CN102528794B - 并联机器人及手腕模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联机器人及手腕模块。该并联机器人包括手腕模块、基座、以及第一、第二、第三与第四致动元件。手腕模块包括主体、第一转动部、第二转动部及第三转动部。第一转动部沿第一转动轴线枢接于主体。第二转动部沿垂直第一转动轴线的第二转动轴线枢接于第一转动部。第三转动部沿垂直第二转动轴线的第三转动轴线枢接于第二转动部。第三转动轴线通过第一转动轴线与第二转动轴线的交点。第一、第二及第三致动元件固定于基座并分别耦接于第一、第二及第三转动部。第四致动元件固定于基座并耦接于主体。

Description

并联机器人及手腕模块

技术领域

本发明涉及一种机器人及手腕模块，且特别是涉及一种并联机器人及其手腕模块。

背景技术

随着科技的发展，多轴作动机构的应用层面越来越广，如工业用机械手臂、仿生机器人系统、医疗复健器材及运动器材等。一般而言，在上述各种作动机构中，是以马达配合齿轮组等传动组件来达到作动效果，而作动机构设计越复杂、关节越多，则设置于其上的马达及传动组件的数量也越多。

以串联机器人而言，其前级的马达都需提供足够的功率来驱动其后各级的马达及传动组件的重量和负载，故前级马达的功率需求较大，其重量也随之较大。此外，前级的手臂要支承其后各级组件的重量和负载，故其自身重量必然较大。串联机器人的总重量基于上述原因相对较大，使得其速度、刚性和精度都受到一定的限制。并联机器人则无上述问题，其所有马达、减速机以及电缆线等都固定于基座上，使其整体重量大大减轻，同时保持了较高的刚性和精度。由于并联机器人具有整体重量较小的优点，因此其具有相当的发展性，如何提升其作动的平衡性和控制性为重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联机器人，其手腕模块具有较佳的作动平衡性和控制性。

本发明提供一种手腕模块，具有较佳的作动平衡性和控制性。

本发明提出一种并联机器人，包括手腕模块、基座、以及第一、第二、第三与第四致动元件。手腕模块包括主体、第一转动部、第二转动部及第三转动部。第一转动部沿第一转动轴线枢接于主体。第二转动部沿垂直第一转动轴线的第二转动轴线枢接于第一转动部。第三转动部沿垂直第二转动轴线的第三转动轴线枢接于第二转动部。第三转动轴线通过第一转动轴线与第二转动轴线的交点。第一、第二及第三致动元件固定于基座并分别耦接于第一、第二及第三转动部。第一致动元件适于驱动第一转动部沿第一转动轴线相对主体转动。第二致动元件适于驱动第二转动部沿第二转动轴线相对第一转动部转动。第三致动元件适于驱动第三转动部沿第三转动轴线相对第二转动部转动。第四致动元件固定于基座并耦接于主体。第四致动元件适于驱动主体相对基座移动。

本发明提出一种手腕模块，适用于并联机器人。并联机器人包括第一、第二及第三致动元件。手腕模块包括主体、第一转动部、第二转动部及第三转动部。第一转动部沿第一转动轴线枢接于主体。第二转动部沿垂直第一转动轴线的第二转动轴线枢接于第一转动部。第三转动部沿垂直第二转动轴线的第三转动轴线枢接于第二转动部。第三转动轴线通过第一转动轴线与第二转动轴线的交点。第一、第二及第三致动元件分别耦接于第一转动部、第二转动部及第三转动部。第一致动元件适于驱动第一转动部沿第一转动轴线相对主体转动。第二致动元件适于驱动第二转动部沿第二转动轴线相对第一转动部转动。第三致动元件适于驱动第三转动部沿第三转动轴线相对第二转动部转动。

