CN101873910A - 一种用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置，包括：至少第一臂(2)，所述第一臂包括用于支撑工具(3)以进行移动或加工的第一端(2a)；用于支撑和移动所述第一臂(2)的构件(4)，该用于支撑和移动第一臂的构件(4)包括至少第一线性电动马达(5)和至少第二线性电动马达(6)，其中第一线性电动马达在闭合路径(P)上延展，用于使第一臂(2)沿圆形轨迹(θ1)移动，第一臂(2)与第二线性电动马达(6)直接连接，第二线性电动马达(6)在弓形路径(θ2)上延展。第一线性电动马达(5)和第二线性电动马达(6)配合以使第一臂(2)移动。

Description

一种用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置
技术领域
本发明涉及一种用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置。
具体地，本发明能在工业产业中应用在重几千克的小质量物体的移动系统中，该移动系统要求快速和精确移动。
背景技术
本发明能应用在称为“拾取和放置”系统的用于收集和定位产品的系统中、应用在产品包装或组装生产线上、应用在用于将产品分开和/或分类的机器中或者应用在物体处理系统中。
在特定情况下，本发明可以用在医学领域中，用于移动和处理手术器械，或者用在机械加工领域中，用于移动诸如铣刀、钻头、钳子或类似物的工具，或用于诸如激光器的精密仪器的大致移动和对准。
众所周知，这些系统使用由多个铰接联接机构构成的机械臂，机械臂的端部支承诸如钳子、吸盘或任何其它加工器具的工具。
具体地，在拾取和放置应用中，位于水平面上或者传送带上的物体被收集和移动，移动的方向与加工面平行或者物体的定向相对于该加工面改变，以便放到特定壳体或第二传送带的内部。
现有技术中发展出来的机器人体系结构基本上为两个类型：传统类型的臂(通常是仿人的)或者具有平行运动机构的自动装置。
大体而言，这两种方案都使用传统的致动器，该传统的致动器通常由与机械减速器相连的电动机构成，该机械减速器通常通过减少转数和增大扭矩值使得扭矩-速度特性适应于应用的需求。
仿人结构的限制实质上在于，致动器沿着构成臂的运动链系分布，从而在移动时涉及相当多的块体并且限制了操作的动态特性，由此限制了整个生产线的加工速度。要记住的是，对于每个臂而言，所要求的加工速度是每分钟收集150-200次的级别。
然而，传统的结构具有较大的工作空间并且通常需要更易于实现的控制算法。
平行运动机器通过将所有致动器集中在保持固定的自动操作区域而消除了上述动态限制，经由机械联接的复杂机械结构将运动传递给物体，该机械结构通常包括多于一个的臂，而该臂是轻的和刚性的。
尽管该方法给出了高动态水平，但是平行运动机械臂仅仅能够执行受限的工作空间。此外，在工作空间具有不能到达的区域进一步减小了有用的加工区域，在工作期间要避免不能到达的区域从而不使结构中断。最后，结构的复杂性使得控制算法的实现变得极为复杂。
对于这两者方案，其限制在于必须提供具有机械减速器的致动器，这除了构成额外的成本之外，还使得维护操作变得复杂，使得结构刚度变小，增大了系统中的噪声和振动，降低了系统可靠性并且使得控制过程变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的解决方案中所具有的缺陷。
具体地，本发明的目的在于提供用于在物体上进行处理和/或执行加工操作的装置，其将仿人结构的工作空间特性与平行运动机器的高水平动态特性和精确度结合起来。
换言之，本发明的目的在于提供用于在物体上进行处理和/或执行加工操作的装置，其能够减少在尤其是最靠近物体的区域中的运动块体，能够提供动态性能、明显较大的工作空间以及极为简单的控制结构。
此外，本发明的另一个目的在于提供用于在物体上进行处理和/或执行加工操作的装置，其设置有简化的运动结构，不具有诸如减速器、螺纹系统、用于将圆形运动转换为直线运动的系统等的辅助机械机构，从而降低了成本，增大了系统可靠性，能够更好地控制力和扭矩，并且大大地简化控制算法。
附图说明
将通过在附图所附的图中示出的用于物体的处理装置的优选但非排他实施例的非限制性实例的方式进行描述，其中：
图1是根据本发明的用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置的透视图；
图2是图1的装置的侧视图；
图3是符合本发明的用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置的变型的侧视图。
具体实施方式
参考附图的图，1表示按照本发明的用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置。
装置1包括具有第一端2a的至少第一臂2，该第一端2a支承工具3。
