CN111601685B - 工业机器人手臂 - Google Patents

Abstract

一种用于末端执行器动作的机器人手臂(500)。机器人手臂包括第一致动器(4)以及从第一致动器至末端执行器平台的第一运动链，这提供用于定位末端执行器平台的第一自由度。机器人手臂也包括第二致动器(5；5b)以及从第二致动器至末端执行器平台的第二运动链，这提供用于定位末端执行器平台的第二自由度。机器人手臂还包括第三致动器(6；6b、512)以及从第三致动器(6；6b)至末端执行器平台的第三运动链，这提供用于定位末端执行器平台的第三自由度。机器人手臂也包括第四致动器(50；150)以及配置成将第四致动器的移动传输至末端执行器(28)的对应定向轴(65)。第四运动链包括经由至少一个轴承(53、55；265)安装至内臂组合件的定向连杆组(52、57、59；202、204、207、209；284、286；251、256、258)，以及安装至末端执行器平台的定向传动器(64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；281、279、275；260、262、264、266、271、270)，其中定向连杆组包括末端执行器转动连杆(59；209；258；281)以及接头(58、60；208、210；257、259；257、259；282、280)，接头向末端执行器转动连杆的每个末端接头提供至少两个自由度。

Description

工业机器人手臂

技术领域

本公开属于工业机器人手臂的技术领域，且特别涉及用于快速处理物体、用于极快速移动物体和用于高安全性机器人装置的轻型机器人手臂。

背景

例如在人类和机器人之间的直接合作且当使用无围栏机器人装置是有利时，需要高安全性装置。综观现有技术，存在并联运动机器人(如 WO1987003528A1中描述的Delta机器人)，该并联运动机器人全部具有安装在固定座上的致动器且因此可以获得轻量结构。然而，这些并联运动机器人具有如下缺点：手臂系统占据很大的空间且相对于需用于手臂系统的空间而言工作空间很小。因此，这些机器人仅可用于为手臂系统留有大空间的应用，以及足够具有特别是在竖直方向上的非常有限的工作空间的应用。因此，Delta机器人主要用于在平面上方的取放操作，该平面例如是对于机器人手臂结构具有充足的空间的输送带。

在专利申请WO2014187486中，提出细长(slim)并联式结构，与例如Delta机器人相比，能够实现相对于手臂系统所需空间更大的工作空间。在此机器人结构中，第一致动器围绕第一轴驱动第一手臂，第一运动链被配置成将第一手臂的转动传输给末端执行器的移动且第一运动链具有第一杆及第一手臂和第一杆之间的第一接头。第一接头具有至少两个自由度 (DOF)且第二接头安装在第一杆和末端执行器之间。为了在不失去对末端执行器的六个DOF的限制的情况下工作，根据WO2014187486的设计依赖第一杆的扭转刚度。然而，这意味着第一杆的第一接头和第二接头两者必须具有两个自由度且不会再多，这进而意味着不可能比工作空间的中部处更多地获得末端执行器的恒定倾斜角度。因此，甚至在水平表面上的简单取放操作中，根据WO2014187486的细长机器人概念需要两个DOF 的腕部。然而，此腕部会增加可观重量且机器人不会具有例如Delta机器人那样的轻型手臂系统。再者，将需要布线来传输电力并控制腕部的致动器。

在专利申请WO2015188843中，并联运动机器人包括基座以及可相对于基座移动的末端执行器。第一致动器附接到基座并经由第一运动链连接于末端执行器，该第一运动链包括第一手臂、第一杆、第一手臂和第一杆之间的第一接头以及第一杆和末端执行器之间的第二接头。第二致动器附接到基座并经由第二运动链连接于末端执行器，该第二运动链包括第二手臂、第二杆、第二手臂和第二杆之间的第三接头以及第二杆和末端执行器之间的第四接头。第三致动器附接到基座或附接到第一手臂且经由第三运动链连接于末端执行器，该第三运动链包括第一齿轮以及第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮被轴承支承到(journaled)末端执行器且相互啮合。第三运动链的至少一个元件构成具有第一运动链的至少一个元件的运动对。负责末端执行器平移运动的运动链因此用作负责末端执行器的转动运动的运动链的支撑结构。

与WO2014187486中的细长结构相比，WO2015188843描述了手臂系统需很大空间的机器人结构。该机器人结构包含直接将三个致动器与待移动的末端执行器平台连接的三个分离的运动链且因此需要可观的空间用于三个手臂在三个不同方向摆动。而且，WO2015188843中的机器人结构的工作空间远小于本发明中的机器人结构的工作空间。

WO2015188843包括用于使安装在末端执行器平台上的工具转动的布置。WO2015188843的图1中的布置由串联工作连杆以及齿轮组成。这些连杆安装在连接致动器与末端执行器平台的三个分离的运动链中的两个分离的运动链上且限制已经有限的定位能力。这些限制取决于连杆安装在两个分离的运动链上的事实，取决于如何得到串联工作连杆的连接，且取决于当手臂转离它们的零位置时连杆的工作范围可观地减少的事实。在WO2015188843的图1中工具绕着第一轴的转动会同时使工具绕着第二轴转动并对此进行补偿，对第二轴而言将丧失转动范围。而且，转动能力将严重降低并获得大偏移，更将末端执行器平台移离工作空间的中心。然而， WO2015188843的图2中的布置会给予大转动范围但会较WO2015188843 的图1中描述的概念减少甚至更多的有限工作空间。对于此的一个原因是手臂和末端执行器平台之间的连杆中需要万向接头。而且，在用于转动工具的运动链中需要数个串联连接的齿轮级。这将增加手臂以及末端执行器平台的重量，增加背隙以及摩擦，并增加维护的需要。

概述

因此，本公开的目的是减少现有技术的至少一些缺点。本公开的另一目的是提供适合于物体的快速处理、极快移动和/或高安全性机器人装置的轻量机器人手臂。这些目的以及其它目的至少部分地通过根据独立权利要求的机器人手臂以及根据从属权利要求的实施例达成。

根据第一方面，本公开涉及一种用于末端执行器动作的机器人手臂。机器人手臂包括被配置成使内臂组合件绕着第一转动轴转动的第一致动器。内臂组合件连接到绕着第二转动轴可枢转地布置的外臂连杆组，且外臂连杆组连接于末端执行器平台，从而从第一致动器至末端执行器平台形成第一运动链，该第一运动链给予用于定位末端执行器平台的第一自由度。机器人手臂包括第二致动器，该第二致动器被配置成使外臂连杆组绕着第二转动轴转动，从而从第二致动器至末端执行器平台形成第二运动链，该第二运动链给予用于定位末端执行器平台的第二自由度。机器人手臂还包括第三致动器，该第三致动器被配置成使轴杆绕着第三转动轴转动，使得外臂连杆组经由接头转动，从而从第三致动器至末端执行器平台形成第三运动链，该第三运动链给予用于定位末端执行器平台的第三自由度。机器人手臂也包括第四致动器以及第四运动链，该第四运动链被配置成将第四致动器的运动传输至末端执行器的对应定向轴。第四运动链包括经由至少一个轴承安装于内臂组合件的定向连杆组，以及安装于末端执行器平台的定向传动器(orientationtransmission)。定向连杆组包括末端执行器转动连杆以及接头，该接头为末端执行器转动连杆的每一末端接头提供至少两个自由度。

因此，揭示的机器人手臂可工业应用，因为其具有保持末端执行器的恒定倾斜角度、控制末端执行器的倾斜角度、控制末端执行器的转动角度和恒定倾斜角度以及控制末端执行器的倾斜角度和转动两者的能力，所有都不包括手臂结构中的任何致动器。这样的设计让机器人同时获得了具有细长结构和很大工作空间的重要特征。

根据一些实施例，定向传动器包括连接至末端执行器的连接装置，该连接装置给予末端执行器动作至少四个自由度。从而，末端执行器可以至少四个自由度移动而在手臂结构中不具有任何致动器。

根据一些实施例，定向传动器包括至少一个外齿轮机构，该外齿轮机构布置成使末端执行器在由外齿轮机构的齿轮比(gear ratio)所确定的角度范围内转动。从而当内臂组合件布置成绕着竖直轴转动时末端执行器可被控制来获得程序化转动角或当内臂组合件布置成绕着水平轴转动时末端执行器可被控制来获得程序化倾斜角。

根据一些实施例，定向连杆组包括至少一个内齿轮机构，该内齿轮机构布置成在由内齿轮机构的齿轮比确定的角度范围内转动末端执行器，而不受外臂连杆组转动的限制。因此，大末端执行器的再定向可提供于所有的大工作空间。

根据一些实施例，定向连杆组和定向传动器布置成绕着定向轴转动末端执行器而无转动角度限制。从而末端执行器可以总是被转动，使得最短的可能路径(以及最小的循环时间)可被选择。

根据一些实施例，第二运动链包括内臂连杆组，该内臂连杆组包括至少一个经由连接轴承连接到外臂连杆组的连杆，且其中第二致动器被配置成经由至少一个连接到至少一个连杆的内连接接头移动该至少一个连杆。第二致动器因此可位于机器人支架处，不随着手臂结构移动。

根据一些实施例，外臂连杆组包括连接到末端执行器平台的外并联连杆对。内臂连杆组包括连接到外臂连杆组的外并联连杆对的内并联连杆对。而且，第二运动链被配置成将杠杆的转动传输至末端执行器平台的对应移动。因为外并联连杆对防止末端执行器平台的不希望的转动，所以例如在用于取放操作的四个自由度的工业重要情形中，不需要额外的腕部动作 (增加成本和重量的传动器和致动器)。

根据一些实施例，外并联连杆对以及内并联连杆对利用用于相应的连杆的每个连杆连接的一个连接轴承连接，且其中连接轴承的转动轴与外并联连杆对的每一相应连杆的轴向中心线成直角。从而外臂连杆组由内臂连杆组精确控制而相对于内臂连杆组和外臂连杆组的连杆之间的连接点的运动无任何不确定性。外臂连杆组经由两个接头连接到内臂组合件，使得在定位期间通过这两个接头的中心的转动线保持竖直(或水平，取决于手臂定向)。

根据一些实施例，机器人手臂包括将连接轴承彼此机械连接的刚性梁。以此方式获得更精确的机械解决方案以经由串联连接的内臂连杆组和外臂连杆组将内臂组合件的转动轴的方向传输至末端执行器的转动轴。在一替代实施例中，第二对轴承的轴承利用平行于末端执行器梁的梁连接彼此。

根据一些实施例，内并联连杆对经由偏移梁上的球窝接头安装至刚性梁。因为球窝接头的几何结构可以容易制造出很高的精确度，所以这更增加经由串联连接的内臂连杆组和外臂连杆组将内臂组合件的转动轴的方向传输至末端执行器的转动轴的精确度。

根据一些实施例，第三运动链包括连接于第三致动器和外并联连杆对的致动连杆之间的内传动器。因此，机器人手臂的内部和最大承载部分可以制造得坚固但细长，第三运动链的内部部分得到很好的保护。

根据一些实施例，机器人手臂包括沿着外并联连杆对的致动连杆安装的连杆轴承。连杆轴承的转动轴与外并联连杆对的致动连杆的中心重合。连杆轴承被使用以便避免由内传动器的转动所导致的末端执行器的任何不想要的倾斜角错误。如此，连杆轴承使能总是以恒定的末端执行器倾斜角度在两个方向摆动内连杆对。

根据一些实施例，机器人手臂包括连接外并联连杆对和末端执行器平台的末端执行器轴承，其中末端执行器轴承的转动轴垂直于外并联连杆对的中心。这使得细长的机器人手臂结构可具有轻量的末端执行器平台。因为末端执行器轴承，外臂连杆组将约束末端执行器平台的所有六个自由度且在机器人结构的其它部分和末端执行器平台之间不再需要连杆。

根据一些实施例，末端执行器轴承的转动轴平行于连接轴承的转动轴。从而得到转动工具轴的精确控制。

根据一些实施例，机器人手臂包括连接外并联连杆对的连杆和内并联连杆对的连杆的连接轴承，其中每一连接轴承的转动轴与外并联连杆对的相应连杆的中心重合。外臂连杆组和内臂连杆组之间的接头连接装置从而得到较低的自由度且从而得到较低的制造成本。

根据一些实施例，内并联连杆对的连杆包括成对的并联连杆，且这些对的并联连杆通过球窝接头安装于外并联连杆对的连杆的每一侧上。这将使能更增加外臂连杆组和内臂连杆组之间的连接的精确度。而且，较简单的连杆和接头的解决方案可以与成对窝穴一起使用。

根据一些实施例，内臂组合件包括中空的臂连杆以及用轴承轴向安装于中空的臂连杆内的轴杆。轴杆布置成利用第三致动器转动。从而利用接合外臂连杆组的内部内传动器获得极紧凑的内臂解决方案。而且，包括两个轴承的内传动器将被完全保护免受环境影响。在一些实施例中，为了绕着垂直于轴承对的转动线或轴的一轴转动轴承对的转动线或轴，轴承对可安装于在中空臂连杆内转动的轴杆上并经由90度齿轮由转动致动器致动。

根据一些实施例，机器人手臂包括多个定向连杆组，每一定向连杆组包括定向传动器。多个定向连杆组配置成使得对应的多个同心输出轴杆可对于布置到末端执行器平台上的一个或数个末端执行器致动数个末端执行器定向。例如由第四及第六运动链致动的一个以上的末端执行器定向因此可致动很大的定向。

根据一些实施例，机器人手臂包括多个定向连杆组，具有连接的定向传动器的每一个定向连杆组配置成使得对于布置到末端执行器平台上的一个或数个末端执行器完成每一个对应的末端执行器定向。从而，常规的铰接式机器人的典型的现有的机器人腕部(具有通常来自机器人肘部处的马达的转动轴杆)则可被用于这种较重的设计适合应用的情况。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少两个安装至末端执行器平台的定向传动器且其中该至少两个定向传动器之一的外齿轮机构布置成转动该至少两个定向传动器中的至少另一个。如此，可以以分离和模块化的方式添加第二腕部运动。

