CN110248773B - 静态转矩调节装置、包括该装置的工业机器人和用于调节静态转矩的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于工业机器人(10)的装置(40)，该装置(40)包括可旋转输入构件(30)；被布置为围绕基本竖直的旋转轴线(18)旋转的可旋转输出构件(34)；限定输入构件(30)与输出构件(34)之间的齿轮比的齿轮单元(32)；以及被配置为围绕旋转轴线(18)向输出构件(34)施加转矩使得输出构件(34)上的静态转矩的绝对值增加的被动机械转矩调节设备(42)。还提供了一种包括装置(40)的工业机器人(10)和一种用于控制工业机器人(10)中的齿隙的方法。

Description

静态转矩调节装置、包括该装置的工业机器人和用于调节静态转矩的方法

技术领域

本公开总体上涉及工业机器人中的齿隙的控制。特别地，提供了一种包括用于增加输出构件上的静态转矩的被动机械转矩调节设备的用于工业机器人的装置、一种包括该装置的工业机器人和一种用于增加工业机器人的输出构件上的静态转矩的方法。

背景技术

工业机器人包括机械手和控制设备。机械手包括至少一个机器人臂或机械手，该至少一个机器人臂或机械手包括具有连接关节的多个臂部，其中关节的旋转轴线限定机器人的自由度。作为示例，可以提及六轴机器人，该六轴机器人通常具有固定基座、布置在基座上并且围绕第一轴线可旋转的支架、以及相对于支架围绕第二轴线可旋转的第一机器人臂。在第一机器人臂的外端，第二机器人臂可旋转地被轴颈支承以围绕第三轴线旋转。该第二臂围绕第四轴线(其自身的纵向轴线)可旋转，并且在其外端处支撑设置有工具附件的机器人手，上述机器人手分别围绕第五轴线和第六轴线相对于第二臂以两个自由度可旋转。

机械手的运动通过驱动装置的布置成为可能，该驱动装置在相应关节中产生旋转运动。每个驱动装置包括电动机和齿轮单元，通常是减速齿轮。上述类型的工业机器人的电源和控制由控制设备执行，控制设备在本文中没有更详细地描述。

除了其他之外，机械手的工作范围和运动能力还取决于所包括的齿轮单元。受齿轮单元影响的另一因素是机器人在精度和/或准确度方面的性能。在制造工业机器人时，目标是获取如下设计解决方案，这些设计解决方案能够尽可能地减少来自工业机器人中包括的齿轮的总的内置齿隙。

齿隙是两个齿轮的啮合齿轮侧面之间的间隙或游隙。因此，齿隙是由齿轮侧面之间的间隙引起的间隙。由此，一个齿轮可以相对于另一齿轮在没有机械接合的情况下移动与齿隙相对应的距离。齿隙是不希望的，因为它会妨害由驱动齿轮致动的物体的控制。对控制的妨害是由当齿轮从一个齿轮侧面移动到该齿轮的另一齿轮侧面时的不良路径性能而导致的，或者是由当齿轮的位置在两个齿轮之间的间隙中不确定时的不精确的定位而导致的。

驱动齿轮被布置为致动物体，诸如工业机器人的机器人臂，并且由一个或多个齿轮驱动，这些齿轮又由一个或多个马达驱动。在驱动齿轮与驱动驱动齿轮的齿轮之间发生齿隙。特别是对于大型机械手臂，齿轮中的机械精度可能相对较低。这会导致很大的齿隙。在这些情况下避免齿隙的一种解决方案是使用高精度齿轮。然而，高精度齿轮更昂贵且难以购买。

US2012021867A1公开了一种用于减少齿隙的系统。该系统包括机械输入、机械输出、可操作地连接到机械输入和机械输出的第一和第二单独的机械耦合器、串联连接在第一机械耦合器与机械输出之间以在第一方向上偏置第一机械耦合器的第一弹性元件、以及串联连接在第二机械耦合器与机械输出之间以在与第一方向相反的第二方向上偏置第二机械耦合器的第二弹性元件。

