CN114072259A - 机器人及其组装方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人及其组装方法。机器人(100)包括：第一臂连杆(101)，包括关节壳体(1011)和被布置在关节壳体(1011)的内表面上的内啮合构件(1012)；包括输出法兰(1021)的第二臂连杆(102)；和移动组件(104)，移动组件(104)至少部分地被布置在关节壳体(1011)中。移动组件(104)包括输入轴(1041)，适于围绕输入轴(1041)的轴线(X)旋转；以及至少一个中间构件(1042)，被耦接至输出法兰(1021)并且适于由输入轴(1041)驱动以在与内啮合构件(1012)啮合的同时旋转，引起第一臂连杆(101)和第二臂连杆(102)之间的相对运动。通过将齿轮箱的相对静止部件一体形成，能够以更具成本效益且更节省空间的方式实现机器人臂连杆之间的高连接强度连接。

Description

机器人及其组装方法

技术领域

本公开实施例总体上涉及一种机器人及其组装方法。

背景技术

齿轮箱是使用齿轮和齿轮系提供从旋转功率源到另一装置的速度和扭矩转换的装置。常规行星齿轮箱通常包括围绕中心齿轮(即，太阳齿轮)旋转的一个或多个外齿轮(即，行星齿轮)。通常，行星齿轮被安装在可动臂或托架上，该可动臂或托架本身可以相对于太阳齿轮旋转。行星齿轮箱还包括使用与行星齿轮啮合的外齿圈或环面。行星齿轮通常划分为简单行星齿轮或复合行星齿轮。简单行星齿轮具有一个太阳轮、一个齿圈、一个托架和一个行星齿轮组。

通常，作为由外部供应商以不同材料和加工工艺制造的精密部件，齿轮箱与机器人结构制造分离，齿轮箱在随后的组装过程中进一步连接到机器人结构上。这种分离的齿轮箱和结构设计需要连接接口并且需要占用空间。尤其对于塑料机器人，由于塑料材料的强度和蠕变效应，稳定且稳健的螺纹连接是不可用的。

发明内容

为了解决或至少部分地解决上述及其它潜在问题，本公开实施例提供了一种齿轮箱的一部分被一体形成在机器人结构中的机器人。

在第一方面，提供了一种机器人。机器人包括关节壳体和被布置在关节壳体的内表面上的内啮合构件；包括法兰的第二臂连杆；和移动组件，移动组件至少部分地被布置在关节壳体中并且包括输入轴，输入轴适于围绕输入轴的轴线旋转；以及至少一个中间构件，至少一个中间构件被耦接至输出法兰并且适于由输入轴驱动以在与内啮合构件啮合的同时旋转，以引起第一臂连杆和第二臂连杆之间的相对运动。

通过壳体一体形成在一个臂连杆中并且输出法兰一体形成在另一臂连杆中，可以降低组装难度和成本。此外，可以消除在塑料机器人壳体中占据空间并使连接性能劣化的连接接口，从而使臂连杆与关节之间的连接更稳定(尤其是对于塑料机器人而言)。而且，移动组件包括诸如最容易损坏的中间构件的零部件。通过这种布置，可以更方便地更换、维修或维护移动组件。

在一些实施例中，机器人还包括被布置在关节壳体中并且围绕输入轴的至少一个轴承。这样，可以进一步降低组装难度和成本。

在一些实施例中，第一臂连杆还包括第一臂连杆主体；并且第二臂连杆还包括第二臂连杆主体。

在一些实施例中，关节壳体、内啮合构件和第一臂连杆主体一体地形成。由此，可以显著提高制造效率和结构强度。

在一些实施例中，关节壳体和内啮合构件单独形成，并且关节壳体包括筒，筒具有用于将内啮合构件布置在其中的容器。通过这种布置，可以更容易地通过注射成型来制造关节壳体，同时通过使用机加工确保内啮合构件的质量。

