双曲面齿轮中，齿轮的转动轴线和带齿的轮的转动轴线不相交。还可以使用如上所述的蜗杆系统。
无论考虑什么样的实施方式，本发明的结构使机器人的整体尺寸，即其运动部分扫过的包络能够在垂直方向上变小，并且可以进行大幅度的水平和竖直运动。

Claims (12)

1.一种用于多轴机器人的具有三个自由度的铰接式结构(1)，所述铰接式结构包括：
·固定的基座(10)；
·臂(11)，绕着第一轴线(Z1)铰接至所述基座；
·前臂(12)，绕着与所述第一轴线平行的第二轴线(Z2)铰接至所述臂，所述前臂形成可变形的平行四边形结构并包括第一连接杆(121)和第二连接杆(122)，所述第一连接杆(121)和所述第二连接杆(122)绕着与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的各自的轴线(X13，X14，X23，X24)铰接至两个板(123，124)；
·第一电致动器(21)，控制所述臂(11)绕着所述第一轴线(Z1)枢转；
·第二电致动器(22)，控制所述前臂(12)绕着所述第二轴线(Z2)枢转；以及
·第三电致动器(23)，控制所述第一连接杆(121)相对于所述板(123，124)绕着与所述第一轴线(Z1)和所述第二轴线(Z2)垂直的轴线中的某些轴线(X14，X24)枢转；
所述铰接式结构的特征在于，所述第三致动器(23)安装在所述基座(10)或所述臂(11)上。
2.根据权利要求1所述的铰接式结构，其特征在于，所述第三致动器(23)是转动的致动器，并且所述第三致动器(23)的输出轴(231)定中心线于与所述第一轴线(Z1)平行的轴线(Z23)。
3.根据权利要求1所述的铰接式结构，其特征在于，用于在所述第三致动器(23)与连接杆之间传递运动的装置包括至少一个皮带(164)和90°的角传动(153/128，154/129)。
4.根据权利要求3所述的铰接式结构，其特征在于，所述角传动包括一对锥齿轮、螺旋锥齿轮、准双曲面齿轮或CYLKRO型齿轮(153/128)、或者包括轮和蜗杆(154/129)的系统。
5.根据前述权利要求任一项所述的铰接式结构，其特征在于，所述第三致动器(23)安装在所述臂(11)上。
6.根据权利要求1至4任一项所述的铰接式结构，其特征在于，至少所述第一致动器(21)和所述第三致动器(23)安装在所述基座(10)上。
7.根据权利要求6所述的铰接式结构，其特征在于，所述第三致动器(23)是转动型的致动器，并且所述第三致动器(23)的输出轴(231)的转动轴线(Z23)与所述第一轴线(Z1)成一直线。
8.根据权利要求6所述的铰接式结构，其特征在于，所述第一致动器(21)和所述第三致动器(23)是转动型的致动器，所述第一致动器(21)和所述第三致动器(23)各自的输出轴(211，231)的转动轴线(Z21，Z23)成一直线。
9.根据权利要求1至4任一项所述的铰接式结构，其特征在于，所述前臂(12)的两个连接杆(121，122)中的一个连接杆(121)形成围绕另一连接杆(122)的箱。
10.根据权利要求1至4任一项所述的铰接式结构，其特征在于，所述铰接式结构包括第四致动器(24)，所述第四致动器(24)控制工具承载夹具(13)绕着与所述第一轴线(Z1)和所述第二轴线(Z2)平行的轴线(Z3)枢转。
11.根据权利要求10所述的铰接式结构，其特征在于，所述第一连接杆(121)通过用于传递由所述第三致动器(23)产生的运动的装置(128)绕着与所述第一轴线(Z1)和所述第二轴线(Z2)垂直的轴线(X13，X14，X23，X24)中的一个轴线(X13)快速转动，所述第二连接杆(122)在连接杆相对于所述板(123，124)的转动运动(F1)中跟随所述第一连接杆，所述第四致动器(24)安装在铰接至所述臂(11)的所述前臂的板(123)上，所述工具承载夹具(13)由另一个板(124)支撑，所述第二连接杆(122)将由所述第四致动器(24)产生的运动(F3)传递至所述工具承载夹具。
12.一种包括根据前述权利要求任一项所述的铰接式结构(1)的多轴机器人。
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