发明内容

尽管US2012021867A1中的系统没有表现出零刚度的区域，但该系统具有昂贵且复杂的设计。而且，该系统难以在现有机器人上进行改装。

本公开的一个目的是为工业机器人提供简单、便宜且重量轻的装置以提高机器人的准确度。

本公开的更具体的目的是为工业机器人提供简单、便宜且重量轻的装置以减小机器人中的齿隙的影响。

本公开的另一目的是提供一种用于控制工业机器人中的齿隙的装置，其能够在现有机器人上进行改装。

本公开的又一目的是提供一种用于控制工业机器人中的齿隙的方法，该方法实现了前述目的中的至少一个。

根据一个方面，提供了一种用于工业机器人的装置，该装置包括可旋转的输入构件；被布置为围绕基本竖直的旋转轴线旋转的可旋转的输出构件；限定输入构件与输出构件之间的齿轮比的齿轮单元；被配置为围绕旋转轴线向输出构件施加转矩使得输出构件上的静态转矩的绝对值增加的被动机械转矩调节设备。顾名思义，机械转矩调节设备是用于调节输出构件上的转矩的机械设备。根据本公开的机械转矩调节设备通过完全没有有源部件(诸如通过电动机直接或间接致动机械转矩调节设备)的工作而是被动的。换言之，被动机械转矩调节设备可以由纯机械转矩调节设备构成。此外，机械转矩调节设备可以在工业机器人外部。

齿轮单元和机械转矩调节设备可以相对于输出构件并联。齿轮单元可以包括被布置为直接驱动(例如，通过啮合齿轮)输出构件的驱动齿轮。驱动齿轮可以由一个或多个马达直接或间接驱动，例如，由一个或多个齿轮驱动，这些齿轮又由一个或多个马达驱动。通过并联地布置齿轮单元和机械转矩调节设备，机械转矩调节设备可以向输出构件施加转矩，而不管驱动齿轮是否向输出构件传递转矩。

机械转矩调节设备可以被配置为在输出构件的不同角位置处围绕旋转轴线向输出构件施加基本恒定的转矩。基本恒定的转矩包括恒定转矩，并且可以包括在输出构件围绕旋转轴线的360°或更大的角度范围内的例如最大10％(诸如最大5％，诸如最大2％)的转矩偏差。

替代地，机械转矩调节设备可以被配置为在输出构件的不同角位置处围绕旋转轴线向输出构件施加可变转矩。例如，由机械转矩调节设备施加的可变转矩可以在输出构件围绕旋转轴线的360°或更大的角度范围内变化大于500％，诸如大于100％。所施加的转矩可以相对于输出构件的角位置基本线性地变化。

机械转矩调节设备可以包括弹簧。弹簧可以例如由拉伸/牵引弹簧、压缩弹簧和/或扭转弹簧构成。拉伸弹簧可以由螺旋弹簧(coil spring)(即，螺旋弹簧(helicalspring))构成，该螺旋弹簧被布置为向输出构件的切向点施加(直接或间接地)拉力。相应地，压缩弹簧可以由螺旋弹簧构成，该螺旋弹簧被布置为向输出构件的切向点施加推力(直接或间接地)。

扭转弹簧可以由螺旋弹簧构成。在机械转矩调节设备中使用扭转弹簧的情况下，扭转弹簧可以被布置为向驱动构件施加转矩，该驱动构件又将转矩传递到输出构件。例如，驱动构件可以由齿轮构成，该齿轮的外齿与输出构件上的外齿啮合。

机械转矩调节设备可以包括具有相对较低的弹簧常数的弹簧，以便在输出构件围绕旋转轴线的整个角位置范围内向输出构件施加基本恒定的转矩。相反，机械转矩调节设备可以包括具有相对较高的弹簧常数的弹簧，以便在输出构件围绕旋转轴线的整个角位置范围内围绕旋转轴线向输出构件施加可变转矩。

机械转矩调节设备可以包括连接到弹簧和输出构件的细长构件。根据本公开的细长构件可以例如由线材、缆线、带或链或其组合构成。

机械转矩调节设备可以包括被布置为在竖直方向上移动的重物，其中机械转矩调节设备被配置为将作用在重物上的重力传递给施加到输出构件的转矩。机械转矩调节设备还可以包括用于在重物上提供阻尼力的粘滞阻尼器。阻尼力可以与重物在竖直方向上的移动速度成比例。

机械转矩调节设备可以包括连接到重物和输出构件的细长构件。例如，细长构件可以通过滑轮在水平方向和竖直方向之间被引导。然而，可以使用替代类型的传动机构，以便将作用在重物上的重力传递给施加到输出构件的转矩。

细长构件可以围绕输出构件缠绕。例如，当细长构件被作用在重物上的重力拉动时以及当细长构件被拉伸弹簧的力拉动时，细长构件可以相对于旋转轴线至少在输出构件的一些角位置处围绕输出构件缠绕。