在本发明的一实施例中，上述的手腕模块还包括第一转轴、第二转轴及第三转轴。主体具有沿第一转动轴线延伸的第一轴孔。第一转轴穿过第一轴孔而沿第一转动轴线枢接于主体，且具有沿第一转动轴线延伸的第二轴孔。第一转轴耦接于第一致动元件且固接于第一转动部。第二转轴穿过第二轴孔而沿第一转动轴线枢接于第一转轴，且具有沿第一转动轴线延伸的第三轴孔。第二转轴耦接于第二致动元件与第二转动部之间。第三转轴穿过第三轴孔而沿第一转动轴线枢接于第二转轴。第三转轴耦接于第三致动元件与第三转动部之间。

在本发明的一实施例中，上述的手腕模块还包括第一、第二与第三主动齿轮以及第一、第二及第三从动齿轮。第一、第二及第三主动齿轮配置于主体并分别耦接于第一、第二及第三致动元件。第一、第二及第三从动齿轮分别固定于第一、第二及第三转轴，并分别啮合于第一、第二及第三主动齿轮。

在本发明的一实施例中，上述的并联机器人还包括三个伸缩臂。各伸缩臂包括第一万向接头、第二万向接头、第一杆件及第二杆件。第一万向接头分别连接于第一、第二及第三主动齿轮。第二万向接头分别连接于第一、第二及第三致动元件。第一杆件连接于第一万向接头与第二万向接头其中之一。第二杆件连接于第一万向接头与第二万向接头其中之另一，且沿伸缩轴线可伸缩地连接于第一杆件。

在本发明的一实施例中，上述的第一杆件具有滑孔。滑孔内壁具有沿伸缩轴线排列的多个滚珠。第二杆件表面具有沿伸缩轴线延伸的导槽。第二杆件沿伸缩轴线伸入滑孔，而使滚珠位于导槽内并适于沿导槽滚动。滚珠与导槽之间的结构性干涉阻止第一杆件与第二杆件沿伸缩轴线相对转动。

在本发明的一实施例中，上述的第一杆件具有滑孔，滑孔为非圆形孔。第二杆件具有对应于滑孔的非圆形截面。第二杆件沿伸缩轴线伸入滑孔。滑孔与第二杆件之间的结构性干涉阻止第一杆件与第二杆件沿伸缩轴线相对转动。

在本发明的一实施例中，上述的手腕模块还包括第一齿轮组及第二齿轮组。第一齿轮组配置于第一转动部并耦接于第二转轴与第二转动部之间。第一齿轮组包括斜齿轮与平齿轮。第二齿轮组配置于第一转动部并耦接于第三转轴与第三转动部之间。第二齿轮组包括斜齿轮与平齿轮。

在本发明的一实施例中，上述的手腕模块还包括第一轴承、第二轴承及第三轴承。第一轴承配置于第一轴孔内壁而位于主体与第一转轴之间。第二轴承配置于第二轴孔内壁而位于第一转轴与第二转轴之间。第三轴承配置于第三轴孔内壁而位于第二转轴与第三转轴之间。

在本发明的一实施例中，上述的并联机器人还包括多组连杆组。连杆组连接于第四致动元件与主体之间。

基于上述，本发明的第一转动部适于沿第一转动轴线相对主体转动，第二转动部适于沿第二转动轴线相对第一转动部转动，且第三转动部适于沿第三转动轴线相对第二转动部转动。由于第三转动轴线通过第一转动轴线与第二转动轴线的交点，因此可降低第三转动部转动时相对整体结构产生的力矩，进而提升手腕模块的作动平衡性和控制性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的并联机器人的侧视图；

