CN109562521B - 偏转元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人臂的偏转元件，其包括两个可枢转地支承在活节装置上的臂支柱，提出：所述两个臂支柱(12)分别通过一个臂活节(18)支承在活节装置的支承结构(20)上并且这两个臂支柱(12)与所述两个臂活节(18)之间的一个可相对于支承结构(20)移动的连接元件(22)耦合，在支承结构(20)和连接元件(22)之间设有至少一个调节元件(50、51)，该调节元件移动连接元件(22)并因此使臂支柱(12)在臂支柱的端部位置之间枢转。

Description

偏转元件

技术领域

本发明涉及一种偏转元件、尤其是用于机器人臂的偏转元件，所述偏转元件包括两个可枢转地支承在活节装置上的臂支柱。

背景技术

为了优化的可移动性，常常在机器人臂方面需要为其设置活节，所述活节构成弯曲点，在此，驱动装置结合适合的测量和控制技术确保可精确地达到特定的弯曲角度。机器人臂可用于各种应用，它们要克服不同的载荷并且有时必须被非常精确地控制，以便例如在生产高质量产品时能够在制造中使用。通常，为偏转元件使用不同类型的驱动装置、如电驱动装置，所述驱动装置可设置在偏转元件本身中或通过牵引机构作用在活节上。还已知作用在臂支柱之间的气动或液压调节元件。总的来说始终希望能供轻质、但承载能力高的偏转元件。

发明内容

本发明的任务在于提供一种偏转元件，其在空间需求小的同时可普遍使用。

根据本发明，所述任务通过开头所提类型的偏转元件解决，在所述偏转元件中，两个臂支柱分别通过一个臂活节支承在活节装置的支承结构上并且这两个臂支柱与在所述两个臂活节之间的一个可相对于支承结构移动的连接元件耦合，在支承结构和连接元件之间设有至少一个调节元件，该调节元件移动连接元件并因此使臂支柱在它们的端部位置之间枢转。

本发明与已知解决方案的重要区别在于：两个臂支柱并非仅通过具有一个活节轴的一个活节相互连接，而是在支承结构上为每个臂支柱设置一个自身的活节。由此在这两个活节之间的连接元件区域中产生扩大的结构间隙，该结构间隙可用于适应不同类型(电动、气动或液压)的驱动装置及其电源线和控制线并适应具体应用情况，以便例如在高承载能力或高精度方向上优化偏转元件。

在本发明的一种优选实施方式中规定，所述连接元件具有至少一个柔性元件，所述柔性元件将两个臂支柱彼此连接。

柔性元件确保与角度位置无关地将两个臂支柱彼此保持在定义位置中，这例如在通过适合的传感器确定偏转元件的精确位置方面是有利的。

优选柔性元件构造为弯曲弹性的弹簧元件。在该实施方式中，例如可将弹簧元件构造成向中性位置复位，使得在没有驱动力的自由状态下基于弹簧元件的复位力总是呈现拉伸的中间位置。在此也可以说是弹簧活节(Federgelenk)，其作为第三活节处于两个外侧臂活节之间并且将两个臂支柱彼此间的运动同步为连接元件的一部分。

但代替弯曲弹性元件，柔性元件也可构造为简单的弯曲活节。

本发明的另一种优选实施方式规定，每个臂支柱分别单独通过一个活节连接部铰接在连接元件上。

该实施方式能实现具有大横截面的连接元件，这种连接元件特别适合用于在偏转元件中与调节元件直接耦合。已表明，通过该措施也可在结构上实现两个臂支柱之间更大的最大枢转角。

本发明的一种特别优选的实施方式规定，所述连接元件在支承结构上的导向部中可移动地被引导。

通过连接元件的导向部可在向不同角度位置移动时显著提高偏转精度。在此在绝大多数应用中特别有利的是，将连接元件的导向部构造为线性导向部，所述线性导向部设置在所述两个臂支柱之间的对称平面中。

通过这种布置方式，连接元件在枢转期间总是在所述两个臂支柱之间的对称平面中移动，从而机械负荷总是均匀地分布。但也可有针对性地使用不对称结构，例如为了在所述两个臂支柱之间设置传动比，如果需要如此。

与连接元件的导向部的几何布置无关，导向部可包括滚动或滑动轴承。

在本发明的另一种特别优选的实施方式中规定，在两个臂活节之间设有长度补偿部用于臂支柱的在枢转期间相对于彼此移动的端部。

长度补偿部通常有利于补偿由于枢转出现的距离变化并仍允许两个臂支柱相对于彼此的定义的引导。作为替代方案，臂支柱的两端例如也可借助齿部相互啮合，齿部的半径分别通过到相应臂活节的距离定义。