在一些实施例中，机器人还包括调节机构，调节机构被布置在内啮合构件和筒上，并且可操作以向内挤压内啮合构件以减小内啮合构件的内直径。通过使用调整机构向内挤压内啮合构件，可以有效补偿内啮合构件与移动组件之间的装配误差。此外，利用调节机构，关节壳体和内啮合构件不需要太厚，从而使得在塑料机器人壳体中的注射成型更容易并且制造精度提高。

在一些实施例中，调节机构包括外锥形部，外锥形部被轴向地布置在内啮合构件的外表面上；以及内锥形部，内锥形部被布置在筒中并且包围外锥形部。这样，可以均匀地挤压内啮合构件。此外，无需拆卸塑料齿轮箱即可容易地操作调节元件。

在一些实施例中，第一臂连杆主体和关节壳体单独形成，并且通过胶合、机械卡扣或过盈配合连接。通过这种布置，可以更容易地通过注射成型来制造关节壳体。此外，通过单独注射成型具有均匀厚度和小尺寸的第一臂连杆主体和关节壳体，可以容易地实现高精度。

在一些实施例中，关节壳体单独形成，并且继而通过注射成型一体地形成在第一臂连杆主体中。这样，能够容易地形成第一臂连杆，同时改善了关节壳体和第一臂连杆主体之间的连接性能。

在一些实施例中，内啮合构件包括多个圆柱销，这些圆柱销被均匀地布置在关节壳体的内表面上。这改善了使用摆线齿轮箱作为关节的机器人的连接性能，同时允许机器人更紧凑。

在一些实施例中，内啮合构件包括多个齿轮齿。这改善了使用行星齿轮箱作为关节的机器人的连接性能。

在一些实施例中，内啮合构件包括摩擦表面。这改善了使用基于摩擦的行星齿轮箱作为关节的机器人的连接性能。

在第二方面，提供了一种机器人的组装方法。该组装方法包括：提供第一臂连杆，第一臂连杆包括关节壳体和被布置在关节壳体的内表面上的内啮合构件；提供包括关节法兰的第二臂连杆；以及将移动组件至少部分地布置在关节壳体中，移动组件包括输入轴，输入轴适于围绕输入轴的轴线旋转；以及至少一个中间构件，至少一个中间构件被耦接至关节法兰并且适于由输入轴驱动以在与内啮合构件啮合的同时旋转，以引起第一臂连杆和第二臂连杆之间的相对运动。

应当理解的是，本发明内容并非旨在标识本公开实施例的关键或必要特征，也非旨在用于限制本公开的范围。通过下面的描述，本公开的其它特征将变得易于理解。

附图说明

通过结合附图对本公开示例实施例的更详细描述，本公开的上述及其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同附图标记通常表示相同部件。

图1示出传统机器人的关节部的示意图；

图2示出传统机器人的关节部的立体图；

图3示出根据本公开实施例的机器人的关节部的示意图；

图4示出根据本公开实施例的机器人的关节部的立体图；

图5示出根据本公开实施例的第一臂连杆的剖视图；

图6示出根据本公开另一实施例的第一臂连杆的剖视图；

图7示出根据本公开另一实施例的第一臂连杆的剖视图；

图8示出根据本公开实施例的机器人的立体图；并且

图9示出根据本公开实施例的机器人的组装方法的流程图。

在整个附图中，相同或相似的附图标记用于表示相同或相似元件。

具体实施方式

现在将结合几个示例实施例来讨论本公开。应当理解的是，讨论这些实施例的目的仅在于使本领域技术人员能够更好地理解并进而实现本公开，而非暗示对主题范围的任何限制。

如本文所使用的，术语“包括”及其变体应理解为开放术语，意指“包括但不限于”。术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应理解为“至少一个其它实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同或相同的对象。其它显式和隐式定义可以包含在下文中。除非上下文中另外明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。

在传统解决方案中，为了实现所需的减速比，机器人关节通常采用行星齿轮箱，尤其是摆线型行星齿轮箱(即，摆线驱动器或摆线减速器)，作为减速和传动装置。

如今，廉价机器人和小型轻便机器人的发展逐渐成为机器人领域的发展趋势。在这种趋势下，已经开发了诸如塑料机器人的非金属机器人。使用非金属材料(诸如塑料材料或复合材料等)制造机器人在机器人开发中越来越普遍。

