CN105856247A - 机器人设备和包括机器人设备的实验室自动化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人设备（1），包括固定基座（10），旋转安装在基座（10）以绕第一轴线（I）旋转的第一臂（11），旋转安装在第一臂（11）以绕第二轴线（II）旋转的第二臂（12），第二轴线（II）平行于第一轴线（I），驱动第一臂（11）以绕第一轴线（I）旋转的第一驱动设备（30），第二臂驱动单元（4），具有驱动第二臂（12）以绕第二轴线（II）旋转的第二驱动设备（40），其中第一驱动设备（30）和第二驱动设备（40）安装固定在基座（1）处，其中线性驱动单元（4）被提供用于在平行于第一轴线（I）和第二轴线（II）的方向中移动第一臂（11）和第二臂（12），并且其中线性驱动单元（4）包括安装固定在基座（10）处的第三驱动设备（40）。本发明还涉及包括实验室设备（1）的实验室自动化系统。

Description

机器人设备和包括机器人设备的实验室自动化系统

技术领域

本发明涉及机器人设备。本发明还涉及包括实验室设备的实验室自动化系统。

背景技术

实验室自动化系统包括多个预分析站，分析站和/或后分析站，其中样品（例如血液、唾液、药签和取自人体的其他样本）被处理。通常已知的是提供包含样品的试管。试管也称为采样管。几个试管可以被放置在所谓的试管架中用于有效的处理。实验室自动化系统可包括一个或多个机器人设备，其用于处理单独的试管或试管架。用于处理试管架的机器人设备在例如EP 2148206A1中公开。EP 2148206A1中所示的机器人设备是SCARA类型机器人设备，其包括两个臂或连杆，其可围绕两个平行轴线旋转。

SCARA型机器人设备例如在US 7,347,120 B2中描述。这种机器人设备包括固定基座，安装基座上的可围绕第一轴线旋转的第一臂，安装在第一臂上的可围绕第二轴线旋转的第二臂，以及用于驱动臂的马达。用于关于基座驱动两个臂的第一马达布置在基座中。用于相对于第一臂驱动第二臂的第二马达被容纳在第二臂中。工作单元设在第二臂的远端处，其包括心轴，该心轴可在其纵向方向中移动从而在垂直方向上运动物体。布置在臂上的第二马达是负载，其必须由驱动两个臂的第一马达移动。因此，需要强力马达，并且臂有大空间的要求。

US 5,741,113描述了SCARA型机器人设备，其具有布置在基座处的两个同心马达和复杂的传动系统以通过两个同心马达选择性地驱动两个臂中的一个或两个。

发明内容

本发明的目的是提供具有小空间要求的重量轻的机器人设备，特别是使用在实验室自动化系统中。本发明的进一步的目的是为实验室自动化系统轻提供重量轻的机器人设备。

根据第一方面，提供了机器人设备，该机器人设备包括固定基座，旋转地安装在基座上以围绕第一轴线旋转的第一臂，旋转地安装在第一臂上以围绕第二轴线旋转的第二臂，该第二轴线平行于第一轴线，用于驱动第一臂以围绕第一轴线旋转的第一驱动设备，第二臂驱动单元，其具有用于驱动第二臂以围绕第二轴线旋转的第二驱动设备，以及线性驱动单元，其用于在平行于第一轴线和第二轴线的方向中移动第一臂和第二臂，其中第一驱动设备和第二驱动设备安装固定在基座处，并且其中线性驱动单元包括安装固定在基座处的第三驱动设备。

换言之，三个驱动设备被提供用于在三维空间中，即在笛卡尔空间中的X方向、Y方向和Z方向中，定位机器人设备，特别是第二臂的远端。优选地，固定基座以这样的方式定向：第一轴线和第二轴线是垂直的轴线，并且线性驱动单元被设计用于升起和降下第一臂和第二臂。

