CN104440940A - 机械手臂以及机器人 - Google Patents

Abstract

一种机械手臂，包含第一腕部与第二腕部的多个腕部以能够相互转动的方式连接，各腕部具备多个连杆、和使多个连杆彼此转动的促动器部。第一腕部在中心轴方向的多个连杆之间的外周面设置有腰身的长度变小的小主体部。

Description

机械手臂以及机器人

技术领域

本发明涉及机械手臂以及机器人。

背景技术

以往，公知有连结多个腕部而构成的机械手臂以及具备该机械手臂的机器人(例如，参照专利文献1)。在该机械手臂中，腕部彼此的连结部分为关节，能够通过该关节弯曲或者扭转。另外，各腕部各自外形呈柱状(例如圆柱状)，且沿着其中心轴方向外径几乎恒定。

专利文献1：日本特开2010-284777号公报

然而，对于外径几乎恒定的腕部彼此而言，在通过它们之间的关节进行弯曲时，由于外形恒定，一方的腕部的外周部与另一方的腕部的外周部在弯曲开始后较早地干扰(碰撞)。因此，存在可动范围(转动范围)变得比较狭窄的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供在相互连结的两个腕部中的一方的腕部相对于另一方的腕部转动时，能够尽可能大地确保其转动范围的机械手臂以及具备该机械手臂的机器人。

这样的目的通过下述的本发明的应用例实现。

应用例1

本发明的机械手臂的特征在于，以能够相互转动的方式连接包含第一腕部与第二腕部的多个腕部，上述腕部具备第一连杆、第二连杆、以及使上述第一连杆与上述第二连杆转动的促动器部，上述第一腕部在中心轴方向的上述第一连杆与上述第二连杆之间的外周面设置有腰身的长度变小的小主体部。

由此，在相互连结的两个腕部中的一方的腕部相对于另一方的腕部转动时，能够转动直至另一方的腕部的外周部的一部分进入一方的腕部的小主体部。因此，能够确保一方的手臂的转动范围尽可能广。具有小主体部的躯干形状可例示出鼓或者沙漏。

应用例2

本发明的机械手臂优选为，上述第二腕部转动以使上述小主体部位于上述第二腕部的一部分接近上述第一腕部的轨道的延线上。

由此，在相互连结的两个腕部中的一方的腕部相对于另一方的腕部转动时，能够转动直至另一方的腕部的外周部的一部分进入一方的腕部的小主体部。因此，能够确保一方的手臂的转动范围尽可能广。

应用例3

本发明的机械手臂优选为，上述小主体部的上述腰身的长度逐渐变化。

由此，在第二腕部朝第二腕部的一部分靠近第一腕部的方向转动时，第二腕部确保转动范围尽可能广，并且由于腰身的长度逐渐变化，从而能够顺利地转动。

应用例4

本发明的机械手臂优选为，在上述小主体部，上述第一腕部的与上述第二腕部邻接侧的曲率比与上述腕部相反侧的曲率大。

由此，有助于确保第二腕部的转动范围尽可能广。

应用例5

本发明的机械手臂优选为，连结于具备上述小主体部的第一腕部的第二腕部具有使与上述第一腕部邻接端的外周面的外径较小的小径端部。

由此，有助于确保一方的手臂主体的转动范围尽可能广。

应用例6

本发明的机械手臂优选为，上述小径端部随着距上述第一腕部的距离而外径变小。

由此，有助于确保一方的手臂主体的转动范围尽可能广。上述小径端部的外径越靠近上述第一腕部越小。

应用例7

本发明的机器人的特征在于具备本发明的机械手臂。

由此，在相互连结的两个腕部中的一方的腕部相对于另一方的腕部转动时，能够转动直至另一方的腕部的外周部的一部分进入一方的腕部的小主体部。因此，能够确保一方的腕部的转动范围尽可能广。