图2为图1的并联机器人于另一视角的侧视图；

图3为图1的并联机器人的仰视图；

图4为图1的并联机器人的部分构件剖视图；

图5为图1的并联机器人的部分构件立体图；

图6为图5的伸缩臂的局部剖视图；

图7为本发明另一实施例的伸缩臂的剖视图。

主要元件符号说明

100：并联机器人

110：手腕模块

110a：第一主动齿轮

110b：第二主动齿轮

110c：第三主动齿轮

110d：第一从动齿轮

110e：第二从动齿轮

110f：第三从动齿轮

110g：第一齿轮组

110h：第二齿轮组

112：主体

112a：第一轴孔

113：第一转轴

113a：第二轴孔

114：第一转动部

115：第二转轴

115a：第三轴孔

116：第二转动部

117：第三转轴

118：第三转动部

120：基座

130：第一致动元件

140：第二致动元件

150：第三致动元件

160：第四致动元件

170、270：伸缩臂

172：第一万向接头

174：第二万向接头

176、276：第一杆件

176a、276a：滑孔

176b：滚珠

178、278：第二杆件

178a：导槽

180：连杆组

A1：第一转动轴线

A2：第二转动轴线

A3：第三转动轴线

A4、A5：伸缩轴线

B1：第一轴承

B2：第二轴承

B3：第三轴承

G1、G2、G5、G6、G9、G10：斜齿轮

G3、G4、G7、G8：平齿轮

具体实施方式

图1为本发明一实施例的并联机器人的侧视图。图2为图1的并联机器人于另一视角的侧视图。图3为图1的并联机器人的仰视图。请参考图1至图3，本实施例的并联机器人100包括手腕模块110、基座120、第一致动元件130、第二致动元件140、第三致动元件150与第四致动元件160(绘示为三个)。手腕模块110包括主体112、第一转动部114、第二转动部116及第三转动部118。第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150例如为马达，且分别用以驱动第一转动部114、第二转动部116及第三转动部118转动。第四三致动元件160也例如为马达，并则用以驱动主体112移动。第三转动部118可视为手腕模块110的末端执行器，可于生产系统进行物料搬运。

图4为图1的并联机器人的部分构件剖视图。请参考图2及图4，详细而言，本实施例的第一转动部114沿第一转动轴线A1枢接于主体112，第二转动部116沿垂直第一转动轴线A1的第二转动轴线A2枢接于第一转动部114，且第三转动部118沿垂直第二转动轴线A2的第三转动轴线A3枢接于第二转动部116，其中第三转动轴线A3通过第一转动轴线A1与第二转动轴线A2的交点。

第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150固定于基座120并分别耦接于第一转动部114、第二转动部116及第三转动部118。第一致动元件130适于驱动第一转动部114沿第一转动轴线A1相对主体112转动，第二致动元件140适于驱动第二转动部116沿第二转动轴线A2相对第一转动部114转动，且第三致动元件150适于驱动第三转动部118沿第三转动轴线A3相对第二转动部116转动。第四致动元件160固定于基座120并耦接于主体112，以适于驱动主体112相对基座120移动。

在此配置方式之下，第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150分别独立地驱动第一转动部114、第二转动部116及第三转动部118，而提供了三个转动自由度的作动。此外，第四致动元件160则提供了手腕模块110三个自由度的移动自由度，使并联机器人100共具有六个作动自由度。

特别的是，由于第三转动轴线A3通过第一转动轴线A1与第二转动轴线A2的交点，因此当手腕模块如图1、图2及图4所示状态时，第一转动轴线A1与第三转动轴线A3共轴，且当第二转动部116沿第二转动轴线A2相对第一转动部114转动至其它角度时，第三转动部118仍会位于第一转动轴线A1上。由此，可降低第三转动部118转动时相对整体结构产生的力矩，进而提升手腕模块110的作动平衡性和控制性。

请参考图4，进一步而言，手腕模块110还包括第一转轴113、第二转轴115及第三转轴117。主体112具有沿第一转动轴线A1延伸的第一轴孔112a。第一转轴113穿过第一轴孔112a而沿第一转动轴线A1枢接于主体112，且具有沿第一转动轴线A1延伸的第二轴孔113a。第二转轴115穿过第二轴孔113a而沿第一转动轴线A1枢接于第一转轴113，且具有沿第一转动轴线A1延伸的第三轴孔115a。第三转轴117穿过第三轴孔115a而沿第一转动轴线A1枢接于第二转轴115。