输出构件可以由工业机器人的臂部构成或被固定地连接到工业机器人的臂部。在任何情况下，输出构件可以具有大致圆柱形的形式。

机械转矩调节设备可以被布置为通过在输出构件的圆柱形形状的切向点上施加拉力而向输出构件施加转矩。在这种情况下，细长构件或在没有设置细长构件的情况下的弹簧本身可以围绕输出构件的圆柱形状的外表面缠绕。

替代地或附加地，机械转矩调节设备可以被布置为通过在输出构件上施加转矩而向输出构件施加转矩。这可以例如通过使用作用在齿轮上的扭转弹簧来实现，该齿轮的外齿与输出构件的圆柱形形式上的外齿啮合。

在整个本公开中，输入构件可以由马达(例如，电动机)构成。替代地，输入构件可以由直接或间接驱动输出构件的齿轮单元的任何齿轮(例如，驱动齿轮)构成。

齿轮单元可以由包括紧凑齿轮的偏心摆动齿轮构成。替代地，齿轮单元可以包括传统的正齿轮。然而，根据本公开的齿轮单元可以是能够限定输入构件与输出构件之间的齿轮比的任何类型，包括具有齿轮、带、长条(trains)及其组合的齿轮单元。

根据另一方面，提供了一种工业机器人，其包括根据本公开的装置。工业机器人可以包括多个轴线，例如六个或七个轴线。另外，工业机器人可以包括至少一个基本上竖直定向的轴线。

根据另一方面，提供了一种用于控制工业机器人中的齿隙的方法，工业机器人包括被配置为围绕基本竖直的旋转轴线旋转的输出构件，该方法包括围绕旋转轴线向输出构件施加转矩，使得输出构件上的静态转矩的绝对值增加。

该方法还可以包括以下步骤：向准备好操作的工业机器人提供被动机械转矩调节设备；以及布置机械转矩调节设备，以围绕旋转轴线向输出构件施加转矩。换言之，已经存在的工业机器人可以被改装为具有被动机械转矩调节设备，该被动机械转矩调节设备被布置为向输出构件施加转矩。该方法的机械转矩调节设备可以是根据本公开的任何类型。

转矩的施加可以包括在输出构件的不同角位置处围绕旋转轴线向输出构件施加基本恒定的转矩。替代地，转矩的施加可以包括在输出构件的不同角位置处围绕旋转轴线向输出构件施加可变转矩。

如本文中使用的，基本竖直的定向包括竖直定向，并且可以包括与其的偏差，例如，最大5％，诸如最大2％。

附图说明

通过以下结合附图的实施例，本公开的其他细节、优点和方面将变得很清楚，在附图中：

图1：示意性地表示工业机器人的侧视图；

图2：示意性地表示工业机器人的侧视图，该工业机器人包括具有机械转矩调节设备的装置；

图3：示意性地表示图1和2中的每个工业机器人的齿轮单元的典型特性；

图4：示意性地表示工业机器人的侧视图，该工业机器人包括具有替代的机械转矩调节设备的装置；以及

图5：示意性地表示工业机器人的侧视图，该工业机器人包括具有另一替代的机械转矩调节设备的装置。

具体实施方式

在下文中，将描述一种包括用于增加输出构件上的静态转矩的被动机械转矩调节设备的用于工业机器人的装置、一种包括该装置的工业机器人和一种用于增加工业机器人的输出构件上的静态转矩的方法。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。

图1示意性地表示位于水平支撑结构12上的先前已知的工业机器人10的侧视图。机器人10包括固定基座14和臂部16，臂部16被布置为围绕基本竖直的旋转轴线18相对于基座14旋转。在该示例中，臂部16由支架或转盘构成。

机器人10还包括臂部20和臂部24，臂部20被布置为围绕基本水平的旋转轴线22相对于臂部16旋转，臂部24被布置为围绕基本水平的旋转轴线26相对于臂部20旋转。图1中的示例的机器人10还包括末端执行器28、输入构件30(这里是电动机的形式)、齿轮单元32和输出构件34。在该示例中，输出构件34与机器人10的臂部16一体地形成，并且由大致圆柱形外观的主体构成。

