CN103978495A - 关节机构和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节机构和机器人。所述关节机构包括第一单元和第二单元。所述第一单元具有同轴地布置在中空的第一轴上的马达单元和减速器。所述第二单元具有同轴地布置在与所述第一轴分离的第二轴上的制动器单元和编码器单元。另外，所述关节机构包括动力输送单元，该动力输送单元被构造成将所述第一单元和所述第二单元互连。

Description

关节机构和机器人

技术领域

这里公开的实施方式涉及关节机构和机器人。

背景技术

传统上，可获得例如设置在机器人的连杆之间的关节机构，在该关节机构中，减速器、马达、制动器和编码器连续且同轴地布置在公共轴（例如参见日本专利申请公报No.2011－24406）。

然而，在上述的传统构造中，不仅减速器和马达而且制动器和编码器都被形成为具有中空中央部，电缆等穿过该中空中央部。结果，如果不动其他部件，则无法单独更换减速器、马达、制动器或编码器。也就是说，当更换减速器、马达、制动器和编码器中的一个时，必须首先将存在于关节内的电缆移除，然后再拆卸整个关节机构。因而，存在改进可维护性的需要。

发明内容

鉴于上述情形，这里公开的实施方式提供了能够增强可维护性同时使得电缆能够安装在其中的关节机构和机器人。

根据这里公开的实施方式的一方面，提供了一种关节机构，该关节机构包括：第一单元，在该第一单元中，马达单元和减速器被同轴地布置在中空的第一轴上；第二单元，在该第二单元中，制动器单元和编码器单元被同轴地布置在与所述第一轴分离的第二轴上；以及动力输送单元，该动力输送单元被构造成将所述第一单元和所述第二单元互连。

通过这里公开的实施方式，即使在电缆等延伸穿过臂等的内部的状态下，也可以将制动器单元和编码器单元分开。这使得能够增强可维护性。第一单元和第二单元的组合有助于增加设计关节机构时的自由度。

附图说明

图1是示出了根据一实施方式的机器人的视图；

图2A是示出了设置在机器人的腕部单元中的关节单元的关节机构的视图；

图2B是沿着图2A中的线IIB-IIB截取的剖视图；

图3A是示出了关节机构的示例的视图；

图3B是示出了其中图3A中所示的关节机构的第一单元和第二单元彼此分离的状态的视图；

图4是示出了沿着图3A中的箭头A的方向所看的图3B中所示的第一单元和第二单元的位置关系的视图；

图5是沿着图3A中的线V－V截取的剖视图，示出了图3A中所示的关节机构的动力输送单元。

图6是示出了关节机构的修改示例的视图。

图7是示出了根据图6中所示的修改示例的关节机构的动力输送单元的视图。

具体实施方式

现在将参照附图详细地描述这里公开的关节机构和机器人的实施方式。当前公开不限于下面将要描述的实施方式。

首先，将参照图1描述根据当前实施方式的机器人1。在如下描述中，将彼此正交的X轴和Y轴限定为与机器人1的安装表面（例如水平表面）平行。将Z轴限定为垂直于即正交于安装表面。

在当前实施方式中，机器人1例如是多关节机器人。如图1所示，机器人1包括基座11、布置在基座11上的本体单元12、连接至本体单元12的臂单元13和布置在臂单元13的末端处的腕部单元14。

基座11通过座部11a固定至安装表面。本体单元12被布置在基座11上以绕竖直轴线（图1中的Z轴）水平旋转。本体单元12借助马达单元20的操作而水平旋转。

连接至本体单元12的臂单元13包括作为多个连杆的第一臂131和第二臂132。第一臂131和第二臂132借助关节单元以可旋转的方式彼此连接。

具体地说，第一臂131通过第一关节单元2a连接至本体单元12以在前后方向（Y方向）上摆动。第二臂132通过第二关节单元2b连接至第一臂131的末端部以在上下方向（Z方向）上摆动。用于使第一臂131摆动的第一关节单元2a设置有第一马达单元21。用于使第二臂132摆动的第二关节单元2b设置有第二马达单元22。