因为第一、第二和第三驱动设备都安装固定在基座处且不被臂承载，用于机器人设备的定位的被加速的质量低于例如US 7,347,120 B1中所示的现有技术设备。由于驱动设备除了别的以外在被加速的质量的基础上设计尺寸，可以使用更小的驱动设备。进一步地，由于臂不承载驱动设备，可以使用更小的体积。

在一个实施例中，线性驱动单元包括单动或双动气动或液压缸。在优选实施例中，第三驱动设备是电动机，特别是伺服电动机，其允许简单的控制和高定位准确度。在一个实施例中，电动机驱动与第一臂上安装的齿轮架啮合的小齿轮也移动第一臂。

在优选实施例中，线性驱动单元包括围绕固定的第三轴线旋转的螺杆和接合螺杆的至少一个螺母，该至少一个螺母安装在第一臂上。通过提供围绕固定的轴线旋转的螺杆，在第三轴线方向中的机器人设备的空间要求被减到最小。特别地，在第一轴线方向（典型地垂直轴线）中的空间要求小于例如US 7,347,120 B1中所示的设备的空间要求，其中螺杆设置在第二臂的远端，该螺杆可轴向运动以升起或降下夹钳。

优选地，第三轴线与第一轴线同轴。这允许紧凑的设计。

在优选实施例中，第一臂由第一柱安装到基座，该第一柱被驱动以围绕第一轴线旋转，其中第一臂不可旋转地，但可轴向移动地连接到第一柱。在一个实施例中，第一臂包括滑块元件，其滑动地安装在沿第一轴线的方向延伸的第一柱的引导槽中，并且主动地连接到第一柱以与第一柱一起旋转。通过滑块元件，第一臂和柱的燕尾状的连接具有邻近滑块元件的颈缩区域，其中扭矩在颈缩区域的侧面处传递。为了允许滑块元件沿着引导槽的运动而没有阻碍，在优选实施例中滑块元件具有大致圆形截面。

在优选实施例中，第一柱是空心轮廓。优选地，第一柱是空心轮廓，其中线性驱动单元的螺杆布置在第一柱的内侧，优选地与第一柱同轴。

根据优选实施例，第二驱动单元包括第二柱，其被驱动以围绕第一轴线旋转。优选地，第二柱是空心轮廓，其中第一柱布置在第二柱内侧，使得第二柱围绕第一柱可旋转。通过第一柱和第二柱中的一个或二个的运动，机器人设备的臂定位在垂直于第一和第二轴线的平面中。

在一个实施例中，第二柱的运动通过带系统传递给第二臂。

在优选实施例中，第二臂通过连杆系统连接到第二柱，连杆系统包括至少一个杆，其可围绕平行于第一轴线的杆轴线旋转并且轴向可移动地安装在第二柱上。这样的连杆系统允许旋转向第二臂的可靠传递，其不容易出现误差。

在一个实施例中，至少一个杆与第二柱直接连接，例如其中托架被提供，其平行于第一轴线延伸并且杆滑动地且可旋转地连接到托架。优选地，连杆系统进一步包括至少一个悬臂，其不可旋转地，但可轴向移动地在第二柱的轴向方向中连接到第二柱，其中至少一个杆可旋转地围绕杆轴线并轴向地固定连接到悬臂。悬臂从第二柱径向突出并允许杆轴线定位在第一轴线一定距离处，而不显著地增加第二柱的总空间要求。

优选地，平行于第一轴线延伸的至少一个引导轨设在第二柱的外表面处，其中至少一个悬臂滑动地连接到至少一个引导轨。

如解释的，通过三个驱动设备，机器人设备，具体地第二臂的远端定位在三维空间中。优选地，至少一个控制设备被提供，其中第一驱动设备，第二驱动设备，和第三驱动设备通过控制设备被协调，以在笛卡儿空间中定位机器人设备。