通常，作为由外部供应商以不同材料和加工工艺制造的精密部件，齿轮箱通常是与诸如基座或机器人臂的其它机器人结构分离的部件，这些结构在随后的组装过程中进一步连接到齿轮箱上。

图1示出传统机器人的关节部的示意图；图2示出传统机器人的关节部的透视图。如图所示，在传统机器人100’中，齿轮箱110’是待与机器人臂101’、102’连接的分离装置。作为扭矩和旋转传动装置，齿轮箱需要牢固地附接至机器人臂连杆，这需要牢固的连接强度。对于塑料机器人，由于塑料材料的强度和蠕变效应，稳定且稳健的螺钉连接难以实现，通常需要在连接处具有足够大的厚度以确保连接强度。

塑料零部件局部增厚可能导致成型过程困难，并且还会影响机器人臂连杆的整体强度。从上文中可以看出，这种分离的齿轮箱和结构设计需要连接接口并且需要占用空间，使得机器人，尤其是机器人的关节部体积庞大。这对于当今追求小型化和轻量化塑料机器人来说是不期望的。此外，与机器人臂连杆相比，齿轮箱，尤其是齿轮箱的移动组件是易损件。在故障的情况下，需要更换整个齿轮箱，导致维护成本较高。

为了解决或至少部分地解决上述问题，本公开实施例提供了一种机器人。现在将参考图3-图8描述一些示例实施例。

图3示出了机器人的关节部的示意图，并且图4示出根据本公开的实施例的机器人的关节部的立体图。如图所示，机器人总体上包括至少两个臂连杆和被布置在臂连杆之间的移动组件104。本文的机器人臂连杆表示机器人的机器人臂、基座及其它结构部件。

为了便于讨论，下面将以两个机器人臂连杆为例来描述本公开的主要构思，这两个机器人臂连杆在下文中被称为第一臂连杆101和第二臂连杆102。应当理解的是，本公开的构思也可以应用于多个机器人臂中的每两个机器人臂之间或者应用于机器人臂与机器人基座之间。

与传统机器人的臂连杆相比，第一臂连杆101包括关节壳体1011和被布置在关节壳体1011的内表面上的内啮合构件1012。作为传统齿轮箱的一部分，关节壳体1011用于接纳齿轮箱的另一部分，即移动组件。第二臂连杆102包括输出法兰1021。

作为分离单元的移动组件104至少部分地被布置在关节壳体中。移动组件104包括输入轴1041，输入轴1041在由诸如电机等的功率源驱动时可以围绕其轴线X旋转。移动组件104还包括至少一个中间构件1042，至少一个中间构件1042被耦接至输出法兰1021。

当输入轴1041被驱动以围绕第一轴线X1旋转时，中间构件1042可以由输入轴1041驱动以围绕第二轴线X2旋转，同时与内啮合构件1012啮合。换句话说，中间构件1042可以围绕第一轴线X1公转，并且可以围绕第二轴线X2自转。因此，耦接至中间构件101的输出法兰1021可以通过中间构件1042的旋转而被致动，以围绕第一轴线X1旋转。这样，第一臂连杆101和第二臂连杆102可以相对于彼此旋转。

从上文可以看出，在本公开中，机器人的传统齿轮箱的关节壳体和输出法兰分别是第一臂连杆101和第二臂连杆102的一部分。传统齿轮箱的移动组件被预组装为分离单元，以在最终机器人组装期间被组装到第一臂连杆101和第二臂连杆102上。也就是说，传统齿轮箱的壳体被分离并一体形成在机器人臂连杆中以彼此耦接。因此，不再需要用于组装齿轮箱的连接接口。这允许机器人，尤其是塑料机器人的关节部分被制造得更紧凑，从而为紧凑的机器人设计提供更大的自由度。

通过将齿轮箱的相对静止部件(诸如关节壳体1011和输出法兰1021)一体形成在机器人臂连杆中，能够以更具成本效益且更节省空间的方式实现机器人臂连杆之间的高连接强度连接。由于常规齿轮箱壳体的主要部件已经成为臂连杆的部件，机器人的组装和维护难度以及成本均可以显著降低。