附图说明

图1是表示具备本发明的机械手臂的机器人的第一实施方式的简要主视图。

图2是从图1中的箭头A方向观察的局部剖视图。

图3是表示机械手臂的转动状态的图((a)表示图1所示的机械手臂的转动状态，(b)表示以往的机械手臂的转动状态)。

图4是图1所示的机械手臂的腕部的剖面示意图。

图5是表示图1所示的机械手臂的扭转状态的立体图((a)表示扭转前的状态，(b)表示扭转后的状态)。

图6是表示图1所示的机械手臂的扭转状态的简要侧视图以及从基端侧观察的示意图((a)表示扭转前的状态，(b)表示扭转中途的状态，(c)表示扭转后的状态)。

图7是表示具备本发明的机械手臂的机器人的第二实施方式的简要主视图。

具体实施方式

以下，基于附图所示的优选的实施方式详细说明本发明的机械手臂以及机器人。

第1实施方式

图1是表示具备本实施方式的机械手臂的机器人的简要主视图，图2是表示从图1中的箭头A方向观察的局部剖视图，图3是表示机械手臂的转动状态的图(图3(a)表示图1所示的机械手臂的转动状态，图3(b)表示以往的机械手臂的转动状态)，图4是表示图1所示的机械手臂的腕部的剖面示意图，图5是表示图1所示的机器人手臂的扭转状态的立体图(图5(a)表示扭转前的状态，图5(b)表示扭转后的状态)，图6是表示图1所示的机械手臂的扭转状态的简要侧视图以及从基端侧观察的示意图(图6(a)表示扭转前的状态，图6(b)表示扭转中途的状态，图6(c)表示扭转后的状态)。此外，以下，为了方便说明，将图1中(图7也相同)的上侧称为“上(或者上方)”，下侧称为“下(或者下方)”。另外，将图1～图6中(图7也相同)的基台侧称为“基端”，将其相反的一侧(末端执行器侧)称为“前端”。

如图1所示，机器人1具备以能够装卸的方式安装有末端执行器机的一个器人手臂3、和支承机械手臂3的基台2。该机器人1与供给电力的电源(未图示)电连接。

基台2能够经由固定用的螺栓固定于例如地板200，存在因附带小脚轮而能够搬运的情况，且基台2具有呈箱状的外壳21。在该外壳收纳有例如电机驱动器(未图示)等各种电气设备。

机械手臂3具备从基端侧按顺序配置的四个腕部31、33、35、37、和作为连结这些腕部彼此的关节而发挥功能的腕部32、34、36的机械手臂。在机械手臂中，将腕部31作为“第一腕部”，将腕部32作为“第二腕部”，将腕部33作为“第三腕部”，将腕部34作为“第四腕部”，将腕部35作为“第五腕部”，将腕部36作为“第六腕部”，将腕部37作为“第七腕部”进行例示。

腕部31能够绕该中心轴O₁转动(扭转状态)。

连结腕部31与腕部33的腕部32将腕部33支承为能够绕处于相对于中心轴O₁交叉(正交)或者扭转的位置的中心轴(转动轴)O₂相对于腕部31转动。

腕部33能够绕该中心轴O₃旋转(扭转状态)。

连结腕部33与腕部35的腕部34将腕部35支承为能够绕处于相对于中心轴O₃交叉(正交)或者扭转的位置的中心轴(转动轴)O₄相对于腕部33转动。

腕部35能够绕该中心轴O₅旋转(扭转状态)。

连结腕部35与腕部37的腕部36将腕部37支承为能够绕处于相对于中心轴O₅交叉(正交)或者扭转的位置的中心轴(转动轴)O₆相对于腕部35转动。

腕部37能够绕该中心轴O₇旋转(扭转状态)。

该腕部37在例示的机械手臂3中位于最前端侧，且以能够装卸的方式安装于末端执行器10。而且，能够通过该安装状态的末端执行器10进行作业等，并且能够使腕部31、32、33、34、35、36、37分别独立地工作(转动)。由此，上述末端执行器10能够进行作业。

腕部31、33、35、37除了各自配置位置不同以外，几乎为相同的结构，因此，以下，以腕部35为代表进行说明。另外，腕部32、34、36也是除了各自配置位置不同以外，几乎为相同的结构，因此，以下，以腕部34为代表进行说明。

如图4所示，腕部35具有由电机机架4和筒状罩5构成的管线的收纳空间11。在电机机架4的内侧收纳有电机6。在设置于机械手臂3的外表面的筒状罩5的内侧，即、在电机机架4与筒状罩5之间，配设有管线7a、7b。此外，作为管线7a、7b，可例示出电力线、信号线的电线、电缆类、或者导通气体、液体的配管、管类等。

此外，作为电机机架4与筒状罩5的构成材料没有特别地限定，例如，能够使用铝或者铝合金等各种金属材料、其他各种树脂材料。

如图2、图3所示，腕部34的连杆341插入连杆342。由此，腕部35能够绕连杆341顺利地转动(参照图3(a))。

如图4所示，收纳于电机机架4内的电机6例如为伺服电机。

在电机6工作时，该电机6散发的热量传递至电机机架4，电机机架4也作为用于排热的热导体发挥功能，从而有助于减少电机6蓄热。

另外，在腕部35内收纳有与电机6一起构成促动器部的编码器12、减速器13以及制动器15。

通过编码器12能够检测电机6的旋转角度。基于该检测结果，能够控制机械手臂3的姿势。

减速器13具有相互啮合的多个齿轮，其是使来自电机6的旋转减速而输出扭矩输出的装置。作为该输出，能够得到与减速比成比例的扭矩。驱动力从该减速器朝第二连杆传递，第二连杆相对于第一连杆转动。