在优选实施例中，工作单元，特别地夹钳，被连接到第二臂。在这种情况下，控制设备控制驱动设备，以在笛卡儿空间中定位连接到第二臂的工作单元。

在优选实施例中，工作单元可移动地安装在第二臂上，特别地相对于第二臂可旋转。

根据第二方面，实验室自动化系统，其带有多个预分析，分析和/或后分析站，并且机器人设备被提供，该机器人设备包括固定基座，旋转地安装在基座上以围绕第一轴线旋转的第一臂，旋转地安装在第一臂上以围绕第二轴线旋转的第二臂，该第二轴线平行于第一轴线，用于驱动第一臂以围绕第一轴线旋转的第一驱动设备，第二臂驱动单元，其具有用于驱动第二臂以围绕第二轴线旋转的第二驱动设备，以及线性驱动单元，其用于在平行于第一轴线和第二轴线的方向中移动第一臂和第二臂，其中第一驱动设备和第二驱动设备安装固定在基座处，并且其中线性驱动单元包括安装固定在基座处的第三驱动设备。

优选地，机器人设备包括两个嵌套的柱和螺杆，该螺杆布置在柱的内侧并且与柱同轴，其中两个嵌套的柱和螺杆由第一、第二和第三驱动设备驱动，分别用于在笛卡儿空间中定位机器人设备。

附图说明

图1：机器人设备的实施例的透视图。

图2：图1的机器人设备的旋转经过90°的透视图。

图3：图1的机器人设备的顶视图。

图4：图1的设备的水平截面图。

图5：沿图3的线V-V的垂直截面图。

图6：沿图3的线VI-VI的垂直截面图。

具体实施方式

在下面，本发明的实施例将参照附图进行详细描述。只要可能，相同的附图标记在全部附图中用于表示相同或相似的部件。

图1至6以示意图显示了机器人设备1的实施例，其例如在用于处理试管（未示出）的实验室自动化系统中使用。

机器人设备1包括固定基座10（图5和6中所示），旋转地安装在基座10上以围绕第一轴线I旋转的第一臂11，以及旋转地安装在第一臂11上以围绕第二轴线II旋转的第二臂12，该第二轴线II平行于第一轴线I。在第二臂12的远端处提供工作单元，即夹钳13。如果应用需要，夹钳13可以可旋转地安装在第二臂12上。

在所示的实施例中，基座10布置固定在工作台2的下面。在其他实施例中，基座10设在工作台2的上方或者机器人设备1在没有任何工作台的情况下使用。在一个实施例中，基座10包括壳体。在其他实施例中，基座10集成到环境中。

第一臂11由第一柱14安装到基座10，该第一柱14被第一驱动设备30驱动以围绕第一轴线I旋转。在所示的实施例中，第一驱动设备30是电动机。在第一驱动设备30和第一柱14之间提供传动系统，其在图中未示出。

第一臂11不可旋转地，但可沿着第一轴线I轴向移动地连接到第一柱14。

如可以在图4的水平截面图中最佳所见的，第一柱14是空心轮廓，其设有在第一轴线I的方向中延伸的引导槽15。第一臂11包括滑动地安装在第一柱的引导槽15中的滑块元件15。引导槽15被切口，即它的开口小于它的最大宽度，并且滑块元件15被保持在引导槽14的径向方向中。颈缩形成于第一臂11邻近滑块元件15处。颈缩的侧面邻接第一柱14的侧面，以将第一臂14主动连接到第一柱14，从而与第一柱14一起旋转。

带有第二驱动设备40的第二臂驱动单元4被提供用于驱动第二臂12以围绕第二轴线II相对于第一臂11旋转。在所示的实施例中，第二臂驱动单元4包括第二柱41。第二柱41是空心轮廓。第一柱14和第二柱41同轴地布置，其中第一柱14布置在第二柱14内侧，使得第二柱41可围绕第一柱14旋转。第二柱41具有用于第一臂11的切口，其设计成允许第二柱41相对于第一柱14旋转，而没有第二柱41和第一臂11的干涉。

