CN103895013B - 平面关节型机器人驱动机构及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种平面关节型机器人驱动机构及其驱动方法。平面关节型机器人驱动机构包含有一本体、一关节旋臂、一水平旋臂、一线性马达线圈及一垂直磁化轴。前述关节旋臂枢装在本体上，而水平旋臂则枢装在关节旋臂上。线性马达线圈则安装在水平旋臂上。前述垂直磁化轴通过线性马达线圈而产生一非接触磁力，且垂直磁化轴在水平旋臂上被线性马达线圈往复带动。

Description

平面关节型机器人驱动机构及其驱动方法

技术领域

本发明是有关于一种机器人驱动机构及其驱动方法，且特别是有关于一种平面关节型机器人驱动机构及其驱动方法。

背景技术

传统的平面关节型机器人运用一水平旋臂在一本体上进行水平面上的旋转位移，又或是利用多根水平旋臂彼此衔接后定位在本体上，以达成更复杂的水平面位移运动。前述平面关节型机器人皆必须在水平旋臂（若多根衔接水平旋臂则指最末的水平旋臂）最末端上制作一垂直轴向的工作轴，此工作轴通常必须执行垂直升降与旋转二种运动。

前述工作轴的设计复杂且结构繁多，现今市场上最常见的工作轴包含二马达、一线性滑轨(LinearWayorGuide)、一滚珠螺杆(BallScrew)、及一滚珠花键(BallSpline)设计，前述马达、线性滑轨、滚珠螺杆、及滚珠花键皆安装在水平旋臂最末端，利用其一马达带动滚珠螺杆产生升降动作，而另一马达则带动滚珠花键旋转，运用前述机构同步配合后，方能达成习用工作轴垂直升降与旋转的二种工作需求。但是，前述设计仍会遇到以下问题：

其一，二台马达及新增线性滑轨的结构复杂，元件成本也随之提升。

其二，前述习用设计二台马达及线性滑轨的重量将会造成平面关节型机器人末端水平旋臂的较大负荷，而重量加重造成的运动惯量增加，更让水平旋臂稳定性及驱动能量皆产生问题。

其三，此习用利用其中一台马达带动滚珠螺杆产生升降动作，而另一台马达则带动滚珠花键旋转，二台马达配合各项机构的软硬体控制也十分复杂；而前述习用组装、保养及维修的成本更会同步提升。

而目前也有另一种习用工作轴能进行垂直升降与旋转的二种运动，第二种习用技术是在工作轴上制作一滚珠螺杆沟槽(BallScrewGroove)及一滚珠花键沟槽(BallSplineGroove)，并且利用二台马达分别带动工作轴的滚珠螺杆衬套(BallScrewNut)及滚珠花键衬套(BallSplineNut)，借此也能达成习用工作轴垂直升降与旋转的二种工作需求。但是，第二种习用技术仍遇到以下问题：

其一，在工作轴上制作一滚珠螺杆沟槽及一滚珠花键沟槽，会使此工作轴的制作难度增加，此种高复杂性及高精密要求的元件成本更会大幅提升。

其二，前述习用设计二台马达的重量还是造成平面关节型机器人末端水平旋臂的较大负荷，而重量加重造成的运动惯量增加，更让水平旋臂稳定性及驱动能量皆产生问题。

其三，此习用工作轴上制作一滚珠螺杆沟槽及一滚珠花键沟槽，再以二台马达搭配驱动一滚珠螺杆衬套与一滚珠花键衬套，此种组装难度高。而利用二台马达进行升降及旋转动作时，二台马达同步配合各项机构的软硬体控制也十分复杂；故第二种习用技术的组装、保养及维修成本也难以降低。