根据一些实施例，机器人手臂包括第五致动器以及第五运动链，该第五运动链被配置成经由至少一个另外的定向传动器将第五致动器的移动传输至布置到末端执行器平台上的末端执行器的对应移动。以此方式在机器人手臂的整个工作空间中可同时得到工具转动和倾斜。第五运动链将总是有效传送连接传动器的需要的动作以获得特定的末端执行器转动或倾斜。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少一个另一致动器以及至少一个另一运动链，该另一运动链被配置成将至少一个另一致动器的移动传输至布置到末端执行器平台上的末端执行器的对应移动，这给予末端执行器动作至少六个自由度。

根据一些实施例，外齿轮机构包括布置成以一个自由度转动工具的第一齿轮。

根据一些实施例，第一齿轮安装至末端执行器平台，以此方式第一齿轮的转动轴平行于第一转动轴。从而，在内臂组合件布置成绕着竖直轴转动的情形中末端执行器将总是垂直于工作空间中的水平平面，且当内臂组合件绕着水平轴转动时末端执行器将总是绕着水平轴倾斜。这些特征使机器人手臂在拾取、放置、包装应用和码垛应用中非常有用。

根据一些实施例，外齿轮机构包括第二齿轮，且第一齿轮由第二齿轮接合，该第二齿轮布置成由齿轮连杆经由连接到第二齿轮的杠杆转动。因为齿轮、杠杆以及齿轮连杆皆可由增强型碳纤维复合材料(carbon reinforced epoxy)或复合材料制成，所以可得到轻量的布置来转动工具。该传动解决方案也使能得到工具的规定旋转范围或倾斜范围，该旋转范围或倾斜范围藉由选择第二齿轮的半径和第一齿轮的半径之间的合适比率得到，比率通常选择大于1。当末端执行器平台的末端执行器梁是竖直的时为了控制工具转动且当末端执行器梁是水平的时为了控制工具的一个倾斜角度，例如齿轮传动器的外齿轮机构被使用，该齿轮传动器可包括旋转齿轮传动器或线性齿轮传动器中之任何一个。齿轮传动器安装于末端执行器平台上，现在包括第一末端执行器梁和可选结构，其中另一个末端执行器梁与第一末端执行器梁平行。在两种情形中，第一旋转齿轮经由一个或更多个轴承安装在该另一个末端执行器梁上，该轴承的转动轴与该另一个末端执行器梁的中心重合。第一旋转齿轮经由轴杆机械地连接到工具。在一示例性实施例中，齿轮连杆利用每端部中的至少两个自由度的接头实施以经由运动链将齿轮传动器连接至致动器。在旋转齿轮传动器的情形中，转动轴平行于末端执行器梁的中心或与其重合的第二旋转齿轮经由杠杆连接到齿轮连杆，从而齿轮连杆的移动将转换为旋转齿轮传动器的第二旋转齿轮的转动。第一旋转齿轮被迫使由第二旋转齿轮转动且第一旋转齿轮的直径可以小于第二旋转齿轮的直径。

根据一些实施例，第一齿轮由齿条接合，该齿条布置成由连接到齿条的齿轮连杆移动。以此方式，相对于使用具有两个齿轮的传动器，得到更节省空间的齿轮传动器。这是因为不需要安装于第二齿轮上的杠杆以及因为可让线性齿条比圆形齿轮更薄。在线性齿轮传动器的情形中，线性齿轮 (例如齿条，具有由小齿轮的大小决定的齿轮比)经由具有至少两个自由度的接头连接到齿轮连杆，从而，齿轮致动连杆的移动将转换为线性齿轮传动器的第一旋转齿轮的转动。该第一旋转齿轮(充当小齿轮)被迫使由齿条的线性移动来转动且有利地，第一旋转齿轮的圆周小于线性齿轮的长度。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少两个安装至末端执行器平台的齿轮传动器且其中第一齿轮传动器的第一齿轮布置成转动至少一个第二齿轮传动器。以此方式，将可控制末端执行器的倾斜角度和转动角度，这在很多应用上是重要的。

根据一些实施例，至少一个第二齿轮传动器是齿条和小齿轮传动器形式的，且其中齿条连接到齿条轴承，齿条轴承的转动轴平行于齿条的移动方向。以此方式，第一齿轮传动器的控制将独立于第二齿轮传动器的控制，意味着若末端执行器的倾斜角度利用第一齿轮传动器改变，转动角度将不改变且反之亦然。为了控制具有两个自由度的末端执行器的转动，第一齿条和小齿轮传动器安装于第一旋转齿轮上。线性齿轮(如齿条)经由齿条轴承和杠杆布置连接到第二齿轮连杆。

根据一些实施例，至少一个第二齿轮传动器的至少一个小齿轮连接到末端执行器以得到工具转动。从而独立于第一齿轮传动器执行工具的倾斜，可以用第二齿轮传动器转动末端执行器，反之亦然。换言之，第一齿条和小齿轮传动器的小齿轮连接成末端执行器可被倾斜或转动。

根据一些实施例，至少一个齿条轴承具有与第一齿轮的转动轴重合的转动轴。齿条轴承在此是必不可少的以便让末端执行器的转动控制独立于倾斜控制，且藉由安装齿条轴承的转动轴与第一齿轮的转动轴重合，得到至第二齿轮传动器的更精确的机械传输。换言之，齿条轴承的转动中心与承载第一齿条和小齿轮传动器的旋转齿轮的转动中心重合。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少一个第二齿轮传动器的一个小齿轮，该小齿轮经由直角齿轮连接到末端执行器。从而将可得到末端执行器的两个倾斜角以及一个转动角的控制。以此方式，得到六轴机器人手臂而无手臂结构中的任何致动器以及所有安装的致动器固定于机器人支架。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少一个第二齿轮传动器的一个小齿轮，该小齿轮连接到末端执行器轴杆，末端执行器经由轴承安装在该轴杆上，轴承的转动轴与末端执行器轴杆的转动轴重合。为了经由直角齿轮得到转动角且同时得到倾斜角，末端执行器轴杆安装在连接到第二齿轮传动器的小齿轮的轴承上。转动第二齿轮传动器的小齿轮将以此方式倾斜轴承，末端执行器轴杆安装在该小齿轮上。

根据一些实施例，机器人手臂包括一个齿条和小齿轮传动器，该齿条和小齿轮传动器包括两个经由共用小齿轮连接的齿条且其中两个齿条布置成相对于彼此以直角移动。从而可独立于彼此致动两个倾斜角和一个转动角，这意味着致动任何倾斜角或转动角将不会改变其它角度。这意味着倾斜角度和转动角度的限制的角度工作范围可在机器人手臂的工作空间中的任何地方完全使用且与末端执行器的实际倾斜角度和转动角度无关。

根据一些实施例，机器人手臂包括两个经由齿条轴杆和齿条轴承彼此连接的齿条。从而当第三齿条连接第一齿条时第三齿条可由第二齿条小齿轮转动，这让末端执行器的转动角与末端执行器的倾斜角之一无关。

根据一些实施例，齿条轴杆布置成在属于另一齿条和小齿轮传动器的小齿轮的轴向通孔中自由移动。从而当第三齿条连接第一齿条时第三齿条可由第二齿条小齿轮转动，这让末端执行器的转动角独立于末端执行器的倾斜角之一。

根据一些实施例，机器人手臂包括至少一个经由安装在末端执行器平台上的固定齿条和小齿轮传动器连接第五致动器的齿条轴承。从而对于第五运动链得到较简单的连杆结构。

根据一些实施例，齿条轴承连接到固定齿条和小齿轮传动器的齿条。以此方式，使用固定齿条和小齿轮以便简化第五运动链将仍然使能执行倾斜角和转动角的独立控制。

根据一些实施例，固定齿条和小齿轮传动器的小齿轮包括杠杆，齿轮连杆经由至少两个自由度的接头安装在该杠杆上。对于第五运动链得到有效的传输，其中末端执行器转动或转动角的工作范围可由固定齿条和小齿轮传动器的小齿轮的直径界定。

根据一些实施例，外臂连杆组的致动连杆经由一对轴承连接第三致动器，该轴承的共用转动轴可绕着与内臂组合件的中心轴平行的轴转动。从而，机器人手臂将特别适合于其中需要高刚度传输用于末端执行器在第一轴的转动轴的方向的动作的应用。在另一实施例中，齿轮连杆在一端连接到杠杆，该杠杆安装在其转动轴平行于末端执行器梁的轴承上。杠杆经由两个更多的杠杆及一连杆连接到旋转致动器。为了绕着垂直于轴承对的转动线或轴的轴转动轴承对的转动线或轴，轴承对以一种设计安装在轴承上，该轴承的转动轴平行于内臂连杆组的中空连杆的中心轴，且杠杆用于绕着轴承的转动轴转动轴承对，该轴承对安装在该转动轴上。杠杆经由具有在每一端的接头的连杆连接到致动器。

根据一些实施例，连杆传动器包括具有一端中的杠杆的转动轴杆且其中杠杆经由至少两个自由度的接头连接到齿轮连杆。此实施例在需要细长内臂组合件的应用中特别有用，意味着机器人手臂需要在限制的环境中工作。而且，这个解决方案将具有最高的传输效率来控制末端执行器的转动角或任何倾斜角。在一示例性实施例中，齿轮传动器经由运动链连接致动器且齿轮连杆的一端连接到安装在第二旋转轴杆上的杠杆，该第二旋转轴杆的转动轴平行于内臂组合件的中空连杆。

根据第二方面，本公开涉及用于以三个自由度定位末端执行器的机器人手臂，该末端执行器具有恒定倾斜角。机器人手臂包括布置成接收末端执行器的末端执行器平台。机器人手臂包括被配置成绕着第一转动轴转动内臂组合件的第一致动器。内臂组合件连接到绕着第二转动轴可枢转地布置的外臂连杆组。外臂连杆组包括经由末端执行器轴承连接末端执行器平台的外并联连杆对，从而从第一致动器至末端执行器平台形成第一运动链。机器人手臂包括被配置成绕着第二转动轴转动外臂连杆组的第二致动器。外臂连杆组经由包括连接轴承的万向接头连接包括内并联连杆对的内臂连杆组，从而从第二致动器至末端执行器平台形成第二运动链。机器人手臂也包括被配置成绕着第三转动轴转动轴杆的第三致动器，使得外臂连杆组经由肘接头绕着第三转动轴转动，从而从第三致动器至末端执行器平台形成第三运动链。

附图简述

图1显示根据一些实施例的机器人手臂结构，该机器人手臂结构可使末端执行器被致动以绕着垂直于水平平面的轴转动。

图2A显示根据一些其它实施例的机器人手臂结构。

图2B显示安装在图2A中的内传动器的旋转轴杆上的一类型的万向接头的细节。

图3A显示根据第一实施例的工业机器人手臂，该工业机器人手臂使末端执行器能被致动以绕着垂直于水平平面的轴转动。

图3B显示根据第二实施例的工业机器人手臂，该工业机器人手臂包括替代的齿轮传动器以转动末端执行器。

图3C显示根据一些实施例的定向连杆组。

图3D显示根据一些实施例的万向接头。

图4A显示根据第三实施例的工业机器人手臂，其中主结构布置有旋转致动器的水平共用转动轴。

图4B显示根据第三实施例的变体的工业机器人手臂。

图4C显示根据第三实施例的另一变体的工业机器人手臂。

图4D显示具有皮带驱动器的替代实施例。

图5A显示根据第四实施例的工业机器人手臂，其中末端执行器可被控制以转动及倾斜。

图5B显示用于倾斜具有两个自由度的末端执行器的齿条的替代实施例。

图6A和图6B显示根据第五实施例的工业机器人手臂，该工业机器人手臂包括图5A和图5B中的齿条和小齿轮概念与传动器的组合，该传动器包括直角齿轮和万向接头以通过固定到机器人支架的所有致动器获得六个自由度机器人手臂。

图7显示具有两个齿条和小齿轮布置的实施例，该布置由齿轮转动以便通过仅一个直角齿轮且无万向接头获得六个自由度。

图8显示具有三个齿条和小齿轮布置的实施例，该布置由齿轮转动以在六个自由度的机器人手臂中避免直角齿轮以及万向接头。

图9A显示根据第六实施例的工业机器人手臂，该工业机器人手臂具有替代图5中的齿条和小齿轮布置的传动器。

图9B显示根据一些实施例的替代定向连杆组。

图10A、图10B显示根据第七和第八实施例的工业机器人手臂，该工业机器人手臂具有旋转致动器的水平共用转动轴。

图11显示其中旋转致动器布置成在不使用如图1-6中所示的中空轴杆马达的情况下得到共用转动轴的实施例。

图12A显示图2A的工业机器人手臂的替代主结构。

图12B显示线性致动器可如何被使用，在此情形中在连杆组中不具有如图12A中所呈现的杠杆。

图13显示替代的传动器。

图14A显示接头类型、允许的接头偏移的变体和作为第二运动链的一部分的反铲机构(backhoe mechanism)。

图14B显示从根本上增加机器人手臂的工作空间的替代反铲配置。

详细描述

为了得到工业机器人的轻型机器人结构，本发明使用并联机器人结构和传动器的新组合。机器人手臂的致动器可安装于固定的机器人支架上且致动器的大重量则不需要由手臂结构到处移动。机器人的手臂结构则可仅利用例如碳管、碳齿轮和碳轴承的轻型构件实施。这使得机器人的设计具有最小惯性，用于高速、加速和加速度导数。而且，当无或较少致动器放置在手臂结构本身时，可更容易构建能在例如在石油和天然气平台上的具有爆炸风险的环境以及处理爆炸物的工业中工作的机器人。也可以更容易地构建可以在如室外处理设备、隧道检查和交通工具清洁系统的恶劣环境中工作的机器人。

揭示的工业机器人手臂解决以下问题：如何得到工业机器人手臂的末端执行器的恒定倾斜角并同时得到机器人手臂的细长结构设计。这使得可能让机器人手臂执行具有于一水平面上的有限空间需求的取放操作而无任何增加的腕部用于补偿末端执行器倾斜误差。而且，根据本发明的机器人手臂可包括高达六个自由度(DOF)，且所有致动器都固定到支架。末端执行器也可被称为工具。