第二柱41被第二驱动设备40驱动以围绕第一轴线I旋转。在所示的实施例中，第二驱动设备40是电动机。在第二驱动设备40和第二柱41之间提供传动系统，其在图中未示出。第二柱41的旋转通过连杆系统传递到第二臂12。在图中，第二臂12通过连杆系统连接到第二柱41，连杆系统包括两个杆42，其平行地布置在共用平面中，该共用平面平行于第一轴线I。杆42可旋转地围绕平行于第一轴线I的杆轴线III并且轴向可移动地安装在第二柱41上。为此目的，进一步显示的连杆系统包括悬臂43。悬臂43通过引导轨44不可旋转地，但可轴向移动地在第二柱41的外表面处连接到第二柱41，该引导轨44平行于第一轴线I延伸。两个杆42可旋转地围绕杆轴线III并轴向地固定连接到悬臂43。

控制设备6被提供，其中通过控制设备6，第一驱动设备30和第二驱动设备40结合地或分开地被驱动以在垂直于第一轴线I和第二轴线II的平面中定位夹钳13，换言之，当选择的笛卡尔坐标系中原点位于工作台2和第一轴线I及竖轴Z轴的相交点时，夹钳13定位在X轴和Y轴中。

机器人设备1进一步包括线性驱动单元5，其用于在与第一轴线I和第二轴线II的方向中，即沿着笛卡尔空间的Z轴，移动第一臂11和第二臂12。

线性驱动单元5包括第三驱动设备50，其驱动布置在固定位置处的螺杆51，以围绕轴线旋转。在所示的实施例中，螺杆51布置在第一柱14的内侧并且与第一轴线I同轴地布置。因此，螺杆51被驱动以围绕第一轴线I旋转。

第一臂11，更具体的第一臂11的滑块元件16设有两个螺母52，其接合螺杆51。

控制设备6控制第一驱动设备30和第三驱动设备50以驱动螺杆51和/或第一柱，从而围绕第一轴线I旋转。

当驱动螺杆51以围绕第一轴线I旋转并阻碍第一柱14的旋转，并因此阻碍不可旋转地连接到第一柱14的滑块元件16的旋转时，滑块元件16，并且因此第一臂11沿着螺杆41行进。安装到第一臂11的第二臂12被拖动以与第一臂14一起运动，其中悬臂43沿着引导轨44行进。

第一臂11沿着螺杆41的最大行进长度由引导槽15的长度限定。在图中，引导槽15在第一柱14的整个长度上不接触。因此，提供了固体限制止动部，其限制夹钳13朝向工作台2的运动并防止夹钳13与工作台2碰撞。

当驱动螺杆51和第一柱14以协调的角速度围绕第一轴线I旋转时，螺杆51和第一臂11围绕第一轴线I结合地旋转以旋转地定位第一臂11而不升起或降下第一臂11。

所有的三个驱动设备30、40、50安装固定在基座10处。因此，臂11、12不是必须承载驱动设备30、40、50的负载。这允许臂11、12的轻量构造，例如，如图所示的空心轮廓。另一驱动设备可以被提供以用于驱动夹钳13关于第二臂12旋转。

螺杆51、第一柱14和第二柱41同轴地被布置并在轴线方向中至少大致对齐。为此目的，第一柱14和第二柱41设计成空心轮廓，其中螺杆51可旋转地被第一柱14容纳，其可旋转地被第二柱41容纳。第一柱14和第二柱41二者具有圆形截面，以允许以最小的空间要求相对于彼此旋转。

在一个实施例中，机器人设备1用于处理试管（未示出）的实验室自动化系统。机器人设备1的轻量设计允许以高速度和高加速度，并且以高精度且仅引发微小的振动的方式处理试管。

当然，机器人设备1的使用既不限于抓放操作也不限于实验室自动化系统中的使用。除了夹钳13以外的其他工作单元能够连接到第二臂12的远端以改装机器人设备1适应不同的操作。