以第一种习用来说，使用元件包含滚珠螺杆、线轨、滚珠花键、伺服马达、伺服马达驱动器等高价的精密机构。而第二种习用使用元件包含一支同时具备一滚珠螺杆沟槽及一滚珠花键沟槽的工作轴、伺服马达、伺服马达驱动器等高价的精密机构。若是以第一种习用成本为1个基数，则第二种习用的成本更是高达2个基数以上。因此，由于平面关节型机器人对于自动化生产厂房的重要性愈来愈高，现今高价、复杂且稳定性较差的平面关节型机器人已无法满足产业需求。故本发明人经过长时间的开发研究，终能获得此全新平面关节型机器人驱动机构及其方法。

发明内容

本发明的一方面是在提供一种平面关节型机器人驱动机构，在避免使用大重量马达及复杂机构的设计下，利用线性马达线圈取代传统马达，并且运用垂直磁化轴的磁化产生非接触带动；不仅反应灵敏、重量减轻，且元件制造组装成本降低。本发明的平面关节型机器人驱动机构包含有一本体、一关节旋臂、一水平旋臂、一线性马达线圈及一垂直磁化轴。前述关节旋臂枢装在本体上，而水平旋臂则枢装在关节旋臂上。线性马达线圈则安装在水平旋臂上。前述垂直磁化轴通过线性马达线圈而产生一非接触磁力，且垂直磁化轴在水平旋臂上被线性马达线圈往复带动。

依据本发明结构方面的一实施例，本发明的平面关节型机器人驱动机构可以另包含一旋转轴套，旋转轴套安装在水平旋臂上，且旋转轴套带动垂直磁化轴进行旋转。另可以加装一光学读取单元，光学读取单元可旋转地装设在旋转轴套上，且光学读取单元相对应被旋转轴套带动旋转；而垂直磁化轴上则设有一光学尺，且光学尺沿垂直磁化轴轴向延伸，通过光学读取单元可以读取光学尺数据，以供使用者判断垂直磁化轴的升降位置。

依据本发明结构方面的另一实施例，本发明的平面关节型机器人驱动机构包含有一本体、一关节旋臂、一水平旋臂、一线性马达线圈、一防落装置及一垂直磁化轴。前述关节旋臂枢装在本体上，而水平旋臂则枢装在关节旋臂上。线性马达线圈则被安装在水平旋臂上。防落装置相对应线性马达线圈被安装在水平旋臂上，且防落装置具有可松紧变化的夹迫空间；前述垂直磁化轴通过线性马达线圈而产生一非接触磁力，且垂直磁化轴一并通过夹迫空间，而垂直磁化轴在水平旋臂上被线性马达线圈往复带动。

前述防落装置可以包含至少一座体、至少一电磁阀及至少一迫件。座体可以装设在水平旋臂上，且具有一夹迫空间。电磁阀则被安装在座体上。前述迫件相对应夹迫空间可位移地安装在座体内，且迫件被电磁阀带动而位移进入夹迫空间，迫件伸入夹迫空间后会抵迫定位垂直磁化轴，避免垂直磁化轴意外脱落。

在水平旋臂与座体之间衔接有一关节旋臂，能以进行水平旋转。前述关节旋臂也可以进行水平旋转以外的动作，例如：斜向旋摆、水平轴向旋转、伸缩等等动作。

本发明的另一方面是在提供一种平面关节型机器人驱动方法，应用于一平面关节型机器人上，本方法能避免使用大重量马达及复杂机构的设计下，利用非接触磁力带动取代传统马达的机械式带动，不仅反应灵敏、重量减轻，并且可让元件数量减少，更能降低制造组装成本。

前述平面关节型机器人驱动方法至少包含以下步骤：

配置一线性马达线圈于平面关节型机器人上；

配置一磁化轴，且以磁化轴通过线性马达线圈；供电线性马达线圈使磁化轴产生一非接触磁力；及

以线性马达线圈带动磁化轴于垂直方向位移。

依据本发明方法方面的另一实施例，本发明的磁化轴则为前述平面关节型机器人驱动机构的垂直磁化轴。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是绘示本发明实施例的立体外观图；