此外，与传统的解决方案相比，移动组件104作为易损件，在损坏或磨损的情况下仅需要更换损坏或磨损的零件，而无需完全更换整个齿轮箱，这进一步显著降低了维护成本。

此外，应当理解的是，上述布置可以用于使用任何适当齿轮箱作为关节的机器人。例如，在一些实施例中，内啮合构件1012可以是具有内齿的齿圈，其以任何适当方式(诸如通过紧固件或过盈配合)安装在壳体101的内表面上。在这些实施例中，中间构件1042可以包括围绕中心齿轮旋转的至少一个行星齿轮。

在一些替代实施例中，内啮合构件1012可以包括多个圆柱销。在这些实施例中，输入轴1041可以包括以第二轴线X2为中心的至少一个偏心支撑段，并且中间构件1042可以是被布置在支撑段上的轮(例如摆线轮)。也就是说，在这些实施例中，机器人100可以包括摆线型行星齿轮箱。

在其它一些替代实施例中，内啮合构件1012可以包括形成于关节壳体1011的内表面中的摩擦表面。在这些实施例中，输入轴1041可以包括以第二轴线X2为中心的至少一个偏心支撑段，并且中间构件1042可以是其外表面上布置有摩擦表面的轮。也就是说，在这些实施例中，机器人100可以包括基于摩擦的行星齿轮箱。

也就是说，本公开的构思能够应用于使用包括中心齿轮和行星齿轮的齿轮箱、摆线型行星齿轮箱，或者甚至基于摩擦的行星齿轮箱作为关节的机器人。

在下文中，为了便于说明，将第一臂连杆101的除关节壳体1011以外的部分称为第一臂连杆主体1016，将第二臂连杆102的除输出法兰1021以外的部分称为第二臂连杆主体1022。第一臂连杆主体1016和第二臂连杆主体1022分别是形成机器人的第一臂和第二臂的主形状的部分。

在一些实施例中，关节壳体1011和内啮合构件1012或输出法兰1021与相应的机器人臂连杆主体可以一体地形成，如图3-图5所示。这种布置可以进一步降低组装和维护成本，同时增加连接强度。关节壳体1011或输出法兰1021可以通过注射成型一体地形成在相应的机器人臂连杆上。此外，在这些实施例中，在注射成型过程期间，至少一个轴承105也可以插入关节壳体1011的内表面中，从而可以进一步减少组装和维护工作。

在一些实施例中，内啮合构件1012可以在注射成型关节壳体1011之后，通过机加工形成在关节壳体1011的内表面上。这可以提高内啮合构件1012的精度以满足高传动要求。

应当理解的是，关节壳体1011和内啮合构件1012或输出法兰1021被一体形成在相应的臂连杆主体中的上述实施例仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当布置或结构也是可能的。在一些替代实施例中，齿轮箱的每个相对静态部件(即，关节壳体1011或输出法兰1021)和相应的机器人臂连杆也可以单独形成并且继而进行适当组装。

例如，在一些替代实施例中，对于第一臂连杆101，仅关节壳体1011和第一臂连杆主体1016一体形成，并且内啮合构件1012和关节壳体1011可以通过注射成型单独形成，如图6所示。在这些实施例中，关节壳体1011可以包括筒1014，筒1014具有用于容纳内啮合构件1012的容器。

例如，在一些实施例中，容器可以是用于供内啮合构件1012通过过盈配合或粘结等而被布置在其中的普通圆孔。在一些替代实施例中，容器可以是孔，其中孔的内圆周上布置有键槽。键槽可以接纳形成在内啮合构件1012的外圆周上的键，以防止孔与内啮合构件之间的相对运动。