制动器15配置于编码器12与电机6之间。通过该制动器15能够对停止旋转的电机6可靠地维持其停止状态。由此，能够防止机械手臂3的姿势非本意地变化。

如上述那样，腕部35具有由电机机架4与筒状罩5构成的管线的收纳空间11。

电机机架4具备以筒状包围电机6的旋转件的周围、并提供使旋转件旋转的磁力等的定子等构造物。此处，旋转件具备轴、和固定于该轴并提供磁力等的转子。此外，在本实施方式中，机械手臂3设置有电机机架，但也可以取代电机机架而设置电机罩。

如图4所示，该电机机架4包含后述的厚度变厚的部分422。该电机机架4的外径随着厚度变厚的部分422的厚度而变大。

另外，在筒状罩5、且在编码器12与减速器13之间的腕部35的长边方向的壁厚变厚的位置具有以使腰身的长度逐渐变小的方式而变小的第二小主体部50。在该第二小主体部50的内侧以成为相似形的小主体的方式配置有电机机架4与减速器套41。为方便起见，将在筒状罩5的小主体部设为第二小主体部50，将由电机机架4与减速器套41形成的小主体部设为第一小主体部40。

对于第一小主体部40而言，其外表面连续变化，整体成为弯曲而中间变细、使腰身的长度减小的形状。与此相同地，第二小主体部50的表面也连续变化，整体也成为弯曲而狭窄的形状。此外，小主体为鼓那样的形状，但剖面即使是圆形以外的椭圆、多边形，只要有中间变细的部分即可。

而且，如图3(a)所示，腕部35能够以腕部34为中心从机械手臂3最大伸长的状态，即、腕部35的中心轴O₅与腕部33的中心轴O₃平行的状态转动而接近腕部33。而且，第二小主体部50位于该接近的方向的延线上。由此，在腕部35与腕部33最接近的状态下，腕部33的小径端部331进入筒状罩5的第二小主体部50。以下，将此时的角度称为“最大转动角度α”。

此外，腕部33的小径端部331呈其外径朝向前端侧缓缓地缩径即递减的锥状。

另一方面，如图3(b)所示，在以往的机械手臂中，不具备筒状罩5、和呈锥状的小径端部331。因此，即使从该机械手臂最大伸长的状态成为最大弯曲的状态，导致在达到最大转动角度α以前手臂主体彼此干扰(碰撞)，最大转动角度β与最大转动角度α相比显著变小。

在这样机械手臂3中，在腕部35相对于腕部33转动时，能够使腕部33的小径端部331转动直至进入腕部35的筒状罩5。由此，能够使最大转动角度α尽可能大，即、能够确保腕部35的转动范围尽可能广。

另外，呈锥状的小径端部331有助于确保腕部35的转动范围尽可能广。

如图4所示，第一小主体部40由电机机架4与减速器套41形成。

电机机架4具有凹向其外周部631而形成的阶梯部421。在该阶梯部421插入有固定于减速器13的减速器套41的基端部411。由此，在电机机架4与减速器套41的边界部43成为防止或者抑制面临外侧的陡峭的凹凸的状态，因此，能够防止管线7a、7b因该凹凸受到损伤。

筒状罩5在腕部35的中心轴O₅方向的中途断开为两个部件，由前端侧的呈管状的第一部件51和基端侧的呈管状的第二部件52构成。筒状罩5的第二小主体部50也形成为跨越第一部件51与第二部件52。

第一部件51具有在其基端内周部缺损而形成的与第二部件52的厚度对应的阶梯部511。在该阶梯部511插入、即层叠有第二部件52的前端部521。由此，第一部件51与第二部件52的边界部53成为防止或者抑制面临内侧的陡峭的凹凸的状态，因此，能够防止管线7a、7b因该凹凸受到损伤。

如图4所示，将减速器套41与第一部件51的前端部彼此连结、固定。将电机机架4与第二部件52的基端部彼此连结、固定。而且，连结减速器套41与第一部件51的部分、和连结电机机架4与第二部件52的部分通过电机6的动作，能够绕中心轴O₅相对转动。通过该转动，腕部35成为绕中心轴O₅的扭转状态。