齿轮单元32限定输入构件30与输出构件34之间的齿轮比。齿轮单元32可以例如由包括紧凑齿轮的偏心摆动齿轮构成。图1还示出了竖直方向36和水平方向38。

齿轮单元32的特性对机器人准确度具有很大影响。这种特性的示例是齿隙、空转、摩擦、刚度和传动误差。

由于输出构件34基本竖直布置，即被布置为围绕基本竖直的旋转轴线18旋转，因此输出构件34具有低或零静态转矩。结果，由于齿轮单元32的低转矩区域中的齿隙和低刚度，输出构件34的准确度受到影响。相反，由于作用在臂部24上的重力转矩，水平轴线26具有不等于零的静态转矩。

图2示意性地表示包括用于调节机器人10的静态转矩的装置40的工业机器人10的侧视图。装置40包括输入构件30、输出构件34、齿轮单元32和被动机械转矩调节设备42。该示例的机械转矩调节设备42包括拉伸弹簧44和细长构件46。机械转矩调节设备42被动地工作并且不由任何有源组件(例如，电动机)驱动。弹簧44连接到细长构件46和相对于支撑结构12固定的固定结构48。然而，固定结构48可以替代地由基座14或齿轮单元32的一部分构成，或者固定连接到基座14或齿轮单元32的一部分。细长构件46连接到输出构件34并且基本上水平定向。

在图2的图示中，当臂部16围绕旋转轴线18在第一方向上(在从上方看时的逆时针方向上)旋转时，细长构件46围绕输出构件34缠绕。当臂部16围绕旋转轴线18在与第一方向相反的第二方向上(在从上方看时的顺时针方向上)旋转时，细长构件46围绕输出构件34展开。缠绕方向和展开方向当然可以是逆转。

机械转矩调节设备42在输出构件34相对于旋转轴线18的角位置的范围内(例如，在360°或更大的角度范围内)围绕旋转轴线18向输出构件34施加基本恒定的转矩。因此，输出构件34上的静态转矩的绝对值从低值或从零增加。尽管弹簧44在图2中示出为螺旋弹簧，但是弹簧44可以由有助于围绕旋转轴线18向输出构件34施加基本恒定的转矩的替代类型的弹簧构成。

从控制和准确度的角度来看，在低转矩区域之外具有静态转矩是有利的。静态转矩是在机器人10静止时输出构件34上的转矩。利用低转矩区域之外的静态转矩，虽然在某些情况下(例如，在高加速度期间)转矩仍将要经过低转矩区域，但对准确度的影响要小得多，特别是在需要高准确度的低速应用中。

图3示意性地表示图1和2中的每个工业机器人10的齿轮单元32的典型特性。图3也适用于下述的图4和图5。

图3中的点A表示图1中的机器人10的齿轮单元32的操作点。在点A附近可以看到零转矩附近的低刚度区域。由于机械转矩调节设备42向输出构件34施加的转矩，静态转矩从点A调节到例如点B。因此，点B表示图2中的机器人10的齿轮单元32的操作点。

例如，如果机械转矩调节设备42在输出构件34上施加-200Nm的转矩，则机器人10的控制系统将命令输入构件30(即，在该实现方式中的电动机)输出200Nm以达到静止，即在输出构件34上达到零结果转矩。来自输入构件30的转矩将通过齿轮单元32传递，并且因此齿轮单元32的静态转矩被调节到200Nm(即，B点)。由此，齿轮单元32的操作点远离齿隙区域移动。实验表明，包括机械转矩调节设备42的装置40可以改善末端执行器28所遵循的圆形路径的圆度，例如，从0.62mm到0.26mm。这在例如激光切割应用中是非常有利的。因此，围绕旋转轴线18向输出构件34施加转矩使得输出构件34上的静态转矩增加，这构成了提高机器人10的准确度的简单且有效的方法。

机械转矩调节设备42也可以作为机械附件改装到已经存在且可操作的工业机器人10上。因此，不同于将齿轮单元32替换为昂贵的高精度齿轮单元32(或替换整个机器人10)，向已经存在的机器人10提供被动机械转矩调节设备42构成了用于提高机器人10的准确度的廉价、简单且有效的措施。

机械转矩调节设备42不必向输出构件34提供恒定或基本恒定的转矩。相反，机械转矩调节设备42可以被配置为在输出构件34的不同角位置处围绕旋转轴线18向输出构件34施加可变转矩。在这种情况下，变化的转矩可以被包括在机器人10的动态模型中。

图4示意性地表示包括替代的机械转矩调节设备42的、用于调节工业机器人10的静态转矩的装置40的侧视图。图4的机械转矩调节设备42包括直接连接到输出构件34的弹簧44。弹簧44也围绕输出构件34缠绕并且连接到固定结构48(或者替代地连接到基座14或齿轮单元32的一部分)。因此，弹簧44围绕旋转轴线18向输出构件34施加基本恒定的转矩，使得输出构件34上的静态转矩增加。