利用这种布置，通过注射成型形成的部件均具有大致均匀的厚度，从而降低了制造难度。因此，在注射成型过程期间，可以容易地提高诸如内啮合构件1012的部件精度。

在一些实施例中，机器人100还可以包括调节机构，调节机构被布置在啮合构件1012和筒1014上。调节机构可以向内挤压内啮合构件1012，以减小内啮合构件1012的内直径，同时在组装期间保持内啮合构件1012自对中。这样，可以减小或补偿内啮合构件1012与中间构件1042之间的装配误差。而且，内啮合件1012可以更容易地组装在筒1014中。

此外，因为作为关节壳体1011的一部分的筒104包围内啮合构件1012，所以关节壳体1011的强度要求可以通过筒104或内啮合构件1012更薄的壁来满足。也就是说，由塑料制成的筒104或内啮合构件1012不需要太厚。因此，可以显著降低注射成型过程的难度，并显著提高制造精度。

内啮合构件1012可以以各种方式被挤压。例如，在如图6所示的一些实施例中，内啮合构件1012可以包括外锥形部1013，并且筒1014可以包括内锥形部1015，用于包围外锥形部1013。

随着内啮合构件1012逐渐插入筒1014中，内啮合构件1012可以经由外锥形部1013被挤压。这样，内啮合构件1012的内直径可以通过调节内啮合构件1012进入筒1014的深度来调节。此外，如上文所述，具有上述锥形结构的调节机构还能使内啮合构件1012在筒1014内自对准，从而有利于内啮合构件1012的组装。

在一些实施例中，啮合构件1012和筒1014上形成有止动结构，以防止啮合构件1012和筒1014之间的相对旋转。例如，啮合构件1012可以包括形成在啮合构件1012的外圆周上的突起或键，并且筒1014在内圆周上与突起相对应的位置处可以包括凹部，以接纳突起。这样，可以防止啮合构件1012和筒1014之间的相对旋转。

在一些实施例中，内啮合构件1012和筒1014可以由不同的材料制成。例如，内啮合构件1012可以由具有良好自润滑和柔性性能的材料制成，诸如聚甲醛(POM)。这样，用这种材料制造的内啮合构件1012可以更容易地被挤压。此外，筒1014可以由更刚性的材料制成，诸如玻璃纤维增强塑料或金属。

在一些实施例中，如图7所示，关节壳体1011可以通过铸造、注射成型等而被单独形成。关节壳体1011继而可以通过注射成型一体形成在第一臂连杆主体1016中，例如，通过在注射成型第一臂连杆主体1016时，将关节壳体1011放置在模具中的适当位置处来形成。这种布置使得第一臂连杆的制造更容易，同时改善了关节壳体和第一臂连杆主体之间的连接性能。在一些替代实施例中，第一臂连杆主体1016和关节壳体1011可以例如通过注射成型而单独地形成。这可以进一步降低第一臂连杆主体1016和关节壳体1011的制造难度和成本。

第一臂连杆主体1016和关节壳体1011可以在通过注射成型形成之后以任何合适的方式连接。例如，它们可以通过胶合、机械卡扣或过盈配合连接。类似于图6所示的实施例，调节机构或自对准机构或止动结构可以设置在第一臂连杆主体1016和关节壳体1011上。

从本公开的以上实施例可以看出，通过将齿轮箱的相对静止部件(诸如关节壳体1011和输出法兰1021)一体形成在机器人臂连杆中，能够以更具成本效益且更节省空间的方式实现机器人臂连杆之间的高连接强度连接。由于齿轮箱壳体的主要部件已经成为臂连杆的部件，并且移动部件作为分离单元被预组装，机器人的组装和维护难度以及成本均可以显著降低。

本公开实施例还提供了一种如上所述的机器人100的组装方法。图9示出机器人的组装方法的流程图900。如图所示，在框910，提供第一臂连杆101。第一臂连杆101包括关节壳体1011和被布置在关节壳体的内表面上的内啮合构件1012。

在框920，提供包括输出法兰1021的第二臂连杆102。之后，在框930，将移动组件104至少部分地布置在关节壳体1011中。移动组件104包括输入轴1041和至少一个中间构件1042。输入轴1041可以围绕其轴线X旋转。至少一个中间构件1042被耦接至输出法兰1021，并且由输入轴1041驱动以在与内啮合构件1012啮合的同时旋转。这样，可以致动第一臂连杆和第二臂连杆之间的相对运动。因此，机器人的组装和维护难度以及成本均可以显著降低。