工具3有利地通过优选为关节连接的铰接连接与臂2的第一端2a相联，该连接能够使工具3关于臂2的第一端2a在限定的空间内在所有方向上进行圆形和曲线运动。
根据需要，工具3可以有利地是诸如钳子或吸盘的抓握器械或诸如钻头、铣刀、激光器或任何其它类型的机械或精密仪器的加工工具。
装置1进一步包括用于支撑和移动第一臂2的构件4，该构件支撑第一臂2且使它沿至少圆形轨迹θ1且沿至少弓形轨迹θ2移动。
用于支撑和移动的构件4包括用于促使第一臂2沿圆形轨迹θ1旋转的至少第一线性电动马达5和用于促使第一臂2沿弓形轨迹θ2摆动的至少第二线性电动马达6。
第一线性电动马达5有利地是曲线形的且在闭合路径P上延展，该闭合路径优选是圆形，而第二线性电动马达6是弓形的且在半圆路径S上延展。
第二线性电动马达6优选结构上与第一线性电动马达5相联，特别是垂直于第一线性电动马达5布置，以便例如结合第一线性电动马达5的两个沿直径相对的部分19。
第一臂2与第二线性电动马达6相联。
第一马达5和第二马达6都包括定子和转子。
特别参考第一线性马达5，转子7由沿圆形路径P布置的限定了环的多个永磁体7a限定，而定子8由内部有至少线圈8a的至少块体来限定。
在未示出的第二实施例中，线圈8a应用于转子7，磁体7a应用于定子8。
定子8与转子7同心地布置。
转子7可绕第一线性电动马达5的旋转轴线5a旋转，引起固定到其上的第二线性电动马达6的旋转和连接到第二线性电动马达6的第一臂2的旋转。
第二线性电动马达6包括定子9和移动部件，其中定子9是限定沿着半圆路线S的路径的多个永磁体形式，移动部件是可滑动地设置在定子9的弓形路径上的包含至少线圈的游标10。
限定第二线性电动马达6的定子9的半圆路径在限定转子7的环的两个沿直径相对的部分19处垂直地连接到第一线性电动马达5。
第一臂2与作为第二线性电动马达6的移动部件的游标10相联。
为了确保移动时更大的稳定性和精度，第一臂2有利地铰接到支架18，该支架18相对于限定第一线性电动马达5的移动部件7的环沿直径方向。特别地，支架18在两个部分19处连接到移动部件7，该两个部分19沿直径相对，将限定第二线性电动马达6的定子9的半圆路径和限定第一线性电动马达5的移动部件7的环结合。第一臂优选地通过用于连接的特定构件20铰接到支架18的中间点18b，以便例如进行关于轴线18a的摆动。
第一臂2刚性地连接限定第二线性电动马达6的移动部件的游标10与支架18的中间点18b。
随着游标10沿定子9的路径的运转，第一臂2相对于包含第一线性电动马达6的平面以不同角度倾斜。臂2在关于轨迹θ2摆动期间，优选地相对于限定第二线性电动马达6的定子9的半圆线路占据连续的径向位置。
通过选择性地起动或同时起动两个线性电动马达5，6，可以实现第一臂2的不同运动。
在仅第二线性电动马达6工作的情况下，第一臂2仅可以在包含第二马达6的平面中进行摆动偏移。可选地，在仅第一线性电动马达5工作的情况下，臂仅经受旋转运动且根据第一臂2相对于第二线性电动马达6的倾斜程度运行更大或更小范围的圆形轨迹。
通过将沿着圆形路径θ1的旋转运动和沿着半圆轨迹θ2的摆动运动组合在一起，臂2运行多个圆形轨迹，该圆形轨迹与第一线性电动马达5的旋转轴线5a同心。
第一臂2也可以沿平行于其纵向线轴2c的方向Z轴向地移动。
特别参考所述轴向运动，具体的是第一臂2包括沿着轴线2c可纵向滑动的部分或杆部21和第三线性电动马达11，第三线性电动马达11连接该部分或杆部21且直接作用在该部分或杆部21上以使其轴向伸展。
第三线性电动马达11优选地可伸缩地与第一臂2的可滑动部分或杆部21相联。
在图3中示出的可选构造中，装置1进一步包括完全与第一臂2类似且与第一臂2配合以便使工具3移动的第二臂12。
优选平行于第一臂2的第二臂12也连接到第二线性电动马达6且沿着包含在包含第二线性电动马达6的平面中的弓形半圆轨迹θ2与第一臂2整体地摆动。
与已经参考第一臂2描述的相同，第二臂12类似地铰接到支架18的中间点18b。
第二臂12也包括沿其轴线12c可纵向滑动的部分或杆部22以及第四线性电动马达13，该第四线性电动马达11连接该部分22且直接作用在该部分22上以使其产生沿着与第一臂2的杆部21的运行方向相同的方向Z的轴向伸展。
因此第一臂2和第二臂12以及特别地相应杆部21、22根据与每个臂2、12的第一端2a、12a相联的工具3所需的运动以交替运动或相同方向运动的方式可滑动地移动。
以这种方式可以改变工具3的加工面的高度。
臂2和12在各自的第一端2a、12a具有用于支撑和移动工具3的构件15。特别地，用于支撑和移动工具的构件15包括铰接的运动件，例如第一和第二连杆16、17，该第一、第二连杆和每个臂2、12的第一端2a、12a一起限定一个四连杆机构，以便使工具3在110°到140°之间的范围内的圆弧上移动。
工具3摆过的圆弧的范围取决于设计选择，特别地取决于在两个臂2、12之间的距离和连杆16、17的长度。
