CN109803798A - 机械臂机构 - Google Patents

Abstract

目的在于，在机械臂机构中，设为简单的结构，使其感应范围扩大，并由此实现安全性的提高。本实施方式的机械臂机构，具有多个联接部61。多个联接部61通过多个关节部63连结。各联接部61设置有多个光电传感器。光电传感器包括投光部41和受光部42。投光部41设置在联接部61的一端。受光部42设置在联接部61的另一端。从投光部41到受光部42的光路位于联接部61的外侧。作业者朝向联接部61的靠近，能够通过任意一个光电传感器的光路被遮住而被测出。

Description

机械臂机构

技术领域

本发明的实施方式涉及机械臂机构。

背景技术

一直以来，多关节的机械臂机构已被应用于产业用机器人等各种领域。尽管极坐标型机器人由于未装备肘关节而安全性较高，但是，由于可动范围狭窄，因此只适用于特定的领域。发明者们完成了实用化的直动伸缩机构，其伸缩长度比现有的直动机构长，并实现了广阔的可动范围。由此，可适用于各种领域，使机器人和作业员协作的环境成为现实。在机器人与作业员靠近的协作环境中，对机器人提出了更高的安全性要求。因此，在很多机器人中，在其臂部或者手腕部等装备有接触传感器或者接近传感器。

尽管为了提高安全性，有必要密集地配置很多的传感器，并扩大感应范围使其覆盖更多，但是这种情况下，不仅成本高，而且不可避免地增加臂部等的重量，并不现实。另外，由于由直动伸缩机构赋予伸缩性的臂部随着收缩而被收纳到支柱部内，因此难以在臂部的大致中间处装备接触传感器或者接近传感器，不可避免会有感应不到的区域。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特许第5435679号公报

发明内容

发明所要解决的课题

目的在于，在机械臂机构中，设为简单的结构，使其感应范围扩大，由此实现安全性的提高。

解决课题的手段

本实施方式的机械臂机构，其联接部被关节部支撑。联接部或者关节部上设置有至少一处光电传感器，使得测出光的光路处于联接部的外侧并至少涵盖联接部的两端。

附图说明

图1是表示本实施方式适用的各种类型的机械臂机构的外观的立体图。

图2是表示图1的极坐标型机器人的一种示例的立体图。

图3是图2的机械臂机构的侧视图。

图4是表示图2的机械臂机构的内部结构的图。

图5是图2的伸缩臂部的放大图。

图6是表示图5的投光器的图。

图7是表示图5的投光器和受光部的位置关系的图。

图8是具有图2的机械臂机构的机器人装置的功能块部。

图9是表示图2的光电传感器的变形例的图。

具体实施方式

以下参照附图说明本实施方式的机械臂机构。机械臂机构存在多种类型。图1(a)示例的是垂直多关节型机械臂机构，图1(b)示例的是具有两个平行的旋转关节部、在选择的平面内动作的水平多关节型机械臂机构(SCARA机械臂机构)，图1(c)示例的是臂部处具有三个直动关节部、这些关节部的轴符合直角坐标系的正交三轴型机械臂机构，图1(d)示例的是臂部处具有两个旋转间接部和一个直动间接部、这些间接部的轴构成极坐标系的极坐标型机械臂机构。其他的还有具有在臂部构成闭环结构的联接件的并联机械臂机构，在臂部具有至少一个旋转关节部和一个直动关节部、这些关节部的轴构成圆筒坐标系的圆筒坐标型机械臂机构等。本实施方式并不特定地限定类型，能够适用于任何类型的机械臂机构。本实施方式为至少一个联接部(也称为臂部)被至少一个关节部支撑的机械臂机构。

本实施方式的机械臂机构，由在地面、壁面、顶面等设置面上设置有单独的关节部、并且在其关节部内支撑有单独的联接部并使其自由旋转或自由移动的简单的结构所提供，或者由多个联接部通过关节部连结而成的一般的结构所提供。图1表示的是一般的结构的一种示例，本实施方式的机械臂机构也可以是任意一种类型。在此，以极坐标型机械臂机构作为例子进行说明。