Claims (15)

1.一种机器人设备，其包括固定基座（10），旋转地安装在基座（10）上以围绕第一轴线（I）旋转的第一臂（11），旋转地安装在第一臂（11）上以围绕第二轴线（II）旋转的第二臂（12），该第二轴线（II）平行于第一轴线（I），用于驱动第一臂（11）以围绕第一轴线（I）旋转的第一驱动设备（30），第二臂驱动单元（4），其具有用于驱动第二臂（12）以围绕第二轴线（II）旋转的第二驱动设备（40），其中第一驱动设备（30）和第二驱动设备（40）安装固定在基座（1）处，

其特征在于，

提供线性驱动单元（4），其用于在平行于第一轴线（I）和第二轴线（II）的方向中移动第一臂（11）和第二臂（12），其中线性驱动单元（4）包括安装固定在基座（10）处的第三驱动设备（40）。

2.根据权利要求1所述的机器人设备，其特征在于，线性驱动单元（4）包括围绕固定的第三轴线旋转的螺杆（41）和接合螺杆（41）的至少一个螺母（42），该至少一个螺母安装在第一臂上（11）。

3.根据权利要求2所述的机器人设备，其特征在于，第三轴线与第一轴线（I）同轴。

4.根据权利要求1、2或3所述的机器人设备，其特征在于，第一臂（11）由第一柱（14）安装到基座（14），该第一柱被驱动以围绕第一轴线（I）旋转，其中第一臂（11）不可旋转地，但可沿着第一轴线（I）轴向移动地连接到第一柱（14）。

5.根据权利要求4所述的机器人设备，其特征在于，第一臂（11）包括滑块元件（16），其滑动地安装在沿第一轴线（I）的方向延伸的第一柱（14）的引导槽（15）中，并且主动地连接到第一柱（14）以与第一柱（14）一起旋转。

6.根据权利要求4或5所述的机器人设备，其特征在于，第一柱（14）是空心轮廓。

7.根据权利要求4、5或6所述的机器人设备，其特征在于，第二臂驱动单元（4）包括第二柱（41），其被驱动以围绕第一轴线（I）旋转。

8.根据权利要求7所述的机器人设备，其特征在于，第二柱（41）是空心轮廓，其中第一柱（14）布置在第二柱（41）内侧，使得第二柱（41）围绕第一柱（14）可旋转。

9.根据权利要求8所述的机器人设备，其特征在于，第二臂（12）通过连杆系统连接到第二柱（41），连杆系统包括至少一个杆（42），其可围绕平行于第一轴线（I）的杆轴线（III）旋转并且轴向可移动地安装在第二柱（41）上。

10.根据权利要求9所述的机器人设备，其特征在于，连杆系统包括至少一个悬臂（43），其不可旋转地，但可轴向移动地在第二柱（41）的轴向方向中连接到第二柱（41），其中至少一个杆（42）可旋转地围绕杆轴线（III）并轴向地固定连接到悬臂（43）。

11.根据权利要求10所述的机器人设备，其特征在于，平行于第一轴线（I）延伸的至少一个引导轨（44）设在第二柱（41）的外表面处，其中至少一个悬臂（43）滑动地连接到至少一个引导轨（44）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的机器人设备，其特征在于，至少一个控制设备（6）被提供，其中第一驱动设备（30），第二驱动设备（40），和第三驱动设备（50）通过控制设备（6）被协调，以在笛卡儿空间中定位机器人设备（1）。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的机器人设备，其特征在于，工作单元，特别地夹钳（13），被连接到第二臂（12）。

14.根据权利要求13所述的机器人设备，其特征在于，工作单元可移动地安装在第二臂（12）上，特别地相对于第二臂（12）可旋转。

15.一种实验室自动化系统，其带有多个预分析，分析和/或后分析站，并且具有根据权利要求1至14中任一项所述的机器人设备（1）。