腕部单元14包括作为多个连杆的第一腕部141和第二腕部142。第一腕部141和第二腕部142通过设置有下述的关节机构3的关节单元而以可旋转的方式彼此连接。也就是说，根据当前实施方式的机器人1具有其中一对连杆通过关节机构3彼此连接的结构。

现在，将参照图2A至图6详细地描述腕部单元14中采用的关节单元的关节机构3。

如图2A所示，腕部单元14的第一腕部141和第二腕部142通过关节单元而以可旋转的方式彼此连接。具体地说，第一腕部141形成分叉形状。第一腕部141的基端部通过设置有关节机构3的第三关节单元2c连接至第二臂132的末端部以绕旋转轴线旋转。

第二腕部142通过第四关节单元2d连接至第一腕部141的末端部以绕摆动轴线（例如在图1中的Z方向上）摆动。第二腕部142通过第五关节单元2e连接至第一腕部141以绕旋转轴线旋转。第三关节单元2c、第四关节单元2d和第五关节单元2e中的每个均形成为中空结构。包括软管的电缆82延伸穿过第三关节单元2c和第五关节单元2e的中空部。均将在稍后进行描述的制动器单元51和编码器单元52布置在第四关节单元2d的中空部中。

首先，将对设置在第三关节单元2c和第五关节单元2e中的关节机构3进行描述。也就是说，将对布置在用作从动构件的连杆（第一腕部141和第二腕部142）中并且布置在用于使这些连杆绕它们的旋转轴线旋转的关节单元中的关节机构3进行描述。

如图3A所示，关节机构3包括第一单元4，在该第一单元4中，马达单元41和减速器42通过作为第一轴的中空旋转轴46而相对于由机器人1的臂框架44形成的中空部43同轴地布置。

关节机构3还包括第二单元5，在该第二单元5中，制动器单元51和编码器单元52同轴地布置在与中空旋转轴46（第一轴）分离的作为第二轴的旋转轴53上。关节机构3另外还包括布置在中空旋转轴46（第一轴）和旋转轴53（第二轴）之间的作为动力输送单元的第一齿轮机构6。

第一单元4被附接至机器人1的臂框架44。第一单元4的马达单元41包括：附接至机器人1的臂框架44的定子411；以及以可旋转的方式布置的转子412，其中在定子411和转子412之间留有预定间隙。在当前实施方式中，中空旋转轴46与马达单元41的转子412一体形成，并连接至减速器42。因而，转子412的旋转通过中空旋转轴46输送至减速器42。中空旋转轴46不必必须与转子412一体形成，而是可以与转子412单独地形成并合成一体。在图3A中，附图标记413代表定子芯。附图标记414代表定子线圈。附图标记415代表转子磁体。

同时，减速器42附接至臂框架44并且在第二单元5的相反侧与马达单元41相邻地布置。减速器42包括布置在其中的预定齿轮组（未示出），并且以预定减速比对从马达单元41输送的动力进行减速。通过该构造，可以使作为从动构件的连杆（例如第一腕部141和第二腕部142）以期望速度旋转，这些连杆布置有位于它们之间的臂框架44。

如上所述，第一单元4的马达单元41和减速器42具有中空结构，其中，马达单元41和减速器42通过中空旋转轴46而被支撑在臂框架44的中空部43上。因此，如图2A和2B所示，可以将预定的电缆82沿着旋转轴线方向布置在该中空部43内。

另一方面，通过将制动器单元51和编码器单元52同轴地布置在沿筒状单元框架54的纵向方向延伸的作为第二轴的旋转轴53上而构成第二单元5。如图3B所示，第二单元5通过作为连接构件的螺栓（未示出）在第一单元4的相反侧附接至臂框架44的一个端面441。在图3B中，附图标记442代表待附接第二单元5的附接孔。第二单元5的制动器单元51和编码器单元52可以是现有技术中公知的传统制动器单元和编码器单元。