为了清楚说明如下，我们指的是相对于末端执行器平台的机器人支架 (未示出)在x、y和z方向上定位的正常和优选布置，这提供一个或数个自由度中的工具定向的基础。工具定向包括由某个工具传动器致动的工具转动，绕着末端执行器平台处的工具连接轴杆或者绕着垂直于工具连接轴杆的某一轴，或对于五个自由度是绕着两者。对于六个自由度，可加入倾斜工具转动，或所需的工具倾斜可形成轴4或轴5之一。在任何情形中，非常希望使末端执行器平台定位而没有(在这种情况下是不希望的)倾斜动作，从而将工具定位与工具定向分离。原则上，但为清楚起见省略，数个末端执行器和工具定向机构/传动器可附接至末端执行器平台上，例如指向不同方向以及安装不同类型的工具，从而为了不同目的承载不同工具，且避免使用工具交换器的需要。从以下描述中可以明显看出，用于工具定向的不同传动器可被组合，使得所有的致动器仍能固定至机器人支架。如此，多于6个自由度是可能的，但为了简化起见，没有详细解释。

在此揭示的工业机器人手臂包括四轴或五轴的方案，在一些实施例中这些轴总是彼此平行。该结构可以以这样的方式安装，即所有轴都是竖直的或水平的(或任何其它角度)，包括以下中的一个或多个：

-在一示例性实施例中，其中这些轴是竖直的，末端执行器的获得的移动使得末端执行器在整个工作空间中总是垂直于一水平面。

-在一示例性实施例中，其中这些轴是竖直的，末端执行器绕着竖直轴的转动可经由加入的连杆传动器和齿轮控制，由此用于控制末端执行器转动的致动器可固定于机器人支架。

-在一示例性实施例中，其中这些轴加上第五轴是水平的，该结构包含加入的连杆传动器加上齿轮以保持末端执行器垂直于整个工作空间中的一水平面。

-在一示例性实施例中，其中这些轴加上第五轴是水平的，加入的连杆传动器加上齿轮可用于控制整个工作空间中的末端执行器的一个倾斜角。用于控制末端执行器的倾斜角的致动器可固定于机器人支架。

-在一示例性实施例中，其中这些轴加上第五轴是水平的，第二加入的连杆传动器加上齿条和小齿轮可用于控制末端执行器的转动同时控制末端执行器的倾斜。控制末端执行器的倾斜角和转动角的致动器可固定于机器人支架。而且，利用第三连杆，末端执行器可被控制来以三个自由度转动。

而且，因为在连接末端执行器平台和内臂组合件的连杆结构中仅需要两个并联连杆，所以根据本公开的实施例的机器人手臂较之于根据WO2014187486和WO2015188843的机器人设计可做出更细长的设计。

在本公开中，机器人被定义成包括机器人手臂和机器人控制器。机器人手臂包括用于完成末端执行器移动的致动器。机器人控制器或连接到机器人控制器的电脑可包括具有指令的程序，该指令用于根据程序移动末端执行器。机器人控制器和/或电脑包括存储器以及处理器，程序保存在存储器中。机器人手臂因此是可编程机器人。然而，机器人可为各种类型，例如工业机器人或服务机器人。

图1显示机器人手臂500的基本实施例，包括根据一些实施例的结构以得到工具转动，但不包括工具倾斜。

机器人手臂包括第一致动器4，该第一致动器4被配置成使内臂组合件1绕着第一转动轴29转动。内臂组合件1连接到外臂连杆组，这里外臂连杆组包括致动连杆18。外臂连杆组绕着第二转动轴40可枢转地布置。外臂连杆组连接到末端执行器平台41，从而形成从第一致动器至末端执行器平台的第一运动链。这给予用于定位末端执行器平台的第一自由度，且从而也给予用于末端执行器动作的第一自由度。

图1中的机器人手臂500也具有第二致动器5，该第二致动器5被配置成使外臂连杆组绕着第二转动轴40转动，从而形成从第二致动器至末端执行器平台的第二运动链。这为定位末端执行器平台提供第二自由度。第二运动链可以以不同方式设计。一个可能性是具有第二致动器5和致动连杆18之间的连杆的第二运动链。该可能性例示于图1中，其中致动连杆通过作为接头16的一部分的一对轴承(绕着第二转动轴40转动)连接到内臂组合件1，且杠杆2安装于第二致动器5的输出轴杆上以绕着第一转动轴29转动。杠杆2利用包括具有在每一端的接头10、14的连杆12 的内臂连杆组连接到致动连杆。

接头10、14被描绘为具有至少两个自由度的球窝接头，但当然，其它运动学上等同的实施例是可能的，如以下对于末端执行器转动连杆(以及图3C)所解释的。

换言之，第二运动链包括内臂连杆组，该内臂连杆组包括杠杆2以及连接到外臂连杆组的连杆12，外臂连杆组包括此处(图1中)稳固地连接至末端执行器平台41和梁41A的致动连杆18。如此，第二运动链包括内臂连杆组，该内臂连杆组包括经由连接轴承14连接到外臂连杆组的至少一个连杆12。第二致动器被配置成经由连接到至少一个连杆12的至少一个内连接接头10移动至少一个连杆12。致动第二自由度的另一替代方案是使第二致动器安装在内臂组合件1的端部处且第二致动器的转动轴杆平行于第二转动轴40。因为不是优选实施例，被称为5b的第二致动器的这种替代布置用阴影线显示，这是因为致动器与手臂结构一起移动，但它不需要内臂连杆组，从而提供更紧凑的内臂设计。在此替代方案中，第二运动链包括具有转动的第二致动器5b和致动连杆18之间的可选传动器的机械连接装置。如此，第二致动器5、5b在一个方向移动末端执行器平台41，这结合第一运动链给予用于定位末端执行器平台且从而也用于末端执行器动作的第二自由度。

图1中的机器人手臂500也包括第三致动器6，该第三致动器6被配置成使轴杆3绕着第三转动轴33转动。第三致动器6布置成使轴杆3绕着第三转动轴转动，使得外臂连杆组经由接头161转动，从而形成从第三致动器至末端执行器平台的第三运动链。这给予用于定位末端执行器平台的第三自由度。

第三运动链能以不同的方式设计。根据一个示例性实施例，90度角齿轮(未图示于图1但用于致动以下的第四自由度的如以附图标记51显示的相同概念)在第三致动器6的输出轴杆和内臂组合件1内的转动轴杆3 之间。该轴杆3则将绕着转动轴33上下转动致动连杆18，且如此末端执行器平台41将上下移动。另一替代实施例是使用第三致动器(在这种情形中是6b，固定于机器人支架，因为不是优选替代方案，所以以阴影线显示)来绕着垂直于第一转动轴29的转动轴99转动其它致动器(安装于外壳6c上，第二致动器5b替代地在内臂组合件1的端部处)，根据定义垂直于转动轴29的转动轴99容许两个不同布置，该布置可能具有布置成分别绕着x轴和y轴转动的双致动器6b(假设轴29指向z方向)，当外臂连杆组一直伸入或一直伸展时(接近或是单一的，在优选实施例中不允许)，这可用于保持末端执行器的可操纵性。在任何情形中，第三运动链包括内臂组合件1以及仅由附接于末端执行器梁41A的致动连杆18组成的外臂连杆组。总的来说，在图1中描绘的实施例将实现最大瘦手臂的设计，但它将展现在大部分工作空间中不希望的倾斜，且因此需要进一步的实施例 (图2和其他)用于工业应用。

图1中的机器人手臂500也包括第四致动器50以及第四运动链。第四运动链被配置成将第四致动器的移动传输至末端执行器28的对应定向轴。定向轴由轴杆65界定。第四运动链包括经由至少一个轴承53安装至内臂组合件的定向连杆组52、57、59。第四运动链也包括安装至末端执行器平台的定向传动器64B、64A。定向连杆组包括末端执行器转动连杆59和为末端执行器转动连杆的每一末端接头提供至少两个自由度的接头58、 60。在一实施例中，末端执行器转动连杆59在末端执行器转动连杆59的每一端部处分别连接到接头58、60。当然，例如如图3C所描绘的，接头 58、60可以利用至少两个自由度以数个运动学上等同于至少两个自由度的方式完成。

定向连杆组可利用不同的连杆结构实施。在图1中，第四致动器50 连接到驱动轴杆52的90度角齿轮51，杠杆57安装在该轴杆52上。

定向传动器也可以不同的方式实施，例如藉由齿条和小齿轮或藉由反铲连杆组。在图1中，定向传动器利用包括安装至末端执行器平台41的齿轮64A、64B的定向传动器实施。利用图1中示出的定向连杆组以及定向传动器的实施，定向连杆组通过杠杆臂57安装至接头58且定向传动器经由安装在齿轮64B上的杠杆臂61安装至接头60。如此，因为第二运动链，第四致动器50将能转动齿轮64A。甚至当第一、第二和第三致动器在 x、y和z三个不同方向移动末端执行器平台时这也将是可能的。齿轮64A 连接到在轴承67中转动的轴杆65。定向传动器包括连接至末端执行器28 的连接装置，在该实施例中称为轴杆65，其为末端执行器动作提供至少四个自由度。

图2A显示被包括在本公开的一些实施例中的机器人手臂500的结构，该结构包括希望的恒定工具倾斜角，但不包括用于工具转动的第四运动链。换言之，该结构使可能在x、y和z方向移动工具28而同时保持恒定倾斜角。三个致动器4、5和6具有共用竖直转动轴，此处该轴与第一转动轴 29相重合。该三个致动器布置成移动工具28，使得末端执行器平台41的末端执行器梁41A将总是平行于致动器的共用转动轴。更详细地，机器人手臂500包括被配置成绕着第一转动轴29转动内臂组合件1的第一致动器4。第一运动链在此被配置成将内臂组合件1的转动传输至末端执行器平台41的对应移动，末端执行器平台41在图2A中仅包括末端执行器梁 41A。因此，根据本发明，末端执行器平台可比参考的现有技术中的制造简单得多，该末端执行器平台仅包括梁而不是较复杂的末端执行器平台。

第一运动链包括外臂连杆组，该外臂连杆组包括外并联连杆对17、18，每个连杆17、18在一端连接到末端执行器平台41。外并联连杆对17、18 的第一连杆17在其另一端处连接到内臂组合件1。此处内臂组合件1设计成在水平平面摆动，由与竖直第一转动轴29对齐的第一致动器4致动。内臂组合件1承载两个并联连杆17和18。两个并联连杆17、18在它们的外端部连接到末端执行器平台41的竖直末端执行器梁41A，该梁41A进而经由从末端执行器平台41(此处为末端执行器梁41A)突出的轴杆27 承载工具28(在图中示出为真空夹持器)。外连杆对的第一连杆17利用球窝接头15经由附接部分7A和7B连接到内臂组合件1。附接部分7A、7B 是刚性机械部分，例如将接头15的球与内臂组合件1刚性地连接的碳杆。接头15也可实施为具有三个自由度的万向接头。在一些实施例中，接头9、 10、13、14和15中的一个、数个或全部为球窝接头或万向接头。在一些实施例中，接头16是万向接头。在一些实施例中，接头19、20中的一个或两个是铰链接头。

图2A中的机器人手臂500也包括被配置成使杠杆2绕着第一转动轴 29转动的第二致动器5。第二运动链被配置成将杠杆2的转动传输至末端执行器平台41的对应移动。第二运动链包括内臂连杆组，该内臂连杆组包括内并联连杆对11、12，该内并联连杆对11、12连接到外臂连杆组，从而连接于外并联连杆对17、18，例如连接于外并联连杆对17、18的端部之间。换言之，第二运动链包括内臂连杆组，该内臂连杆组包括内并联连杆对11、12以及杠杆2。内并联连杆对连接到杠杆且连接到包括外并联连杆对17、18的外臂连杆组。第二致动器5布置成绕着第一转动轴29转动杠杆。而且，在一些实施例中，外臂连杆组包括连接到末端执行器平台 41的外并联连杆对17、18。第二运动链被配置成将杠杆2的转动传输至末端执行器平台的对应移动。

机器人手臂500还包括第三致动器6。第三运动链被配置成将第三致动器6的移动传输至末端执行器平台41的对应移动。第三运动链包括第三致动器6和外臂连杆组的致动连杆18的另一端之间的内传动器3、16 (161，图1)。换言之，第三运动链包括连接于第三致动器和外并联连杆对的致动连杆之间的内传动器。外臂连杆组的致动连杆18在此利用一类型的万向接头16连接到内传动器的旋转轴杆3。旋转轴杆3布置成在内臂组合件1的中空连杆1A内转动，其中它由每一端部处的一个轴承(图中未示出)支撑。旋转轴杆3利用在中空连杆1A的内端处的90度角齿轮(图中未示出)连接到第三致动器6。来自第三致动器6的输出轴杆通过第二致动器5的中空轴杆组装以达到90度齿轮。换言之，机器人手臂500包括内臂组合件，该内臂组合件包括一个中空连杆1A，且第三运动链的内传动器包括与中空连杆1A内的轴承轴向安装的轴杆3。轴杆3布置成利用第三致动器6转动。藉由转动旋转轴杆3，并联连杆17和18上下摆动以得到工具28的竖直移动。为了在水平平面中摆动外臂连杆组，杠杆2经由内臂连杆组连接到外臂连杆组。杠杆2布置成由第二致动器5致动并经由梁8和球窝接头9和10连接到连杆11和12。接头9、10也称为内连接接头。内臂连杆组利用接头13和14、梁23和24以及连接轴承21和22连接到外臂连杆组。在一示例性实施例中，内并联连杆对11、12经由偏移梁 23、24上的球窝接头13、14安装至刚性梁25。在轴承21和22之间，梁 25连接于轴承21、22，该轴承21、22约束末端执行器平台41的末端执行器梁41A总是竖直。同时，梁25可被用于得到连接至外臂连杆组的连杆17和18的连接装置上的预应力，意味着轴承19、20、21、22以及接头15和16中的背隙减少。即，轴承连接在外臂连杆组的连杆17、18的端部处。如此，在一示例性实施例中，机器人手臂500包括将连接轴承21、 22彼此机械地连接的刚性梁25。

外臂连杆组利用末端执行器轴承19和20连接到末端执行器梁41A。而且，末端执行器轴承19、20连接外并联连杆对17、18以及末端执行器平台41，其中末端执行器轴承19、20的转动轴36、37垂直于外并联连杆对17、18的中心。

为了保证末端执行器平台41的末端执行器梁41A将具有恒定倾斜角，使得工具28，例如真空夹持器，将总是能以相对于水平平面的垂直角度取放物品，机器人手臂500的设计可包括以下中的一个或多个：