应当理解的是，本公开的以上详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，并非旨在限制本公开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何修改、等同替换和改进等均应包含在本公开的保护范围之内。同时，本公开所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和边界或范围和边界的等同形式内的所有变型和修改。

Claims (13)

1.一种机器人(100)，包括：

第一臂连杆(101)，包括关节壳体(1011)和被布置在所述关节壳体(1011)的内表面上的内啮合构件(1012)；

第二臂连杆(102)，包括输出法兰(1021)；和

移动组件(104)，至少部分地被布置在所述关节壳体中(1011)并且包括：

输入轴(1041)，适于围绕所述输入轴(1041)的轴线(X)旋转；以及

至少一个中间构件(1042)，被耦接至所述输出法兰(1021)并且适于由所述输入轴(1041)驱动以在与所述内啮合构件(1012)啮合的同时旋转，以引起所述第一臂连杆(101)和所述第二臂连杆(102)之间的相对运动。

2.根据权利要求1所述的机器人(100)，还包括：

至少一个轴承(105)，被布置在所述关节壳体(1011)中并且围绕所述输入轴(1041)。

3.根据权利要求1所述的机器人(100)，其中，

所述第一臂连杆(101)还包括第一臂连杆主体(1016)；并且

所述第二臂连杆(102)还包括第二臂连杆主体(1022)。

4.根据权利要求3所述的机器人(100)，其中所述关节壳体(1011)、所述内啮合构件(1012)和所述第一臂连杆主体(1016)一体地形成。

5.根据权利要求3所述的机器人(100)，其中所述关节壳体(1011)和所述内啮合构件(1012)被单独形成，并且

所述关节壳体(1011)包括筒(1014)，所述筒(1014)具有用于供所述内啮合构件(1012)布置在其中的容器。

6.根据权利要求5所述的机器人(100)，还包括调节机构，所述调节机构被布置在所述内啮合构件(1012)和所述筒(1014)上，并且所述调节机构可操作以向内挤压所述内啮合构件(1012)以减小所述内啮合构件(1012)的内直径。

7.根据权利要求6所述的机器人(100)，其中所述调节机构包括：

外锥形部(1013)，所述外锥形部(1013)被轴向地布置在所述内啮合构件(1012)的外表面上；以及

内锥形部(1015)，所述内锥形部(1015)被布置在所述筒(1014)中并且包围所述外锥形部(1013)。

8.根据权利要求3所述的机器人(100)，其中所述第一臂连杆主体(1016)和所述关节壳体(1011)被单独形成，并且通过胶合、机械卡扣或过盈配合连接。

9.根据权利要求3所述的机器人(100)，其中所述关节壳体(1011)被单独形成，并且继而通过注射成型而被一体地形成在所述第一臂连杆主体(1016)中。

10.根据权利要求1所述的机器人(100)，其中所述内啮合构件(1012)包括多个圆柱销，所述多个圆柱销均匀地布置在所述关节壳体(1011)的内表面中。

11.根据权利要求1所述的机器人(100)，其中所述内啮合构件(1012)包括多个齿轮齿。

12.根据权利要求1所述的机器人(100)，其中所述内啮合构件(1012)包括摩擦表面。

13.一种机器人的组装方法，包括

提供第一臂连杆(101)，所述第一臂连杆(101)包括关节壳体(1011)和被布置在所述关节壳体(1011)的内表面上的内啮合构件(1012)；

提供包括输出法兰(1021)的第二臂连杆(102)；以及

将移动组件(104)至少部分地布置在所述关节壳体(1011)中，所述移动组件(104)包括：

输入轴(1041)，适于围绕所述输入轴(1041)的轴线(X)旋转；以及

至少一个中间构件(1042)，被耦接至所述输出法兰(1021)并且适于由所述输入轴(1041)驱动以在与所述内啮合构件(1012)啮合的同时旋转，以引起所述第一臂连杆(101)和所述第二臂连杆(102)之间的相对运动。

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