CN105171725B - 具有运动辅助装置的关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有运动辅助装置的关节机器人，所述关节机器人包括：基座，其被安装于基准面，用于固定安装所述关节机器人；大臂，其被安装到所述基座，能够相对于所述基座进行转动；小臂，其与所述大臂相连结，能够相对于所述大臂进行转动；手腕体，其连接至所述小臂；以及运动辅助装置，所述运动辅助装置对所述大臂相对于所述基座的转动动作进行辅助；其中，所述运动辅助装置包括：辅助力产生装置，其与所述大臂相连结，能够实时产生规定大小/方向的辅助力；位置检测传感器，对所述大臂的位置进行检测；以及辅助控制装置，基于所述位置检测传感器的检测结果，对所述辅助力产生装置进行控制以使其产生对所述大臂返回平衡位置进行辅助的辅助力。

Description

具有运动辅助装置的关节机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，尤其涉及对具有多个机械臂的关节机器人的运动进行辅助的运动辅助装置。

背景技术

关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是最常见的一种工业机器人。近年来，关节机器人在工业生产活动中得到越来越广泛的应用，诸多工业领域中都能看见它的身影，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。

随着现代工业水平的不断发展，对关节机器人的性能提出了越来越高的要求。尤其是，期望获得动作更加灵活、响应迅速及时，而且能够有效地节省能耗的关节机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有运动辅助装置的关节机器人，通过配置运动辅助装置来对关节机器人的动作进行辅助，以提高关节机器人的动作特性。

本发明的第一方式提供了一种具有运动辅助装置的关节机器人，所述关节机器人包括：

基座，所述基座被安装于基准面，用于固定安装所述关节机器人；

大臂，所述大臂被安装到所述基座，能够相对于所述基座进行转动；

小臂，所述小臂与所述大臂相连结，能够相对于所述大臂进行转动；

手腕体，所述手腕体连接至所述小臂；以及

运动辅助装置，所述运动辅助装置对所述大臂相对于所述基座的转动动作进行辅助；

其中，所述运动辅助装置包括：

辅助力产生装置，所述辅助力产生装置与所述大臂相连结，能够实时产生规定大小/方向的辅助力；

位置检测传感器，对所述大臂的位置进行检测；以及

辅助控制装置，所述辅助控制装置基于所述位置检测传感器的检测结果，对所述辅助力产生装置进行控制以使其产生对所述大臂返回平衡位置进行辅助的辅助力。

根据上述方式的关节机器人，运动辅助装置能够根据大臂的位置输出适当的辅助力，帮助大臂返回到平衡位置。

本发明第二方式的机器人在第一方式的基础上，优选的是，所述辅助控制装置根据所述位置检测传感器的检测结果设定所述大臂的平衡位置，并以所述平衡位置为基准，控制所述辅助力产生装置而产生相应的推力或拉力。

根据上述方式的关节机器人，运动辅助装置能够根据大臂的位置重新设定平衡位置，从而能够灵活应对多种复杂的工作环境。

本发明第三方式的关节机器人在第一或第二方式的基础上，优选的是，所述关节机器人包括对所述大臂的整体运动进行控制的动作控制系统，所述辅助控制装置根据来自所述动作控制系统的控制信号，对所述辅助力产生装置进行控制以使其产生对所述大臂的制动动作进行辅助的辅助力。

根据上述方式的关节机器人，运动辅助装置能够与动作控制系统进行协同动作，不仅可以辅助大臂进行返回动作，还能够辅助大臂进行制动动作，进一步提高了大臂的运动特性。

本发明第四方式的关节机器人是在第一至第三方式的基础上，优选的是，所述辅助力产生装置是电磁形式的装置，能够根据控制信号而产生相应大小/方向的辅助力。

本发明第五方式的关节机器人是在第一至第四方式的基础上，优选的是，所述辅助力产生装置是液压形式的装置，能够根据控制信号而产生相应大小/方向的辅助力。

本发明第六方式的关节机器人是在第一至第五方式的基础上，优选的是，所述辅助力产生装置中内置有辅助电机，通过所述辅助电机的驱动力来产生与控制信号相对应的辅助力。

根据上述方式的结构，能够大大改善关节机器人的运动特性，提高关节机器人的动作响应性。

附图说明

图1是表示本发明一个实施方式的关节机器人的整体结构的示意图；

图2是表示本发明一个实施例中的运动辅助装置的原理的示意图；

图3是表示本发明一个实施例中的运动辅助装置的原理的示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明进行详细说明。