长度补偿部可设置在偏转元件内的不同位置上。第一种解决方案规定，作为长度补偿部，两个臂支柱的端部或在臂支柱与连接元件之间的连接部构造成可伸缩的。伸缩装置在此构造在臂活节和连接元件之间，可相互伸缩移动的臂部件可通过滚动或滑动轴承彼此引导。

在长度补偿部的另一种实施方式中规定，为了形成长度补偿部，在臂支柱和连接元件之间的铰接部由在连接元件中的纵向槽中被引导的活节头构成。

已表明，通过这种类型的长度补偿部结合每个臂支柱通过自身的活节连接部与连接元件的连接可进一步增加在两个臂支柱之间的最大可能枢转角。两个纵向槽在此基本上彼此对齐延伸。

在该实施方式中，连接元件可简单地具有刚性的大面积的置靠面，例如波纹管形式的气动调节元件直接大面积地作用在该置靠面上。尽管在柔性和/或弹性可缩的连接元件中也有这种贴靠作用，但刚性贴靠面保护这种调节元件的壁并且基于在调节行程上更均匀的填充在测量技术方面也比弯曲变形或在中间弯曲的连接元件更容易检测。

在此臂支柱并非必须通过单独的活节作用在连接元件上，臂支柱也可叉状地包围明显更扁平的、优选圆盘状的连接元件并且又通过一个共同的活节连接部连接到连接元件上。长度补偿部如上所述也通过伸缩式长度补偿部实现。

原则上，根据本发明的偏转元件可与任何类型的驱动装置组合，有利的是，在两个臂活节之间的空间用于设置本来的驱动元件和可能需要的传动元件或长度补偿元件。

在第一种实施方式中，用于调节偏转元件的角度位置的电驱动装置设置在支承结构上，在此优选电动机借助嵌入与连接元件连接的螺纹中的自锁丝杠使连接元件相对于支承结构移动。自锁驱动装置的优点在于：即使在重量载荷下切断驱动电流之后角度位置也不发生改变，这在某些应用中可能是希望的，例如当机器人臂承重时载荷在驱动能量中断的情况下也应被安全地保持。

作为替代方案，调节元件可由两个相反作用的气动或液压致动器构成。这些致动器又可直接设置在支承结构和连接元件之间，使得连接元件位于两个调节元件之间。除了可购得的具有在汽缸中移动的活塞的调节元件之外，可加载压力气体或压力流体的体积可变的气动装置(Pneus)特别适合用于根据本发明的偏转元件。这种调节元件的护套例如可设计为织物或波纹管形式的PU(聚氨酯)吹塑件。

优选调节运动在平行于两个臂支柱之间的对称平面的方向上进行，使得机械部件均匀被力加载。

为了在需要达到精确位置的机器人臂中使用，在偏转元件中使用传感器是有利的。特别是对于在各种应用中的普遍适用性有利的是，检测偏转元件自身的运动并且将所确定的数据与同样在相关机器人臂中使用的其它运动元件的位置数据一起进行评估。作为替代方案，也可检测设置在机器人臂端部上的夹持器在空间中的位置，之后当然也通过偏转元件进行运动控制。

优选借助传感器直接在偏转元件中检测角度位置，所述传感器在所述两个臂支柱之间至少在一个臂活节区域中检测相应臂支柱相对于支承结构的相对位置和/或在连接元件的导向部区域中检测连接元件相对于支承结构的相对位置。在两种情况下，检测到的相对位置允许直接计算角度位置，因为处于特定角度位置的臂支柱和连接元件也始终相对于支承结构处于定义位置中。当出于安全原因需要冗余测量值检测时，尤其是可使用多个传感器。

根据应用情况有利的是，在臂支柱和支承结构之间构造止挡面，其限定最大枢转角。这避免了连接元件区域中的机械结构的过度应力。

最后，本发明的一种特别优选的实施方式在于：支承结构在两个臂活节之间构造为封闭的壳体或被封闭的壳体包围。由于用于臂支架的两个活节轴承本来就可彼此固定地构造，因此本发明的偏转元件结构允许毫无问题地设置壳体，该壳体保护所有敏感的驱动装置、导向部、控制单元和传感器元件免受环境影响，且无需使用长度可变的盖件来保护敏感部件、如本身倾向于高磨损的波纹管或类似物。

