CN108349076B - 机器人系统和用于该机器人系统的壳体部分 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个机器人臂的机器人系统(1),所述至少一个机器人臂包括多个构件/肢节(10),所述多个构件/肢节由关节使彼此相连,其中所述壳体被配置成将引入到所述构件(10)中的扭矩和力传递到相邻的构件(10)上,并且其中所述壳体由形状互补的至少两个壳体部分(12a,12b)构成,该壳体部分(12a,12b)以允许传递扭矩和力的方式连接到彼此。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人系统,此外分别涉及应该针对这样的机器人系统结合机器人臂或机械手使用的壳体部分和机器人壳体件。
背景技术
具有不同机械配置的机器人系统能够使其多种效应器分别在其环境内达到限定的位置和取向,或者沿着三维空间中的限定轨迹移动。为此目的,机器人臂或机械手用于引导效应器,该机器人臂由分别借助运动轴和关节使彼此相连的多个臂元件、肢节或构件构成,使得由此实现多个自由度。此外,为此目的,驱动单元设置在彼此相邻的构件之间的关节区域中,主要是电动或液压马达以及适当时的齿轮机构,以实现相邻构件之间的旋转和/或平移相对运动,诸如围绕纵向轴线的旋转(滚动关节)或围绕横向轴线的旋转(膝关节)。
通常,作为用于机器人臂的壳体部分,存在两种不同的配置,即骨架段或管段。相对于骨架段,骨架型支撑件/承载结构(例如采取杆的形式)设置在内侧,其传递所有发生的力和扭矩。支撑结构可被外壳包围以保护信号线和电源线。然而,该配置的安装相对容易,但因为扭矩传递部件包括较小的几何惯性矩而被证明是笨重的。此外,信号线和电源线的保护受限于外壳的耐用性和稳定性。
在机器人臂的壳体部分形成为一体式径向完全闭合的管段的另选配置中,外管专门传递力和扭矩,其中信号线和电源线可以在管内部中以保护的方式引导。该配置在重量方面具有优点,因为材料/壁厚可以做得更小,由此在刚性方面仍允许相同的要求。然而,这种带有管段的设计伴有这样的缺点,即整个机器人系统的组装是相对复杂的,因为信号线和电源线必须被安装并固定在管的内侧并且可以仅在对应受限的组装空间内执行驱动单元的凸缘安装。为此目的,在组装和拆卸期间必须遵循严格的顺序。管体中的空间狭窄妨碍了部件的简单组装和拆卸,部分地还需要额外的工具。因此,在制造这样的机器人系统期间也难以实现自动化过程。
而且,与这样的一件式管段(作为壳体部分)关联的另一个问题是,维护/修理工作以及可能的故障查找变得复杂而困难,因为管段的内部只有在单个构件(如果需要,再次顺序地)已被拆除时才可接近,以便露出所有的机械部件、机电部件和/或电子部件。虽然这样的问题在现有技术中在一定范围内被如此应对,即单个管段在两个关节位置的区域或关节位置处直接设置有允许更容易地接近内部的可卸离的壳体盖,然而,这样的盖并非是针对传递力和/或扭矩设计的。因此,必须分别更复杂地配置其余部段和壳体的形状和强度。
发明内容
鉴于此,本发明的任务是避免上述缺点并且提供一种机器人系统,它的特点是组装简单同时重量最轻且力和扭矩的传递能力更好。
这样的任务一方面通过一种机器人系统且另一方面通过一种用于机器人臂或机械手的壳体部分来完成。
本发明涉及一种具有至少一个机器人臂的机器人系统,所述至少一个机器人臂包括多个构件或肢节,所述多个构件或肢节由关节使彼此相连并且各包括用于容纳机械部件、机电部件和/或电子部件的壳体,其中所述壳体被配置成将引入到所述构件中的扭矩和力传递到相邻的构件上,并且其中所述壳体由形状互补的至少两个壳体部分构成,该壳体部分以允许传递扭矩和力的方式连接到彼此。