图2是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构将垂直磁化轴下降的侧视图；

图3是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构将垂直磁化轴升起的侧视图；

图4是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构的局部剖视图；

图5是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构的旋转轴套带动垂直磁化轴的平面示意图；

图6是绘示依照图5平面关节型机器人驱动机构的旋转轴套带动垂直磁化轴的旋转动作平面示意图；

图7A是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构的防落装置与垂直磁化轴的立体局部剖视图；

图7B是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构的防落装置与垂直磁化轴的剖视图；

图8是绘示本发明再一实施例的立体外观图；

图9是绘示本发明方法态样的实施例步骤图。

【主要元件符号说明】

具体实施方式

请参照图1-图5，图1绘示本发明实施例的立体外观图。而于图2是绘示将垂直磁化轴下降的侧视图。图3则是将垂直磁化轴升起的侧视图。图4是绘示依照图1平面关节型机器人驱动机构的局部剖视图。图5则提供旋转轴套带动垂直磁化轴的平面示意图。

本实施例的平面关节型机器人驱动机构包含有一本体100、一关节旋臂110，一水平旋臂200、一线性马达线圈组300、一垂直磁化轴400、一防落装置500及一光学读取单元600。前述关节旋臂110及水平旋臂200彼此水平衔接及水平旋摆运动；而各元件详细结构组态说明于下：

本体100被稳定定位在一预设位置，本体100内置有一第一轴马达(图中省略)。

关节旋臂110的一端枢装在本体100上，且关节旋臂110被第一轴马达带动而进行水平方向或非水平方向的旋摆位移。

水平旋臂200包含有一臂体210、一第二轴马达220、一旋转马达230及一旋转轴套240。臂体210的一端枢装在关节旋臂110的另一端，第二轴马达220用于驱动水平旋臂200相对关节旋臂110进行水平方向的旋摆位移。另在臂体210另一端开设有一通孔211。旋转马达230安装在臂体210上；而前述旋转轴套240安装在臂体210的通孔211上，且旋转轴套240具有一开口241，开口241相对应通孔211，另于开口241内凸出配置有数个带动部242（请一并参阅图5），带动部242经由旋转轴套240被旋转马达230带动旋转。前述旋转马达230及第二轴马达220皆以皮带配合皮带轮技术进行带动，前述的旋转马达230以皮带带动旋转轴套240内的滚珠花键衬套，再以滚珠花键衬套带动前述带动部242于开口241内环绕轴心方向旋转；前述带动部242于本实施例采用被带动旋转的滚珠形状(滚珠花键衬套与滚珠式带动部设计配合为习知技术，在此不多作赘述)。

线性马达线圈组300包含有一支座310、一线性马达线圈320，且线性马达线圈320被支座310稳定安装在臂体210上。而线性马达线圈320中央开设有一位移空间321，位移空间321对应开口241与通孔211。

垂直磁化轴400被磁化而具磁性，垂直磁化轴400通过开口241、通孔211及位移空间321，沿垂直磁化轴400轴向延伸制作多个滚珠花键沟槽410，并且沿垂直磁化轴400轴向延伸设有一光学尺420，前述滚珠花键沟槽410（作为被动部）受到带动部242挤迫而转动，通过滚珠花键沟槽410作为被动部也让垂直磁化轴400可随带动部242旋转而不被轴向位移（仅径向旋转连动而不轴向连动）。

防落装置500包含二座体510、二电磁阀520及二迫件530。二座体510相对向装设在水平旋臂200的臂体210上，且二座体510相对形成一夹迫空间501，且夹迫空间501供垂直磁化轴400通过。电磁阀520则被安装在座体510上。前述迫件530相对应夹迫空间501可位移地安装在座体510内，且迫件530具有一斜面531，该电磁阀520则以一推杆521抵顶斜面531，当平面关节型机器人驱动机构被意外断电时，可设定电磁阀520带动迫件530而位移进入夹迫空间501，二迫件530对向伸入夹迫空间501后恰能夹制抵迫垂直磁化轴400，避免垂直磁化轴400意外脱落。