图1示出了本发明一个实施方式中的关节机器人100。如图1所示，关节机器人100的外部结构主要包括：基座1、大臂2、小臂3、手腕体4、平衡器5、以及多个马达6。

图1中，以基准面P0为参照基准定义了三维坐标系XYZ。其中，XY平面与基准面P0平行，Z轴垂直于基准面P0。图1中所示的关节机器人100处于如下状态：基座1被固定于基准面P0；大臂2与基准面P0垂直；小臂3及手腕体4与大臂垂直，并平行于基准面P0。

这里所称的“垂直”、“平行”等，并不要求在数学方面严格精确，而是允许大致上的公差或误差。

下面，对关节机器人100的各个组成部分进行具体说明。

基座1是关节机器人100的底座，用于将机器人100安装固定于工作场所。通常情况下，基座1由金属等坚固的材料制成。制造工艺例如可以是铸造等。图1中的基座1的内部是中空的，其中容纳有图中未示出的马达等其他部件。基座1的上部与大臂2及平衡器5相连结。基座1的底部通过机械连结等方式被固定到基准面P0上。需要说明的是，尽管大多情况下基座1被直接固定于地面(此时地面即为基准面P0)，但并不限于此，也可以被固定于工作台等其他平面。例如，当需要将关节机器人100倒置进行悬挂设置时，基座1可被固定于天花板等的下表面上。

大臂2相当于关节机器人100的第一臂。大臂2的一端被支承于基座1。大臂2能够绕垂直于基准面P0的第一轴A1相对于基座1进行相对旋转(即第一旋转运动)。由图1可以看出，该第一旋转位于XY平面内。此外，大臂2还能够绕平行于基准面的第二轴A2进行旋转运动(即第二旋转运动)。如图1所示，该第二旋转位于XZ平面内。大臂2的另一端与小臂3相连。如图1所示，大臂2与小臂3能够绕位于二者连接处的旋转轴A3进行相对旋转(即第三旋转运动)，第三轴A3与第二轴A2平行，也平行于基准面P0。

小臂3相当于关节机器人100的第二臂。如图1所示，小臂3大致呈杆状。小臂3能够在马达6的驱动下，绕其中心轴、即第四轴A4进行旋转(即第四旋转运动)。如上所述，小臂3的一端与大臂2相连。此外，小臂3的另一端与手腕体4相连。

如图1所示，手腕体4能够绕位于其与小臂3连接处且平行于基准面P0的第五轴A5进行旋转(即第五旋转运动)。

除了上述第一至第五旋转运动，本实施例的关节机器人100还包括第六旋转运动。所述第六旋转运动是指与手腕体4的末端相连结的执行部件(图中未示出)绕其轴心旋转的运动。由此，本实施例的关节机器人100的各个部件的旋转运动合计具有六个旋转轴，因此该关节机器人100也被称为六轴机器人。

为上述第一旋转运动提供动力的马达被设置于基座1的内部(图中未示出)。为上述第二旋转运动提供动力的马达被设置于第二轴A2附近(图中未示出)。为上述第三旋转运动提供动力的马达被设置于第三轴A3附近(图中未示出)。为上述第四及第五旋转运动提供动力的马达6被设置于小臂3的一端，其动力通过减速器等动力传递装置向手腕体及小臂传递。作为提供上述驱动力的马达，例如可以是电动马达。但马达的种类不限于此，只要能满足提供驱动力的条件即可，除了电动马达之外，也可以是液压马达或气动马达等。

除上述部分之外，关节机器人100至少还包括：动力传递系统、能源供应系统、以及动作控制系统。所述动力传递系统能够将各个马达产生的驱动力传递至各运动部件，例如大臂、小臂、手腕体等。所述能源供应系统能够向各个马达提供其工作所需的能源。当采用电动马达时，所述能够供应系统即为电力供应系统。通过科学地规划布置电力输送线路，来满足各个电动马达的用电需求。此外，所述动作控制系统能够对各个运动部件的动作进行控制。所述动作控制系统能够按照用户预先设定的程序，控制各个运动部件的动作。

