CN102811843A

CN102811843A - 工业机器人、用于该工业机器人的组件系统以及用于组装该工业机器人的方法

Info

Publication number: CN102811843A
Application number: CN2010800643650A
Authority: CN
Inventors: 冯小龙; 乔纳斯·拉森; 简·拉森
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-12-05
Also published as: WO2012028197A1

Abstract

本发明涉及一种具有电缆配线和至少一个半中空关节的工业机器人。半中空关节具有驱动链，所述驱动链具有齿轮箱和另外的操作组件，所述另外的操作组件包括电机。所述电缆配线围绕所述另外的组件外部地延伸并且在所述齿轮箱内部地延伸。根据本发明，所述机器人具有至少7个DOF并且包括至少两个关节模块(2、3)。每个所述关节模块包括用于各自的轴(A2、A3；A4、A5)的第一半中空关节和第二半中空关节。本发明还涉及用于该机器人的组件系统。该系统具有关节模块集合。本发明还涉及用于组装工业机器人的方法。

Description

工业机器人、用于该工业机器人的组件系统以及用于组装该工业机器人的方法

技术领域

本发明在第一方面涉及具有电缆配线和至少一个半中空关节的工业机器人，其中半中空关节具有驱动链，该驱动链具有齿轮箱和另外的操作组件，该另外的操作组件包括电机，从而该电缆配线围绕所述另外的组件外部地延伸并且在该齿轮箱内部地延伸。

本发明还涉及用于工业机器人的组件系统。

在另一方面，本发明涉及用于组装具有电缆配线和至少一个半中空关节的工业机器人的方法，其中半中空关节具有驱动链，该驱动链具有齿轮箱和另外的操作组件，该另外的操作组件包括电机，从而该电缆配线围绕所述另外的组件外部地延伸并且在该齿轮箱内部地延伸，该机器人具有至少7个DOF(自由度)。

背景技术

所讨论的这类型工业机器人具有大量关节以便实现对应数量的移动轴并且其表示机器人的操作的DOF的数量。对于大部分工业机器人，DOF是5或6。但是，今日还制造了具有更高数量的DOF例如7个DOF的机器人。工业机器人的轴通常被标号为轴1、轴2、轴3等等。通常轴1意味着机器人的台架相对于机器人底座的旋转轴，并且最靠近工具的轴是号数最大的轴。将在本申请中应用该术语。

每个关节具有用于执行相对于所讨论的关节的必要的运动的组件。这些组件通常包括具有齿轮箱和电机的驱动链。还有必要提供包括电缆线的电缆配线以对每个关节的致动器供电并且处理电缆线以向机器人的工具接口传输加压空气或一些类型的处理流体。电缆配线必须穿过关节以便到达更靠近工作工具的关节。通常，电缆配线要么是外部的即其在该关节的组件的外部延伸要么是内部地经过这些组件的内部。

外部电缆配线是简单的选择，但是具有将使得该电缆配线暴露于环境的缺点，这招致损坏电缆配线的风险，并且还可能危及靠近该机器人工作的人员。因此围绕在关节组件外部的电缆配线配置各种类型的保护物是普遍的。

内部电缆配线更加复杂并且消除了与外部电缆配线相关的缺点。但是这需要关节的组件被做成中空的以便允许电缆配线延伸经过它们。这增加了这些组件的成本。在EP 612591、EP 1930129和US 5155423中披露了该中空轴关节的实例。