附图说明

由下述参考附图的实施例说明给出本发明的其它特征、细节和优点。附图如下：

图1示出处于拉伸位置的偏转元件的第一种实施方式的纵剖面图；

图2示出处于最大偏转位置的根据图1的偏转元件的纵剖面图；

图3示出处于拉伸位置的偏转元件的第二种实施方式的纵剖面图；

图4示出根据图3的偏转元件旋转了90°的纵剖面图；

图5示出偏转元件的第三种实施方式的纵剖面图；

图6示出偏转元件的另一种实施方式的纵剖面图；

图7示出在不同配置的机器人臂中偏转元件的不同组合可能性的视图。

具体实施方式

在图1中示出用于机器人臂的偏转元件10。该偏转元件10位于两个在图1中未示出的臂支柱12(见图7)之间。臂支柱本身由简单的管制成，所述管由适合用于相应应用情况的材料制成。管可借助适合的连接机构(未示出)拧入内螺纹14中。

两个内螺纹14配置给臂活节18的臂侧活节半部16，借助臂活节，臂支柱12可枢转地支承在支承结构20上。所述支承结构20构成偏转元件10的框架，在其上支承有两个臂活节18并且在两个臂活节18之间连接两个臂支柱12的连接元件22可移动地被引导。

臂活节18在图1和2以及图3和4所示的两种实施例中分别相应地构造，在此参考图3来说明更详细的结构。相应地，臂活节18分别具有活节销24，所述活节销可枢转地支承在支承结构20上的轴衬26中。活节销与可移动的活节结构28连接，连接元件22通过可伸缩的长度补偿部29安装在活节结构28上。可伸缩的长度补偿部29具有低摩擦线性滚动轴承30。

此外，活节结构28分别设有外螺纹31，两个螺纹套筒32、34分别拧在该外螺纹上，所述螺纹套筒以锁紧螺母的形式彼此夹紧。后侧螺纹套筒32具有部分球形内轮廓36，其与支承结构20的球形外轮廓38密封地配合作用。内轮廓36上的密封元件40在与球形外表面的配合作用下可进一步改善密封效果。

支承结构20在两个臂活节18之间构造为封闭的壳体42，使得在与密封元件40或构造在那里的迷宫式密封件的配合作用下壳体42内部被可靠地保护免受环境影响。壳体42可通过增材制造工艺制造成图中所示结构并且优选在图4所示截面中分开，以便可以安装偏转元件10的所有零件。

在图1和2中所示的偏转元件10的实施方式中，连接元件22包括一个对称构造的元件44，该元件的两个半盘形半部46a、b在中心通过活节连接部48彼此连接。这两个活节半部46a、b的端部49a、b构成可伸缩的长度补偿部29的一部分。

在图1至4中所示的实施方式中，分别设置两个气动调节元件50、51，它们分别可通过连接管线52被加载压力并可在相反方向上执行调节运动。连接管线穿过偏转元件10中的空腔和空心的臂支柱从机器人臂的安装点通向调节元件。调节元件50本身构造为波纹管的形式并且在所示实施例中具有由PU制成的吹塑成型的壁54，该壁可借助织物加强，织物同时也影响加压时的变形自由度。

连接元件22在活节连接部48的活节轴上设置有辊子导向部，该辊子导向部在支承结构中的线性导向槽56内被引导。在本实施方式中导向槽56的端部也限定了最大枢转角，所述最大枢转角在图2中以其中一个方向示出，这通过上侧调节元件50加压实现。通过为下侧调节元件51加压可在相反的偏转方向上达到关于中心平面镜像对称的极限角。

偏转元件10的角度位置的位置检测可由传感器(未示出)实现，所述传感器检测至少一个臂活节18的角度位置和/或活节连接部48的活节轴在导向槽56中的位置。借助特定位置可控制调节元件的控制，在此传感器的电源线(未示出)也穿过偏转元件10和臂支柱中的空腔延伸。

在图3和4中所示的实施方式中，偏转元件110与图1和2中所示方案的区别在于不同设计的连接元件122。连接元件122具有一体的板状弹簧元件146，该板状弹簧元件可弯曲弹性地从中间位置弹性偏转。用于辊子导向部162的保持部160安装在弹簧元件146中间，辊子162在两个侧面导向槽56中被引导，所述导向槽相应于上述实施方式。