在上述关节机器人100中，大臂2相对于基座的第一旋转运动是通过内置于大臂与基座的连接处的马达驱动的。在各个臂中，大臂2需要承载的负荷最大，因此驱动大臂2旋转的马达需要提供的驱动力很大。而且当大臂2停止时，为了使得大臂2具有良好的动作响应性，还需要提供很大的制动力。这就对马达的性能提出了很高的要求。这样一来，无论是从技术实现的难度上来说，还是从成本控制上来说，都处于非常不利的局面。

因此，为了解决上述难题，有人想到了为大臂2附加平衡装置。即，设置与大臂2相连结的平衡器。此时，将大臂2处于直立状态的位置设为平衡位置。随着大臂2的旋转运动，平衡器向大臂2施加拉力或推力，以帮助大臂2返回平衡位置。由此，除了通过马达来驱动大臂2的旋转之外，平衡器还能够额外提供部分辅助力。从而能够降低马达的负担，便于提高大臂的运动特性。

但是，这种简易结构的平衡器存在如下问题。首先，作为施加辅助力的参照基准的大臂2的平衡位置是预先确定好的，受限于平衡器的机械结构以及其与大臂2的连结关系，平衡位置无法轻易更改。因此，这种结构对大臂2的辅助，仅限于大臂2处于直立状态为其平衡位置的情况。从而大大限制了平衡器的使用场景。

其次，这种平衡器无法对大臂2的停止动作进行辅助。即，这种结构的平衡器仅能提供使得大臂2回复到平衡位置的回复力。而无法提供辅助大臂2制动的制动力。

鉴于上述情况，本发明的发明人经过研究，提出了如下的解决方案。

(第一实施例)

图2是表示本发明第一实施例中的运动辅助装置的结构原理的示意图。如图2所示，关节机器人本体R100包括大臂2和动作控制系统MS。运动辅助装置H100包括：辅助力产生装置H10、辅助控制装置H20以及位置检测传感器H30。

需要说明的是，图2是原理示意图，具体到机械结构。本发明第一实施例的大体构成可参照图1。例如，图1中的标号5所对应的即为图2的辅助力产生装置H10。图1中的大臂2与图2中的大臂2是完全对应的。而图2所示的动作控制系统MS、辅助控制装置H20以及位置检测传感器H30，在图1中并未示出。本领域的技术人员很容易知道，上述各个部件是电子部件，其可以设置在机器人的适当位置。各电子部件之间的被电连接，以使得它们之间能够进行信号的传输，并执行各种控制动作。

与以往的关节机器人不同的是，本发明的关节机器人上设置有对大臂2的旋转位置进行检测的位置检测传感器H30。位置检测传感器H30例如可以是角度传感器，对大臂2相对于基座的旋转角度进行检测。位置检测传感器H30的检测结果被发送给辅助控制装置H20。辅助控制装置H20接收位置检测传感器H30的检测结果，通过预先确定的控制程序对辅助力产生装置H10进行控制，以控制辅助力产生装置H10的输出。辅助力产生装置H10与大臂2相连(参见图1)，能够向大臂2输出规定的推力或拉力。

本发明的辅助力产生装置H10是一种可控的智能装置，其能够根据来自辅助控制装置的控制信号，实时调节所输出的辅助力。本本发明的第一实施例中，该辅助力产生装置H10采用了电磁原理。即，能够通过对电流的大小、方向进行调节，实时产生规定的电磁力。该电磁力作用于大臂2，对大臂2的运动进行辅助。

根据本实施例的结构，由于设置了位置检测传感器，能够实时检测大臂2的旋转位置。此外，由于辅助力产生装置能够根据指令实时改变其所产生的辅助力的大小/方向，因此通过智能设定的方式，能够轻松改变对大臂2的平衡位置的设定。由此带来的好处是，能够将大臂2的任意角度下的位置设为平衡位置，大大改善了运动辅助装置的工作范围。此外，由于无需改变机械结构，可通过软件设定的方式来实时更改平衡位置的设定，因而能够灵活应对各种复杂的工作环境，满足不同的工作要求，真正实现了智能化设计。