可以将外部与内部电缆配线之间的混合作为一个考虑的选择，从而电缆配线在关节的驱动链的组件中一个或一些组件的外部延伸并且在那些组件中的其他组件内部延伸。在该技术方案中，电缆配线在驱动链的齿轮箱之中内部地延伸并且围绕电机和该驱动链的其他组件外部地延伸。提供用于内部电缆配线的中空齿轮箱通常不会严重增加成本，而对于中空电机的成本增加却相当高。这是因为中空轴电机的应用区域相当有限，这使得在市场上获得该电机的成本非常高。此外，集成的紧凑型中空轴齿轮箱加电机单元甚至可以在工业中得以应用并且进一步增加获得该集成中空轴动力单元的成本。通过集成意味着将齿轮箱、电机、闸和位置传感器集成在一个单元中。通过混合技术方案，电缆配线将因此是部分地内部的，具有与其相关的优点，但是成本将是合理的，因为该电机不是中空的。从而，实现了功能和成本之间的有利的折中。

在US 5606235、US 6250174、US 2006179964、US 2008258402、US 2008264195和US 2009124446中公开了具有组合的内部和外部电缆配线的该半中空关节的实例。在这些公开的一些公开中，在用于两个连续的轴的关节处应用该半中空关节。

组装具有多个DOF的工业机器人是个费时的任务，其需要它的零件精确并且详细的装配。具体而言，这是当关节被做成如上所述允许部分内部电缆配线的情况。这导致机器人的高制造成本。

发明内容

本发明的目的在于解决该问题并且获得可以以合理的方式制造并且组装的机器人。

根据本发明的第一方面实现该目的，一种最初所指定的类型的工业机器人包括以下具体特征，该机器人具有至少7个DOF并且包括至少两个关节模块，从而每个所述关节模块包括用于各自的旋转轴的第一和第二半中空关节。

由于该机器人具有7个DOF，所以其比常规的5或6DOF机器人关于操作范围和操作任务更加灵活。通过形成用于关节的模块，其中每个模块具有两个轴，很大程度上降低了由于DOF的数量增加和半中空关节的使用导致的机器人的组装复杂度的增加。可以非常合理的组装具有两个该双轴模块的机器人并且相邻的轴之间的关系具有高准确度。该模块还降低了装配错误的风险。本发明的机器人因此具有高性能质量和部分内部电缆配线的优点而不会严重增加他的制造成本。

根据本发明的机器人的一个实施方式，该机器人包括三个该模块。

这进一步助于机器人应用中的该机器人的合理制造，其中在该机器人应用中轴之间的关系使得可以使用第三个双轴模块并且其他考虑不妨碍这个使用。该三个关节模块可以用于轴2+3、轴4+5和轴6+7。

根据另一个实施方式，每个关节模块包括用于封装该外部延伸的电缆配线的保护罩。

利用本发明的机器人的模块，降低了对于保护电缆配线以免影响环境的需要但是未完全消除。但是，用于半中空关节的保护罩将不如仅具有外部电缆配线的关节复杂，并且并入该保护罩作为该模块的集成部分表示另一个高度合理化的步骤。可以将该保护罩分割成两个或更多个罩单元。

根据另一个实施方式，一个关节模块包括轴2和轴3，并且另一个关节模块包括轴4和轴5。

这两对轴通常是最适用于根据本发明的原理的模块化的轴。当关节模块是两个相邻的模块时，由于当将这些关节彼此相连时的配合，本发明的优点将更加突出。

根据另一个实施方式，至少两个关节模块具有相同的配置即是相同的或者相对彼此成比例的。

从而获得了增加的标准化，这进一步简化了组装以及用于保持该模块的贮藏。

根据另一个实施方式，该关节模块是彼此相同的。

这是用于简化和合理化的另一个步骤。

根据另一个实施方式，该关节模块彼此仅有尺寸不同。

该实施方式不如以上刚刚所述实施方式简单，但是其更好地适用于这样一种机器人，其中在该机器人中可以将具有号数更高的轴的关节模块制造得小于具有号数更低的轴的关节模块，这是常见的情况。由于除了尺寸之外该关节模块在全部其他方面都相同，所以将仍然具有标准化的优点。