第一转轴113耦接于图1所示的第一致动元件130且固接于第一转动部114，以使第一致动元件130适于通过第一转轴113驱动第一转动部114作动。第二转轴115耦接于图1所示的第二致动元件140与第二转动部116之间，以使第二致动元件140适于通过第二转轴115驱动第二转动部116作动。第三转轴118耦接于图1所示的第三致动元件150与第三转动部118之间，以使第三致动元件150适于通过第三转轴117驱动第三转动部118作动。值得注意的是，第一转轴113、第二转轴115及第三转轴118是以共轴的方式相互套设，而可节省配置空间。

此外，手腕模块110还包括第一轴承B1、第二轴承B2及第三轴承B3。第一轴承B1配置于第一轴孔112a内壁而位于主体112与第一转轴113之间，第二轴承B2配置于第二轴孔113a内壁而位于第一转轴113与第二转轴115之间，且第三轴承B3配置于第三轴孔115a内壁而位于第二转轴115与第三转轴117之间。通过第一轴承B1、第二轴承B2及第三轴承B3的配置，以利主体112、第一转轴113、第二转轴115及第三转轴117的相对转动。

如图2所示，在本实施例中，手腕模块110还包括第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b、第三主动齿轮110c、第一从动齿轮110d、第二从动齿轮110e及第三从动齿轮110f。第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b及第三主动齿轮110c配置于主体112并分别耦接于第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150。第一从动齿轮110d、第二从动齿轮110e及第三从动齿轮110f分别固定于第一转轴113、第二转轴115及第三转轴117，并分别啮合于第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b及第三主动齿轮110c。由此，可使第一致动元件130适于通过第一主动齿轮110a及第一从动齿轮110d驱动第一转轴113作动，使第二致动元件140适于通过第二主动齿轮110b及第二从动齿轮110e驱动第二转轴115作动，且使第三致动元件150适于通过第三主动齿轮110c及第三从动齿轮110f驱动第三转轴117作动。

如图1及图2所示，在本实施例中，并联机器人还包括连杆组180(绘示为三组)。连杆组180连接于第四致动元件160与主体112之间，使第四致动元件160适于驱动手腕模块110相对基座120移动。详细而言，三组连杆组180构成了三角形机构(delta mechanism)，以驱动主体112在空间中进行三维的平移，并可避免主体112倾斜。

图5为图1的并联机器人的部分构件立体图。请参考图1、图2及图5，本实施例的并联机器人100还包括三个伸缩臂170。如图5所示，各伸缩臂170包括第一万向接头172(也绘示于图4)、第二万向接头174、第一杆件176及第二杆件178。第一万向接头172分别连接于图4所示的第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b及第三主动齿轮110c。第二万向接头174分别连接于图1所示的第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150。第一杆件176连接于第一万向接头172与第二万向接头174其中之一(绘示为连接于第一万向接头172)。第二杆件178连接于第一万向接头172与第二万向接头174其中之另一(绘示为连接于第二万向接头174)，且沿伸缩轴线A4可伸缩地连接于第一杆件176。由此，可使第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150适于分别通过伸缩臂170驱动第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b及第三主动齿轮110c作动。此外，第一杆件176与第二杆件178的相对伸缩可提供手腕模块110相对基座120移动的自由度。

另一方面，如图4所示，本实施例的手腕模块110还包括第一齿轮组110g及第二齿轮组110h。第一齿轮组110g配置于第一转动部114并耦接于第二转轴115与第二转动部116之间，以使第二转轴115适于通过第一齿轮组110g驱动第二转动部116作动。第二齿轮组110h配置于第一转动部114并耦接于第三转轴117与第三转动部118之间，以使第三转轴117适于通过第二齿轮组110h驱动第三转动部118作动。