如图3A和图4所示，第二单元5被附接在其中旋转轴53的轴线相对于第一单元4的中空旋转轴46径向偏移的状态下。具体地说，在根据当前实施方式的关节机构3中，使第二单元5的尺寸比第一单元4的小（当沿着中空旋转轴46的轴向方向看时，第二单元5的直径为第一单元4的直径的四分之一）。在第二单元5的附近形成了预定的空间100（图3A）。

如图2A所示，用于使第二腕部142能够在上下方向上摆动的第四关节单元2d可以布置在该空间100中。通过该构造，可以减小腕部单元14的纵向尺寸。如图2B所示，第五关节单元2e的第二单元5相对于臂框架44的中空部43布置在右侧。因此，该空间100的一部分（参见图3A）可以在将电缆81穿过时使用。在所示的示例中，尽管第二单元5相对于臂框架44的中空部43向右侧偏移，但是第二单元5可以相对于臂框架44的中空部43向左侧偏移。其余空间可以在将电缆81穿过时使用。

第一单元4和第二单元5借助用作动力输送单元的第一齿轮机构6而彼此连接。也就是说，马达单元41的动力通过第一齿轮机构6（动力输送单元）输送。

第一齿轮机构6包括以预定齿轮比彼此组合的多个齿轮。如图3A和图5所示，根据当前实施方式的第一齿轮机构6包括布置在第一单元4的马达单元41中的大齿轮61和布置在第二单元5的旋转轴53的末端处的小齿轮62。大齿轮61通过紧固装置（例如螺栓，未示出）连接至中空旋转轴46的端面。

如图3A和3B所示，小齿轮62与大齿轮61啮合，从而将第二单元5附接至第一单元4。大齿轮61和小齿轮62由正齿轮形成，因此能够容易地在轴向方向上移动。因而，可以容易地将第二单元5附接至第一单元4和从第一单元4移除（参见图3B）。

如上所述，根据当前实施方式的关节机构3包括具有马达单元41和减速器42的第一单元4以及具有制动器单元51和编码器单元52的第二单元5。第一单元4和第二单元5以可拆卸的方式彼此附接。第一单元4的马达单元41的中空旋转轴46和第二单元5的旋转轴53借助第一齿轮机构6操作地相连。

在如上构造的关节机构3中，可以容易地将第二单元5附接至第一单元4和从第一单元4移除。因而，与传统的关节机构相比，能够提高相比于马达单元41和减速器42需要更频繁地更换的制动器单元51和编码器单元52的可维护性。

如上所述，大齿轮61布置在第一单元4的马达单元41中，小齿轮62布置在第二单元5的旋转轴53中。因而，可以将马达单元41的旋转以增速的方式输送至第二单元5的旋转轴53。

因而，可以将马达单元41的动力以减小转矩的方式输送至制动器单元51。为此，可以采用小型廉价的制动器结构。这有助于减小机器人1的尺寸并节约成本。

由于能够将马达单元41的旋转以增速的方式输送至第二单元5的旋转轴53，因此可以使用具有低分辨率的编码器单元52。因而，正如制动器单元51一样，可以降低编码器单元52的成本并且可以实现机器人1的成本效益。

接下来将参照图6和图7描述根据修改示例的关节机构3d，该关节机构3d设置在将第二腕部142（所述连杆）以可摆动的方式连接至第一腕部141的第四关节单元2d（参见图2A）中。

根据修改示例的关节机构3d的构造与设置在第三关节单元2c和第五关节单元2e中的关节机构3基本相同。如图2A至图3B所示，该关节机构3d包括具有第一马达单元41和减速器42的第一单元4以及具有制动器单元51和编码器单元52的第二单元5，并且所述第一单元4和第二单元5彼此可分离。

在根据该当前修改示例的关节机构3d中，第二单元5没有附接至第一单元4的外侧，而是布置在第一单元4的中空部43中。具体地说，在第四关节2d中，无需将电缆等穿过中空部43，因而将第二单元5容纳在中空部43内。第一单元4的中空部43的轴线与第二单元5的旋转轴53的轴线重合。