一种用于工业机器人的组件系统也实现本发明的目的，该工业机器人的组件系统包括一个关节模块集合，每个模块包括用于各自的旋转轴的第一和第二半中空关节。

通过该系统，可以高度合理化机器人的组装。

根据本发明的系统的一个实施方式，该集合中全部关节模块具有相同的配置。

根据另一个实施方式，该集合包括彼此相同的关节模块并且/或者包括彼此仅仅尺寸不同的关节模块。

该系统的这些优选实施方式提供了用于组装机器人的非常合理的方式，因为适当的关节模块将即刻准备被连接到机器人的其他部分。在许多情况中，要制造不同尺寸的机器人，从而该关节模块集合具有特别的优点。例如，具有一个并且相同尺寸的一个关节模块可以用于较小的机器人中的一个关节模块，例如用于轴2和3的关节模块，并且可以用于较大的机器人中的另一个关节模块，例如用于轴4和5的关节模块。

根据本发明的另一方面，用前文指定的那种类型的方法实现该目的，该方法包括通过提供至少两个关节模块并且通过将关节模块连接到机器人的其他部分来组装机器人的具体措施，每个关节模块包括用于各自的旋转轴的第一和第二半中空关节。

根据本发明的方法的一个实施方式，提供了一个关节模块集合，并且从该集合中选择至少两个关节。

根据另一个实施方式，该集合包括具有相同配置的关节模块。该关节模块可以彼此相同或者可以相对于彼此仅仅具有不同尺寸。

根据另一个实施方式，该方法用于组装具有不同尺寸的多个机器人。

根据另一个实施方式，该多个机器人包括这样一种机器人，其中在该机器人中该两个关节模块包括较大模块和较小模块，从而对于尺寸不同的两个机器人，对于该较小机器人的轴2和轴3并且对于该较大机器人的轴4和轴5选择尺寸相同的关节模块。

如上所述，本发明的方法及其实施方式具有本发明的机器人以及组件系统以及它们的实施方式具有相同的类型的优点。

在从属权利要求中限定了本发明的上述实施方式。要理解，通过以上实施方式的任意可能的组合并且通过下文的实例的描述中提及的这些以及其他特征的任意可能的组合自然可以构造其他实施方式。

将通过本发明的实例的以下详细描述并且参考附图来进一步解释本发明。

附图说明

图1是根据本发明的工业机器人的透视图；

图2和3是根据本发明的工业机器人的其他实例透视图；

图4到7是根据本发明的一个实例的图1中的机器人的细节的不同的透视图；

图8到13是与图4到7之一相对应的细节的不同的透视图，但是示出了可替换的实例；

图14示意性地示出了根据本发明的系统；以及

图15和16示意性地示出了根据本发明用于组装工业机器人的原理。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的工业机器人。该机器人具有7个DOF。用虚线来标记机器人的7个旋转轴并且将它们指示为A1到A7，从机器人的底座到机器人的工具端连续地标号。与常规6DOF机器人相比，该图中的该机器人的不同之处在于出现额外的轴A3。但是，在本申请中的术语未将该轴标记为第七轴而是将其标记为第三轴A3以实现上下文清楚。

轴A1因此是与底座1相关的旋转关节的轴，并且轴A6和A7是腕关节4的轴。轴A2和A3被一同设置在第一关节模块2中，并且轴A4和A5被设置在第二关节模块3中。第一关节模块2具有用于将其连接到底座1的一个接口以及用于将其连接到第二关节模块3的另一个接口。类似地第二关节模块具有用于将其连接到第一模块的一个接口以及用于将其连接到腕关节4的另一个接口。

可以预制模块2、3，并且当组装机器人时可以将模块2、3简单地彼此连接并且分别连接到底座1和腕关节4。

在所示实例中，模块2和3具有大体上相同的配置，但是彼此尺寸不同。可选择地，可以使用尺寸相等的模块。在本发明的范围中，模块可以具有不同的构造。

在图1的实例中，腕关节4是具有集成中空轴伺服致动器的模块，其中，齿轮箱、电机、闸和位置传感器都是中空设计的。从而，从底座1到机器人的工具端始终都给出良好保护的电缆配线，因为该电缆配线在全部齿轮箱的内部延伸并且如若不然则受到模块2和3的每一个的罩的保护。

