CN117067192A - 弯曲臂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯曲臂机器人，其具有用于定位终端执行器的串联的运动机构，其中，运动机构具有至少一个部分运动机构，部分运动机构带有机器人关节、前置于机器人关节的机器人节段和后置于机器人关节的机器人节段。提出了如下方面，为了使得机器人节段相对于彼此移调，部分运动机构具有线性驱动器和耦联部，线性驱动器带有沿着线性轴线能够移调的驱动元件，耦联部带有两个沿着耦联延伸部彼此间隔开的耦联关节，线性驱动器布置在部分运动机构的第一机器人节段上，并且在与部分运动机构的机器人关节的几何轴线间隔开的情况下，耦联部一方面铰接在线性驱动器的驱动元件上，并且另一方面铰接在部分运动机构的第二机器人节段上。

Description

弯曲臂机器人

本申请是申请日为2017年7月27日、题为“弯曲臂机器人”的中国专利申请CN201780072927.8的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种弯曲臂机器人，其具有用于定位终端执行器的串联的运动机构(Kinematik)。

背景技术

所讨论的弯曲臂机器人应用在自动化技术的各种不同的领域中。涉及到制造飞行器的结构构件的自动化任务在当前引起重视，其中，在终端执行器上出现过程力在过程力的情况下定位终端执行器对弯曲臂机器人的运动机构提出了特殊的要求。影响定位精度的因素是在弯曲臂机器人的运动机构中的公差所致的间隙，该间隙可以通过预先给定窄小的公差范围、通过压紧驱动轴等予以减小。在此引起重视的另一方面是弯曲臂机器人的运动机构的刚性。在运动机构的刚性不足时，过程力就会在终端执行器的定位中导致并非所愿的偏差。

弯曲臂机器人的运动机构的刚性主要由引起运动机构移调的驱动系决定。驱动系通常具有多个由驱动马达和至少一个后置于该驱动马达的传动机构构成的部分支路，该驱动系必须如此反作用于过程力，从而在终端执行器的定位中产生尽可能小的偏差。这在整体上也对驱动系的刚性提出了额外的要求。

发明内容

基于本发明的问题是，提出这样一种弯曲臂机器人，该弯曲臂机器人具有用于定位终端执行器的串联的运动机构，其对于在终端执行器上出现的过程力方面具有高的刚性。

首先认为，弯曲臂机器人的运动机构具有至少一个部分运动机构，该部分运动机构带有机器人关节、前置于该机器人关节的机器人节段(Roboterglied)和后置于该机器人关节的机器人节段。

现在重要的是如下基本构思：即，通过给驱动系配备线性驱动器和配属于该线性驱动器的耦联部，在适当的设计情况下可以实现，作用到终端执行器上的、对相关的机器人关节施加转矩的过程力，在线性驱动器上沿着其线性轴线只产生相对小的力。根据提议，这种设计按下述做出：即，至少一个部分运动机构具有线性驱动器和耦联部，该线性驱动器带有沿着线性轴线能够移调的驱动元件，该耦联部带有两个沿着耦联延伸部彼此间隔开的耦联关节，其中，线性驱动器布置在部分运动机构的上述的两个前置的和后置的机器人节段中的第一机器人节段上，并且其中，在与部分运动机构的机器人关节间隔开的情况下，耦联部一方面铰接在线性驱动器的驱动元件上，并且另一方面铰接在部分运动机构的上述的两个前置的和后置的机器人节段中的剩下的第二机器人节段上。

在一种特别优选的设计中，线性驱动器是主轴-主轴螺母-驱动器，其中，在一种进一步优选的设计中，主轴的几何主轴轴线位置固定地位于部分运动机构的第一机器人节段上。这简化了对主轴的支承，进而降低了制造成本。

