CN112589783A - 用于夹持和/或保持物体的机器人 - Google Patents

Abstract

机器人，包括：至少一个机器人臂，其支撑在框架上并且可以至少一个自由度移动；物体支撑在其上的夹持和/或保持装置；设置在夹持和/或保持装置中的至少一个电动机，借助于电动机产生扭矩和/或夹持力；和安装在机器人臂中的驱动轴，其以驱动方式联接到夹持和/或保持装置，夹持和/或保持装置可自由移动，使得根据需要执行绕自身纵向轴线的旋转。这通过以下来实现，在自由端部与夹持和/或保持装置之间设置接口，其通过固定到机器人臂的耦合器和与其适配的凸缘桥接，该凸缘连接到夹持和/或保持装置和驱动轴，在耦合器中设置连接到电源的第一感应操作收发器，在凸缘中设置连接到电动机的第二感应操作收发器，并且在耦合器与凸缘之间设置气隙。

Description

用于夹持和/或保持物体的机器人

技术领域

本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分的用于夹持和/或保持物体的机器人。

背景技术

这种机器人系统已经用于支持例如制造业中的人工作业达数十年。机器人在空间中运输或保持重物，使得它们可自由地接近以进行机械或手动处理。

机器人包括彼此连接的多个铰接式机器人臂。机器人臂之间的接头可以设计成万向接头、呈铰链形式的回转接头或球形接头。因此，机器人臂的自由端部能够以多个旋转和/或平移自由度移动。

各个机器人臂的运动所需的驱动系统通常包括电动机，每个电动机必须连接到电源以便获得所需的能量或电压，这引起各个机器人臂的旋转运动。

为了拾取物体，机器人臂的自由端部具有夹持和/或保持装置，在该夹持和/或保持装置中安装有另一电动机。至少一个推力件应该是可移动的或由该电动机驱动。因此，相应的从动推力件可以在纵向轴线的方向上或垂直于夹持和/或保持装置移动，并与至少一个另外的推力件配合，该另外的推力件固定到夹持和/或保持装置或也以可驱动的方式联接到电动机，因此两个推力件可以朝向彼此或远离彼此移动。被夹持物体布置在相应的推力件之间，使得被夹持物体通过由电动机施加的进给力而被保持在推力件之间。

夹持和/或保持装置在端部处支撑在机器人臂上，使得夹持和/或保持装置能够绕其自身的纵向轴线旋转，这意味着夹持和/或保持装置能够逆时针或顺时针转动，例如以改善被夹持物体的自由可接近性。

已经发现的缺点是，由于电动机的电源所需的电缆限制了旋转的可能性，因此限制了夹持和/或保持装置旋转的可能性。这是因为当达到360°的旋转角度时，电缆在机器人臂与所连接的夹持和/或保持装置之间扭转到彼此中，而不管电缆是放置在内部还是外部。

因此，现有技术的机器人仅能够执行360°的最大旋转。一旦达到最大旋转角度，就必须重新设置夹持和/或保持装置。因此，现有技术的机器人能够相对于它们的纵向轴线执行限制在+/-360°的旋转。

即使夹持和/或保持装置的旋转角度受到止动件等的限制，电缆也会受到相当大的磨损和撕裂，因为夹持和/或保持装置的永久旋转在电缆上施加重力，这导致电缆在一定操作时段之后断裂，因此它们必须被更换。

例如，US 4,830,569A公开了一种用于机器人臂的非接触式电容性能量传输。

电容性能量传输不利地是不合适的，因为用于操作在机器人臂的自由前端处的夹持和保持装置的电动机通常需要大量的能量，并且因此所需的能量不能由电容性传输提供到足够的程度。

电容性能量传输在其容量上受到相当大的限制，这意味着它没有提供足够的电能来移动多个部件，即夹持臂的旋转或夹持指。

此外，电容性能量传输装置具有电导体必须定位在距离彼此的极短的距离处的缺点。初级源和次级宿或负载之间的电容性能量传输装置的功率或传输速率随着这两侧之间的距离的每次减半而加倍，反之亦然。用于几瓦范围内的能量传输的技术可用容量在两位数皮法（picofarad）范围内。然而，这意味着例如需要手掌大小的表面作为电容性能量传输装置的发射器和接收器，因为应当大于1mm的距离以低传输速率操作。然而，尤其对于机器人，耦合器和凸缘之间的距离必须大得多，特别是为了确保机器人臂的旋转。