弹簧元件146具有两侧的突出部164，所述突出部被夹持在保持元件166中，保持元件又构成长度补偿部29的在臂活节中可伸缩的区域。为清楚起见，在图3和图4中省略了调节元件50、51，但其相应于结合图1和2说明的调节元件。弹簧元件146的作用类似于弹性弹簧活节，其将两个臂支柱彼此连接。

图5示出偏转元件210的另一种实施方式，其在结构上构造得差异稍大——尤其是在连接元件222区域中，该连接元件类似于活塞在支承结构220的导向部中被引导。为此在连接元件222上支承有两个辊对作为辊子导向部262，它们在导向槽256中被引导。

未示出的臂支柱12再次通过两个臂活节218支承在支承结构220上，在此臂支柱12分别通过一个臂结构208延伸至壳体内部。在该实施方式中，在臂支柱的延伸方向上并未设置长度补偿部，取而代之，而是在臂结构208的端部上设置滑动元件229亦或滚动元件，它们在纵向槽257中被引导并且因此确保臂结构208相对于连接元件222的可移动性。

图5中所示的极限位置由臂结构208和壳体外侧之间的止挡270定义。已表明，借助根据图5的偏转元件210的结构设计可实现比先前描述的实施方式更大的偏转角度。根据图5的偏转元件210方案的另一优点在于：连接元件222具有用于气动调节元件的平坦置靠面280，所述调节元件可基本上相应于先前描述的调节元件50、51。不同于先前描述的两种实施方式，由于置靠面280在枢转时不变形，因此调节元件在其端面上也不变形，这减小了其应力并可能增加使用寿命。也已表明，在这种刚性和平坦的贴靠面中在测量技术方面可比在弯曲或弹性变形的且与在端面也具有弹性壁的波纹状调节元件50、51配合作用的连接元件22、122中更好地检测偏转元件210的运动变化。

图6示出偏转元件310的另一种实施方式，在其中连接元件也同样具有平坦且在偏转期间不变形的、用于调节元件50、51(未示出)的置靠面或压紧面。在此两个臂支柱仍通过活节结构328铰接在连接元件322上的一个共同的铰接位置上，这如此实现，即两个活节结构叉状地包围连接元件322并且因此释放中间区域作为用于调节元件的贴靠面。另外，活节结构具有类似于根据图1至4的实施方式的长度补偿部329，因为垂直于连接元件322移动方向延伸的纵向槽基于连接元件322的平面结构无法像在图5所示的实施方式那样用作长度补偿部。另一方面，这种平面结构的优点在于可为调节元件50、51提供更多的空间或在调节元件尺寸相同的情况下可将偏转元件310的壳体342构造得更小。

连接元件322的辊子导向部再次通过两个辊对362实现，所述辊对在导向槽356中移动。用于连接活节结构328的活节连接部348在连接元件322的导向部的导向辊子362之间的中间实现，所述活节连接部与臂支柱12在枢转方向上刚性连接。

所显示和描述的气动调节元件可毫无问题地通过电驱动元件代替，其例如通过电主轴驱动装置(Spindeltrieb)作用到连接元件上。主轴驱动装置的优点在于其可简单地自锁，使得相应构造的偏转元件即使在驱动装置不起作用时也可保持作用在其臂支柱上的载荷。

图7示例性示出两个机器人臂100和102，它们安装有上述偏转元件10。左侧示出的机器人臂100包括设置成一排的四个偏转元件10a、b、c和d，在机器人臂的端部101上可设置未示出的夹持器。通过组合多个串联的偏转元件可进一步增大枢转角，扭曲的布置方式也可用于在相应扭曲的平面中枢转机器人臂。相应于朝向自由臂端部减小的弯矩负荷，偏转元件10的尺寸朝向该臂端部设计得更小。

图7右侧示出一种机器人臂102，其组合了长度可调的模块104和一个根据本发明的偏转元件10。

这两种机器人臂仅应理解为示例性的。本文讨论类型的偏转模块当然可与机器人臂的任何模块组合。这类模块可允许任何自由度上的移动，从而可在结构上为机器人臂实现任何希望的可移动性。