一种优选设计在当前尤为重要，据此，在一种变型中，与线性驱动器分开地在引导方向上，在第一机器人节段上对纵向引导部的驱动元件予以纵向引导。由此可以针对上述的主轴-主轴螺母-驱动器实现，作用在终端执行器上的任何过程力在横向于几何主轴轴线的方向上并不对主轴施加所产生的力。这意味着，并未产生可能归因于主轴的可能的弯曲的定位精度。

在部分运动机构的静止状态下，即在线性驱动器固定的情况下，机器人关节和两个耦联关节与耦联部和机器人节段的位于耦联关节和机器人关节之间的相应区段一起，形成了杆件三角的布置方式，该杆件三角的顶角由机器人关节和耦联关节规定，其中，三角面横向于机器人关节的几何轴线定向。

一种进一步优选的设计涉及弯曲臂机器人，其配备了两个根据提议的部分运动机构。这里在一种优选变型中规定，共同的机器人节段既配属于第一部分运动机构，又配属于第二部分运动机构。原则上也可以设置多于两个的根据提议的部分运动机构，当然可以给这些部分运动机构设定不同的参数。

附图说明

下面借助于仅示出一个实施例的附图详述本发明。在附图中：

图1为根据提议的弯曲臂机器人的侧视图；

图2为根据图1的弯曲臂机器人的运动机构示意图；并且

图3为根据图1的弯曲臂机器人的分别沿观察方向Ⅲa观察的立体图a)和沿观察方向Ⅲb观察的立体图b)。

具体实施方式

附图中所示的弯曲臂机器人1配备有用于定位终端执行器3的串联的运动机构2。图1中示出了这样一种参考坐标系4，终端执行器3、特别是终端执行器3上的工具坐标系5可相对于该参考坐标系定位。

弯曲臂机器人1的运动机构2在当前包括至少一个部分运动机构6、7，在此优选恰好两个根据提议的部分运动机构6、7。两个部分运动机构6、7基本上结构相同，但可以给定不同的参数。这例如可由根据图1的视图得知。

下面首先介绍第一部分运动机构6。所有关于此的说明都相应地适用于第二部分运动机构7。特别地，针对第一部分运动机构介绍的所有特征和优点都可应用于第二部分运动机构7，并且反之亦然。

部分运动机构6配备有机器人关节6.1、前置于该机器人关节6.1的机器人节段6.2和后置于机器人关节6.1的机器人节段6.3。术语“前置”和“后置”以前进方向8为参照，该前进方向沿着串联的运动机构2朝向终端执行器3延伸。两个机器人节段6.2和6.3通过机器人关节6.1相互枢转耦接。

为了使得机器人节段6.2、6.3相对于彼此移调，部分运动机构6具有线性驱动器6.4以及耦联部6.7，该线性驱动器带有沿着线性轴线6.5能够移调的驱动元件6.6，该耦联部带有两个沿着耦联延伸部彼此间隔开的耦联关节6.8、6.9。耦联部6.7在此设计成双耦联部，其带有两个平行地延伸的单耦联部，如图3a中所示。“耦联延伸部”在当前是指耦联部6.7的纵向延伸部。

线性驱动器6.4布置在部分运动机构6的第一机器人节段6.10上。在此，第一机器人节段6.10是两个前置的和后置的机器人节段6.2和6.3之一。

耦联部6.7一方面布置在线性驱动器6.4的驱动元件6.6上，并且另一方面布置在部分运动机构6的剩下的第二机器人节段6.11上，并确切地说，相距部分运动机构6的机器人关节6.1的几何轴线6.1a隔开一段距离6.12。在这里，第二机器人节段6.11是两个前置的和后置的机器人节段6.2和6.3中的另一个。

由上述可知，图1中所示的驱动元件6.6在机器人节段6.3上的向上移调引起机器人节段6.3的沿顺时针的相应移调，而驱动元件6.6在机器人节段6.3上的向下移调产生了机器人节段6.3的沿逆时针的相应移调。