一光学读取单元600装设在旋转轴套240上且随之旋转动作，且光学读取单元600相对应垂直磁化轴400上的光学尺420。通过光学读取单元600可以读取光学尺420上的数据，以供使用者判断垂直磁化轴400的升降位置。

再请参阅图6的平面关节型机器人驱动机构的旋转轴套带动垂直磁化轴的旋转动作平面示意图；配合图7A、图7B的防落装置与垂直磁化轴的剖视图，可以充份说明本发明的实施运作。

前述水平旋臂200通过关节旋臂110枢装在本体100上。线性马达线圈320则被安装在水平旋臂200上，而垂直磁化轴400被磁化而具磁性。因此，前述垂直磁化轴400通过线性马达线圈320的位移空间321而产生一非接触磁力，而让垂直磁化轴400精准进行升降动作。由于本发明此实施例利用线性马达线圈320与垂直磁化轴400搭配，能避免使用大重量马达安装在臂体210，更在非接触磁力式带动下避免传统机械带动机构安装在臂体210。故本发明实施方式不仅控制反应灵敏、重量与惯量减轻，并且可让元件数量减少，有效降低制造组装成本。

故本发明实施例的垂直磁化轴400利用线性马达线圈320精准进行升降动作；垂直磁化轴400又通过滚珠花键沟槽410作为被动部让垂直磁化轴400可随带动部242旋转而不被轴向位移。故本发明此实施例的垂直磁化轴400的确可以符合平面关节型机器人驱动机构在垂直轴进行旋转及升降运作的要求。

此外，针对升降控制的问题，本发明利用光学读取单元600装设在旋转轴套240上且随之旋转动作，通过光学读取单元600随同垂直磁化轴400同步旋转；故光学读取单元600可以读取光学尺420上的数据，以供使用者判断垂直磁化轴400的升降位置。此外，本发明实施例针对非接触磁力式带动的可能脱落问题也预做补充设计，当平面关节型机器人驱动机构被意外断电时，可设定电磁阀520带动迫件530而位移进入夹迫空间501，二迫件530对向伸入夹迫空间501后恰能夹制抵迫垂直磁化轴400，避免垂直磁化轴400意外脱落。

值得一提的是，本发明图8是绘示本发明再一实施例的立体外观图。由于本发明利用线性马达线圈320与垂直磁化轴400搭配，能避免使用大重量马达安装在臂体210，更在非接触磁力式带动下避免传统机械带动机构安装在臂体210。故此实施例可以在臂体210上安装三组线性马达线圈320。借此可以运用一台平面关节型机器人驱动机构进行三根垂直磁化轴400的作业，有效节省生产线的成本。同样以先前技术的第一种习用成本为1个基数，则第二种习用为了降低惯量的成本则提升高达2个基数以上。反观本发明实施例的成本在降低惯量的条件之下，仅使用一垂直磁化轴简单制作滚珠花键沟槽、线性马达线圈、线性马达驱动器与光学尺，故成本仍然可以维持在1个基数。

依据本发明方法方面的实施例步骤请参阅图9所绘示，并且直接引用前述结构方面的线性马达线圈320、垂直磁化轴400进行说明，本发明实施例的一种平面关节型机器人驱动方法应用于一平面关节型机器人上，至少包含以下步骤：

步骤710，配置一线性马达线圈320于平面关节型机器人上；

步骤720，磁化一垂直磁化轴400，且以垂直磁化轴400通过线性马达线圈320；

步骤730，供电线性马达线圈320使垂直磁化轴400产生一非接触磁力；以及

步骤740，线性马达线圈320带动垂直磁化轴400于垂直方向位移。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种平面关节型机器人驱动机构，包含一本体、一关节旋臂以及一水平旋臂，该关节旋臂枢装在该本体上，该水平旋臂枢装在该关节旋臂上，其特征在于，其包含：