在本实施方式中，使用光电传感器40检测作业员等靠近构成这些各种类型的机械臂机构的联接部。光电传感器40可以是对射型或者回归反射型。如果是对射型，光电传感器40具有投光部41和受光部42。如果是回归反射型，光电传感器40具有投/受光部和反射部。在此以对射型光电传感器为例进行说明。投光部41设置在联接部61的一端侧，联接部61的中心轴的垂直方向的外侧的位置。受光部42设置在联接部61的另一端侧，联接部61的中心轴的垂直方向的外侧的位置。由此，从投光部41射出到受光部42的测出光的光路在联接部61的外侧涵盖其一端到另一端并与联接部61的中心轴大致平行地延伸。当然，测出光的光路并不限定从联接部61的一端到另一端的范围，也可以超过此范围。由此，沿联接部61的长度方向无未感应区域，能够使其整个区域作为测出区域，可以提高安全性。通过将四个光电传感器40相对于联接部61配设在其上下左右的四个方向，能够以四条测出光的光路从四个方向包围联接部61，无论从四个方向的哪个方向靠近联接部61，也能检测此靠近，能够进一步提高其安全性。更进一步地通过设置区域传感器，该区域传感器将多个光电传感器40密集地排列成圆环状或者方环状，能够进一步提高其安全性。

以下，以极坐标型机械臂机构为例，对本实施方式进行详细说明。首先，对极坐标型机械臂机构的基本构造进行说明。图2表示本实施方式的极坐标型机械臂机构的外观，图3是该机械臂机构的侧视图，图4是表示该机械臂机构的内部结构的图。机械臂机构，从基台1开始，依次包括基台1、回转部2、起伏部4、臂部(联接部)5及手腕部6。多个关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6从基台1开始依次设置。基台1上，呈圆筒体的回转部2典型地为竖直地设置。回转部2收纳作为回转旋转关节部的第一关节部J1。第一关节部J1具有旋转轴RA1。旋转轴RA1平行于竖直方向。回转部2具有下部架(联接部)21和上部架(联接部)22。下部架21和上部架22通过第一关节部J1连结。上部架21、22分别被圆筒形状的壳体31、32覆盖。上部架22随着第一关节部J1的旋转而绕轴旋转，由此臂部5水平地回转。呈圆筒体的回转部2的内部空腔收纳作为后述的直动伸缩机构的第三关节部J3的第一链节列51、第二链节列52。

上部架22上设置有作为起伏旋转关节部的第二关节部J2。第二关节部J2是旋转关节。第二关节部J2的旋转轴RA2为水平轴。构成第二关节部J2的一对侧架23被鞍形形状的罩子33覆盖。一对侧架23支撑圆筒体24并使其自由绕轴旋转，圆筒体24同时作为马达壳体使用。圆筒体24的内部固定有马达(致动器)。马达的旋转轴被固定到侧架23。圆筒体24根据马达的旋转而绕轴旋转。圆筒体24的外周面上固定有第三关节部J3的送出机构25。送出机构25被罩子34覆盖。罩子33、34之间的间隙被截面U字形状的U字波纹管罩子14覆盖。U字波纹管罩子14跟随第二关节部J2的起伏动作而伸缩。送出机构25，其驱动齿轮56、导向辊筒57及辊筒单元58被箱型的机架60支撑。送出机构25支撑臂部5并使其前后自由移动。送出机构25随着圆筒体24的绕轴旋转而转动，臂部5上下地起伏。

第三关节部J3由直动伸缩机构提供。直动伸缩机构包括有发明者们新开发的构造，在可动范围这一点上明确区别于通常现有的直动关节。尽管第三关节部J3的臂部5自由弯曲，但是其沿中心轴(伸缩中心轴RA3)从臂部5的根部的送出机构25朝前方被送出时，弯曲被限制，从而确保直线的刚性，构成联接部。臂部5朝后方被拉回时恢复弯曲。臂部5具有第一链节列51和第二链节列52。第一链节列51包括自由弯曲地连结的多个第一链节53。第一链节53例如构成为大致平板形。第一链节53通过端部位置处的铰接部自由弯曲地连结。第二链节列52包括多个第二链节54。第二链节54例如构成为一面开放的截面U字形状或者截面四边形状的筒体。第二链节54通过底板端部位置处的铰链部自由弯曲地连结。第二链节列52的弯曲，在第二链节54的侧板的端面彼此抵接的位置被限制。在此位置第二链节列52直线地排列。第一链节列51内的头部的第一链节53和第二链节列52内的头部的第二链节54通过结合链节55连接。