第二部分运动机构7相应地构造，且具有机器人关节7.1、前置的机器人节段7.2、后置的机器人节段7.3、线性驱动器7.4—其驱动元件7.6可沿着线性轴线7.5移调、带有两个耦联关节7.8和7.9的耦联部7.7、第一机器人节段7.1和第二机器人节段7.11以及在耦联关节7.8与机器人关节7.1之间的相应的距离。第二部分运动机构7的工作方式相应于第一部分运动机构6的工作方式，从而驱动元件7.6在图1中的向上移调引起机器人节段7.3的沿顺时针的相应移调，并且驱动元件7.6在图1中的向下移调产生了机器人节段7.3的沿逆时针的相应移调。

图2以示意图示出根据提议的弯曲臂机器人1的运动机构2。这里明显的是，机器人关节6.1、两个耦联关节6.8、6.9与耦联部6.7和机器人节段6.2、6.3的置于耦联关节6.8、6.9与机器人关节6.1之间的相应的区段一起，以及与线性驱动器6.4一起，形成了一种曲柄运动机构。在此，曲柄在一定程度上是机器人节段6.2的置于背离线性驱动器6.4的耦联关节6.9与机器人关节6.1之间的区段。

在所示的且就此而言优选的实施例中，线性驱动器6.4是带有主轴6.13和主轴螺母6.14的主轴-主轴螺母-驱动器，其中，驱动元件6.6包括主轴螺母6.14或主轴6.13，在此优选包括主轴螺母6.14。在特别优选的设计中，由主轴6.13和主轴螺母6.14构成的系统设计成滚珠主轴系统或行星滚柱主轴系统。特别地，利用行星滚柱主轴系统可以以高的精确度移调大的负载。

对于所示的弯曲臂机器人1，在制造技术上特别重要的一个方面是，部分运动机构6的主轴6.13如此支承在部分运动机构6的具有线性驱动器6.4的第一机器人节段6.10上，使得几何主轴轴线6.13a位置固定地置于部分运动机构6的第一机器人节段6.10上。具体地，在此优选的是，主轴6.13轴向地固定地、但围绕轴向的主轴轴线6.13a能够旋转地支承在部分运动机构6的第一机器人节段6.10上，其中，主轴螺母6.14可轴向地移位，但参照几何主轴轴线6.13a抗扭转地支承在部分运动机构6的第一机器人节段6.10上。在此进一步优选地设置用于驱动主轴6.13的主轴驱动器6.15，该主轴驱动器在特别优选的设计中被设计成伺服驱动器，即受调控的驱动器。在主轴驱动器6.15的装配方面也有利的是，主轴6.14如上所述布置在部分运动机构6的第一机器人节段6.10上。

针对第一部分运动机构6所做的关于把线性驱动器6.4设计成主轴-主轴螺母-驱动器的上述说明相应地适用于第二部分运动机构7。这里也相应地设置了按上述方式彼此相互作用的组件，即主轴7.13、主轴螺母7.14和主轴驱动器7.15。

在部分运动机构6的第一机器人节段6.10上布置有纵向引导部6.16，借助于该纵向引导部在第一机器人节段6.10上沿着引导方向6.17对驱动元件6.6予以纵向引导。纵向引导部6.16在此优选与线性驱动器6.4分开地设计。在这种意义下的引导不仅负责沿着引导方向6.17保持驱动元件6.6的运动方向，而且也防止驱动元件6.6抬升离开引导部。在此，在一种特别优选的设计中规定，纵向引导部6.16把引导力施加到驱动元件6.6上，所述引导力既横向于机器人关节6.1的几何轴线6.1a定向，又横向于引导方向6.17定向。在此甚至优选的是，纵向引导部6.16在横向于引导方向6.17的所有方向上把引导力施加到驱动元件6.6上。该纵向引导部6.16在此优选是扁平引导部。替代地，纵向引导部也可以是燕尾引导部(Schwalbenschwanzführung)或棱形引导部。