一线性马达线圈，安装在该水平旋臂上；以及

一垂直磁化轴，通过该线性马达线圈而产生一非接触磁力，且该垂直磁化轴在该水平旋臂上被该线性马达线圈往复带动。

2.根据权利要求1所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，另包含：

一旋转轴套，安装在该水平旋臂上，且该旋转轴套具有一开口，另于该开口设有一带动部，该带动部于该开口处旋转作动；以及

该垂直磁化轴通过该开口，且该垂直磁化轴上设有一被动部，该被动部供该带动部可活动地配设，而该带动部通过该被动部旋转带动该垂直磁化轴。

3.根据权利要求2所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，该被动部沿该垂直磁化轴的轴向延伸，且该带动部与该被动部仅径向旋转连动而不轴向连动。

4.根据权利要求2所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，另包含：

一光学读取单元，装设在该旋转轴套上随之转动，且该光学读取单元相对应该带动部被该旋转轴套带动旋转；

该垂直磁化轴设有一光学尺，且该光学尺沿该垂直磁化轴轴向延伸。

5.根据权利要求1所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于：

该本体内设有一第一轴马达；

该关节旋臂一端被该第一轴马达带动而相对该本体旋动；

该水平旋臂枢装衔接该关节旋臂，且该水平旋臂包含：

一臂体；

一第二轴马达，带动该臂体水平旋动；

一旋转马达，安装在该臂体上；及

一旋转轴套，安装在该臂体上，且该旋转轴套具有一开口，另于该开口设有一带动部，该带动部被该旋转马达带动而于该开口处旋转作动；

该线性马达线圈，安装在该臂体上；以及

该垂直磁化轴，通过该开口，且该垂直磁化轴上设有一被动部，该被动部与该带动部仅径向旋转连动而不轴向连动，而该带动部通过该被动部旋转带动该垂直磁化轴。

6.一种平面关节型机器人驱动机构，包含一本体、一关节旋臂以及一水平旋臂，该关节旋臂枢装在该本体上，该水平旋臂枢装在该关节旋臂上，其特征在于，其包含：

一线性马达线圈，安装在该水平旋臂上；

一防落装置，相对应该线性马达线圈安装在该水平旋臂上，且该防落装置具有可松紧变化的一夹迫空间；以及

一垂直磁化轴，通过该线性马达线圈而产生一非接触磁力，且该垂直磁化轴通过该夹迫空间，而该垂直磁化轴在该水平旋臂上被该线性马达线圈往复带动。

7.根据权利要求6所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，另包含：

一旋转轴套，安装在该水平旋臂上，且该旋转轴套具有一开口，另于该开口设有一带动部，该带动部于该开口处旋转作动；

该垂直磁化轴通过该开口，且该垂直磁化轴上设有一被动部，该被动部与该带动部仅径向旋转连动而不轴向连动，而该带动部通过该被动部旋转带动该垂直磁化轴，另于该垂直磁化轴上设有一光学尺，该光学尺沿该垂直磁化轴轴向延伸，而该被动部沿该垂直磁化轴的轴向延伸；以及

一光学读取单元，可旋转地装设在该旋转轴套上，且该光学读取单元相对应该带动部被该旋转轴套带动旋转。

8.根据权利要求6所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，该防落装置包含：

一座体，装设在该水平旋臂上，且具有一夹迫空间；

一电磁阀，安装在该座体上；

一迫件，相对应该夹迫空间可位移地安装在该座体内，且该迫件被该电磁阀带动，而该迫件位移进入该夹迫空间后抵迫定位该垂直磁化轴。

9.根据权利要求8所述的平面关节型机器人驱动机构，其特征在于，该防落装置的该电磁阀具有一推杆，且该迫件则具有一斜面，该推杆受该电磁阀带动而推迫该斜面。

10.一种平面关节型机器人驱动方法，应用于一平面关节型机器人上，其特征在于，该方法至少包含以下步骤：

配置一线性马达线圈于该平面关节型机器人上；

以一磁化轴通过该线性马达线圈；

供电该线性马达线圈使该磁化轴产生一非接触磁力；以及

以该线性马达线圈带动该磁化轴于垂直方向位移。