优选地,所述至少两个壳体部分被制成例如铸造的壳状体,由此能够在组装或维护工作期间容易地接近所述构件的内部。预先安装的组装模块(特别是关节单元)可以简单地插入到打开的半壳部分中,或者可以首先在这样的打开的半壳部分中被分开组装和测试。线材可以容易地铺设在壳状壳体部分中,并且传感器、电子PCB等可以安装在为其而设置的位置处,机构的其他部件或壳体本身将不妨碍可接近性。
如果所有部件都被安装在第一壳体部分内侧,则所述构件将被第二壳体部分封闭,其中根据本发明,两壳体部分被配置并定位成使得在组装之后,两壳体部分能够在彼此之间传递力和扭矩,由此也传递到机器人臂的相应相邻构件上。
根据本发明,分别在两壳体部分之间的分离线和连接线优选地基本上沿着所述构件的轴向延伸范围延伸。
根据本发明,分别,以承载的方式通过表面接触以及/或者借助形状匹配和互锁元件来实现扭矩和力在两壳体部分之间的传递。
利用多个连接元件将两壳体部分固定在一起,所述多个连接元件被配置成使得一方面允许壳体部分之间随时能卸离的连接另一方面照顾到机器人臂的机械和运动学要求。
根据本发明的优选实施方式,规定:所述连接元件中的至少一个连接元件以这样的方式配置并被布置在壳体部分内侧,使得借助驱动单元引入到所述构件中的扭矩和力被分别传递到所述构件的所述壳体中以及所述构件的所述壳体上。换句话说,与其他连接元件一起用来将两壳体部分彼此固定的此连接元件另外提供以下功能:将扭矩和力引入到两壳体部分中,然后将两壳体部分组装在一起。
例如,所述构件的所述壳体在至少一个端部可包括用于紧固驱动单元的紧固元件,借助该驱动单元,所述构件以能相对于彼此移动的方式连接到相邻的构件或所述机器人系统的另一个部件,其中所述紧固元件被两壳体部分包围和封闭。
特别是,由此所述紧固元件应该与所述构件的所述壳体中的至少一个连接元件合作,使得所述紧固元件可以借助所述连接元件本身以传递扭矩和力的方式固定并安装到所述壳体中。
即,根据本发明,当两壳体部分被放到一起并且借助这样的连接元件连接时,在用于驱动单元的紧固元件(随后被两壳体部分包围)和壳体结构之间应启用传递扭矩和力的连接,由此形成用于所述构件的这种壳体结构。
因此,优选壳状壳体部分的至少一个壳体部分包括至少一个支承件/支撑元件,所述至少一个支承件/支撑元件布置在所述壳体部分的一端的区域内侧并与所述紧固元件合作,使得所述紧固元件相对于径向和轴向二者方向明确地定位并且可以在该位置固定到壳体部分内。
根据优选实施方式,所述紧固元件被制成凸缘环,其中根据本发明,然后可规定:所述支撑元件与形成在所述凸缘环的径向圆周表面的区域中的对应缺口或开口接合。
根据一个有利配置,在所述支撑元件之间沿周向分部段地设置有缺口,出于散热的目的,该缺口实现了所述壳体的更好通风。所述支承件/支撑元件可在其圆周上形成为槽、通道或壁,特别是分别可包括梯形横截面及倾斜侧面和边侧。以对应的方式,所述凸缘环可在其径向圆周的区域中设置有互补形状(至少与相应设置用于支撑元件的缺口相关)。然而,优选地,所述凸缘环设置有能够以承载和/或形状匹配/互锁的方式周向地接收所述支撑元件的圆周径向槽。这样的连接件形成在所述凸缘环和所述支撑元件之间,使得然后可以实现力和/或扭矩从驱动单元向两壳体部分的传递,两壳体部分连接到所述驱动单元。
支撑元件以这样的方式配置,即该支撑元件接合到所述凸缘环的径向环绕的槽中,显示的优点是,将阻止驱动单元在组装期间或者在随后操作期间的任何滑脱或倾斜。为此目的,边侧相对于径向方向的倾斜角度优选地为20度到60度。壁状支撑元件和壳体部分可以优选地由铸铝制成。就此而言,例如与例如可以制造用于驱动单元的凸缘环的铝棒相比,铸造材料具有更小的延展性。由此,使得径向力更可能导致凸缘腿的轴向扩张,而不是内凸缘的径向变形,这在制造期间表示更大的公差。