此外，减速器套41是设置于旋转轴的凸缘状的物品、或者成为朝向旋转轴的轴中心而末端扩大的剖面呈等腰梯形状的物品。

如上述那样，第一小主体部40由电机机架4和减速器套41形成。在筒状罩5中第二小主体部50跨越第一部件51与第二部件52地形成。

而且，如图4所示，对于第一小主体部40的曲率而言，减速器套41侧(一端侧)的曲率(＝1/曲率半径R₄₁)与电机框架4侧(另一端侧)的曲率(＝1/曲率半径R₄₂)不同，减速器套41侧的曲率比电机机架4侧的曲率大。

另外，对于第二小主体部50的曲率而言，第一部件51侧(一端侧)的曲率(＝1/曲率半径R₅₁)与第二部件5两侧(另一端侧)的曲率(＝1/曲率半径R₅₂)不同，第一部件51侧的曲率比第二部件5两侧的曲率大。

例如如图3(a)所示，在机械手臂3最大弯曲的状态下，筒状罩5的第二小主体部50的第一部件51侧的部分面临腕部33的小径端部331的角部(末端)332，因此为了使该角部332通过筒状罩5的第二小主体部50较深地进入，优选第一部件51侧的曲率较大。由此，能够确保使腕部35的转动范围尽可能广。

另外，如图4所示，通过这样的曲率的大小关系，第一小主体部40与第二小主体部50之间形成的管线的收纳空间11的间隙距离h沿着中心轴O₅几乎恒定。确保该间隙距离h比管线7a、7b的粗细大。由此，能够防止收纳并插入于包含第一小主体部40的面与包含第二小主体部50的面之间的管线7a、7b受到来自这些小主体部过度的按压力。

此外，管线7a、7b为对机器人1的各部分供给电力的电力线、用于元件间的信号交换的信号线、或者导通气体、液体的配管等。例如，管线7a、7b中的一方用于对安装于腕部37的状态下的末端执行器10供给电力，另一方用于对电机6供给电力。由此，末端执行器10成为能够动作的状态，能够对把持物进行把持、或者将其把持的把持物释放。另外，电机6成为能够动作的状态，并进行腕部35的扭转动作。

管线7a、7b除了各自功能不同以外，是相同的结构，因此，以下以管线7a为代表进行说明。此外，图6中以管线7a为代表描绘。

如图5、图6所示，在第一小主体部40与第二小主体部50之间，管线7a的一部分绕腕部35的长边轴，即、绕中心轴O₅卷绕。像这样管线7a卷绕于小主体部，因此能够与在该小主体部上的缩径对应地使管线7a的全长较短。由此，能够抑制管线7a本身的成本。另外，在拉拽管线7a时，能够迅速且容易的进行该拉拽作业。

另外，在第一小主体部40与第二小主体部50之间，管线7a的前端侧(一端侧)通过电缆夹30a固定于构成电机机架4的减速器套41，基端侧(另一端侧)通过电缆夹30b固定于电机机架4(参照图6)。

并且，管线7a以在其中途弯曲折回呈U字形的方式被收纳。

该管线7a的折回部71处于与管线7b的折回部71接近的状态，但相互不干扰(交叉)(参照图5)。

这样布线的管线7a如图5、图6所示，即使减速器套41相对于电机机架4绕中心轴O₅转动，也能够防止在折回部71的非本意弯曲，因此，能够较长地确保自身的寿命。

如图4所示，将腕部35的电机机架4的壁厚的厚度t(平均厚度)设为朝从减速器13离开的方向，即、基端侧增大的厚度变厚的部分422、和厚度t沿着中心轴O₅(管线的收纳空间11的中心轴)方向成为恒定的厚度恒定部423。厚度恒定部423设置于比厚度变厚的部分422靠近前端侧。另外，制动器15配置于比厚度变厚的部分422靠近基端侧。

厚度变厚的部分422与厚度恒定部423是管线的收纳空间11的一部分，因此厚度变厚的部分422的比热c₄₂₂与厚度恒定部423的比热c₄₂₃相同。另一方面，厚度变厚的部分422比厚度恒定部423厚度t增大，因此与此对应地，厚度变厚的部分422的质量m₄₂₂比厚度恒定部423的质量m₄₂₃大。另外，热容是比热与质量的乘积，因此厚度变厚的部分422的热容C₄₂₂为c₄₂₂×m₄₂₂，厚度恒定部423的热容C₄₂₃为c₄₂₃×m₄₂₃。在该情况下，热容C₄₂₂比热容C₄₂₃大。