此外，电容性能量传输装置的大面积发射器和接收器需要相当大的空间，因为发射器和接收器的大小也决定了电容性能量传输装置的功率比。

发明内容

因此，本发明的任务是，进一步改进前述类型的机器人，使得布置在机器人臂的自由端部处的夹持和/或保持装置可在空间中自由移动，也就是说，可以尽可能经常且快速地进行绕其自身的纵向轴线的旋转，而不限制机器人的运动所需的机械部件。

根据本发明，通过专利权利要求1的特征部分的特征来实现该任务：

本发明的其它有利实施例从从属权利要求中得到。

在于，在机器人臂的在端部处的自由端部与夹持和/或保持装置之间设置接口，该接口通过以非旋转布置固定到机器人臂的耦合器和与所述耦合器适配的凸缘桥接，该凸缘以非旋转布置连接到夹持和/或保持装置和驱动轴，在耦合器中设置第一感应操作收发器，该收发器经由馈送到机器人臂的电线连接到电源上，在凸缘中设置第二感应操作收发器装置，该第二感应操作收发器经由电线连接到夹持和/或保持装置中的电动机，在耦合器与凸缘之间存在气隙作为接口的部件，由于经由两个感应操作收发器装置提供了至夹持和/或保持装置中存在的电动机的电源，因此确保了夹持和/或保持装置在空间中的自由旋转。经由两个感应收发器装置实现的电动机的电源允许夹持和/或保持装置以任何旋转角度自由且快速地旋转。完全消除了为传统机器人提供能量供应的电缆的磨损和撕裂。

此外，两个收发器装置传输电信号，通过该电信号，如果在每个收发器装置中设置至少一个调制器和一个解调器，则推力件的运动可被调节并被永久地监测，借助于该调制器和解调器，电能和/或电信号在两个收发器装置之间交替地传输。

有利地，收发器装置均包括至少一对调制器和解调器，借助于调制器和解调器，可以相互独立地进行信号或电能的感应传输。成对的调制器和解调器发射信号或电能。信号或能量传输可以是双向的，即，交替地在从电动机到评估装置、或者反之从电源到电动机的两个方向上。此外，信号或能量传输可以由合适的电传感器或其他机电部件监测和评估，使得机器人的操作状态永久地已知。必要时，由于存在的错误信息或与存储的程序序列的偏差，可以由合适的电气装置，例如微处理器，在外部执行对机器人的操作序列的合适干预。对应的措施一方面用于优化机器人的作业序列，另一方面用于尽可能精确地执行存储在数据库中的特定作业序列，或者借助于机器人的运动来模拟该特定作业序列。

附图说明

附图示出了根据本发明构造的机器人的示例性实施例，其细节解释如下。在附图中：

图1以透视图示出了具有三个机器人臂和在端部处附接到机器人臂的凸缘的机器人，通过该凸缘，夹持和/或保持装置被可旋转地驱动，该机器人具有用于保持与夹持和/或保持装置相关联的物体并且以径向可移动的布置支撑在夹持和/或保持装置上的两个推力件，

图2a示出了机器人臂的在如图1中所示的端部处的自由端部的放大截面，其中电缆线路在外侧延伸，

图2b示出了如图1中所示的机器人臂的自由端部，其中电缆线路在内部延伸，

图3a示出了如图2a中所示的机器人臂，其具有用于与夹持和/或保持装置中的电动机的运动和控制有关的功率和/或信号传输的电连接，

图3b示出了如图2b中所示的机器人臂，其具有用于与夹持和/或保持装置中的电动机的运动和控制有关的功率和/或信号传输的电连接，

图4a示出了贯穿如图2a中所示的机器人臂的截面，示出了用于信号和功率传输的调制器和解调器的成对布置，

图4b示出了贯穿如图2b中所示的机器人臂的截面，示出了用于信号和功率传输的调制器和解调器的成对布置，

图5a示出了贯穿根据图3a的机器人臂的截面，以及

图5b示出了贯穿根据图3b的机器人臂的截面。

具体实施方式

图1示出了机器人1，借助于该机器人，物体2被夹持和保持在空间中。物体2可以可选地是待加工的工件，在该工件上可以进行加工步骤。如果物体2是工具，则其被安装和驱动，使得其能够绕其自身的纵向轴线旋转。物体2还可以是其它支撑部件，借助于该支撑部件锁定工件或工具。

机器人1具有三个机器人臂3、4和5，每个机器人臂通过接头20彼此连接。由于存在的接头20，机器人臂3、4和5能够相对于彼此移动。因此，机器人臂5的在端部处的自由端部10能够以六个自由度移动，即以三个平移自由度和三个旋转自由度移动。