-第一致动器4、第二致动器5以及第三致动器6的共用第一转动轴 29是竖直的。

-梁8以及接头9和10的安装被组装成使得贯穿接头9和10的中心的轴30总是平行于第一转动轴29。

-连杆11和12具有相同的长度，意味着接头9和13之间的距离与接头10和14之间的距离相同。

-接头13和14之间的距离与接头9和10之间的距离相同。

-接头15和16的中心之间的距离与轴承19的转动中心36和轴承20 的转动中心37之间的距离相同。

-轴承21和22的转动中心34和35之间的距离与轴承19和20的转动中心36和37之间的距离相同。

-轴承21和22的转动中心34和35之间的距离与接头15和16的转动中心之间的距离相同。

-连杆17的长度与连杆18的长度相同，意味着接头15的转动中心和轴承19的转动中心36之间的距离应该与旋转轴杆3的转动中心33和轴承20的转动中心37之间的距离相同。

-轴承19的转动中心36和轴承21的转动中心37之间的距离与轴承 20的转动中心37和轴承22的转动中心35之间的距离相同。

-轴承19、20、21和22安装成使得其转动轴36、37、34和35是平行的且与平行于轴29、30和40的轴31和32成直角。如此，末端执行器轴承19、20的转动轴36、37平行于连接轴承21、22的转动轴34、35。

-轴40贯穿接头15和16的中心。当连杆18是水平的时轴40也由轴承16A和16B的中心界定。轴34和35也垂直于外臂连杆组的连杆17、 18。换言之，外臂连杆组(外并联连杆对17、18)以及内臂连杆组(内并联连杆对11、12)利用用于相应连杆11、12、17、18的每一连杆连接的一个连接轴承21、22连接，且其中连接轴承21、22的转动轴34、35与外臂连杆组的各相应连杆17、18的轴向中心线成直角。

图2B显示安装在第一传动器的旋转轴杆3上的该类型万向接头16的细节。该接头16将旋转轴杆3连接至外臂连杆组的致动连杆18并使末端执行器平台41的末端执行器梁41A竖直移动。轴承16A和16B利用旋转轴杆3上的销16D和16E对称安装。因为转动轴40由轴承16A和16B的共用转动轴界定，所以致动连杆18绕着轴33转动，且转动轴40也将绕着轴33转动。更详细地，外臂连杆组的致动连杆18经由一对轴承16A、 16B连接到第三致动器6，其中共用转动轴32可绕着与内臂组合件1的中空连杆的中心轴平行的轴转动。轴承16A和16B的转动外部分利用附接件 16F和16G连接到梁16H。附接件16F、16G是例如杆的刚性机械结构。附接件16F、16G以及梁16H可实施为以增强型碳纤维复合材料制成的坚固叉。致动连杆18经由轴承16C连接到梁16H，该轴承16C使致动连杆 18可绕着它自己的轴转动。轴承16C在此被称为连杆轴承16C。由于该连杆轴承16C使致动连杆18可绕着它自己的轴转动，所以这将保持轴31和 32在工具28的整个工作空间中竖直。连杆轴承16C能置放于接头16和轴承22至外臂连杆组的致动连杆18的安装位置之间的任何位置。如此，换言之，机器人手臂包括沿着外并联连杆对17、18的致动连杆18安装的连杆轴承16C，其中连杆轴承16C的转动轴与外并联连杆对的致动连杆18 的中心重合。该连杆轴承16C相对于WO2014187486是一个差异化的特征。如此，在一示例性实施例中，机器人手臂500可包括在连接轴承22和致动连杆18与内传动器3的连接装置之间安装至外臂连杆组的致动连杆18 的连杆轴承16C，且其中连杆轴承16C的转动轴与外臂连杆组的致动连杆 18的中心重合。另一特征是利用轴承19和20将连杆17和18安装在末端执行器平台41的末端执行器梁41A上。因为在内臂组合件1和末端执行器平台41之间仅需要两个连杆17和18，所以这使可以构建比 WO2014187486中描述的细长得多的机器人。末端执行器平台41在此包括末端执行器梁41A。末端执行器平台可用于具有五个或六个自由度的机器人手臂。WO2014187486中所描述的机器人在它的第一手臂和末端执行器之间需要三个连杆。相对于WO2014187486的另一个差别是使用梁25以得到连杆17和18上的预应力。这也将使得可以在外连杆对17、18和内连杆对11、12之间使用球窝接头。而且，WO2014187486的图4中的提案需要两个手臂(连杆组)而不是仅一个手臂，如本公开中的内臂组合件1。也就是说，根据WO2014187486的机器人需要大得多的空间用于手臂系统。本发明的机器人结构没有WO2014187486的这些缺点，这是因为本发明的机器人结构在将一个(仅一个)对应于WO2014187486中的第一臂的内臂组合件(中空连杆1A)连接至对应于WO2014187486中的第一杆的外臂连杆的接头中以三个自由度工作。此解决方案在WO2014187486的细长结构中是不可能的，这是因为末端执行器将失去一个约束，并且不能在第一臂和第一杆之间增加自由度来控制。在WO2014187486的图4中有着不细长且需要用于手臂系统的大空间的结构，但该结构可以具有接头，该接头可以具有在第一臂和第一杆之间的三个自由度。然而，不可能以 WO2014187486的图4中建议的解决方案得到细长紧凑的机器人结构，这是因为在该情况下，竖直运动只能通过如在delta机器人的情况下直接连接到末端执行器平台的独立运动链来执行，且因此需要很多空间用于手臂结构。因此，根据WO2014187486的机器人结构仅能利用固定到支架的致动器来控制三个自由度。

应该提及的是图2A的轴承19、20、21和22可由根据图2B中的轴承 16A和16B的组装的轴承对替代。反之亦然，轴承对16A和16B可由单一轴承替代。轴承对的使用将给予较高刚度或使得使用更轻量的轴承成为可能。除了滚珠轴承之外，还可以使用滑动轴承，例如碳素轴承。

利用如上述的设计且当内臂组合件1和致动连杆18之间的角度为90 度时，第一致动器4的输出轴杆的无限小转动将在水平平面中向一侧移动工具28且第二致动器5的输出轴杆的无限小转动将在水平平面中移入或移出工具28。第三致动器6的输出轴杆的无限小转动将上移或下移工具 28。而且，整个工作空间中的所有移动都将在轴32竖直的情况下进行，并且工具28将具有恒定的倾斜角。如此，机器人手臂500将具有与所谓的SCARA机器人的三个主轴相同的移动特征。但对比于SCARA机器人，所有的致动器4、5、6可固定于机器人支架(未图示)且因此能实施十分轻量的机器人手臂。机器人支架是刚性机械结构，致动器被刚性地安装在该结构上。在此情形下机器人支架能制造为叉，该叉具有保持第一致动器 4的一个部分及保持第二和第三致动器5和6的另一部分。机器人支架能刚性地安装于地板上、墙壁上，或者安装于天花板中或另一机器人手臂上。

因此，本公开包括机器人手臂500，用于以三个自由度和恒定倾斜角定位末端执行器28。本公开的第二方面至少揭示于图2A、图2B、图3A、图4B、图10A、图10B、图12A、图12B、图14A和图14B中和描述这些附图或这些附图的至少一些方面的说明中。机器人手臂包括布置成接收末端执行器的末端执行器平台41。机器人手臂包括被配置成绕着第一转动轴29、29A转动内臂组合件1的第一致动器4。内臂组合件1连接到绕着第二转动轴40可枢转地布置的外臂连杆组17、18。外臂连杆组包括经由末端执行器轴承19、20连接到末端执行器平台41的外并联连杆对17、18，从而形成从第一致动器至末端执行器平台的第一运动链。机器人手臂500 也包括被配置成绕着第二转动轴40转动外臂连杆组17、18的第二致动器 5，外臂连杆组17、18经由包括连接轴承21、22的万向接头连接到包括内并联连杆对11、12；811、812(811、812见图12B)的内臂连杆组，从而形成从第二致动器至末端执行器平台的第二运动链。机器人手臂500也包括被配置成绕着第三转动轴33转动轴杆3的第三致动器6，使得外臂连杆组17、18经由肘接头161绕着第三转动轴转动，从而形成从第三致动器至末端执行器平台的第三运动链。

根据第二方面的一些实施例，末端执行器轴承19、20是具有彼此平行的转动轴36、37的铰链接头。

根据第二方面的一些实施例，肘接头161包括具有与第二转动轴和第三转动轴交叉的肘转动轴的铰链接头。

根据第二方面的一些实施例，肘接头161连接到致动连杆18，该致动连杆18是连接到肘接头161的外并联连杆对17、18的连杆的其中之一。

根据第二方面的一些实施例，致动连杆18配备有沿着致动连杆安装的至少一个连杆轴承16C，用于接受致动连杆端部相对于彼此的转动。

根据第二方面的一些实施例，连杆轴承16C的转动轴与致动连杆18 的转动中心线重合。

根据第二方面的一些实施例，第二致动器5被配置成经由连接到内并联连杆对11、12的内连接接头9、10移动内并联连杆对11、12。

根据第二方面的一些实施例，第二运动链被配置成将杠杆2的转动传输至末端执行器平台41的对应移动。

根据第二方面的一些实施例，外并联连杆对17、18以及内并联连杆对11、12利用用于相应连杆11、17；12、18的每一连杆连接装置的一个连接轴承21、22连接。对于外并联连杆对17、18的每个相应连杆，连接轴承21、22的转动轴34、35；31与沿着连杆的转动中心线成直角。

根据第二方面的一些实施例，机器人手臂500包括将连接轴承21、22 彼此机械连接的刚性梁25。

根据第二方面的一些实施例，内并联连杆对11、12经由偏移梁23、 24上的球窝接头13、14安装于刚性梁25。

根据第二方面的一些实施例，轴杆3经由肘接头161连接于第三致动器6和外并联连杆对17、18的致动连杆18之间。

根据第二方面的一些实施例，机器人手臂包括连接外并联连杆对17、 18和末端执行器平台41的末端执行器轴承19、20。末端执行器轴承的转动轴36、37垂直于外并联连杆对的每一连杆的转动中心线。

根据第二方面的一些实施例，末端执行器轴承19、20的转动轴36、 37与连接轴承21、22的转动轴34、35平行。

根据第二方面的一些实施例，机器人手臂包括连接外并联连杆对17、 18的连杆和内并联连杆对11、12的连杆的连接轴承21A、22A(图3D中的21A，对应21A但在连接轴承22中的22A)。每一连接轴承21A、22A 的转动轴与外并联连杆对17、18的相应连杆的转动中心线重合。

根据第二方面的一些实施例，内臂连杆组包括绕着第二转动轴40转动外臂连杆组804、17、18的反铲机构803、10B、802、8、9C/10C、805/806，其中反铲机构经由连接轴承21、22连接到外并联连杆对17、18，该连接轴承容许绕着与第二转动轴40平行的轴31转动。对于803、10B、802、8、 9C/10C、805/806见图14A、图14B。藉由本领域技术人员可从图14B找出的适当尺寸，转动轴31可被置于它不与外并联连杆对的两个连杆的任一转动轴交叉。反铲机构可被配置成(见图14A和图14B)从根本上增加第二运动链的操作范围，甚至增加超过180度；这样可以提供没有任何奇点的更大的工作空间。

根据第二方面的一些实施例，内并联连杆对11、12的连杆包括并联连杆对11A、11B；12A、12B。这些并联连杆对11A、11B；12A、12B通过球窝接头安装于外并联连杆对17、18的连杆的每一侧上。

根据第二方面的一些实施例，内臂组合件1包括中空的手臂连杆1A 以及通过轴承轴向安装于中空手臂连杆1A内的轴杆3。轴杆3布置成利用第三致动器6转动。

图3A显示能致动工具28绕着垂直于水平平面的轴转动的机器人手臂500的第一实施例。不同实施例中的共用特征的附图标记相同，并且因此参考其它附图，例如，图1、图2A和图2B，以供解释它们。在该第一实施例中，具有大于1的齿轮系数(gear factor)的旋转齿轮传动器64A、64B 被概述以获得目标工具转动。也显示旋转齿轮传动器如何经由从旋转第四致动器50至旋转齿轮传动器的最大齿轮64B上的杠杆61的机械传输被致动。图3A中的机器人手臂500因此包括第四致动器50。第四运动链被配置成将第四致动器50的移动传输至安装到末端执行器平台41(此处包括部件41A、68、69、70)的工具28的对应移动。第四运动链包括经由至少一个轴承53、55安装至内臂组合件1的定向连杆组52、57。定向传动器 64A、64B安装至末端执行器平台41且定向连杆组经由具有在每一端处至少两个自由度的接头58、60的末端执行器转动连杆59连接到定向传动器 64A、64B。图3A显示也得到所有致动器固定安装在机器人支架上的 SCARA机器人的轴4的选择。四个致动器4、5、6和50具有沿着竖直的第一转动轴29的重合的转动轴杆。第四致动器50的输出轴杆穿过中空轴杆致动器50并连接到内臂组合件1，以相同方式第三致动器6的输出轴杆穿过第二致动器5并经由90度角齿轮(图中未示出)控制轴杆3的转动。第二致动器5控制杠杆2以及用于绕着竖直轴71转动工具28的第四致动器50，利用90度角齿轮51(与用于第三致动器6和轴杆3之间的90度角齿轮的类型相同)接合轴杆52。关于图2A，在机器人手臂的实施中有着以下的新特征，一些还参照图1中的实施例：

-外臂连杆组的连杆17和18使用如连接轴承21、22的万向接头直接连接到内臂连杆组的连杆11和12。这些接头是相同的并详细显现于图3D 中。关于显示在图3D中的标示为21的万向接头，轴承21绕着第一连杆 17安装，且其转动轴与连杆的中心重合。具有垂直于轴承21A的转动轴的重合转动轴的轴承21B和21C利用轴杆21D和21E安装于轴承21A的外环上。换言之，外臂连杆组以及内臂连杆组利用用于相应连杆11、12、17、 18的每一连杆连接的此处为万向接头的一个连接轴承21、22被连接。这些连接轴承21、22的转动轴34、35与外臂连杆组的相应连杆17、18成直角。

-轴承21B和21C的外环使用杆21F和21G安装在梁21H上。杆21H 则安装在第一连杆11上。也可在梁21H和第一连杆11之间增加一轴承，其转动中心与第一连杆11的中心轴重合，但这不是必要的。关于标示为 22的万向接头，轴承21A绕着致动连杆18安装，使其转动轴与连杆的中心重合。换言之，连接轴承21A、22A连接外臂连杆组的连杆17、18和内臂连杆组的连杆11、12，其中每一连接轴承21A、22A的转动轴与外臂连杆组的相应连杆17、18的中心重合。