另外,相对于所述至少一个连接元件的径向接合是优选的,所述至少一个连接元件还用于以传递扭矩和力的方式将所述凸缘环与至少一个壳体部分连接。
以优选的方式,这样的连接元件形成为一体地布置在壳体部分处的某种插入块。然后,结合的壳体部分可以借助至少一个插入块进行连接。这是有利的,因为除了经由所述凸缘环和所述壳体部分之间的支撑表面,还可以主要经由所述插入块实现扭矩的传递。
根据一个优选配置,相邻壳体部分的连接表面形成为榫槽机构的形状。这样的配置增加了连接在一起的部件的刚性;而且在壳体部分之间没有分离间隙并且可以以容易的方式补偿制造公差。此外,由此可以大大阻止电磁干扰并且实现了对布置在内侧的部件的最佳保护以防止灰尘、污物和湿气的侵入。
榫槽型连接表面均可包括矩形、梯形或V形横截面。另选地或另外地,相邻壳体部分的连接表面包括相互配合的销状和/或网状连接。这两种配置增加了壳体的刚性并简化了组装。
根据一个另选的优选配置,两壳状壳体部分被栓接在一起。对于该实施方式,壳体部件的平坦的连接表面设置有用于接收可插入的连接元件的孔。平坦的连接表面可以容易被铣削,这对于空间复杂的壳体部分(诸如壳体部件)而言是特别有利的,其中分离线并非在一个共同平面中直线延伸。
由此,为此目的,可以通过将配合套或配合键插入到设置在壳体结构中的孔中来实现栓接,其中螺钉可以被引导穿过配合套,借助该螺钉,壳体部分可以栓接在一起。
另选地,也可以按照榫槽型方式形成相邻半壳部分的连接表面并且另外借助螺栓连接它们,以便实现特别稳定的连接来传递扭矩和力。还可以实现螺钉连接,因为在一个半壳部分中设置有内孔,螺钉以螺钉的方式连接到该内孔中,该螺钉穿过相邻半壳部分。
由于所述机器人臂的构件简单,基本上以旋转对称的方式形成至少轴向区段,仅两个形状互补的半壳部分足以,使得易于组装。对于更复杂的构件结构,可以利用三个或多个壳状壳体部分。
描述的本发明可以应用于机器人臂或机械手的单个构件或所有构件,其中所述机器人臂可以是更复杂机器人系统的一部分,诸如带有臂的移动平台或者诸如人形机器人。基本上,然而不是唯一地,本发明涉及具有轻型结构的机器人系统。
作为用于壳状壳体部分的材料,可以使用由金属(诸如铝)、塑料或碳制成的铸造部件,其中基于机器人系统的操作目的,可以通过适当地选择壳体部分的壁厚来增加刚性。而且,壳体件的设计也可适用于腿、膝或类似肢节连接并且可例如另外用在机器人支撑的假肢领域。
显而易见的是,由于更容易接近构件的所有内部部件,根据本发明的机器人臂的构件的壳体结构的配置因此实现了更快的组装和维护,这样减少了包含这种机器人臂的机器人系统的制造和操作成本。而且,通过构件的壳体的多部分配置,可以更好地适应由机器人系统的内部部件和预期运动轨迹引起的几何情况,其中出于传递扭矩和力的目的,保证一直有足够的刚性。
附图说明
根据结合附图示出的实施方式的以下描述,其他优点、特征和特性变得显而易见,在图中:
图1是具有包括多个构件的机器人臂的机器人系统的立体图;
图2是与机器人臂结合使用的构件的组装壳体的立体图;
图3是根据本发明的壳状壳体部分的立体图;
图4是壳体部分的第一细节立体图;
图5是壳体部分的第二细节立体图;
图6是沿着图4的B–B的横截面;
图7是壳体部分的另一实施方式的细节立体图;以及
图8是根据图7的实施方式的细节立体图。
具体实施方式
作为一个示例,图1示出了根据本发明的机器人系统1,其优选地是轻型的机器人系统。
机器人系统1包括机器人臂,该机器人臂由以铰接的方式连接到彼此的多个臂段或构件10构成。在底座2和末端效应器3之间,共有六个构件10借助对应的关节机构(包括驱动单元)进行连接,以便借助旋转和/或平移力的传递在空间中引导末端效应器3,在目前的情况下提供七个自由度。