工具3也可关于其轴线3a移动。在如图1和2所示的单臂情况和图3中示出的双臂情况下，工具3关于其旋转轴线3a的运动通过与工具3本身相联的传统电动马达4提供动力。
第三线性电动马达11和第四线性电动马达13优选无铁芯电动马达。
本发明具有显著的优点，因为其提供了具有受限尺寸的结构，该结构能够管理为仿人结构的特征的工作空间，但是具有平行运动机器通常拥有的高动态特性和精确度。这是借助特别设计成能够采用方向运动新型致动器的非传统运动结构而获得的，该非传统运动结构不需要设置辅助机械机构。
线性电动机直接向应用其的元件发送指令，避免了使结构加重的运动连接，增大了移动部件的数量并且减缓了机器的运行速度和动态特性。
使用无铁芯线性电动机的特别构造选择产生了显著的优点。
磁场是对称的，磁通量得到极好的利用，没有吸力并且移动部件的质量较小。尽管类似的电动机不提供高推力水平，通常不超过2kN，但是其能够快速且精确地移动，最好是用于拾取和放置应用或直角坐标机器人。
碳臂有助于减轻装置的重量，线性电动机的构造简单简化了现有技术的装置通常具有的结构复杂性。
具有直线引导件和圆形引导件使整个结构极为灵活且在所需的任何类型运动和技术应用中通用。
不具有辅助机械机构进一步降低了成本、提高了系统可靠性、能更好地控制扭力并且大大地简化控制算法。

Claims (15)

1.一种用于对物体进行处理和/或执行加工操作的装置，包括：
至少第一臂(2)，所述第一臂包括用于支撑工具(3)的第一端(2a)，
用于支撑和移动所述第一臂(2)的构件(4)；
其中所述用于支撑和移动第一臂的构件(4)包括至少第一线性电动马达(5)和至少第二线性电动马达(6)，所述第一线性电动马达在闭合路径(P)上延展，用于使所述第一臂(2)沿圆形轨迹(θ1)移动，所述第二线性电动马达在弓形路径(S)上延展，用于使所述第一臂(2)沿半圆路径(θ2)移动。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一线性电动马达(5)是曲线形的且沿圆形路径(P)延展；所述第一线性电动马达(5)包括圆形转子(7)和与所述圆形转子(7)同心的定子(8)。
3.如前述权利要求之一所述的装置，其中所述第二线性电动马达(6)与所述第一线性电动马达(5)相联；所述第一线性电动马达(5)和所述第二线性电动马达(6)彼此配合以便使所述第一臂(2)移动。
4.如前述权利要求之一所述的装置，其中所述第二线性电动马达(6)在所述第一线性电动马达(5)顶上，使所述第一线性电动马达(5)的沿直径相对的两个部分(19)彼此结合。
5.如前述权利要求之一所述的装置，其中所述第二线性电动马达(6)包括一定子(9)和一转子(10)，所述定子(9)由包括多个永久磁体的弓形引导件限定，所述转子(10)由所述引导件上的能滑动的运动游标限定且内部包括至少电线圈。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第一臂(2)与所述运动游标相联，所述游标引起所述第一臂(2)在所述第一线性电动马达(5)的直径平面上的摆动。
7.如前述权利要求任一项所述的装置，其中所述第一臂(2)能沿与所述第一臂(2)的纵向轴线(2c)平行的方向(Z)轴向地移动。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述第一臂(2)包括滑动部分(21)和第三线性电动马达(11)，所述第三线性电动马达(11)直接作用到所述滑动部分(21)上以使所述滑动部分(21)沿与所述第一臂(2)的所述纵向轴线(2c)平行的所述方向(Z)平移。
9.如前述权利要求任一项所述的装置，其中所述工具(3)铰接连接到所述第一臂(2)的所述第一端(2a)以便在多个方向上移动。
10.如前述权利要求任一项所述的装置，其中所述装置包括第二臂(12)，所述第二臂(12)与所述第一臂(2)配合以便使所述工具(3)移动。
11.如权利要求5和10所述的装置，其中所述第一臂(2)和所述第二臂(12)彼此平行且与所述第二线性电动马达(6)的所述游标相联。
12.如权利要求10或11所述的装置，其中所述第一臂(2)和所述第二臂(12)能沿平行于其各自的纵向轴线(2c，12c)的方向(Z)滑动地移动。
13.如权利要求10到12之一所述的装置，其中所述第二臂(12)包括滑动部分(22)和第四线性电动马达(13)，所述第四线性电动马达(13)直接作用到所述滑动部分(22)上以便使所述滑动部分(22)在与所述第二臂(12)的纵向轴线(12c)平行的方向(Z)上平移。
14.如权利要求1到13之一所述的装置，其中所述第一臂(2)和所述第二臂(12)在其各自的第一端(2a，12a)支撑用于支撑和移动工具(3)的构件(15)。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述用于支撑和移动工具的构件(15)是铰接的。
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