-杆21H则安装在第二连杆12上。也可在梁21H和连杆12之间增加连杆轴承，其转动中心与第二连杆12的中心轴重合，但这不是必要的。接头21和22应安装在连杆17和18上，使得接头15和21的中心之间的距离与接头16和22的中心之间的距离相同。与图1中的解决方案相比，将内连杆对11、12连接到外连杆对17、18，该解决方案具有优点：机械系统将不会多余，使得组装较容易。然而，当大尺寸连杆被使用时同时轴承21A将取得一大尺寸，且在故障时更换轴承21A将更加困难。那么，当然，连杆17和18的预应力将不会发生。当然，梁25和轴承21和22的连接也可用于图3A中的4轴机器人手臂中。

-因为接头22中的轴承布置，致动连杆18现也被容许绕着其中心轴转动至接头22的右边，且连杆轴承16C可沿着一沿着致动连杆18的致动轴中心线置于任意处，例如如此处在图3A中所详细描绘的在致动连杆18 的在接头20上的端部处。更普遍地，理论上若致动轴中心线与轴承22A (即，比如轴承21A但是用于接头22，见图3D)的中心线平行，则它可偏离致动连杆18，但在实施上，考虑动力，它也应与转动轴33交叉。即，致动轴中心线不必与转动轴40交叉，虽然它在图3A中是如此。

-为了绕着轴71转动工具28，该轴71是工具28的竖直轴，杠杆臂 57安装于轴杆52上以在竖直平面中摆动。以此方式，末端执行器转动连杆59将利用杠杆61转动齿轮64B。齿轮64B将进而转动齿轮64A(即， gear wheel或teeth wheel)且齿轮系数大于例如3，可转动工具360度以及更多。如此，齿轮传动器64A、64B可包括布置成以一个自由度转动工具 28的第一齿轮64A。轴杆52通过轴承53和55安装，该轴承53和55又利用杆54和56安装于内臂组合件1上。杠杆臂57有利地成直角安装在轴杆52上且末端执行器转动连杆59利用球窝接头58安装在臂57上。在其另一端，末端执行器转动连杆59也利用球窝接头60安装在杠杆61上。换言之，机器人手臂500包括一包括第二齿轮64B的定向传动器64A、64B、 100、270、271，且第一齿轮64A由第二齿轮64B接合，该第二齿轮64B 布置成经由连接到第二齿轮64B的杠杆61由末端执行器转动连杆59转动。当然，附图中的所有球窝接头能以两个或三个自由度的万向接头取代，即使此实施经常需要更多空间和重量。第二齿轮64B安装在轴承63的外环上，该轴承63又通过它的内环安装在竖直轴杆62上，竖直轴杆62安装于末端执行器梁41A上。第二齿轮64B接合安装在竖直轴杆65上的较小的第一齿轮64A，该竖直轴杆65轴向地穿过中空梁68布置。轴杆65因此可转动地布置于中空梁68内。如此，换言之，第一齿轮64A安装至末端执行器平台41，使得第一齿轮64A的转动轴71与第一转动轴29平行。轴杆65由依次安装在梁68上的轴承66和67支撑。梁68利用杆69和70 安装在末端执行器梁41A上。工具28安装在转动轴杆65的端部处，手动螺接至端部凸缘(轴杆65上的端部凸缘，未示出)或者利用端部凸缘上的工具交换器，使得工具更换能够自动化。

当在图3A中适用时，与图1至图2B相同的运动学要求是有效的。例如，所有轴29、30、31、32和40应平行且竖直，且对于图3A，于轴71 这也是需要的，该轴71由轴杆65的转动中心界定。外连杆对的连杆17 和18应平行和相同长度且对于内连杆对的连杆11和12也是如此。注意到接头9(图2A)和部分的第一连杆11隐藏在图3A中的内臂组合件1之后。在WO201418748中没有得到工具转动的解决方案。WO2015188843中的图1包括用于转动安装在具有三个手臂的机器人的末端执行器平台上的工具的布置。该机器人手臂系统需要大空间且第四轴被实施来倾斜工具。工具转动在此利用安装在腕部上的分离的转动致动器进行。而且，机器人的工作空间很小且由于至腕部轴的传动器被进一步减少。在本公开的图1和图3A的解决方案中，具有经由末端执行器转动连杆59连接到杠杆臂61 的杠杆臂57的转动轴杆3使能在机器人手臂的整个定位工作空间中具有第四轴的完整工作区域。对于WO2015188843中的第四轴的传动类型，这是不可能的，这是因为当腕部移离工作空间的中心越远时传输工作范围的偏移量会变大。WO2015188843的图1中的传动解决方案的另一个问题是腕部中所需的齿轮将接近第六轴的马达且因此接近工具，提供笨拙的末端执行器平台，意味着可接近性问题。如可从图1和图3看出，由于具有总是竖直的梁68的机器人手臂的设计且齿轮侧与工具侧分离，所以轴承远离工具。

因此，在本公开中通过安装用于工具转动的两个串联工作传动器，从而定向连杆组和定向传动器仅在一个运动链上，且通过使用经由具有杠杆臂57的第二转动轴杆52连接到末端执行器平台41上的齿轮传动器64A、 64B的第四致动器50，杠杆臂57经由具有例如在每一端中的至少2个自由度的接头的末端执行器转动连杆59连接到齿轮传动器，避免WO2015188843的限制，从而在第四致动器50和定向传动器64A、64B之间得到最佳的传输效率。而且，两种版本的定向传动器被引用，一个具有齿轮且一个具有齿条和小齿轮，两者都能得到+/-180度的工具转动能力。

图3B显示根据第二实施例的机器人手臂500，与图1和图3A中的传动器相比，本实施例包括替代的定向传动器以转动工具28。在该实施例中使用齿条和小齿轮传动器100、64A，其中小齿轮形状的齿轮64A转动工具28。传动器100、64A的齿条100由经由机械传动器连接到第四致动器 50的末端执行器转动连杆59移动，换言之，第一齿轮64A接合布置成由连接到齿条100的末端执行器转动连杆59移动的齿条100。具有梁25以及轴承21和22的基本的三个自由度机器人结构与图1中的相同且具有轴杆52、杠杆臂57和末端执行器转动连杆59的用于工具转动的传动器与图 1和图3A中的相同。在该实施中的新部分是图1和图3A中转动齿轮64B 已由线性齿轮、齿条100取代以得到齿条和小齿轮传动器。线性齿轮经由球窝接头60由末端执行器转动连杆59移动。齿条传动件在由附图标记101 和102概述的线性轴承中移动，该线性轴承经由杆103安装在杆69上。如在图1和图3A中，杆69和杆70用于将梁68安装于末端执行器平台41 的末端执行器梁41A上。而且，如在图1和图3A中，小齿轮64A安装于转动轴杆65上以转动工具28。

相对于图1和图3A中的齿轮解决方案，使用图3B中的齿条和小齿轮的解决方案的优点是在工作空间中可保持末端执行器转动连杆59更接近由外连杆对的并联连杆17、18所界定的竖直平面。这将更增加轴杆52和轴杆65的转动之间的传输效率。而且，该解决方案将提供一种稍微细长的末端执行器平台布置。

图3C显示根据一些实施例的定向连杆组。定向连杆组显示可将接头58和60的自由度分配到杠杆57、连杆59和杠杆61中。如此，轴承58A 利用与杠杆57的中心轴重合的转动轴安装于杠杆57中，轴承58B被安装成其转动轴垂直于轴承58A的转动轴且轴承58C被安装成其转动轴与连杆 59的中心轴重合。轴承60A垂直于连杆59的中心轴且轴承60B与杠杆57 的中心轴重合。

图1至图3D显示机器人手臂500如何设计以得到与SCARA机器人相同的动作特征，但因为所有致动器固定于机器人支架，具有手臂结构的较低惯性。

图4A显示机器人手臂500的第三实施例，它表明机器人手臂也能实施为从上方触及物体的铰接式机器人手臂。这意味着机器人手臂的结构不是在水平平面中摆动而是在竖直平面中摆动。这意味着图1至图3中所有必须竖直的轴现在将必须水平。然而，来自图1至图3的大部分设计特征仍能被使用。如此，见图4A，除了使用水平轴而不是竖直轴29、30、31、32、40和71工作之外，唯一可以举例说明的新设计原理是用于至齿轮64B 的传输。当然，与图1和图3A相同的传输原理也能用于该情形且图4A的传输原理也能用于图1和图3A中。

看致动器，图4A的中空轴杆致动器，即第二致动器5，布置成摆动杠杆2以摆入和摆出外连杆对17和18。第三致动器6，其输出轴杆穿过第二致动器5，布置成经由90度齿轮转动轴杆3以侧向摆动外连杆对17和 18。第一致动器4，其输出轴杆穿过第四致动器150，布置成摆动内臂组合件1且因此上下摆动外连杆对17和18。图4A中的机器人手臂500的该实施例的新特征是替代的第四致动器150，中空轴杆致动器布置成摆动第一杠杆200。该第一杠杆200通过被包括在定向连杆组中的两个连杆202、 209连接到转动齿轮64B。一个连杆202在一端通过轴承201安装于杠杆 200上且通过另一轴承203安装于第二杠杆204上。第二杠杆204安装于轴承206的外环上，该轴承206的内环又经由突起205安装于内臂组合件 1上。在轴承206的外环上也安装有第三杠杆207，使得当第二杠杆204 的尖端(tip)在水平方向移动时，第三杠杆207的尖端在竖直方向移动。轴承206的转动轴与轴40重合，这提供用于齿轮64B传动的更简单的运动学。第三杠杆207的尖端经由球窝接头208连接到另一连杆209且另一连杆209的另一端经由球窝接头210连接到第四杠杆211。应注意的是轴承201和203可由球窝接头替代。现在，当摆动第一杠杆200时，第四杠杆211将上下(竖直地)摆动且齿轮64A、64B将随着第四杠杆211的摆动绕着它们的转动轴来回转动。在此图中第二齿轮64B经由轴杆213和轴承214安装在末端执行器梁41A上。为了保持工具28的恒定倾斜角或为了控制工具28的倾斜角至一目标角度，末端执行器平台41上的旋转齿轮传动器64A、64B在此如在图1和图3A中那样使用。然而，传动器的齿轮在此竖直布置，而不是如图1和图3A中水平布置。如此，旋转齿轮传动器64A、64B由旋转第四致动器150经由连杆202、209以及杠杆200、 204、207的布置控制。如图1和图3A中，转动第二齿轮64B将以齿轮放大率转动第一齿轮64A。第一齿轮64A经由轴杆65和轴承66安装在梁68 上。转动第一齿轮64A意味着保持齿轮64A的轴杆216转动且布置在轴杆 216上的工具27、28将改变它的倾斜角(轴杆216在此是连接至末端执行器的连接装置)。例如当在不同倾斜状态取放物体时，这将是有用的。例如当从输送机捡取物体时，也将用于在整个工作空间保持恒定倾斜角。

图4B显示根据第三实施例的变形的机器人手臂。利用该变形，与在图4A中显示的实施例相比可增加杠杆200和211之间的传动器的工作范围。使用图4B中的解决方案，齿轮传动器64B-64A的齿轮比可减少且在机器人手臂的工作空间的内部分和外部分中齿轮64B的转动能力将增加。此处，包括反铲连杆组的内齿轮机构已引用，包括长于杠杆204的额外杠杆501。杠杆501和204由在其端部处具有轴承503和203的连杆505连接。当致动器150摆动杠杆200时，在其端部具有轴承201和506的连杆 202将绕着安装在梁504上的轴承502摆动杠杆501。利用反铲原理，杠杆204的角转动将大于杠杆501的角转动且齿轮64B将取得比图4A中的直接传动大的转动。如此，换言之，内齿轮机构根据反铲原理布置以在由内齿轮机构的齿轮比确定的角度范围内转动末端执行器28而不被外臂连杆组限制。即，没有反铲机构，使第二自由度的大角度范围容易导致绕着轴40的大的定向的第四自由度的工作范围的不期望的限制。这利用反铲机构避免，该反铲机构是用于挖掘机和各种起重机的众所周知的机构。因此，标准的反铲原理可应用于本发明内几乎任何杠杆和杆连杆组，为简洁起见，没有进一步评论或描述。与图4A相比，图4B中的轴承206具有从轴40的偏移，这当然不是必需的，但可以使机械设计在力和/或工作空间方面更有效率。

在图4B中如此有着两个具有不同原理的步骤来增加致动器150和齿轮64A之间的转动比的放大。当然，在图4B中实施反铲机构的情况下具有杠杆211以及齿轮64A和64B的定向传动器也能使用且反之亦然。相同的概念能用于图5A中的致动器150和齿轮64A之间的传动以及图10B(具有如图3D中的符号)中的杠杆351和杠杆362之间的传动。

图4C显示根据第三实施例的另一变形的机器人手臂。根据这另一变形，致动器4、5、6和150安装在托架510上，该托架510可由通过轴杆 511连接到托架510的致动器512转动。轴杆511的中心线与致动器4、5、 6和150的中心线成直角。使用致动器511，机器人手臂的敏捷性将会提高且因为用于控制机器人手臂的致动器4、5、6和150全部接近彼此定位，所以待由致动器512转动的质量惯性会是小的。如此，致动器512所需的扭矩和动力将远低于具有分布在机器人手臂中的致动器的已知串联机器人所需的。也应提及的是根据一实施例，托架510可安装于线性致动器上以增加工作空间。图4C也显示使用用于转动工具28的致动器514的选择。当机器人手臂处理质量惯性很小的小物体时，致动器514会是轻量的且因为对于工具的转动而言机械复杂性低于图8中的解决方案，所以该解决方案可以是有利的。

图4D显示具有用于将动作传递至工具28的皮带驱动器的替代解决方案，其中图4C的齿轮64B已由皮带轮64C替代，且齿轮64A已由另一较小的皮带轮64E代替。皮带64D连接两个皮带轮。该皮带传动器也可取代反铲机构。两个轮之间可使用线材代替皮带。