详细而言，本实施例的第一齿轮组110g包括依序耦接的斜齿轮G1、斜齿轮G2、平齿轮G3及平齿轮G4，以使第二转轴115适于通过斜齿轮G1、斜齿轮G2、平齿轮G3及平齿轮G4驱动第二转动部116作动。本实施例的第二齿轮组110h包括依序耦接的斜齿轮G5、斜齿轮G6、平齿轮G7、平齿轮G8、斜齿轮G9及斜齿轮G10，以使第三转轴117适于通过斜齿轮G5、斜齿轮G6、平齿轮G7、平齿轮G8、斜齿轮G9及斜齿轮G10驱动第三转动部118作动。

整体而言，第一致动元件130是依序通过伸缩杆170、第一主动齿轮110a、第一从动齿轮110d及第一转轴113来带动第一转动部114沿第一转动轴线A1相对主体112转动。第二致动元件140是依序通过伸缩杆170、第二主动齿轮110b、第二从动齿轮110e、第二转轴115及第一齿轮组110g来带动第二转动部116沿第二转动轴线A2相对第一转动部114转动。第三致动元件150是依序通过伸缩杆170、第三主动齿轮110c、第三从动齿轮110f、第三转轴117及第二齿轮组110h来带动第三转动部118沿第三转动轴线A3相对第二转动部116转动。

图6为图5的伸缩臂的局部剖视图。请参考图5及图6，在本实施例中，第一杆件176具有滑孔176a。滑孔176a内壁具有沿伸缩轴线A4排列的多个滚珠176b。第二杆件178表面具有沿伸缩轴线A4延伸的导槽178a。第二杆件178沿伸缩轴线A4伸入滑孔176a，而使滚珠176b位于导槽178a内并适于沿导槽178a滚动。滚珠176b与导槽178a之间的结构性干涉阻止第一杆件176与第二杆件178沿伸缩轴线A4相对转动，以使第一致动元件130、第二致动元件140及第三致动元件150可确实地通过伸缩臂170分别带动第一主动齿轮110a、第二主动齿轮110b及第三主动齿轮110c作动。此外，滚珠176b的配置也可降低第一杆件176与第二杆件178之间的摩擦力，以利第一杆件176与第二杆件178的相对滑动。

图7为本发明另一实施例的伸缩臂的剖视图。请参考图7，在本实施例的伸缩臂270中，第一杆件276具有滑孔276a，滑孔276a为非圆形孔(绘示为方形孔)。第二杆件278具有对应于滑孔276a的非圆形截面(绘示为方形截面)。第二杆件278沿伸缩轴线A5(垂直于纸面)伸入滑孔276a。由于滑孔276a为非圆形孔且第二杆件278具有非圆形截面，因此滑孔276a与第二杆件278之间的结构性干涉可阻止第一杆件276与第二杆件278沿伸缩轴线A5相对转动。

综上所述，本发明的第一转动部适于沿第一转动轴线相对主体转动，第二转动部适于沿第二转动轴线相对第一转动部转动，且第三转动部适于沿第三转动轴线相对第二转动部转动。由于第三转动轴线通过第一转动轴线与第二转动轴线的交点，因此可降低第三转动部转动时相对整体结构产生的力矩，进而提升手腕模块的作动平衡性和控制性。此外，配置于手腕模块内的第一转轴、第二转轴及第三转轴是以共轴的方式相互套设，而可节省配置空间。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (6)