但是腕关节4可选择地可以是不同于根据半中空概念的另一种类型并且是例如全中空轴类型。图2和图3示出了另外两个实例，在该两个实例中腕关节具有另一种类型。在图2中腕关节4a是用于低材料成本和低紧凑度的传统腕关节。在图3中腕关节4b具有更简单的设计，当与传统腕关节相比时具有更少数量的组件。

将参考图4到7来更详细地解释关节模块的构造，其中图4到7显示了图1中的机器人的第一模块2的各种透视图。图4和5的视图来自相同的观察点。在图6的视图中，将该模块围绕垂直轴旋转180度并且在图7中将该模块从图6中的位置旋转大约45度，同时将保护罩做成透明的。

关节模块2具有第一连接部分22和第二连接部分28，其中借助第一连接部分22将该模块连接到底座1(见图1)并且借助第二连接部分28将该模块2连接到4/5轴模块3(见图1)。第一段23容纳轴A2的电机并且第二段24容纳该轴的齿轮箱35。这两个段23、24属于相同的结构部分。轴A2的电机31在图5中可见并且具有集成的闸和位置传感器。由罩单元29覆盖段23。在罩单元29内部，电缆配线围绕电机31延伸并且延伸进入段24中的齿轮箱35的中心孔32。为了清楚起见，在图中未给出电缆配线。轴A2是倾斜轴，其中可以围绕轴A2转动第三段25。将段25连接到容纳用于第三轴A3的电机36(见图7)的第四段26。将第五段27连接到段26。在段27中，装配第三轴A3的齿轮箱34。这些段25、26、27属于相同的结构部分。第三轴是滚动轴，机器人的外部部分可以围绕该轴转动。齿轮箱34端接到连接部分28中。来自A2的齿轮箱35的中心孔32的电缆配线穿过段25，围绕段26之中的电机，经过A3的齿轮箱34中的孔33并且随后进入下一个关节模块。罩单元30保护段25之中的电缆配线。

关节模块3与上述关节模块2具有基本上相同的配置，但是区别在于末端部分改为适用于分别连接到第二关节模块和腕关节。

当然可以用各种方式构造并且配置本发明的机器人中的关节模块。在图8到13中示出了该关节模块的另一个实例并且其可以用于图1中的机器人的关节模块2、3。这些图从不同的方向显示了同一关节模块的透视图，并且在其中一些图中省略了一些部件。

图8到13的关节模块是用于图1中的机器人的关节模块2的替换。第一段43具有连接部分42，借助连接部分42将该模块连接到底座1，并且第一段42具有用于保护电缆配线的罩单元49。在该模块的另一端，存在用于到模块3的连接的第二连接部分48，其可以被类似地配置。

被装配在第二段44中的齿轮箱55提供围绕倾斜轴A2相对第一段43的旋转。在第三段45中，放置用于轴A2的电机51。在第四段中放置用于轴A3的电机56。由罩单元50覆盖段45，并且段45和46一起形成用于两个电机51、56的公共外壳。在第五段47中，装配轴A3的齿轮箱，其中轴A3是滚动轴。段44、45、46、47都属于相同的结构部分。

电缆配线(未显示)从底座延伸经过保护罩单元49内部的段43。此后，电缆配线延伸经过轴A2的齿轮箱55的孔52，在段45、46中的电机51、56外部经过段45、46并且随后经过轴A3的齿轮箱54的孔53，其中电缆配线从孔53到达下一个关节模块3。

根据本发明的机器人的模块原理提供了用于制造并且组装机器人的合理方式。为此目的，保持预先组装的关节模块集合的贮藏是有利的。图14示意性地示出了这样的关节模块的集合100。该集合包括第一组相同的关节模块101和第二组相同的关节模块102。第一组中的模块101具有比第二组中的模块102更大的尺寸但是在构造和配置上类似。