第一链节列51、第二链节列52通过送出机构25的辊筒单元58时，相互地被辊筒59按压而相互地接合。由此，第一链节列51、第二链节列52发挥直线的刚性，构成柱状的臂部(联接部)5。臂部5从送出机构25的机架60的方环状的法兰65中射出。驱动齿轮56与导向辊筒57一起设置在辊筒单元58的后方。驱动齿轮56与未图示的马达单元连接。马达单元产生用于使驱动齿轮56旋转的动力。尽管未图示，但是第一链节53的内侧的表面，换言之，与第二链节54接合的一侧的表面的宽度中间，沿连结方向形成有线性齿轮。多个第一链节53直线状地对齐排列时相邻的线性齿轮连接成直线状，从而构成一体的长的线性齿轮。第一链节53的线性齿轮被导向辊筒57按压从而与驱动齿轮56啮合。连接成直线状的线性齿轮和驱动齿轮56一同构成齿轮齿条机构。驱动齿轮56顺时针旋转时，第一链节列51、第二链节列52从辊筒单元58朝前方被送出。驱动齿轮56逆时针旋转时，第一链节列51、第二链节列52朝辊筒单元58的后方被拉回。被拉回的第一链节列51、第二链节列52在辊筒单元58和驱动齿轮56之间分离。分离的第一链节列51、第二链节列52分别恢复到可弯曲的状态。复位到可弯曲的状态的第一链节列51、第二链节列52，同时同向(内侧)地弯曲，竖直地被收纳到回转部2的内部。此时，第一链节列51以大致平行于第二链节列52且几乎对齐的状态被收纳。

臂部5的前端安装有手腕部6。手腕部6装备有第四关节部-第六关节部J4-J6。第四关节部-第六关节部J4-J6分别具有正交三轴的旋转轴RA4-RA6。第四关节部J4是以与伸缩中心轴RA3大致一致的第四旋转轴RA4为中心的旋转关节，通过此第四关节部J4的旋转而使末端执行器摆动旋转。第五关节部J5是以垂直于第四旋转轴RA4设置的第五旋转轴RA5为中心的旋转关节，通过此第五关节部J5的旋转，使末端执行器前后地倾动旋转。第六关节部J6是以垂直于第四旋转轴RA4和第五旋转轴RA5设置的第六旋转轴RA6为中心的旋转关节，通过此第六关节部J6的旋转，使末端执行器绕轴旋转。

未图示的末端执行器(手指效果器)安装在适配器7上，适配器7设置在手腕部6的第六关节部J6的旋转部下部。末端执行器是机器人具有对作业对象(工件)直接作用的功能的部分，例如，存在有对应把持部、真空吸附部、螺母锁紧工具、焊枪、喷枪等的任务的各种工具。末端执行器通过第一关节部J1、第二关节部J2、第三关节部J3移动到任意位置，通过第四关节部J4、第五关节部J5、第六关节部J6配置为任意姿势。特别地，第三关节部J3的臂部5的伸缩距离的长度，可使末端执行器到达从基台1的接近位置至远离位置的大范围内的对象。第三关节部J3的特征是在通过构成第三关节部J3的直动伸缩机构所实现的直线的伸缩动作及其伸缩距离的长度的观点下，明确区别于现有的直动关节。

如图5所示，臂部5的一端侧、例如在后端侧设置有构成光电传感器40的投光部41，另一端侧、例如在前端侧设置有构成光电传感器40的受光部42。此外，也可以在臂部5的前端侧设置投光部41，在后端侧设置受光部42。如上所述，尽管光电传感器40可以是对射型或者回归反射型，但是在此以对射型进行说明。如果是回归反射型，则分别将投光部替换为投/受光部，将受光部替换为反射部。

光电传感器40所使用的波段既可以是近红外光或可见光，也可以是光束光或者激光。可视光的使用具有作业员等能够目视确认臂部5的周围的测出光的优点。尽管投光部41作为光源典型地为包括发光二极管的，但是并非限定于此。另外光电传感器40既可以是放大器分离型的，也可以是放大器内置型的，所谓放大器分离型是指将投光部41和受光部42与后述的投光回路、受光回路、判断回路、输出回路和控制回路的单元分离，所谓放大器内置型是指将投光部41和投光回路一体构成，另外将受光部42和受光回路、判断回路和输出回路一体构成。

在本实施方式中，典型地装备有四个光电传感器40。如图6所示，四个投光部41安装在臂部5的后端侧，例如送出机构25的法兰65上。当然，投光部41的安装位置并不限于法兰65，例如也可以安装在罩子34的表面上。四个投光部41典型地配置为在臂部5的导通孔66的周围相互错开90度，并在上下左右分散。四个受光部42安装在手腕部6的第四关节部J4的法兰或者其罩子表面上的、分别与四个投光部41相对的位置。从投光部41射出到受光部42的测出光的光路，沿联接部61的外侧涵盖其一端到另一端并在其长度方向延伸。典型地，测出光的光轴平行于联接部61的中心轴。四个光电传感器40的四条光路从上下左右四个方向包围联接部61。

