CN110573307A - 机器人肢体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人肢体（1），该机器人肢体具有至少一个由碳纳米管或基于碳纳米结构的导体构成的线（2）。这个线（2）能够同时用作控制索并且用作电导线。

Description

机器人肢体

技术领域

本发明涉及一种机器人肢体、例如像机器人臂或机器人脚。此外，本发明涉及碳纳米管或基于碳纳米结构的导体特别是在机器人肢体中作为控制索并且同时作为电导线的使用。

背景技术

对于像机器人臂一样的执行器元件来说，例如通过控制索来传递用于实现运动的力。同时，用于向电驱动装置供给电流或者用于进行信号传递的电线敷设在系统的内部。布线是运动的元件的一部分，因此线重一同助长了运动的总重量。额外地有待一同运动的重量限制了机器人臂的移动速度并且提高了每次运动的能耗。

在向运动的或者旋转的元件进行信号和能量传递时，经常使用滑环。在不使用滑环的情况下，线缆可能会因缺乏灵活性和坚固性而损坏或者机械人臂的运动及旋转能力受到限制。为了能够使整个机器人进行任意数目的旋转，必须在机器人关节中使用例如用于进行导线和信号线传递的滑环。

发明内容

“机器人肢体”是指机器人的能运动的部分、例如像能运动的或位置固定的机器人的臂以及能运动的机器人的腿。虽然不能使机器人向前运动但是能使其旋转的机器人脚也被理解为机器人肢体。

机器人肢体具有至少一个由碳纳米管（Carbon Nanotubes；CNT）或者基于碳纳米结构的导体构成的线、例如像基于石墨的线。所述线以低重量将良好的导电性与极高的机械强度统一起来。与传统的机器人肢体相比，运动的重量的降低能够降低有待一同运动的马达的驱动功率并且因此能够减小其尺寸。因此，能够显著地提高移动速度并且相应地提高肢体的活动半径。由于较低的惯性，因此能够缩短运动过程中的减速和加速过程，并且与传统的机器人肢体相比，机器人用具有由碳纳米管构成的线的机器人肢体能够在相同的时间里执行更大数目的操作。同时，机器人控制单元和开关柜也变得更轻并且能够更容易地由机器人携带。这尤其对于非位置固定的或者类人的机器人是有利的。

优选的是，机器人肢体的所有电导体（例如像能量供给线和信号线）都具有碳纳米管或基于碳纳米结构的导体。此外，特别优选机器人肢体的所有组件都由具有至少600℃、非常特别优选至少700℃的耐热性的材料构成。碳纳米管和基于碳纳米结构的导体具有比传统的导体、例如基于铜或铝的导体高得多的耐热性。因此，机器人肢体能够在超过600°C或者甚至超过700°C的温度的范围内工作。像传统的机器人肢体一样，对于自100°C起的温度来说，所述机器人肢体没有遭受显著上升的导线电阻以及由此上升的能耗，因为碳纳米管和基于碳纳米结构的导体的电阻几乎没有随温度而升高。如果也用碳纳米管来构造执行器的绕组和结构元件，则可以设计出能够在高温下以节能方式长期工作的热室机器人肢体，而不必一同设置巨大的冷却开销。

此外，优选的是，机器人肢体被设置用于在液体或液化气混合物中使用，并且机器人肢体的所有组件对液体或液化气混合物呈化学抗性。碳纳米管和基于碳纳米结构的导体的高化学抗性为在液体或液化气混合物中使用的机械人肢体提供了优点，液体或液化气混合物由于化学原因而不适合于基于铜或铝的导体或者需要额外的保护层并且不得具有滑动触点。在这种情况下，例如涉及用于石油/天然气和燃料行业或者化学/制药行业的管线检测机器人的肢体。

优选至少一个线被设置用于同时用作控制索和电导线。对于传统的机器人臂来说这两种功能必须由分开的元件来履行，因为传统的电缆无法承受机器人肢体的拉力负荷，而碳纳米管的高抗拉强度则能够将这两种功能统一在机器人肢体的线中。以这样的方式，能够紧凑地并且用较小的重量实现所述机器人肢体。在作为电导线的功能中降低了损耗功率并且提高了负荷变换的次数，因为相对于金属导体来说，由碳纳米管构成的柔性线具有更高的扭转和弯折负荷能力并且在弯曲点处没有老化。因为由于碳纳米管的柔软性而必须在关节处设置较小的长度预留量，所以能够降低总线长。此外，由于碳纳米管的较低的热膨胀系数，由于温度波动而必须设置的长度预留量也较小。