由于该模块概念，当制造相同构造的但是尺寸不同的机器人时，本发明的机器人提供非常合理的制造方式。图15和16分别示意性地示出了较大和较小的机器人。图15中的较大的机器人具有底座B1、用于轴2和3的第一关节模块M1、用于轴4和5的第二关节模块M2以及腕关节W1。图16中的较小的机器人具有对应的部分。用于较小的机器人的轴2和3的关节模块M2与用于较大的机器人的轴4和5的关节模块M2相同，即不仅配置相同而且尺寸相同。

图15和16所示的组装概念当然可以被进一步发展并且更复杂。可以将其用于在一个系列中具有多于两个不同尺寸的机器人并且可以将其应用于比仅有一个模块相同的所示实例更大的范围。

Claims

1.一种具有电缆配线和至少一个半中空关节的工业机器人，其中半中空关节具有驱动链，所述驱动链具有齿轮箱(34、35、54、55)和另外的操作组件，所述另外的操作组件包括电机(13、36、51、56)，从而所述电缆配线围绕所述另外的组件外部地延伸并且在所述齿轮箱(34、35、54、55)内部地延伸，其特征在于，所述机器人具有至少7个DOF并且包括至少两个关节模块(2、3)，从而每个所述关节模块(2、3)包括用于各自的旋转轴(A2、A3；A4、A5)的第一半中空关节和第二半中空关节。

2.如权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述机器人包括三个该关节模块。

3.如权利要求1或2所述的工业机器人，其特征在于，每个关节模块(2、3)包括用于封装所述外部延伸的电缆配线的保护罩(29、30、49、50)。

4.如权利要求1或3所述的工业机器人，其特征在于，一个关节模块(2)包括轴2和轴3，并且另一个关节模块(3)包括轴4和轴5。

5.如权利要求1到4中的任意一个所述的工业机器人，其特征在于，至少两个所述关节模块(2、3)具有相同的配置。

6.如权利要求5所述的工业机器人，其特征在于，所述关节模块(2、3)是彼此相同的。

7.如权利要求5所述的工业机器人，其特征在于，所述关节模块(2、3)具有不同尺寸。

8.一种用于工业机器人的组件系统，其特征在于，所述系统包括关节模块(101、102)的集合(100)，每个模块包括用于各自的旋转轴的第一半中空关节和第二半中空关节。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述集合(100)中全部关节模块(101、102)具有相同的配置。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述集合(100)包括彼此相同的关节模块和/或包括彼此仅仅尺寸不同的关节模块。

11.一种用于组装具有电缆配线和至少一个半中空关节的工业机器人的方法，其中半中空关节具有驱动链，所述驱动链具有齿轮箱和另外的操作组件，所述另外的操作组件包括电机，从而所述电缆配线围绕所述另外的组件外部地延伸并且在所述齿轮箱内部地延伸，所述机器人具有至少7个DOF，其特征在于，通过提供至少两个关节模块并且通过将关节模块连接到机器人的其他部分来组装机器人，每个关节模块包括用于各自的旋转轴的第一半中空关节和第二半中空关节。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，提供关节模块的集合，并且从所述集合中选择至少两个关节模块。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述集合包括具有相同配置的关节模块。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述集合包括相同的关节模块。

15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述关节模块的集合包括不同尺寸的关节模块。

16.如权利要求12-15中的任意一个所述的方法，其特征在于，所述方法包括组装具有不同尺寸的多个机器人。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个机器人包括这样一种机器人，其中在所述机器人中所述两个关节模块包括较大模块和较小模块，从而对于尺寸不同的两个机器人，对于所述较小机器人的轴2和轴3并且对于所述较大机器人的轴4和轴5选择尺寸相同的关节模块。