图5示意性地表示包括另一替代的机械转矩调节设备42的、用于调节工业机器人10的静态转矩的装置40的侧视图。图5的机械转矩调节设备42包括连接到重物50的细长构件46(这里被实现为线材)。细长构件46围绕支撑在支撑结构12上的固定滑轮支撑件54上的滑轮52缠绕。然而，固定滑轮支撑件54可以替代地由基座14或齿轮单元32的一部分构成，或者固定连接到基座14或齿轮单元32的一部分。

当输出构件34分别围绕旋转轴线18在第一方向和第二方向上旋转时，重物50被布置为在竖直方向36上上下移动。由于作用在重物50上的恒定重力，细长构件46在输出构件34上施加恒定的转矩。细长构件46和滑轮52仅构成用于通过作用在重物50上的重力来在输出构件34上施加恒定转矩的合适的传动装置的一个示例。

图5的机械转矩调节设备42还包括容纳阻尼液的缸体56。缸体56和重物50用作粘滞阻尼器，粘滞阻尼器用于提供与重物50在竖直方向36上的移动速度成比例的阻尼力。

虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本发明不限于上面所描述的内容。例如，应当理解，部件的尺寸可以根据需要改变。因此，意图在于，本发明可以仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种用于工业机器人(10)的装置(40)，所述装置(40)包括：

-可旋转的输入构件(30)；

-可旋转的输出构件(34)，被布置为围绕基本上竖直的旋转轴线(18)旋转；

-齿轮单元(32)，限定所述输入构件(30)与所述输出构件(34)之间的齿轮比；以及

-被动机械转矩调节设备(42)，被配置为仅围绕所述基本上竖直的旋转轴线(18)向所述输出构件(34)施加转矩，使得所述输出构件(34)上的静态转矩的绝对值增加。

2.根据权利要求1所述的装置(40)，其中所述齿轮单元(32)和所述机械转矩调节设备(42)相对于所述输出构件(34)并联。

3.根据权利要求1或2所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)被配置为：在所述输出构件(34)的不同角位置处围绕所述旋转轴线(18)向所述输出构件(34)施加基本恒定的转矩。

4.根据权利要求1或2所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)被配置为：在所述输出构件(34)的不同角位置处围绕所述旋转轴线(18)向所述输出构件(34)施加可变转矩。

5.根据权利要求1或2所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)包括弹簧(44)。

6.根据权利要求5所述的装置(40)，其中所述弹簧(44)是拉伸弹簧。

7.根据权利要求5所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)包括被连接到所述弹簧(44)和所述输出构件(34)的细长构件(46)。

8.根据权利要求1或2所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)包括重物(50)，所述重物(50)被布置为在竖直方向(36)上移动，其中所述机械转矩调节设备(42)被配置为将作用在所述重物(50)上的重力传递给施加到所述输出构件(34)的转矩。

9.根据权利要求8所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)包括粘滞阻尼器，所述粘滞阻尼器被布置为在所述重物(50)上提供阻尼力。

10.根据权利要求8所述的装置(40)，其中所述机械转矩调节设备(42)包括被连接到所述重物(50)和所述输出构件(34)的细长构件(46)。

11.根据权利要求7或10所述的装置(40)，其中所述细长构件(46)围绕所述输出构件(34)被缠绕。

12.根据权利要求1、2、6、7、9和10中任一项所述的装置(40)，其中所述输出构件(34)由所述工业机器人(10)的臂部(16)构成，或者被固定地连接到所述工业机器人(10)的臂部(16)。

13.一种工业机器人(10)，包括根据前述权利要求中任一项所述的装置(40)。

14.一种用于控制工业机器人(10)中的齿隙的方法，所述工业机器人包括输出构件(34)，所述输出构件(34)被配置为围绕基本上竖直的旋转轴线(18)旋转，所述方法包括：

-仅围绕所述基本上竖直的旋转轴线(18)向所述输出构件(34)施加转矩，使得所述输出构件(34)上的静态转矩的绝对值增加。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

-向准备好操作的工业机器人(10)提供被动机械转矩调节设备(42)；以及

-布置所述机械转矩调节设备(42)，以围绕所述旋转轴线(18)向所述输出构件(34)施加所述转矩。

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