另外，第一机器人臂3附接到支撑框架19。支撑框架19可以是工具台、机器框架等。夹持和/或保持装置6在机器人臂的自由端部10处附接到机器人臂5，所述夹持和/或保持装置能够绕其纵向轴线6'旋转。两个推力件7和8被分配给夹持和/或保持装置6，所述推力件被安装在夹持和/或保持装置上，以便能够径向移动，即在所示的示例性实施例中，在纵向轴线6'的方向上，或者在相反的方向上，在夹持和/或保持装置6上能够径向移动。在夹持和/或保持装置6中必须设置电动机9以驱动推力件7、8。

为了使夹持和/或保持装置6能够绕其纵向轴线6'旋转，在机器人臂5上在其自由端部10处的端部处设置有耦合器25，该耦合器与夹持和/或保持装置6在空间上间隔开。

图3a、3b、4a和4b特别示出了在耦合器25与夹持和/或保持装置6之间设置凸缘11，夹持和/或保持装置6借助于该凸缘附接到机器人臂5。通常，机器人臂5的自由端部10设计成使得客户特定的夹持和/或保持装置6不能直接附接到机器人臂5。在端部处的机器人臂5与夹持和/或保持装置6之间的过渡区域通过定义指定或表示为接口31。另外，夹持和/或保持装置6中的电动机9必须被供给电能或电压以及用于夹持和/或保持装置6的操作的控制信号两者。为了确保在没有电缆的情况下在机器人臂5与夹持和/或保持装置6之间的能量和信号的传输，因此在耦合器25和凸缘11之间初始地设置气隙21。另外，夹持和/或保持装置6应当绕其自身的纵向轴线6'旋转。为此，在耦合器25内部设置了驱动轴24，该驱动轴设计成两部分，并可旋转地安装在耦合器25中。驱动轴24与凸缘11处于驱动活动连接（driving active connection），使得驱动轴24的旋转运动和速度直接传递到凸缘11。凸缘11联接到夹持和/或保持装置6，使得凸缘11的旋转运动同步地传递到夹持和/或保持装置6。因此，6条电线14可以在凸缘11和夹持和/或保持装置之间延伸。因此，驱动轴24穿过接口31和分配给它的气隙21。

如图4a至图5b中所示，设置两个收发器装置12和13，用于夹持和/或保持装置6中的电动机9的电源和/或信号传输。第一收发器12安装在耦合器25中，并且第二收发器13安装在夹持和/或保持装置6的凸缘11中。两个收发器12、13感应地操作，使得电能和/或电信号可以在这些收发器12和13之间交替传输。

相应的收发器12或13包括成对的调制器26或26.1和解调器27或27.1。相应的调制器26、26.1以及解调器27和27.1被布置在感应操作的线圈28和29之间，因此它们成对地一起工作。每对调制器26和解调器27以及线圈28或29交替地交换或发射信号。另一对调制器26.1和解调器27.1以及线圈29交替地发射能量，用于控制和操作电动机9。

相应的调制器26或26.1或解调器27或27.1因此形成接口31，耦合器9和凸缘11之间的气隙21通过该接口桥接。因此，信号和能量可以由相应成对的调制器26或26.1和解调器27或27.1感应地并且彼此独立地传输。这种类型的信号和/或能量传输还提供了使用传感器和其他电气部件来提供机器人1的操作状态的永久监测的可能性，这可以通过诸如微处理器的外部电气装置来评估，并且如果需要，可以从外部执行对机器人1的操作顺序的干预。

因此，一方面，电动机9的能量供应可以经由收发器装置12和13提供，而另一方面，如图2a至图3b中所示的电信号可以交替地从控制装置23经由电连接22传导到夹持和/或保持装置6。控制装置23向电动机9提供参数以及进给运动信号，并且推力件7、8可以被控制，使得所施加的保持力由未示出的传感器确定，并且传递到控制装置23，以便控制电动机9，使得在某些情况下，其夹持力或扭矩增加或减小。

第一收发器12和第二收发器13之间的能量和信号传输两者都是纯感应的，使得凸缘11的旋转运动可以不受电线阻碍地发生。

因此，电线14或者连接到电源15，或者连接到电连接26，如图2a到图3b中所示。电连接22被设计为用于控制装置23的接口。

图2a至图3b特别示出了耦合器25经由扭矩支撑件16以旋转固定的方式附接到机器人臂5。因此，经由在耦合器25和凸缘11内部延伸的驱动轴24实现耦合器25与夹持和/或保持装置6的凸缘11之间的旋转。借助于两个紧固螺钉17将扭矩支撑件16固定到机器人臂5和驱动凸缘11。