本发明不限于上述实施例之一，而是可以多种方式进行修改。

所有由说明书和附图中给出的特征和优点(包括设计细节、空间布置和方法步骤)本身和在各种组合中对于本发明都是重要的。

附图标记列表

10 偏转元件

12 臂支柱

14 内螺纹

16 活节半部

18 臂活节

20 支承结构

22 连接元件

24 活节销

26 轴衬

28 活节结构

29 长度补偿部

30 线性滚动轴承

31 外螺纹

32、34 螺纹套筒

36 球形内轮廓

38 球形外轮廓

40 密封元件

42 壳体

44 对称元件

46a、b 盘形半部

48 活节连接部

49a、b 盘形半部的端部

50、51 气动调节元件

52 连接管线

54 壁

56 导向槽

100 机器人臂

101 臂端部

102 机器人臂

104 长度可调的模块

110 偏转元件

122 连接元件

146 弹簧元件

162 辊子导向部

164 突出部

166 保持元件

208 臂结构

210 偏转元件

218 臂活节

220 支承结构

222 连接元件

229 滑动元件

256 导向槽

257 纵向槽

262 辊子导向部

270 止挡

280 置靠面/压紧面

310 偏转元件

322 连接元件

328 活节结构

329 可伸缩的长度补偿部

342 壳体

348 活节连接部

356 导向槽

362 辊子导向部

Claims (15)

1.用于机器人臂(100、102)的偏转元件，所述偏转元件包括可枢转地支承在活节装置上的两个臂支柱(12)，其特征在于，所述两个臂支柱(12)分别通过一个臂活节(18；218)支承在活节装置的支承结构(20；220)上并且这两个臂支柱(12)与在所述两个臂活节(18；218)之间的可相对于支承结构(20；220)移动的连接元件(22；122；222；322)耦合，所述偏转元件还包括在支承结构(20；220)和连接元件(22；122；222；322)之间设有至少一个调节元件(50、51)，所述调节元件使连接元件(22；122；222；322)移动并因此使臂支柱(12)在臂支柱的端部位置之间枢转，

其中，所述连接元件(22；122；222；322)在线性导向部(56；256；356)中可移动地被引导，所述线性导向部设置在所述两个臂支柱(12)之间的对称平面中，

其中，所述支承结构是支承所述两个臂活节(18；218)、线性导向部(56；256；356)和所述至少一个调节元件(50、51)的支承结构，

其中，所述至少一个调节元件(50、51)由相反作用的气动或液压致动器构成。

2.根据权利要求1所述的偏转元件，其特征在于，所述连接元件(22；122)具有至少一个柔性元件(44；146)，所述柔性元件将所述两个臂支柱(12)彼此连接。

3.根据权利要求2所述的偏转元件，其特征在于，所述柔性元件(146)构造为弯曲弹性的弹簧元件(146)。

4.根据权利要求2所述的偏转元件，其特征在于，所述柔性元件(44)具有至少一个活节(48)，所述活节设置在所述两个臂支柱的延长部的交叉处。

5.根据权利要求1所述的偏转元件，其特征在于，所述臂支柱分别通过活节连接部铰接在连接元件上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，在所述两个臂活节(18；218)之间设有长度补偿部(29；257；329)用于臂支柱(12)的在枢转期间相对于彼此移动的端部。

7.根据权利要求6所述的偏转元件，其特征在于，作为长度补偿部，臂支柱的端部或在臂支柱(12)和连接元件之间的连接部构造成可伸缩的。

8.根据权利要求6所述的偏转元件，其特征在于，为了形成长度补偿部，在臂支柱和连接元件之间的活节连接部由在连接元件中的纵向槽(257)中被引导的活节头(229)构成。

9.根据权利要求4或5所述的偏转元件，其特征在于，所述连接元件具有用于至少一个调节元件(50、51)的刚性的大面积的置靠面。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，所述调节元件构造为电驱动装置，电动机借助自锁丝杠使连接元件相对于支承结构移动，所述自锁丝杠嵌入连接元件中的螺纹中。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，所述调节元件(50、51)由两个相反作用的气动或液压致动器构成。

12.根据权利要求10所述的偏转元件，其特征在于，所述调节元件的调节方向平行于在所述两个臂支柱(12)之间的对称平面。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，为了检测在所述两个臂支柱(12)之间的角度位置，在至少一个臂活节(18；218)区域中设有用于检测相应臂支柱(12)相对于支承结构(20；220)的相对位置的传感器和/或在连接元件(22；122；222；322)的导向部区域中设有用于检测连接元件(22；122；222；322)相对于支承结构(20；220)的相对位置的传感器。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，在臂支柱(12)和支承结构(220)之间设有止挡面(270)，所述止挡面限定最大枢转角。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的偏转元件，其特征在于，所述支承结构(20；220)在臂活节(18；218)之间构造为封闭的壳体(42)或被封闭的壳体包围。

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