投光部41和受光部42位置对准为，使从投光部41射出的例如光束状的测出光的斑点中心C2，和与投光部41成对的受光部42的受光区域的中心C1一致。然而，如图7所示，也可以将投光部41和受光部42位置对准，使得在臂部5最收缩的基准姿势时，从投光部41射出的测出光的斑点中心C2比受光部42的受光区域的中心C1朝重力方向稍微偏移。在使臂部5伸展、把持作为比较重的物品的工件的状态下，假设臂部5朝重力方向或多或少地弯曲甚至振动，就算在这种情况下，也能够减轻光束光从受光部42的受光区域偏离的情况的发生。

图8表示的是包含本实施方式的机械臂机构的机器人装置整体的结构。机器人装置100具有系统控制部121。系统控制部121通过控制/数据总线与上下左右的光电传感器40-1～40-4连接。进一步地，系统控制部121通过控制/数据总线与任务程序存储部125、动作控制部123、指示器103和操作部101连接，其中，任务程序存储部125存储任务程序的数据文件；动作控制部123使用从存储部125读取的任务程序并产生各关节部的关节角度(指令值)，将所产生的指令值发送到各关节部的马达驱动器133，并且在从光电传感器40-1～40-4的至少一个中输出表示测出光被作业员等阻隔的信号(后述的第二信号)时，输出使所有的关节部的马达驱动器133停止在其位置的停止信号，如果是步进马达则输出使其通电的指令值；指示器103对作为机器人装置100的动作状态的停止状态及正常动作状态进行区分，并通过灯或者声音等进行指示；操作部101装备有解除动作停止并使动作恢复的按键。优选地，动作停止解除按键和v设置在起伏部4及手腕部6。关节部的马达(致动器)132优选地由步进马达组成。马达驱动器133根据从动作控制部123输出的指令值，给马达132提供脉冲功率。马达的驱动轴或者关节部的旋转轴上，安装有测量其旋转角度的编码器(旋转编码器)131。

光电传感器40-1除投光部41、受光部42之外，还包括投光回路43、受光回路44、判断回路46和输出回路47，其中，投光回路43根据控制回路45的控制驱动投光部41；受光回路44根据控制回路45的控制将受光部42的电流输出转换为电压信号，进行放大，并转换为数字信号；判断回路46将受光回路44的输出信号和阈值进行比较；输出回路47根据比较结果将表示两种状态的两种信号(代码)选择其一并输出。从投光部41射出的测出光直接被受光部42接收时，其受光量超过阈值，输出表示第一状态的第一信号(ON信号)，第一状态为没有任何物体介于投光部41和受光部42之间的状态。作业员等靠近臂部5并介入到投光部41和受光部42之间，阻隔测出光时，受光部42的受光量低于阈值。由此，输出表示第二状态的第二信号(OFF信号)，第二状态为作业员等介于投光部41和受光部42之间的状态。根据第二信号的输出，动作控制部123能够识别作业员等靠近臂部5，并在作业员等接触到臂部5之前使臂部5的动作停止。总之，在输出表示只要光电传感器40-1～40-4的其中一个的受光量低于阈值的状态的第二信号时，动作控制部123能够使臂部5的动作停止，进一步地，由于能够根据四个光电传感器40-1～40-4的输出信号识别到作业员等的靠近方向，因此能够使臂部5朝和其靠近的方向相同的方向避让。

此外，判断回路46的阈值也可以基于控制回路45的控制而动态地改变。根据臂部5的伸缩动作、起伏动作及回转动作，入射到受光部42的干扰光的光量可能会波动。控制回路45根据以一定周期从动作控制部123接收到的伸缩长度、起伏角及回转角度的组合，动态地改变判断回路46的阈值。由此，能够抑制由于干扰光的影响，特别是干扰光的光量高而因此导致的未识别到作业员阻隔测出光的错误动作。当然，事前需要测量由臂部5的伸缩动作、起伏动作及回转动作所引起的干扰光的光量变化。在这之前，为了消除测量的作业负担，尽管判断回路46以一定周期获得受光部42的受光量，但是将当前周期的受光量和上一个周期或者几个周期前的受光量进行比较，当其变化位于特定范围内时，不进行状态转变，当其变化从特定范围偏离时，使状态转变。在当前周期的受光量比上一个周期的受光量大幅下降时，从作业员等未介于投光部41和受光部42之间的状态，转变到作业员等已介于投光部41和受光部42之间的状态，将输出从第一信号转换到第二信号。在当前周期的受光量比上一个周期的受光量大幅提高时，从作业员等已介于投光部41和受光部42之间的状态，转变到作业员等未介于投光部41和受光部42之间的状态，将输出从第二信号转换到第一信号。受光量几乎未变化时，维持当前周围的状态并持续输出第一信号或者第二信号。