一般而言，连杆用来传递力，而杠杆用来传递扭矩。

如图3B中的齿条和小齿轮解决方案当然能用来取代齿轮传动器64A、 64B。安装齿条的方向可以如图3B中的或与由外连杆对17、18所形成的平面成直角。

在WO201418748中没有解决方案得到从上方触及物体的铰接机器人且没有解决方案显示得到第四轴而能倾斜工具或保持工具倾斜角度不变。

在一些应用中，需要倾斜及转动工具28。一个可能性是将小致动器安装于连接到例如图4A中的工具28的轴杆27上以转动工具28。这将为手臂结构增加惯性以及电线路，而为避免此，使用如图5A所显示的具有齿条和小齿轮的传动解决方案。轴杆27则是连接到末端执行器的连接装置。图5A显示根据第四实施例的机器人手臂500，其中工具28被控制来转动及倾斜两者或被控制来以两个自由度倾斜。在图5A中，为了有效地以两个自由度转动工具，齿条和小齿轮布置270、271安装于转动第一齿轮64A 且齿条271经由轴承267连接到传动布置264、266，轴承267的转动中心与承载齿条和小齿轮布置270、271的第一齿轮64A的转动中心重合。实施这些特征使能绕着两个彼此成90度的轴转动工具+/-180度。利用WO2015188843的图1中所描述的布置这是不可能的。更详细地，齿条和小齿轮270连接到工具28且布置成由旋转齿轮传动器64A、64B转动，且齿条和小齿轮的齿条271经由轴承267以及连杆258、264、266和杠杆256、 260、262的布置移动。

第一齿轮64A以与图4A所述相同的方式致动但第一齿轮64A现在转动线性轴承组件270、271，其中齿条271平行于齿轮64A的转动轴滑动。如此，机器人手臂500包括安装至末端执行器平台41的至少两个定向传动器64A、64B；270、271；293、294；315、316；311、312、313(也见其它附图)，该末端执行器平台41包括部件41A、68、69、70且类似地取决于定向的实施例。定向传动器的第一齿轮64A布置成转动至少一个其他定向传动器270、271；293、294；315、316；311、312、313(也见其它附图)。如在图3B中，齿条转动在此情形标示270的小齿轮，以经由轴杆 65A(对应于图3B的65)转动工具28。换言之，至少一个其他定向传动器270、271；293、294；315、316；311、312、313的至少一个小齿轮270、 294、316连接到工具28以得到工具转动。在一些实施例中，机器人手臂包括安装于末端执行器平台41的至少两个定向传动器64A、64B；270、 271；293、294；315、316；311、312、313且其中至少两个定向传动器中之一个的外齿轮机构64B、64A；64C、64D、64E；100、64A；271、270 布置成转动至少两个定向传动器270、271；293、294；315、316；311、 312、313中的至少另一个。

齿条271的滑动运动由弯曲杆266经由轴承267达成。轴承267优选应使其转动轴与齿轮64A的转动轴重合。线性轴承组件270、271则可由齿轮64A转动而没有弯曲杆266的任何旋转或平移。换言之，至少一个齿条轴承267的转动轴71与第一齿轮64A的转动轴71重合。

弯曲杆266由连杆264经由球窝接头265移动。连杆264经由轴承263 安装于杠杆262上。轴承261的内环安装于梁269上，该梁269又安装在从齿轮64B的轴承63的内环出来的轴杆62上。轴杆62安装在末端执行器梁41上。杠杆260安装在轴承261的外环上，杠杆262的情况也是如此。将该布置与前述的杠杆204和207比较，当杠杆260的尖端竖直移动时，杠杆263的尖端水平移动。杠杆260的尖端的竖直移动经由齿轮连杆 258从杠杆256的尖端的竖直移动得到。齿轮连杆258利用球窝接头257 和259安装在杠杆256和260的尖端上。与图1和图3B中的杠杆57的布置相比，杠杆256以大约90度角安装在转动轴杆261上。如此，转动轴杆251将上下摆动杠杆256并经由齿轮连杆258、两个杠杆260和262、连杆264、杆266以及轴承267，前后移动齿条271，在由齿轮64A的转动角确定的倾斜方向上提供工具28的转动。换言之，机器人手臂500包括定向连杆组251、256、264，该定向连杆组251、256、264包括在一端具有杠杆256的转动轴杆251，且其中杠杆256经由至少两个自由度的接头 257连接到齿轮连杆258。轴杆251安装在轴承253A和253B上。轴承253A 经由梁255安装在内臂组合件1上且轴承253B经由轴承206的轴杆269 安装在内臂组合件上。用于轴承253B的轴杆269经由突起205安装在内臂组合件1上。在图中，轴杆251布置成由第五致动器250转动。如此，机器人手臂500包括第五运动链，该第五运动链被配置成将第五致动器250 的运动传输至工具28的对应移动，工具28经由此处包括第一齿轮64A的外齿轮机构安装至末端执行器平台41。第五运动链包括至少一个经由定向连杆组251、258、264连接到第五致动器250的齿条轴承267、297。然而，其转动轴与第一转动轴29重合的第五致动器可被使用，经由如图1和图 3B所示的90度角齿轮将轴杆251连接至第五致动器。当然，用于通过第四致动器150转动齿轮64B的传动链布置也可用于上下移动杠杆260。用于转动工具28的连杆链布置当然也可放置于内臂组合件1的另一侧，且然后线性轴承布置270、271将替代地在轴承66的左侧安装在轴杆65上，使可设计更紧凑的解决方案。而且，整个齿条和小齿轮布置可被置于齿轮 64A的左侧，但为了附图的清楚起见未显示该更紧凑的解决方案。也可以以如图3B中的齿条和小齿轮布置取代齿轮传动器64A、64B。

从致动器150至安装在齿轮64B上的杠杆的传动不同于从致动器250 至杠杆260的传动，然而，可使用相同的传动概念用于两种情形。当用于致动器150和安装在齿轮64B上的杠杆之间的传动概念被使用时，反铲连杆组可被包括在内。如用于图5A中的致动器250和杠杆260之间的相同传动概念也被用于如将在以下显示的图6A、图9和图10A中。当然，这些传动器可被图5A中的从致动器150至安装在齿轮64B上的杠杆所使用的传动器类型取代且它们可包括图4B中描述的反铲连杆组。

在图5B中，显示齿条271的替代实施例，该齿条271已转动90度，从而齿指向下方。连接的小齿轮270现具有水平转动轴且轴杆65是水平的。工具28以直角安装至轴杆65A。如在图5A中，用于齿条270的线性轴承组件273安装在齿轮64A上且齿条271和传动部分266之间的轴承267 具有与齿轮64A的转动中心重合的转动中心。该齿条和小齿轮的安装产生控制工具28的两倾斜角度的可能性。

至目前为止已显示用固定至机器人支架的所有致动器控制五轴机器人的解决方案。为了得到6个自由度，一个解决方案使用具有如图6A和图6B中所显示的转动轴杆、万向接头以及90度齿轮的传动器。

图6A和图6B显示根据第五实施例的机器人手臂500，包括根据图5A 和图5B的齿条和小齿轮概念的组合，其中包括直角齿轮和万向接头282、 280的传动器用于实施另一个运动链。即，该另一个运动链被配置成将来自致动器285的移动传输至布置到末端执行器平台上的末端执行器的相应移动，这为末端执行器动作提供至少六个自由度，所有致动器仍然固定于机器人支架。

机器人手臂500此处已分成两个图以便能更详细显示。图6A显示通过其直角齿轮传动器299从转动致动器285至末端执行器平台41上的水平转动轴杆275的传动。为了使此成为可能，来自直角齿轮传动器299的输出转动轴杆284，该轴杆284安装在内臂组合件1上(安装未显示)。轴杆284接合直角齿轮283，直角齿轮283的输出部经由连杆286连接到第一万向接头282，第一万向接头安装成使其中心在线40上。万向接头282 的输出转动轴杆281，该轴杆281的另一端经由连杆279连接第二万向接头280，第二万向接头280的中心在轴32上。第二万向接头280的输出驱动直角齿轮278，直角齿轮278又转动轴杆275。轴杆275通过轴承安装于梁68内并能在轴承66内自由转动，该轴承66经由中空轴杆65支撑第一齿轮64A。轴杆275也布置成在轴杆65和第一齿轮64A内自由转动。如此，包括284和286的定向连杆组以及包括281、279和275的定向传动器布置成绕着定向轴71转动末端执行器，由于轴杆65和其它地方内的自由转动无停止，所以将无转动角度限制。

图6B显示轴杆275连接到直角齿轮277，该直角齿轮277在其输出上转动轴杆65B，该轴杆65B可在小齿轮290的轴承内自由转动。轴杆65B 连接到最后直角齿轮288，该齿轮288在其输出上连接到转动工具28的轴杆65C。如此，末端执行器的连接装置在此包括轴杆65C。而且，至少一个第二齿轮传动器270/271的一个小齿轮270经由直角齿轮288连接工具28。轴杆65C经由轴承291和梁290连接到小齿轮270。如图5A和图5B 中，齿条和小齿轮270、271被布置成由第一齿轮64A转动。直角齿轮278 的输出齿轮的转动中心、轴杆275的转动中心以及直角齿轮277的输入齿轮的转动中心在共用轴71上。齿条271由连杆264移动，连杆264经由梁266、齿条轴承267以及齿条附接件287连接到齿条271。如在图5A中，连杆264经由杠杆262连接到连杆布置。

如从图6A可见，需要五个直角齿轮和两个万向接头以从固定于机器人支架的致动器285得到工具28的转动。该解决方案的优点是可得到无限工具转动角度而缺点是因为万向接头280和282的工作范围限制，丧失定位工作空间。

通过观察图6A中的轴杆275是两端开放的直轴杆(具有某形式的轴承66)，本领域技术人员将注意到与根据许多现有产品的机器人的外部机器人手臂段相似。这直接指示使轴杆275是中空的，其它轴承66和另一个轴杆275在内部等等，用于多个同心轴杆。在本领域中通常的做法是具有三个这样的同心轴杆。组成图6B所示的示例性腕部机构的这种多个同心轴杆275则可以用于扩展/修改该机构(以各种方式，这里不考虑)，或者用于将现有的标准机器人腕部安装到根据本公开的新的末端执行器平台的定位部中。考虑同心轴杆275的另一端，内轴杆向外突出更远(沿图 6B中的中心线71向左)，并且对于每个轴杆添加另一个直角齿轮278，第六运动链的其余部分(从直角齿轮278直到致动器285)可以复制，因此，可以添加多个运动链。机器人手臂则包括多个定向连杆组284、286，每个定向连杆组284、286包括定向传动器281、279、275。

再者，如本领域技术人员会找到的另一变形，多个定向连杆组可配置成使得对应的多个同心输出轴杆275可致动数个末端执行器定向，不仅用于一个末端执行器，而且用于例如在不同方向或彼此相邻地布置到末端执行器平台上的数个末端执行器。如上述，因为很多标准铰接机器人具有布置在它们的外臂连杆后面的腕部马达，轴杆平行或同心通过外臂连杆至具有2或3个自由度的腕部，本发明有选择来将根据图2A的3个自由度类似SCARA的动作组合标准3个自由度机器人腕部(不是图6B中所显示的机构，而是使用现有的部件/接口)，该腕部被多个由多个马达285驱动的轴杆275致动，所有马达285固定至机器人支架。将轴杆275布置于标准SCARA机器人上需要昂贵和笨重的伸缩轴杆以处理腕部的竖直放置(并且没有有用的6个自由度SCARA存在)，这与第三运动链的特性能够实现更高效的解决方案的本发明形成对比。

图7显示图6B中所显示的齿条和小齿轮布置的替代示例性实施例，提供得到六个自由度的可能性而不使用万向接头。此处引入第二或额外的齿条和小齿轮布置293、294，其中小齿轮294用来经由直角齿轮288转动工具28。而且，至少一个第二定向传动器293/294的一个小齿轮294经由直角齿轮288连接到工具28。如用于齿条和小齿轮布置270和271的相同原理可用来滑动齿条293，但现在改为通过第一齿轮64A得到传动器至机器人支架(图中未示出)上的致动器的连接。如此，连杆连接到梁297，梁297将经由轴承296通过来回平移轴杆275而移动。轴杆275将在轴承 66、轴杆65和第一齿轮64A内自由移动，并经由梁295连接到齿条293。两个齿条和小齿轮布置将安装在第一齿轮64A上，且如图6B中轴杆65C 经由轴承291和梁290安装至小齿轮270。为了清晰起见，未显示齿条271 和293的线性轴承，但这些线性轴承安装在待由第一齿轮64A转动的平台 (未示出)上。小齿轮270和294利用轴承安装在相同的平台上且轴杆65 能在支撑小齿轮270的轴承内自由转动。直角齿轮组件288安装(未示出) 在小齿轮270上。如此，转动齿轮64A将绕着轴71转动工具(以及整个齿条和小齿轮传动器)，移动梁266将绕着轴杆65的中心转动工具28，梁 266与轴71成直角，且移动梁297将绕着轴杆65C的转动中心转动工具 28。

图7中的布置的一个缺点是，因为直角齿轮288的功能性，绕着轴杆 65的中心转动工具28将同时绕着轴杆65C的中心转动工具28。为了避免此，第三齿条和小齿轮布置可根据图8引入。