根据本发明,构件10的壳体由按照形状互补的方式配置的两个呈半壳状的壳体部分12a和12b连接,使得它们通过连接表面14a、14b而彼此接触。
由此,优选地平坦的连接表面14a、14b分别布置在基本上沿着单个构件10的轴向延伸范围延伸的连接线和分离线13的区域中,这可以从图1中看出,图1例如用虚线示出连接线13。
在组装状态下,如图2所示,两壳体部分12a和12b形成闭合的管状壳体。基于机器人系统1的配置和操作目的,壳体部分12a和12b可由不同材料制成,然而,出于刚性的目的,优选地由铝制成。
两壳体部分12a和12b借助多个连接元件以能卸离的方式彼此相连,其中连接元件可以基于其功能性而不同。
图3示出了打开的壳体部分12b。
将一定数量的配合套16插入到所述壳体部分12b的铸造体的对应孔中,每个孔均包括用于容纳连接螺钉18的内螺纹,连接螺钉18被插入并由此穿过另一个半壳部分12a中的对应孔20并且容易让组装工具接近。
为了实现两壳体部分12a、12b的更好定位,两壳体部分应该沿着连接表面14a、14b进行连接,纵向凸起22在壳体部分12b的连接表面14a、14b中分段形成,在壳体的组装状态下与对应的未示出缺口接合。由此增加由两壳体部分12a、12b形成的管体的刚性,以及阻止两壳体部分之间在组装期间相对于彼此的相对运动。
根据本发明,支承件/支撑元件24设置在两壳体部分12a和12b的内表面处或内表面上,用来容纳凸缘环26。
凸缘环26又用来紧固未示出的驱动单元,借助该驱动单元,构件10可以相对于与之相邻的另一构件12或者相对于机器人系统的另一个部件移动。
驱动单元将旋转和/或平移力引入到构件10中,然后将旋转和/或平移力从构件10传递到相邻的构件10。由此产生的扭矩和力因此必须也从驱动单元传递到构件10的壳体中。
缺口25设置在径向局部环绕的支撑元件24的之间,由此增强壳体的通风。另选地,也可以提供连续径向环绕的支撑元件24。
如图3所示,壳体部分12b在其两端处包括这样的支撑元件24,其中为了清晰起见,图3的左侧未示出凸缘环26。
根据本发明,接近连接表面14a、14b,壳体部分12b包括呈插入块28形式的两个连接元件,这两个连接元件面对彼此并且与壳体部分12b的主体一体地形成。
图4示出了如图3中以A示出的方向的凸缘环26和一个插入块28的放大视图。图5示出了具有插入块28和两壳体部分12a、12b然而没有凸缘环26的支撑元件24的内部立体图。在构件10的壳体组装状态下,如图5所示,插入块28与分别位于两壳体部分12a和12b之间的连接线和分离线13重叠。
在图6中,沿着图4的B-B以详细横截面示出了根据本发明的优选实施方式。
插入块28包括通孔30,通孔30可包括对应的内螺纹(未示出),使得插入块28出于连接和固定两壳体部分12a和12b的目的可以分别由紧固螺钉(未示出)从两侧穿过,其中紧固螺钉由壳体中对应的孔20a和20b进行引导。
根据优选实施方式,两壳体部分12a和12b分别可仅借助两对螺钉来连接,这两对螺钉与插入块28合作,即相对两侧有两个螺钉。另选地,插入块28可包括不具有螺纹的通孔30,使得连接两壳体部分12a和12b的螺钉分别简单地从中穿过并且该螺钉然后接合到孔20a和20b的内螺纹中。
在两种情况下,两壳体部分12a和12b的刚性紧固主要借助连接螺钉实现,连接螺钉接合到通孔30(具有或不具有内螺纹)中并由此通过使壳体部分12a、12b压合在一起将支撑元件24压靠凸缘环26或压入环绕的径向槽27。为此目的,凸缘环26的圆周槽或通道27包括梯形横截面,并且支撑元件24包括对应的倾斜连接表面,借此在组装和紧固壳体部分12a和12b期间,承载连接件形成在凸缘环26和支撑元件24之间,其由插入块28以形状互补的方式进一步支撑。