(第二实施例)

图3示出了本发明第二实施例的结构原理图。本发明的第二实施例的机械结构与第一实施例并无不同，不同之处在与，在第二实施例中，辅助控制装置H20不仅接收来自位置检测传感器H30的信号，还接收来自动作控制系统MS的信号。

动作控制系统MS对大臂2的整体运动进行控制。大臂2的运动不仅包括返回平衡位置的返回动作，还包括运动到工作位置并立即停下的制动动作。以往的平衡器无法对大臂2的制动动作提供辅助力。而根据本发明的第二实施例，动作控制系统MS能够将相应的控制信号发送给辅助控制装置H20。辅助控制装置H20根据该控制信号，对辅助力产生装置H10的动作进行控制，使其产生与该控制信号相对应的辅助力。例如，产生辅助大臂2的制动动作而使其快速停止在工作位置的辅助力。

由此，进一步扩展了运动辅助装置的功能。使得运动辅助装置不仅可以提供帮助大臂2返回平衡位置的返回力，还可以提供帮助大臂2停在工作位置的制动力。从而能够大大改善关节机器人的运动特性。

(变形例)

上述实施例只是对本发明的示例，当不脱离本发明的发明要点的范围内，本领域技术人员能够进行各种适当的更改/变形。

上述实施例中，作为辅助力产生装置而例举了电磁形式的装置，但本发明显然并不仅限于此，任何能够根据控制信号而产生符合要求的辅助力的装置，都能够实现本发明的目的。例如，还可以使用液压形式的辅助力产生装置。此外，还可以使用辅助电机等。

工业实用性

本发明通过对关节机器人附加运动辅助装置，大大改善了关节机器人的运动特性。在工业机器人领域具有显著的价值。

Claims (6)

1.一种具有运动辅助装置的关节机器人，所述关节机器人包括：

基座，所述基座被安装于基准面，用于固定安装所述关节机器人；

大臂，所述大臂被安装到所述基座，能够相对于所述基座进行转动；

小臂，所述小臂与所述大臂相连结，能够相对于所述大臂进行转动；

手腕体，所述手腕体连接至所述小臂；以及

运动辅助装置，所述运动辅助装置对所述大臂相对于所述基座的转动动作进行辅助；

其中，所述运动辅助装置包括：

辅助力产生装置，所述辅助力产生装置与所述大臂相连结，能够实时产生规定大小/方向的辅助力；

位置检测传感器，对所述大臂的位置进行检测；以及

辅助控制装置，所述辅助控制装置基于所述位置检测传感器的检测结果，对所述辅助力产生装置进行控制以使其产生对所述大臂返回平衡位置进行辅助的辅助力。

2.如权利要求1所述的具有运动辅助装置的关节机器人，其特征在于，

所述辅助控制装置根据所述位置检测传感器的检测结果设定所述大臂的平衡位置，并以所述平衡位置为基准，控制所述辅助力产生装置而产生相应的推力或拉力。

3.如权利要求1或2所述的运动辅助装置的关节机器人，其特征在于，

所述关节机器人包括对所述大臂的整体运动进行控制的动作控制系统，

所述辅助控制装置根据来自所述动作控制系统的控制信号，对所述辅助力产生装置进行控制以使其产生对所述大臂的制动动作进行辅助的辅助力。

4.如权利要求1或2所述的具有运动辅助装置的关节机器人，其特征在于，

所述辅助力产生装置是电磁形式的装置，能够根据控制信号而产生相应大小/方向的辅助力。

5.如权利要求1或2所述的具有运动辅助装置的关节机器人，其特征在于，

所述辅助力产生装置是液压形式的装置，能够根据控制信号而产生相应大小/方向的辅助力。

6.如权利要求1或2所述的具有运动辅助装置的关节机器人，其特征在于，

所述辅助力产生装置中内置有辅助电机，通过所述辅助电机的驱动力来产生与控制信号相对应的辅助力。