图5a和图5b特别示出了在驱动凸缘11和与其连接的夹持和/或保持装置6之间存在气隙21。由于两个收发器装置12、13提供感应能量和/或信号传输，所以不需要电线来桥接气隙21。这允许夹持和/或保持装置6绕其自身的纵向轴线6'自由旋转。因此，不需要返回到起始位置以引入电缆。

Claims (14)

1.一种用于夹持和/或保持物体（2）、特别是工件、工具或载体部件的机器人（1），

包括：

-至少一个机器人臂（3、4、5），所述机器人臂支撑在支撑框架（19）上并且能够在空间中以至少一个平移和/或旋转自由度移动，

-夹持和/或保持装置（6），相应的物体（2）以定位定向的方式支撑在所述夹持和/或保持装置上和/或以旋转布置保持在所述夹持和/或保持装置上，

-至少一个电动机（9），其设置在所述夹持和/或保持装置（6）中，借助于所述电动机产生作用在所述物体（2）上的扭矩和/或夹持力，

-以及安装在所述机器人臂（5）中的驱动轴（24），其以驱动方式联接到所述夹持和/或保持装置（6），优选地使得所述夹持和/或保持装置（6）绕其自身的纵向轴线（6'）旋转，

其特征在于，

-在所述机器人臂（5）的在端部处的自由端部（10）与所述夹持和/或保持装置（6）之间设置有接口（31），所述接口（31）通过以非旋转布置固定到所述机器人臂（5）的耦合器（25）和通过与所述耦合器适配的凸缘（11）桥接，所述凸缘（11）以非旋转布置连接到所述夹持和/或保持装置（6）和所述驱动轴（24），

-第一感应操作收发器（12）设置在所述耦合器（25）中，所述收发器（12）经由馈送至所述机器人臂（5）的电线（14）连接至电源（15），

-第二感应操作收发器（13）设置在所述凸缘（11）中，所述收发器（13）经由电线（14）连接到所述夹持和/或保持装置（6）中的电动机（9），

-并且在所述耦合器（25）与所述凸缘（11）之间存在作为所述接口（31）的一部分的气隙（21）。

2.根据权利要求1所述的机器人，

其特征在于，

在每个收发器装置（12、13）中设置至少一个调制器（26、26.1）和一个解调器（27、27.1），借助于所述调制器和解调器，在两个收发器装置（12、13）之间交替地传输电能和/或电信号。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，

其特征在于，

一对线圈（28、29）被分配给每对调制器（26）或（26.1）和解调器（27）或（27.1）。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

为所述耦合器（25）分配了串行接收信号传输接口的布置，通过所述布置双向地实现信号或能量传输。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

第一感应收发器装置和第二感应收发器装置（12、13）交替地传输电压和/或电信号，借助于所述电压和/或电信号控制和监测所述夹持和/或保持装置（6）中的电动机（9）。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

在所述机器人臂（5）的在所述端部处的自由端部（10）与所述耦合器（25）之间紧固有扭矩支撑件（16），借助于所述扭矩支撑件（16）将所述耦合器（25）以旋转固定的方式锁定在所述机器人臂（4）上。

7.根据权利要求6所述的机器人，

其特征在于，

所述扭矩支撑件（16）设计为杆或带，并且所述扭矩支撑件（16）的两个自由端部借助于紧固螺钉（16、17）紧固到所述机器人臂（5）或所述耦合器（25）。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

所述夹持和/或保持装置（6）能够顺时针和逆时针旋转，并且所述夹持和/或保持装置（6）能够无限地或无限制地在一个旋转方向上旋转。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

穿过所述气隙（21）并且以驱动布置联接到所述凸缘（11）的所述驱动轴（24）在所述端部处的机械臂（5）、所述耦合器（25）和所述凸缘（11）中被安装和被引导。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

一个或多个推力件（7、8）附接到所述夹持和/或保持装置（6）的自由端部，借助于所述推力件，将相应的物体（2）锁定在所述夹持和/或保持装置（6）上。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

在所述凸缘（11）与所述夹持和/或保持装置（6）之间设置有电线（14），所述电线（14）在所述夹持和/或保持装置（6）或所述凸缘（11）的内部或外部延伸。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

所述推力件（7、8）安装在所述夹持和/或保持装置（6）上，以便能够在径向方向上移位，或者将设计成工具的所述物体（2）锁定，使得所述工具加工工件。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

所述夹持和/或保持装置（6）的转速由所述驱动轴（24）产生。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，

其特征在于，

所述夹持和保持装置（6）被分配有多个传感器（18），借助于所述多个传感器，来自所述夹持和保持装置（6）的信号经由接口或总线接口被传输到所述耦合器（25）。

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