由于如上所述第二单元5布置在第一单元4的中空部43内，因此使用图7中所示的第二齿轮机构7而不是第一齿轮机构6来作为动力输送单元。

与第一齿轮机构6一样，第二齿轮机构7由以预定齿轮比彼此组合的多个齿轮构成。也就是说，如图7所示，第二齿轮机构7包括环状齿轮71、输入齿轮72和惰性齿轮73。

环状齿轮72固定地紧固至第一单元4的中空旋转轴46的末端侧内周面。输入齿轮72布置在第二单元5的旋转轴53的末端处。惰性齿轮73布置在环状齿轮71和输入齿轮72之间。

通过该构造，马达单元41的旋转被输送到环状齿轮71、惰性齿轮73，然后输送到输入齿轮72。在这种情况下，第一单元4的马达单元41的旋转被以增速的方式输送至第二单元5的旋转轴53。因而，在第四关节单元2d的关节机构3d中，可以减小制动器单元51的尺寸并降低编码器单元52的分辨率。此外，可以实现机器人1的成本效益。

如上所述，在根据当前实施方式的腕部单元14的第三关节单元2c和第五关节单元2e的关节机构3中，第一单元4的中空部43的内部可以用作供电缆等穿过的空间。在第四关节单元2d的关节机构3d中，中空部43的内部可以用作第二单元5的容纳部。

关节机构3和3d的基本结构在上述的实施方式和修改示例中保持相同，只有动力输送单元可以发生改变。因而，在具有供电缆82等能够穿过的中空结构的关节机构3以及如在修改示例中那样具有供容纳第二单元5d的中空结构的关节机构3d中，可以使用公共部件。

在其中第二单元5安装在外部的当前实施方式中，第二单元5被附接至臂框架44的一个端面441。然而，在其中第二单元5例如被安装在第一单元4外部的构造中，例如第二单元5可以被装配到形成在臂框架44的一个端面441的附接孔442中并且附接至第一单元4的马达单元41的框架。

在上述实施方式和修改示例中，使用齿轮机构作为动力输送单元。作为另选示例，该动力输送单元可以由带轮和带形成。

在当前实施方式和修改示例中，已经示出了其中关节机构3和3d安装在腕部单元14的关节单元中的示例。然而，关节机构3和3d可以被应用于例如将一对连杆以可旋转的方式互连的任何关节单元。

本领域技术人员应该理解，可以根据设计要求和其他因素进行各种修改、组合、子组合和改变，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (10)

1.一种关节机构，该关节机构包括：

第一单元，在该第一单元中，马达单元和减速器被同轴地布置在中空的第一轴上；

第二单元，在该第二单元中，制动器单元和编码器单元被同轴地布置在与所述第一轴分离的第二轴上；以及

动力输送单元，该动力输送单元被构造成将所述第一单元和所述第二单元互连。

2.根据权利要求1所述的关节机构，其中，所述动力输送单元被构造成以增速的方式将所述第一轴的旋转输送至所述第二轴。

3.根据权利要求1或2所述的关节机构，其中，所述第二轴的轴线相对于所述第一轴偏离，并且所述第二单元附接至所述第一单元的外部。

4.根据权利要求1或2所述的关节机构，其中，所述第二单元被布置在所述第一单元的所述第一轴内。

5.一种机器人，该机器人包括权利要求1或2所述的关节机构。

6.根据权利要求5所述的机器人，该机器人还包括借助所述关节机构互连的至少一对连杆。

7.一种机器人，该机器人包括权利要求3所述的关节机构。

8.根据权利要求7所述的机器人，该机器人还包括借助所述关节机构互连的至少一对连杆。

9.一种机器人，该机器人包括权利要求4所述的关节机构。

10.根据权利要求9所述的机器人，该机器人还包括借助所述关节机构互连的至少一对连杆。