另外，在电机6动作、制动器15随之动作时，从电机6产生热量Q₁，从制动器15也产生热量Q₂。一般，热量的导热的程度根据介质(热介质)的热容的大小而不同。因此，对于热量Q₁与热量Q₂而言，优先从热容较大的厚度变厚的部分422朝向基端侧传递。而且，朝向基端侧传递的热量在其传递中途缓缓地散热。由此，能够减少电机6、制动器15加热。

在厚度变厚的部分422，厚度t阶段地变化(增大)。由此，热量Q₁、热量Q₂通过厚度变厚的部分422而可靠地朝向基端侧传递。

特别是对于安装末端执行器10的腕部的情况，在该腕部与末端执行器10之间设置力传感器等不耐热的传感器类，因此优选散热比起前端侧更向基端侧传递。

第2实施方式

图7是表示具备本实施方式的机械手臂的机器人的简要主视图。

以下，参照该图对本发明的机械手臂以及机器人的本实施方式进行说明，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，对相同的事项省略说明。

本实施方式除了机械手臂的数量不同以外，其他与上述第1实施方式相同。

如图7所示，在本实施方式中，机器人1具备多个机械手臂3、作为支承机械手臂3的基台2的主体部、以及设置于基台2的上部的拍摄装置亦即照相机20。这样的双臂的机器人1在例如一边通过照相机20确认打印机、照相机等那样的精密设备(电子设备)，一边通过多个机械手臂3的末端执行器10组装制造的单元生产方式(与需要对应的变机型变量生产方式)的生产系统中使用。

以上，针对图示的实施方式对本发明的机械手臂以及机器人进行了说明，但本发明不限定于此，构成机械手臂以及机器人的各部分能够与可发挥相同功能的任意结构置换。另外，也可以附加任意的构成物。

另外，本发明的机械手臂以及机器人也可以将上述各实施方式的中的任意两个以上的结构(特征)组合。

另外，机器人具备的机械手臂的数量在上述第1实施方式中是一个，在上述第2实施方式中是两个，但并不局限于此，例如，也可以是三个以上。

另外，机械手臂所连结的腕部的数量不限定于上述各实施方式。

另外，上述厚度较厚的部分在上述各实施方式中厚度t阶段地变化，但并不局限于此，例如，厚度t也可以连续地变化。

附图标记说明

1…机器人；11…管线的收纳空间；12…编码器；13…减速器；15…制动器；2…基台；21…外壳；3…机械手臂；31、32、33、34、35、36、37…腕部；331…小径端部；332…角部(末端)；341、342…连杆；4…电机机架；341、342…连杆；411…基端部；421…阶梯部；422…厚度较厚的部分；423…厚度恒定部；43…边界部；50…第二小主体部；51…第一部件；511…阶梯部；52…第二部件；521…前端部；53…边界部；6…电机；631…外周部；7a，7b…管线；71…折回部；10...末端执行器；20…照相机；30a，30b…电缆夹；200…地板；O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇…中心轴；Q₁、Q₂…热量；R₄₁、R₄₂、R₅₁、R₅₂…曲率半径；h…间隙距离；t…厚度；α、β…最大转动角度。

Claims (7)

1.一种机械手臂，其特征在于，以能够转动的方式连接多个腕部，且所述腕部具备第一连杆、第二连杆、以及使所述第一连杆与所述第二连杆相互转动的促动器部，

所述多个腕部包含第一腕部与第二腕部，

所述第一腕部以及所述第二腕部中的一方在所述第一连杆与所述第二连杆之间的长边方向的外周面设置有使腰身的长度减小的小主体部。

2.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，

所述第二腕部转动以使所述小主体部位于所述第二腕部的一部分接近所述第一腕部的方向的延线上。

3.根据权利要求1或2所述的机械手臂，其特征在于，

所述小主体部的所述腰身的长度逐渐变小而中间变细。

4.根据权利要求3所述的机械手臂，其特征在于，

在所述小主体部，所述第二腕部的与所述第一腕部邻接侧的曲率比与所述第一腕部相反侧的曲率大。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机械手臂，其特征在于，

连结于具备所述小主体部的第一腕部的第二腕部具有使与所述第一腕部邻接端的外周面的外径减小的小径端部。

6.根据权利要求5所述的机械手臂，其特征在于，

所述小径端部随着距所述第一腕部的距离而外径变小。

7.一种机器人，其特征在于，

具备权利要求1～6中任一项所述的机械手臂。