图8显示待由齿轮64A转动的三个齿条和小齿轮布置的实施例，完全避免直角齿轮和万向接头加入六个自由度的机器人中。齿条和小齿轮布置之一包括两个具有共用小齿轮的齿条，其中齿条以相对于彼此成直角的方式安装。此处，图7的直角齿轮288已被齿条和小齿轮布置315、316取代。小齿轮316经由轴杆65C转动工具且齿条315经由轴杆65和轴承314连接到齿条313。齿条313与齿条311共用小齿轮312，该齿条311经由梁 310连接到轴杆275。如此，移动梁297将经由轴承296移动轴杆275且然后移动齿条311。移动齿条311将经由小齿轮312移动与齿条311的移动成直角的齿条313。换言之，一个齿条和小齿轮传动器311、312、313 在此包括两个经由共用小齿轮312连接的齿条311、313且两个齿条311、 313布置成相对于彼此成直角移动。然后，齿条315将被自由移动的轴杆 65经由齿条轴承314移动。换言之，齿条轴杆65布置成在属于另一齿条和小齿轮传动器270、271的小齿轮270的轴向通孔中自由移动。齿条271 以与如图6B中相同的方式经由齿条附接件287和齿条轴承267移动。两个齿条313、315可经由齿条轴杆65和齿条轴承314彼此连接。如此，该解决方案使能得到所有致动器在机器人支架上的机器人手臂500的六个自由度移动而无任何工具的转动轴之间的耦合。换言之，机器人手臂包括至少一个另外的致动器和至少一个另外的运动链，该运动链被配置成将该至少一个另外的致动器的移动传输至布置到末端执行器平台上的末端执行器的对应移动，这为末端执行器动作提供至少六个自由度。如在图中可看出，转动工具28的轴杆65C安装在小齿轮316的下侧上。然而，它同样可安装在小齿轮316的上侧上且也可以使工具通过轴杆安装在小齿轮316 的上侧上并同时使另一工具安装在小齿轮316的下侧上。安装在轴1-3的主结构上并具有定向传动器64A、64B且具有轴4-6的三个并联连杆传动器和致动器的图8的布置可利用转动基座的致动器和轴1-6的致动器进一步发展成7个自由度机器人。若仅使用转动密封，在有卫生要求或脏环境的应用中较容易保护腕部轴4、5和6的组件。为了密封例如图5中的布置，用于线性移动的密封件需要用于杆266。示出根据第六实施例的机器人手臂500的图9A显示一种解决此问题的方法，因为在此仅需要转动密封。得到此特征的方法是实施第二齿条和小齿轮布置，其中齿条被连接且其中小齿轮具有提供齿轮系数大于1的不同尺寸。利用从第五致动器250 至连杆258的竖直移动的如图5的相同传动器设计，小齿轮302经由轴杆 301被杠杆300转动，该杠杆300的尖端经由球窝接头259安装于连杆258 上。如此，固定的齿条和小齿轮传动器302、307的小齿轮302包括杠杆 300，齿轮连杆258经由至少两个自由度的接头259安装在该杠杆300上。

小齿轮302安装在轴杆301上，轴杆301安装于轴承303的内环中。轴承303的外环通过梁304安装在线性轴承组件部分305上，该线性轴承组件部分305又安装在轴杆63上并如此稳定固定于末端执行器梁41。如此，至少一个齿条轴承267、297经由安装在末端执行器平台41上的固定的齿条和小齿轮传动器302、307连接第五致动器250。如此，至少一个齿条轴承267、297经由安装在末端执行器平台41上的固定的齿条和小齿轮传动器302、307连接到第五致动器250。当小齿轮302转动时，齿条将水平移动且因为由梁308所得的刚性耦合，齿条271也将水平移动。梁308 经由轴杆309和轴承267连接到齿条271。而且，齿条轴承267、297连接到固定的齿条和小齿轮传动器302、307的齿条307。轴杆309安装在轴承 267的内环中且轴承267的外环安装于齿条271上。在一实施例中，小齿轮302的直径是小齿轮270的直径的大约三倍以得到工具28的至少360 度转动。如此，图9A显示对图5中的连杆和杠杆布置260、262、264的替代传动器。此处，第二齿条和小齿轮与图5中所示的齿条和小齿轮串联连接。以此方式连杆和杠杆的较简单布置可与仅一个连杆258和两个杠杆 256和300一起使用。如此，机器人手臂500包括第五致动器250以及第五运动链，该第五运动链被配置成将第五致动器250的运动传输至经由第一齿轮64A安装到末端执行器平台41的工具的对应移动。第五运动链在此包括至少一个经由连杆传动器251、258、264连接到第五致动器250的齿条轴承267、297。

图9B显示根据一些实施例的替代定向连杆组。定向连杆组给予选择来使用90度齿轮256A以便绕着垂直于内臂组合件1的中心轴的一轴转动轴256B和杠杆256。这将增加杠杆256和齿轮传动器之间的传动工作范围。

如从本公开可了解，在一些实施例中，机器人手臂包括多个定向连杆组52、57、59；202、204、207、209；251、256、258。每个定向连杆组分别具有连接的定向传动器64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；260、262、264、266、271、270。该多个定向连杆组被配置成使得对于布置到末端执行器平台上的一个或数个末端执行器完成每一对应的末端执行器定向。

图10A、图10B显示根据第七实施例的机器人手臂500，该机器人手臂具有旋转致动器的水平共用第一转动轴29。机器人手臂500分成图10A 和图10B以更容易了解运动结构。如此，图10A显示具有运动链以控制工具28的倾斜角的完整机器人结构。在此情形中工具28由轻量转动致动器 390转动，该转动致动器390安装在连接到齿轮61B的水平轴杆65上。齿轮61B由安装在轴杆213上的齿轮64B接合，该轴杆213经由轴承214连接到末端执行器梁41A。在此情形中末端执行器梁41A是末端执行器平台41的一部分，末端执行器平台41包括元件366以及中空梁68，轴杆65 通过一个轴承安装在中空梁68的每一端中。包括元件366的末端执行器平台41与一起安装的杆形成刚性框架以支撑接头367、368和369、轴承 214和轴杆65。轴杆213由杠杆61转动，该杠杆61藉由球窝接头60连接到末端执行器转动连杆59。末端执行器转动连杆59布置成通过杠杆257 上下移动，该杠杆257经由球窝接头58连接到末端执行器转动连杆59。杠杆257布置成由轴杆52转动而上下摆动，该轴杆52安装在轴承53和55上，该轴承53和55又利用梁53和56安装在内臂组合件1上。轴杆 52布置成由转动致动器50经由90度角齿轮51转动。

在图10A、图10B中所显示的设计中，对绕着末端执行器梁41A的轴中心的倾斜自由度的约束由第三连杆365得到，该第三连杆365利用球窝接头367A连接到末端执行器平台41并利用球窝接头367B连接到内臂组合件1。第一连杆17利用接头368连接到末端执行器平台41并利用接头 15连接到内臂组合件1且连杆18利用接头369连接到末端执行器平台41。如图10B 中可见，其中为了清晰起见，控制倾斜角度的传动器已被移除，外连杆对的致动连杆18的上端经由轴承16C连接到轴承对16A和16B。轴承16C的转动中心与致动连杆18的轴中心重合。轴承16A和16B安装在轴承364上，使得轴承16A和16B的转动轴重合且与轴承363的转动角成直角。轴承363安装在轴杆363上，其又经由梁364安装在内臂组合件 1上。现在在轴承16A的中心中并连接到轴承363的外环的杠杆362用来绕着轴承363摆动轴承对16A、16B且因此致动连杆18将绕着杠杆362 摆动，该杠杆362与内臂组合件1的中空连杆的中心平行。轴杆363由连杆360致动而上下摆动，该连杆360在每一端中具有球窝接头359和361。接头359连接到安装在轴承356的外环上的杠杆358。轴承356的内环安装在梁357上，该梁357又安装在内臂组合件1上。另一杠杆355在相对于杠杆358大约90度的方向安装在轴承356的外环上。杠杆355经由轴承354连接到连杆353，轴承354实际上也可以是球窝接头。连杆353的另一端经由轴承352连接到杠杆351。轴承352也可以由球窝接头替代。杠杆351由转动致动器350迫使摆动。在一些应用中这个摆动连杆18的传动优于如前面附图中使用第一转动轴杆3。例如，当内臂组合件1非常长并且仅用轴向力而不是具有转动扭矩的轴杆3更容易在连杆353中获得刚度。

这些附图中所引入的另一新特征是使用连杆对11A、11B以及12A、 12B而不是如前面附图中的单一连杆11和12。这使能使用简单球窝接头对，该球窝接头对通过连杆对中的连杆之间的弹簧保持在一起。如此，此处连杆系统包括第三连杆365，内臂连杆组包括一对平行的并联连杆对11A、 11B和12A、12B且现在通过仅采用轴向力的连杆353实现工具28的倾斜角的致动。换言之，内臂连杆组(内并联连杆对11、12)的连杆包括并联连杆对11A、11B；12A、12B，且这些并联连杆对11A、11B；12A、12B 通过球窝接头安装在外臂连杆组的连杆的每一侧上。

在前面的附图中，中空轴杆致动器已概述而让附图更容易了解。图11 显示如何利用没有中空轴杆的标准马达可以替代地实现致动。图11是驱动中空连杆1A和旋转轴杆3的两个致动器的剖视图。中空连杆1A和轴杆3 两者是例如以增强型碳纤维复合材料制成的管。中空连杆1A安装在环424 的外侧，该环424与外壳417组装在一起。该外壳安装在轴杆416上，该轴杆416由马达412经由轴杆413以及齿轮414和415转动。齿轮415直接安装在轴杆416的外表面上且齿轮414安装在轴杆413的端部处。轴杆 413配备有在齿轮外壳430和轴杆413之间的轴承对428。以相同的方式，轴杆416配备有在齿轮外壳430和轴杆416之间的轴承对426。

轴杆3安装于内短轴杆422和外环423之间，外环又经由轴承425安装于外壳417中以支撑轴杆3的转动。在另一端中轴杆3将通过对应的轴承安装于内臂组合件1的中空连杆1A的内部。90度齿轮421安装于短轴杆422上。齿轮421由安装于轴杆419上的90度齿轮420驱动，该轴杆 419由马达418驱动。轴杆419由轴杆416和419之间的轴承对427支撑。第一转动轴29(比较前面的附图)由轴承425的转动中心以及轴杆3的另一端中的轴承的对应转动中心界定。第一转动轴29(也显示于前面的附图中)由轴杆419的转动中心界定。如此，图11显示一实施例，其中旋转致动器布置成得到共用转动轴而无需使用如图1-6中显示的中空轴杆马达。马达412、418彼此并排安装且中空轴杆416、齿轮414、415被使用。

图12A显示图1的替代版本，其中致动器的第一转动轴29已分成两个不同的并联转动轴29A和29B。以此方式不需要中空轴杆致动器。此处第二致动器5被移动而具有它自己的的转动轴29B且如前所述，它被设置成摆动杠杆2，以便移动并联的连杆11和12。第一致动器4以及第三致动器6具有共用转动轴29A。第一致动器4直接安装在内臂组合件1上且第三致动器6连接到图中未显示的直角齿轮，以转动轴杆3。具有致动器布置将更简单的优点，同时将存在工作空间稍微减少且连杆11和12中的力的传动将取决于内臂组合件1的转动角度的缺点。在具有多于三个致动器的附图中当然将可具有不同的致动器之间的并联转动轴。对于图12A的进一步描述参考图1的描述。

图12B显示代替由转动马达组成的致动器(这里是致动器5)，可以在输出马达轴杆上设置齿轮箱，以及如图12A中的输送要求的动作以致动每一相应运动链的杠杆(此处为杠杆2)，连杆端部的期望动作可直接由线性致动器完成。图12A中的两个连杆11和12的功能(移动接头13和14) 由分别在接头13和14处终结的两个滚珠螺杆811和812完成，从而提供连杆11和12的功能。滚珠螺杆811和812的另一端在此处经由万向接头 809和810连接到梁8，该万向接头809和810具有与接头9和10相同的功能，但为了滚珠螺杆的最佳功能，不允许围绕每个相应连杆811和812 旋转。每一滚珠螺杆包括滚珠螺帽部分811A、812A，该滚珠螺帽部分在 809、810处转动地固定于它的基座端，且它也根据需要相对于螺杆部分 811B、812B转动地固定，以实现线性运动，该线性运动来自从滚珠螺杆部分811A、812A延伸的螺杆811B、812B，从而使连杆811和812较短或较长。此处，致动器5被复制且构建到或附接于811A和812A两者，使得螺杆811B、812B转动。此处致动器5(图12A)与811A和812A形成一体且因此在图中不可看到。在图12A中单一致动器5和杠杆2移动梁8，但在图12B中两个滚珠螺杆每一个具有一个致动器，且因此它们必须同步移动(利用提及的控制系统)以保持轴30和33平行。替代实施例是使杠杆2绕着轴29B转动但无致动器5，而是具有从中心线29A附近位置作用于梁8的滚珠轴承。该方式仅需一个滚珠螺杆。滚珠螺杆也可从中空连杆 1A上的位置(未显示)作用，然后不将力传播到机器人支架。

一般而言，使用线性致动器的另一方式是它们与杠杆一起使用以产生有限范围的转动。具体地说，它应用至所有附图中所有致动器所展现的所有转动，除了图6A、图6B和图12B外，其动作由转动致动器产生，根据现有机器人实施，该转动致动器通常具有无限的转动能力。然而，对于揭示的机器人手臂，除了图6A和图6B中的多个腕部动作外，不需要具有大范围致动器。反而，根据本发明，每一致动器可以是线性的，配置有适合的杠杆。因此，除了滚珠螺杆，分别为了很低的机器人成本或为了很高的末端执行器力，致动器也可以是气动的或液压的。

如在此使用的传动器可以是齿轮传动器，例如传统的具有实际齿轮的小齿轮─小齿轮或齿条─小齿轮，但可由其它传动器取代，该其它传动器基于对于小齿轮─小齿轮或齿条─小齿轮传动器相同功能的线材或皮带。如在此使用的，术语“传动器”意味着与上述类型的齿轮传动器功能类似的任何传动器。

图13显示用于图1和图3A的末端执行器转动的传动器的部件，但此处齿轮64A和64B已由连接到皮带64E的皮带轮64C和64D取代。对于图13中的部件的进一步描述，参考图1、图3-3D的说明。皮带传动器有时以比齿轮传动器简单的机构制造。而且，若传动器以塑料材料制造，则便宜的皮带传动器可具有比塑料制造的齿轮更长的寿命。

根据一些实施例，图14A和图14B说明第二运动链的反铲机构(见图 4B)的使用。图14A首先显示这样的反铲机构，其中连接轴承仍然围绕外并联连杆对17、18的两个连杆的旋转中心线放置。反铲机构的基座轴承 803置于内臂组合件1的部分1A上，这意味着反铲机构经由两个连杆805、 806和如图3A中的万向接头21、22操作。将轴承803置于轴杆3上以在连接轴承上产生更优选力方向将需要另一保持转动轴31和32平行于轴33 的方式，例如通过在8和802之间引入额外的接头且在8和7C之间引入额外的连杆(这未显示于附图中)。反铲的动机是增加第二运动链的工作范围，且从而增加机器人手臂500的工作空间。特别地，大部分SCARA 机器人的第二自由度具有多于180度的工作范围。另一方面，根据WO2014187486的机器人设计受到基于内臂连杆组和外臂连杆组的平行四边形的限制，且不能在期望的180度范围内操作。反铲(引入于图4B中) 可解决这个问题，从而形成相对于WO2014187486的差异特征。