1.一种并联机器人，包括：

手腕模块，包括：

主体；

第一转动部，沿一第一转动轴线枢接于该主体；

第二转动部，沿垂直该第一转动轴线的一第二转动轴线枢接于该第一转动部；

第三转动部，沿垂直该第二转动轴线的一第三转动轴线枢接于该第二转动部，其中该第三转动轴线通过该第一转动轴线与该第二转动轴线的交点；

基座；

第一、第二及第三致动元件，固定于该基座并分别耦接于该第一转动部、该第二转动部及该第三转动部，其中该第一致动元件适于驱动该第一转动部沿该第一转动轴线相对该主体转动，该第二致动元件适于驱动该第二转动部沿该第二转动轴线相对该第一转动部转动，该第三致动元件适于驱动该第三转动部沿该第三转动轴线相对该第二转动部转动；

至少一第四致动元件，固定于该基座并耦接于该主体，其中该第四致动元件适于驱动该主体相对该基座移动；以及

三个伸缩臂，

其中所述手腕模块还包括：

第一转轴，该主体具有沿该第一转动轴线延伸的一第一轴孔，该第一转轴穿过该第一轴孔而沿该第一转动轴线枢接于该主体，且具有沿该第一转动轴线延伸的一第二轴孔，该第一转轴耦接于该第一致动元件且固接于该第一转动部；

第二转轴，穿过该第二轴孔而沿该第一转动轴线枢接于该第一转轴，且具有沿该第一转动轴线延伸的一第三轴孔，其中该第二转轴耦接于该第二致动元件与该第二转动部之间；

第三转轴，穿过该第三轴孔而沿该第一转动轴线枢接于该第二转轴，其中该第三转轴耦接于该第三致动元件与该第三转动部之间；

第一、第二及第三主动齿轮，其均配置于该主体上并分别耦接于该第一、该第二及该第三致动元件；以及

第一、第二及第三从动齿轮，其分别固定于该第一、该第二及该第三转轴，并分别啮合于该第一、该第二及该第三主动齿轮；

各该伸缩臂包括：

第一万向接头，该些第一万向接头分别连接于该第一、该第二及该第三主动齿轮；

第二万向接头，该些第二万向接头分别连接于该第一、该第二及该第三致动元件；

第一杆件，连接于该第一万向接头与该第二万向接头其中之一；和

第二杆件，连接于该第一万向接头与该第二万向接头其中之另一，且沿一伸缩轴线可伸缩地连接于该第一杆件。

2.如权利要求1所述的并联机器人，其中该第一杆件具有滑孔，该滑孔内壁具有沿该伸缩轴线排列的多个滚珠，该第二杆件表面具有沿该伸缩轴线延伸的一导槽，该第二杆件沿该伸缩轴线伸入该滑孔，而使该些滚珠位于该导槽内并适于沿该导槽滚动，该些滚珠与该导槽之间的结构性干涉阻止该第一杆件与该第二杆件沿该伸缩轴线相对转动。

3.如权利要求1所述的并联机器人，其中该第一杆件具有滑孔，该滑孔为非圆形孔，该第二杆件具有对应于该滑孔的非圆形截面，该第二杆件沿该伸缩轴线伸入该滑孔，该滑孔与该第二杆件之间的结构性干涉阻止该第一杆件与该第二杆件沿该伸缩轴线相对转动。

4.如权利要求1所述的并联机器人，其中该手腕模块还包括：

第一齿轮组，配置于该第一转动部并耦接于该第二转轴与该第二转动部之间，其中该第一齿轮组包括斜齿轮与平齿轮；以及

第二齿轮组，配置于该第一转动部并耦接于该第三转轴与该第三转动部之间，其中该第二齿轮组包括斜齿轮与平齿轮。

5.如权利要求1所述的并联机器人，其中该手腕模块还包括：

第一轴承，配置于该第一轴孔内壁而位于该主体与该第一转轴之间；

第二轴承，配置于该第二轴孔内壁而位于该第一转轴与该第二转轴之间；以及

第三轴承，配置于该第三轴孔内壁而位于该第二转轴与该第三转轴之间。

6.如权利要求1所述的并联机器人，还包括多组连杆组，其中该些连杆组连接于该第四致动元件与该主体之间。