光电传感器40不管是在使用对射型的情况下，还是在使用回归反射型的情况下，为了抑制干扰光的影响，使用以一定周期反复投光的脉冲调制光方式。另外光电传感器40不管在使用对射型的情况下，还是在使用回归反射型的情况下，为了避免被作业员等的测出对象反射、其返回光入射到投/受光部，却和该测出对象未存在的状态相同这样的错误动作，也可以在投/受光部的投光窗和受光窗配置不同的偏转方向(纵波、横波)的偏振滤波器，通过在反射部的反射面上设置角管，使得只测出到反射部的反射光。

另外，也可以将从光脉冲的产生时刻到受光时刻的时间差，和对应于投/受光部与反射部之间的距离的两倍的时间进行比较，根据其比较结果识别反射部的反射和作业员等的测出对象的反射，即识别光路上是否存在物体。

如图9所示，也可以使用由投光环48和受光环49组成的区域传感器，投光环48将多个投光部41密集地排列成圆环状或者方环状，受光环49将多个受光部42密集地排列成圆环状或者方环状。当然，投光环48及受光环49的内径或者内尺寸比臂部5的外径或者外尺寸长。由此能够消除或者减少测出光的光路之间的间隙，能够避免作业员的手指等插入到测出光的光路的间隙而未能检测其靠近的状况，有望安全性的进一步提高。

虽然说明了本发明的若干个实施方式，这些实施方式作为示例而提示，并不意图限定发明的保护范围。这些实施方式，可以以其他各种方式实施，在不脱离发明的要旨的范围下，可做各种省略、置换、变更。这些实施方式或者其变形，包含在发明的保护范围和要旨的同时，和记载在权利要求的保护范围的发明，包含有均等的保护范围。

符号的说明

5、臂部(联接部)；40、光电传感器；41、投光部；42、受光部。

Claims (6)

1.机械臂机构，其联接部被关节部支撑，其特征在于，

所述联接部或者所述关节部设置有至少一个光电传感器，使得测出光的光路处于所述联接部的外侧并至少涵盖所述联接部的两端。

2.机械臂机构，其联接部通过关节部连结，其特征在于，

构成至少为对射型或者回归反射型的一种的光电传感器的投光部或者投/受光部设置在所述联接部的一端侧，受光部或者反射部设置在所述联接部的另一端侧并与所述投光部或者所述投/受光部相对，从所述投光部射出到所述受光部的测出光的光路或者从所述投/受光部射出被所述反射部反射并回归到所述投/受光部的测出光的光路，沿所述联接部的外侧延伸并涵盖至少一端到另一端。

3.根据权利要求2所述的机械臂机构，其特征在于，所述光电传感器为多个，所述多个光电传感器设置为使所述多个光电传感器的多条测出光的光路从上下左右四个方向包围所述联接部。

4.根据权利要求3所述的机械臂机构，其特征在于，所述投光部或者所述投/受光部排列成圆环状或者方环状；所述受光部或者所述反射部排列成圆环状或者方环状。

5.根据权利要求2所述的机械臂机构，其特征在于，所述光电传感器不仅具有所述投/受光部及所述反射部，并且具有投光回路、受光回路和判断回路；其中，所述投光回路从所述投/受光部脉冲状地反复产生所述测出光，所述受光回路通过所述投/受光部接收所述测出光的反射光，所述判断回路根据从所述测出光的产生到所述反射光的接收的时间和对应于所述投/受光部和所述反射部的距离的两倍的时间的比较结果，判断所述光路上是否存在物体。

6.根据权利要求2所述的机械臂机构，其特征在于，所述投光部和所述受光部位置对准，使得所述测出光的斑点中心相对于所述受光部的受光面的中心，在基准姿势时，朝重力方向偏移；或者所述投/受光部和所述反射部位置对准，使得所述测出光的斑点中心相对于所述投/受光部的受光面的中心，在基准姿势时，朝重力方向偏移。