如图14A应用的反铲显示基本原理，其中梁8现在更靠近肘部，现在通过绕着轴承803的杠杆802转动，使得当手臂绕着与肘接头161相交的第二转动轴40以增加的角度伸展时，接头9C和10C上的致动力受到更好的导引。至少考虑末端执行器力在轴33的方向的能力，这提供一些工作空间增加，但它未到达具有竞争性的工作范围，因为伸展出的手臂将到达奇点，其中外并联连杆对绕着它们的转动轴翻转，如由轴承15C和16C所容许的那样。注意的是轴承15A、15B、15C加在一起等同于前面附图中的接头15。即，连杆部分804不是有关翻转的问题；如图14B所示，接头 15被分成单一自由度接头，作为解决方案的说明性准备。

在图14B中反铲被配置成经由置于外臂连杆组的偏移部分上的连接轴承21、22作用于外并联连杆对上。即，连接轴承的共用转动轴31不再与外并联连杆对17、18的转动轴交叉。反而，连接轴承每一个放置成它们的内轴承(如图3D中的轴承21A内)绕着与第二转动轴40交叉的轴转动。如本领域技术人员将容易确定的那样(发现偏移，即轴40沿轴33直到与致动连杆18的转动轴相交之间的距离，应至少为致动连杆的长度乘以外臂连杆组相对于法线方向平行于轴40的平面的最大角度的正弦值)，该设计具有与连杆长度相比的所述偏移的适当尺寸。利用适当的偏移(例如致动连杆18的长度乘以sin(x)，其中x是外臂连杆组相对于法线方向平行于轴40的平面的最大容许转动)，奇点将在工作空间之外(在z方向上允许的范围与在控制系统中配置的最大允许x一致)，且第二运动链可以操作经过外臂连杆组的最外伸出位置。

本公开不限于上述实施例。可以使用各种替代、修改和等同物。当然，不同图中所示的原理可以组合，不仅对于具体示出的运动链或实施例，而且对于对技术人员而言适用且明显的臂结构的其他部分。因此，上述实施例不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (38)

1.一种用于末端执行器动作的机器人手臂(500)，其特征在于，所述机器人手臂包括：

第一致动器(4)，被配置成使内臂组合件(1)绕着第一转动轴(29、29A)转动，所述内臂组合件连接到绕着第二转动轴(40)可枢转地布置的外臂连杆组(17、18；18)，所述外臂连杆组连接到末端执行器平台(41)，从而形成从所述第一致动器至所述末端执行器平台的第一运动链，所述第一运动链提供用于定位所述末端执行器平台的第一自由度；

第二致动器(5；5b)，被配置成使所述外臂连杆组(17、18；18)绕着所述第二转动轴(40)转动，从而形成从所述第二致动器至所述末端执行器平台的第二运动链，所述第二运动链提供用于定位所述末端执行器平台的第二自由度；

第三致动器(6；6b，512)，被配置成使轴杆(3)绕着第三转动轴(33；99)转动，使得所述外臂连杆组(17、18；18)经由接头(16；161)转动，从而形成从所述第三致动器(6；6b)至所述末端执行器平台的第三运动链，所述第三运动链提供用于定位所述末端执行器平台的第三自由度；

第四致动器(50；150)以及第四运动链，所述第四运动链被配置成将所述第四致动器的移动传输至末端执行器(28)的对应定向轴(65)，所述第四运动链包括：

定向连杆组(52、57、59；202、204、207、209；284、286；251、256、258)，所述定向连杆组经由至少一个轴承(53、55；206)安装至所述内臂组合件，以及

定向传动器(64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；281、279、275；260、262、264、266、271、270)，所述定向传动器安装至所述末端执行器平台，

其中所述定向连杆组包括末端执行器转动连杆(59；209；258；281)以及接头(58、60；208、210；257、259；257、259；282、280)，所述定向连杆组的所述接头向所述末端执行器转动连杆的每个末端接头提供至少两个自由度。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂，其中所述定向传动器包括连接至所述末端执行器的连接装置(65；65、216、27；216、514、27；65A；65C；65B、65C；65、390)，所述连接装置向所述末端执行器动作提供至少四个自由度。

3.根据权利要求1所述的机器人手臂，其中所述定向传动器(64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；260、262、264、266、271、270)包括至少一个外齿轮机构(64B、64A；64C、64D、64E；100、64A；271、270)，所述外齿轮机构布置成使所述末端执行器(28)在由所述外齿轮机构的齿轮比确定的角度范围内转动。

4.根据权利要求2所述的机器人手臂，其中所述定向传动器(64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；260、262、264、266、271、270)包括至少一个外齿轮机构(64B、64A；64C、64D、64E；100、64A；271、270)，所述外齿轮机构布置成使所述末端执行器(28)在由所述外齿轮机构的齿轮比确定的角度范围内转动。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的机器人手臂，其中所述定向连杆组(52、57、59；202、204、207、209；251、256、258)包括至少一个内齿轮机构(501、502、503、504、505)，所述内齿轮机构布置成使所述末端执行器(28)在由所述内齿轮机构的齿轮比确定的角度范围内转动而不受所述外臂连杆组(17、18；18)的转动限制。

6.根据权利要求1所述的机器人手臂，其中所述定向连杆组(284、286)以及所述定向传动器(281、279、275)布置成使所述末端执行器绕着定向轴(71)转动而无转动角度限制。

7.根据权利要求1-4和6中任一项所述的机器人手臂，其中所述第二运动链包括内臂连杆组，所述内臂连杆组包括至少一个连杆(11、12；12)，所述至少一个连杆(11、12；12)经由连接轴承(14；21、22)连接到所述外臂连杆组(17、18；18)，且其中所述第二致动器(5)被配置成使所述至少一个连杆(11、12；12)经由连接到所述至少一个连杆(11、12；12)的至少一个内连接接头(10；9、10)移动。

8.根据权利要求5所述的机器人手臂，其中所述第二运动链包括内臂连杆组，所述内臂连杆组包括至少一个连杆(11、12；12)，所述至少一个连杆(11、12；12)经由连接轴承(14；21、22)连接到所述外臂连杆组(17、18；18)，且其中所述第二致动器(5)被配置成使所述至少一个连杆(11、12；12)经由连接到所述至少一个连杆(11、12；12)的至少一个内连接接头(10；9、10)移动。

9.根据权利要求7所述的机器人手臂，其中所述外臂连杆组包括连接到所述末端执行器平台(41)的外并联连杆对(17、18)，所述内臂连杆组包括连接到所述外臂连杆组的所述外并联连杆对(17、18)的内并联连杆对(11、12)，且其中所述第二运动链被配置成将杠杆(2)的转动传输至所述末端执行器平台的对应移动。

10.根据权利要求8所述的机器人手臂，其中所述外臂连杆组包括连接到所述末端执行器平台(41)的外并联连杆对(17、18)，所述内臂连杆组包括连接到所述外臂连杆组的所述外并联连杆对(17、18)的内并联连杆对(11、12)，且其中所述第二运动链被配置成将杠杆(2)的转动传输至所述末端执行器平台的对应移动。

11.根据权利要求9或10所述的机器人手臂，其中所述外并联连杆对(17、18)以及所述内并联连杆对(11、12)借助于用于相应连杆(11、17；12、18)的每一连杆连接的一个连接轴承(21、22)连接，且其中所述连接轴承(21、22)的转动轴(34、35；31)与所述外并联连杆对(17、18)的每个相应连杆的轴向中心线成直角。

12.根据权利要求11所述的机器人手臂，包括刚性梁(25)，所述刚性梁(25)将所述连接轴承(21、22)彼此机械地连接。

13.根据权利要求12所述的机器人手臂，其中所述内并联连杆对(11、12)经由偏移梁(23、24)上的球窝接头(13、14)安装至所述刚性梁(25)。

14.根据权利要求9或10所述的机器人手臂，其中所述第三运动链包括内传动器(3；362、360、353)，所述内传动器(3；362、360、353)连接于所述第三致动器(6)和所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)之间。

15.根据权利要求11所述的机器人手臂，其中所述第三运动链包括内传动器(3；362、360、353)，所述内传动器(3；362、360、353)连接于所述第三致动器(6)和所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)之间。

16.根据权利要求12或13所述的机器人手臂，其中所述第三运动链包括内传动器(3；362、360、353)，所述内传动器(3；362、360、353)连接于所述第三致动器(6)和所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)之间。

17.根据权利要求9-10、12-13和15中任一项所述的机器人手臂，包括沿着所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)安装的连杆轴承(16C)，其中所述连杆轴承(16C)的转动轴与所述外并联连杆对的所述致动连杆(18)的中心重合。

18.根据权利要求11所述的机器人手臂，包括沿着所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)安装的连杆轴承(16C)，其中所述连杆轴承(16C)的转动轴与所述外并联连杆对的所述致动连杆(18)的中心重合。

19.根据权利要求14所述的机器人手臂，包括沿着所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)安装的连杆轴承(16C)，其中所述连杆轴承(16C)的转动轴与所述外并联连杆对的所述致动连杆(18)的中心重合。

20.根据权利要求16所述的机器人手臂，包括沿着所述外并联连杆对(17、18)的致动连杆(18)安装的连杆轴承(16C)，其中所述连杆轴承(16C)的转动轴与所述外并联连杆对的所述致动连杆(18)的中心重合。

21.根据权利要求9-10、12-13、15和18-20中任一项所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)和所述末端执行器平台(41)的末端执行器轴承(19、20)，其中所述末端执行器轴承的转动轴(36、37)垂直于所述外并联连杆对的中心。

22.根据权利要求11所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)和所述末端执行器平台(41)的末端执行器轴承(19、20)，其中所述末端执行器轴承的转动轴(36、37)垂直于所述外并联连杆对的中心。

23.根据权利要求14所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)和所述末端执行器平台(41)的末端执行器轴承(19、20)，其中所述末端执行器轴承的转动轴(36、37)垂直于所述外并联连杆对的中心。

24.根据权利要求16所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)和所述末端执行器平台(41)的末端执行器轴承(19、20)，其中所述末端执行器轴承的转动轴(36、37)垂直于所述外并联连杆对的中心。

25.根据权利要求17所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)和所述末端执行器平台(41)的末端执行器轴承(19、20)，其中所述末端执行器轴承的转动轴(36、37)垂直于所述外并联连杆对的中心。

26.根据权利要求21所述的机器人手臂，其中所述末端执行器轴承(19、20)的转动轴(36、37)与所述连接轴承(21、22)的转动轴(34、35)平行。

27.根据权利要求22-25中任一项所述的机器人手臂，其中所述末端执行器轴承(19、20)的转动轴(36、37)与所述连接轴承(21、22)的转动轴(34、35)平行。

28.根据权利要求9或10所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)的连杆和所述内并联连杆对(11、12)的连杆的连接轴承(21A、22A)，其中每一连接轴承(21A、22A)的转动轴与所述外并联连杆对(17、18)的相应连杆的中心重合。

29.根据权利要求14所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)的连杆和所述内并联连杆对(11、12)的连杆的连接轴承(21A、22A)，其中每一连接轴承(21A、22A)的转动轴与所述外并联连杆对(17、18)的相应连杆的中心重合。

30.根据权利要求19所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)的连杆和所述内并联连杆对(11、12)的连杆的连接轴承(21A、22A)，其中每一连接轴承(21A、22A)的转动轴与所述外并联连杆对(17、18)的相应连杆的中心重合。

31.根据权利要求23所述的机器人手臂，包括连接所述外并联连杆对(17、18)的连杆和所述内并联连杆对(11、12)的连杆的连接轴承(21A、22A)，其中每一连接轴承(21A、22A)的转动轴与所述外并联连杆对(17、18)的相应连杆的中心重合。

32.根据权利要求1-4和6中任一项所述的机器人手臂，其中所述第二运动链包括内臂连杆组，所述外臂连杆组包括连接到所述末端执行器平台(41)的外并联连杆对(17、18)，所述内臂连杆组包括连接到所述外臂连杆组的所述外并联连杆对(17、18)的内并联连杆对(11、12)，所述内并联连杆对(11、12)的连杆包括并联连杆对(11A、11B；12A、12B)且这些并联连杆对(11A、11B；12A、12B)通过球窝接头安装在所述外并联连杆对(17、18)的连杆的每一侧上。

33.根据权利要求1-4、6、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，其中所述内臂组合件(1)包括中空的臂连杆(1a)且所述轴杆(3)通过轴承轴向地安装于所述中空的臂连杆(1a)内，所述轴杆(3)布置成通过所述第三致动器(6)转动。

34.根据权利要求6、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，包括多个定向连杆组(284、286)，每个定向连杆组包括定向传动器(281、279、275)，其中所述多个定向连杆组被配置成使得对应的多个同心输出轴杆(275)能够对布置到所述末端执行器平台上的一个或数个末端执行器致动数个末端执行器定向。

35.根据权利要求3-4、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，包括多个定向连杆组(52、57、59；202、204、207、209；251、256、258)，每一定向连杆组与其连接的定向传动器(64B、64A、216；64C、64D、64E；100、64A；260、262、264、266、271、270)配置成使得对于布置到所述末端执行器平台上的一个或数个末端执行器完成每一对应的末端执行器定向。

36.根据权利要求1-4、6、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，包括安装至所述末端执行器平台(41)的至少两个定向传动器(64A、64B；270、271；293、294；315、316；311、312、313)，且其中所述至少两个定向传动器中的一个定向传动器的外齿轮机构(64B、64A；64C、64D、64E；100、64A；271、270)布置成使所述至少两个定向传动器(270、271；293、294；315、316；311、312、313)中的至少另一个定向传动器转动。

37.根据权利要求2-4、6、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，包括第五致动器(250)以及第五运动链，所述第五运动链被配置成经由至少一个另外的定向传动器将所述第五致动器(250)的移动传输至布置到所述末端执行器平台上的末端执行器(28)的对应移动。

38.根据权利要求2-4、6、8-10、12-13、15、18-20、22-26和29-31中任一项所述的机器人手臂，包括至少一个另外的致动器(50；150；250；285)以及至少一个另外的运动链，所述至少一个另外的运动链被配置成将所述至少一个另外的致动器的移动传输至布置到所述末端执行器平台上的末端执行器的相应移动，向所述末端执行器动作提供至少六个自由度。

Images