因此在本发明的该实施方式中,在壳体部分12a和12b通过组装的方式固定在一起之前,未实现凸缘环26和支撑元件24之间的承载连接件,该连接件支持引入到构件10中的扭矩和力的传递。
插入块28由此接合到凸缘环26中的对应径向缺口中,如图4所示。
在图7和图8中,示出了根据本发明的第二实施方式,其与图2至图6所示实施方式的不同之处在于,壳体部分12c的连接边缘14c包括连续V形槽32。为此目的,未示出的互补第二壳状壳体部分包括互补V形壁,其与槽一起实现两壳形壳体部分的明显更坚固连接。
Claims (11)
1.一种用于机器人系统的机器人臂的构件(10)的壳体的壳体部分(12b),其中,所述壳体部分(12b)包括多个连接元件,用于以能卸离的方式与至少另一个壳体部分(12a)相连,由此形成所述构件(10)的所述壳体,
所述壳体部分(12b)相对于另一个壳体部分(12a)以形状互补的方式配置,并且所述连接元件中的至少一个连接元件被配置成允许所述壳体部分(12b)和所述另一个壳体部分(12b)之间的扭矩和力传递连接;
其特征在于,所述连接元件(28)被配置成与紧固元件(26)直接合作以紧固驱动单元,借助该驱动单元,所述构件(10)能够以能相对移动的方式连接到相邻的所述机器人臂的构件(10)或连接到所述机器人系统的另一个部件,从而使得所述紧固元件(26)能够借助所述连接元件(28)本身,以传递扭矩和力的方式被固定和安装在所述壳体中。
2.根据权利要求1所述的壳体部分(12b),其中,所述壳体部分(12b)具有壳状结构并且包括至少一个支撑元件(24),所述至少一个支撑元件(24)被布置在所述壳体部分(12b)的一端的区域内,并且所述至少一个支撑元件(24)被配置成以形状匹配和/或承载的方式与所述紧固元件(26)合作。
3.根据权利要求1或2所述的壳体部分(12b),其中,呈插入块形式的所述连接元件(28)与所述壳体部分(12b)一体地形成。
4.根据权利要求1所述的壳体部分(12b),其中,所述另一个壳体部分(12a)的连接表面(14a,14b)至少分部段地包括榫和/或槽元件(32)。
5.根据权利要求2所述的壳体部分(12b),其中,所述支撑元件(24)与所述紧固元件(26)合作,使得所述紧固元件(26)相对于径向和轴向定位。
6.根据权利要求5所述的壳体部分(12b),其中,几个支撑元件(24)沿周向分部段地设置,在所述几个支撑元件(24)之间形成有缺口(25)。
7.根据权利要求5或6所述的壳体部分(12b),其中,所述支撑元件(24)与所述壳体部分(12b)是一体的。
8.根据权利要求7所述的壳体部分(12b),其中,所述支撑元件(24)形成为具有梯形横截面的壁元件。
9.机器人系统的机器人臂的构件(10),该构件(10)包括用于容纳机电部件的壳体,所述壳体由根据权利要求1至8中任一项所述一种用于机器人系统的机器人臂的构件(10)壳体的壳体部分(12b)和与其形状互补的另一个壳体部分(12a)构成。
10.根据权利要求9所述的构件(10),其中,所述壳体部分(12b)和所述另一个壳体部分(12a)被构造成包围凸缘环(26)形式的紧固元件,所述紧固元件用于紧固驱动单元。
11.一种具有至少一个机器人臂的机器人系统,所述至少一个机器人臂包括多个根据权利要求9或10所述的构件(10)。
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