第二部分运动机构7配备有相应的带有所属的引导方向7.17的纵向引导部7.16，其在功能上又与第一部分运动机构6的所阐释的纵向引导部6.16相同。

在考察相关的部分运动机构6的静止状态时，即在线性驱动器6.4固定的情况下，就能最清楚地得知根据提议的运动机构2的优点。这里重要的是，针对部分运动机构6的静止状态，机器人关节6.1和两个耦联关节6.8、6.9与耦联部6.7和机器人节段6.10、6.11的置于耦联关节6.8、6.9与机器人关节6.1之间的相应区段一起，形成杆件三角6.18的布置方式。配属于杆件三角6.18的力作用线形成力作用三角6.19，该力作用三角的顶角由机器人关节6.1和耦联关节6.8、6.9规定。该力作用三角的内角在弯曲臂机器人1的工作范围内优选始终都分别大于15°，优选大于20°，进一步优选大于30°，由此得到一种特别稳定的布置方式。替代地或附加地在该意义下规定，在背离驱动元件6.6的耦联关节6.9处的内角在弯曲臂机器人1的工作范围内优选始终都小于150°，优选小于140°，进一步优选小于120°，并且进一步优选小于100°。

针对第一运动机构6所作的关于杆件三角6.18的所有说明相应地适用于第二部分运动机构7，该第二部分运动机构同样形成杆件三角7.18的布置方式。相应地，第二部分运动机构7除了表明杆件三角7.18外，还表明了具有顶角7.20、7.21和7.22的力作用三角7.19。

在此优选地，第二部分运动机构7后置于第一部分运动机构6，如由根据图1的视图可最清楚地得知。在此进一步优选的是，第一部分运动机构6的后置的机器人节段6.3同时是第二部分运动机构7的前置的机器人节段7.2，从而该机器人节段提供了两个部分运动机构6、7的共同的机器人节段9。在特别优选的设计中，两个部分运动机构6、7的线性驱动器6.4、7.4布置在共同的机器人节段9上。相应地在此优选地规定，主轴6.13、7.13、主轴螺母6.14、7.14和主轴驱动器6.15、7.15分别布置在共同的机器人节段9上。

如由根据图1的视图还可得知，相应优选地规定，第一部分运动机构6的具有线性驱动器6.4的第一机器人节段6.10同时是第二部分运动机构7的具有线性驱动器7.4的第一机器人节段7.10，并且由此提供了两个部分运动机构6、7的共同的机器人节段9。

第一部分运动机构6的具有线性驱动器6.4的第一机器人节段6.10后置于第一部分运动机构6的第二机器人节段6.11。第一机器人节段6.10因而是第一部分运动机构6的上述的后置的机器人节段6.3，而第二机器人节段6.11是第一部分运动机构6的上述的前置的机器人节段6.2。

对于第二部分运动机构7则相反地规定，具有线性驱动器7.4的第一机器人节段7.10前置于第二机器人节段7.11。在此，第一机器人节段7.10因而是在上述意义下前置的机器人节段7.2，而第二机器人节段7.11是上述的后置的机器人节段7.3。

结果，这意味着，第一部分运动机构6在一定程度上与第二部分运动机构7相反地工作，由此特别是得到了在图1中示出的、非常紧凑的构造形式。上述紧凑性通过如下措施得到进一步的支持：即，两个部分运动机构6、7的线性轴线6.5、7.5彼此间隔开地但相互平行地定向。

两个机器人关节6.1和7.1的几何轴线6.1a和7.1a在此优选相互平行地定向。这允许弯曲臂机器人1在参考坐标系4的图1中所示的X方向上有相对大的作用范围。

两个部分运动机构6、7的两根线性轴线6.5、7.5进一步优选平行于在两个机器人关节6.1和7.1的几何轴线6.1a和7.1a之间的连接线进行延伸，其中，该连接线横向于两根机器人轴线6.1a和7.1a延伸。相互平行的定向可以在制造技术上特别简单地实现。