在线作为控制索的功能中，所述线优选被固定在机器人肢体的驱动辊上。尤其能够通过打结来进行固定。在驱动辊运动时，线被卷绕和退绕并且因此使机器人肢体运动。在驱动辊上的固定在此能够同时用作线的电接触。为此，所述线在与驱动辊的接触中没有电隔绝体。在对线进行适当的导引的情况下，所述线甚至能够完全没有电隔绝体地实施。

在机器人肢体的一种实施方式中，至少一个线被设置用作电能供给线。通过这种方式，能够向机器人肢体的执行器供给电能。

在机器人肢体的另一种实施方式中，至少一个线被设置用作电信号线。通过这种方式，传感器的信号能够通过所述线来传送。

此外，优选的是，至少一个线被设置用于通过机器人肢体的旋转运动而进行捻转。在这种情况下利用了下述情况，即：碳纳米管允许比铜电缆明显更高的捻转度。仅须为线由于捻转而引起的缩短进行预留。

如果机器人肢体具有多个平行伸展的由碳纳米管导构成的线，那么这些线能够如此布置，使得其能够通过机器人肢体的旋转运动而彼此捻转。

如果机器人肢体能旋转地实施，那么它能够在使用至少一个由碳纳米管构成的线的情况下如此实施，使得其没有砂轮并且仍然允许多次旋转。在这种情况下，机器人肢体优选被设置用于允许直至720°、特别优选直至1080°的旋转，从而能够在机器人肢体的运行中实现必需的多次旋转，而不必为此作为额外的构件来设置砂轮。

如果机器人肢体要求多个平行地伸展的由碳纳米管构成的线，以用于例如履行能量线和信号线的多种功能，那么优选的是，所述线实施成扁平电缆。在这种情况下，每个线相对于扁平电缆的其他线都具有电隔绝体。所有线都被另外的共同的电隔绝体所包围。

如果扁平电缆具有多个包含在其中的、被共同的电隔绝体包围的扁平电缆，则能够在极为狭小的空间上使用数目特别高的由碳纳米管构成的线。

不仅仅在机器人肢体中能够将由碳纳米管构成的线用作控制索并且同时用作电导线。在执行机构的其他领域内也能够考虑这种使用。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中得到详细解释：

图1示出了按照本发明的一种实施例的机器人臂的透明的等距图示。；

图2示出了按照本发明的另一种实施例的机械人臂的透明的等距图示；

图3a示出了在按照图2的机器人臂中所使用的扁平电缆的示意性的剖面图；

图3b示出了另一个在按照图2的机器人臂中使用的扁平电缆的示意性的剖面图；

图4示出了还是按照本发明的另一种实施例的机械人臂的部分部切的侧视图；

图5a示出了按照本发明的一种实施例的机器人脚的剖切的侧视图；

图5b示出了在旋转了720°之后的图5a的机器人脚。

具体实施方式

在图1中示出了按照本发明的第一种实施例的机器人肢体1。该机器人肢体实施成具有上臂11和下臂12的机器人臂。在上臂11的背离下臂12的端部上、即在肩部区域中，在上臂11中布置有驱动辊31。导引件32布置在将上臂11与下臂12连接起来的关节区域中。由碳纳米管构成的线2与驱动辊31打结。所述线经过导引件32一直伸展到下臂12的末端。在那里，所述线机械地被固定并且与传感器4电连接。线2没有电隔绝体。通过驱动辊31的旋转，能够使机械人臂弯曲。传感器4的电信号通过所述线流往驱动辊31并且能够通过所述驱动辊来转送。

在机器人肢体1的在图2中所示出的第二种实施例中，该机器人肢体实施成人形机器人的臂。所述臂具有上臂11、下臂12和手13。上臂11以能运动的方式与机器人躯干5相连接。在将上臂11与机器人躯干5连接起来的肩部区域中布置有第一驱动辊31a。在将上臂11与下臂12连接起来的肘部区域中布置有第二驱动辊31b。

每个驱动辊通过为其分配的电动马达30a、30b来驱动。另一个电动马达30c布置在手13中以用于使其运动。第一扁平电缆61被固定在第一驱动辊31a中并且终止在机器人臂的肘部区域中。第二扁平电缆62被固定在第二驱动辊30b上并且终止在第三电动马达30c上。第一电接头71将第一电动马达30a与机器人躯干5中的能源连接起来。第二电接头72将第一扁平电缆61与第二电动马达30b连接起来。两个扁平电缆61、62分别包含多个由碳纳米管构成的线。所述线能够将电能从机器人躯干5的能源经由第一电接头71、第一扁平电缆61和第二电接头72转送给第二电动马达30b。此外，电能能够从第二电动马达30b经由第二扁平电缆62转送给第三电动马达30c。扁平电缆61、62中的、不需要用于进行能量传送的线能够作为信号线将控制信号发送给第二电动马达30b和第三电动马达30c。此外，它们能够将机器人臂中未示出的传感器的信号返回传送到机器人躯干5中的电子控制器中。

在图3a中示出，多个由碳纳米管构成的线2是如何分别被电隔绝体21所包围的，以使其彼此隔绝。所述线并排布置并且被另外的共同的电隔绝体611所包围。因此，它们一起提供了扁平电缆，该扁平电缆能够用作本发明的第二种实施例中的第一扁平电缆61。

多个这样的第一扁平电缆61能够被另一个共同的隔绝体621所包围并且就这样被合并成更大的扁平电缆。这在图3b中示出并且例如能够用作第二种实施例中的第二扁平电缆62。

在图4中示出了按照本发明的第三种实施例的机器人肢体1。该机器人肢体实施成机械人臂，其下臂12与手13相连接，所述手终止在抓具14中。手13通过支承结构能够相对于下臂12旋转地实施。两个由碳纳米管构成的线2a、2b平行地穿过下臂12来伸展并且伸展到手13中，因此它们能够用作针对抓具14的电连接。如图4所示，线2a、2b在手13旋转时能够围绕着彼此捻转。这允许手13旋转直至1080°。为此，设置了线2a、2b的相应的长度预留量。

在图5a中示出了机器人脚形式的机器人肢体8的第四种实施例。机器人脚具有电子控制器81，该电子控制器控制电动马达82。所述电动马达与正齿轮传动机构83相连接。通过这个正齿轮传动机构，能够将机器人脚的、借助于轴承系统84以能旋转的方式实施的部分旋转直至1080°。两个由碳纳米管构成的线2a、2b从机器人脚的外部与电子控制器81相连接，以用于发送控制信号并且向所述电子控制器、电动马达82和其他机器人组件供给电能。为了将控制信号和电能进一步发送到机器人中，第三线2c穿过机器人脚来伸展并且进一步伸展到机器人未示出的部分里面。图5a中的图示示出了在机器人脚旋转之前这个第三线2c的长度预留量。图5b示出了由于在机器人脚旋转720°时所产生的捻转而引起的这个第三线2c的缩短的情况。但是，还总是存在进一步的长度预留量以便机器人脚进行进一步的旋转。

机器人肢体的所有前面所描述的实施例都能够如此实施，即，所述机器人肢体的所有电线在致动器的内部也仅仅由碳纳米管构成。此外，在第五种实施例中，所有机械组件均以耐高温的材料实施，所述材料也能够作为高温机器人肢体在直至800°C的温度下运行。在第六种实施例中，所有机械组件均耐液化气混合物地实施。这些机器人肢体被设置用在天然气行业中。

Claims (14)

1.机械人肢体（1、8），具有至少一个由碳纳米管或基于碳纳米结构的导体构成的线（2、2a-c）。

2.根据权利要求1所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述至少一个线（2、2a-c）被设置用于同时用作控制索和电导线。

3.根据权利要求2所述的机器人肢体（1），其特征在于，所述至少一个线（2、2a-b）被固定在所述机器人肢体（1）的驱动辊（31、31a-b）上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述至少一个线（2、2a-c）被设置用作电能供给线。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述至少一个线（2、2a-c）被设置用作电信号线。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人肢体（8），其特征在于，所述至少一个线（2c）被设置用于：通过所述机器人肢体（8）的旋转运动而进行捻转。

7.根据权利要求6所述的机器人肢体（1），其特征在于，所述机器人肢体具有多个由碳纳米管或基于碳纳米结构的导体构成的线（2a，2b），所述线能够通过所述机器人肢体（1）的旋转运动而彼此捻转。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述机器人肢体能够旋转地实施并且没有砂轮。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人肢体（1），其特征在于，所述机器人肢体具有多个由碳纳米管或基于碳纳米结构的导体构成的线（2），所述线实施成扁平电缆（61、62），其中每个线相对于所述扁平电缆（61、62）的其它线具有电隔绝体（21），并且所有线（2）被另外的共同的电隔绝体（611）所包围。

10.根据权利要求9所述的机器人肢体（1），其特征在于，所述扁平电缆（62）具有多个包含在其中的扁平电缆（61），所述扁平电缆（61）被共同的电隔绝体（621）所包围。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述机器人肢体（1、8）的所有电导体均具有碳纳米管或基于碳纳米结构的导体。

12.根据权利要求11所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述机器人肢体（1、8）的所有组件由具有至少600℃的耐热性的材料构成。

13.根据权利要求11或12所述的机器人肢体（1、8），其特征在于，所述机器人肢体被设置用于在液体或液化气混合物中使用，并且所述机器人肢体（1、8）的所有组件相对于所述液体或液化气混合物呈化学抗性。

14.由碳纳米管或基于碳纳米结构的导体构成的线（2、2a-c）作为控制索并且同时作为电导线的使用。