由图1中所示的状况，在工具坐标系5的负Z轴方向上的过程力现在引起围绕第二部分运动机构7的、通过耦联部7.7予以支撑的机器人关节7.1的转矩。由于形成上述的杆件三角7.18，通过耦联部7.7仅使得相对小的力分量经由驱动元件7.6在线性轴线7.5的方向上引入到线性驱动器7.4中，从而线性驱动器7.4必定付出相应小的反力，以便保证高的刚性。剩下的横向于线性轴线7.5的力分量引入到纵向引导部7.16中，且就此并不产生并非所愿的变形。

同时，在工具坐标系5的负Z轴方向上的上述过程力引起围绕第一部分运动机构6的、通过耦联部6.7予以支撑的机器人关节6.1的转矩。通过形成上述的杆件三角6.18，经由耦联部6.7仅使得相对小的力分量通过驱动元件6.6在线性轴线6.5的方向上引入到线性驱动器6.4中，从而线性驱动器6.4又必定付出相应小的反力，以便保证高的刚性。剩下的横向于线性轴线6.5的力分量又被引入到纵向引导部6.16中，且就此也并不产生并非所愿的变形。

在此明显的是，纵向引导部6.16和7.16的存在对于弯曲臂机器人1的所产生的刚性而言在整体上特别重要。

根据提议的弯曲臂机器人1优选设计成六轴的弯曲臂机器人。这里的情况是，第一几何定位轴线10是在参考坐标系4的Y方向上的轴线。机器人节段6.2可相对于基体11围绕几何定位轴线10枢转。第二定位轴线12和第三定位轴线13由机器人关节6.1、7.1的几何轴线6.1a、7.1a提供。在机器人节段7.3上还以本身常见的方式连接着第四、第五和第六定位轴线14、15、16，这些定位轴线仅在图中被示出，并且它们对于根据提议的教导仅有次要的作用。

轴驱动器17-20配属于第一定位轴线10和第四、第五和第六定位轴线14、15、16。这些轴驱动器17-20和/或主轴驱动器6.15、7.15可以为了避免公差所致的间隙而至少部分地配备有两个驱动马达，这些驱动马达始终都略微相对于彼此张紧。原则上可考虑用于减小公差所致的间隙的其它替代方案。

根据提议的弯曲臂机器人1优选在涉及到制造飞行器的结构构件的自动化任务的执行过程中使用。相应地，终端执行器3优选是铆接单元、操纵单元或者纤维铺设单元。可考虑终端执行器3的其它设计。

Claims (12)

1.一种弯曲臂机器人，其具有用于定位终端执行器(3)的串联的运动机构(2)，其中，所述运动机构(2)具有至少一个部分运动机构(6、7)，所述部分运动机构带有机器人关节(6.1)、前置于所述机器人关节(6.1)的机器人节段(6.2)和后置于所述机器人关节(6.1)的机器人节段(6.3)，

其特征在于，

为了使得所述机器人节段(6.2、6.3)相对于彼此移调，所述至少一个部分运动机构(6、7)具有线性驱动器(6.4)和耦联部(6.7)，该线性驱动器带有沿着线性轴线(6.5)能够移调的驱动元件(6.6)，该耦联部带有两个沿着耦联延伸部彼此间隔开的耦联关节(6.8、6.9)，所述线性驱动器(6.4)布置在所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上，并且在与所述部分运动机构(6)的机器人关节(6.1)的几何轴线(6.1a)间隔开的情况下，所述耦联部(6.7)一方面铰接在所述线性驱动器(6.4)的驱动元件(6.6)上，并且另一方面铰接在所述部分运动机构(6)的剩下的第二机器人节段(6.11)上。

2.如权利要求1所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述线性驱动器(6.4)是带有主轴(6.13)和主轴螺母(6.14)的主轴-主轴螺母-驱动器，并且所述驱动元件(6.6)包括所述主轴螺母(6.14)或所述主轴(6.13)，优选地，由主轴(6.13)和主轴螺母(6.14)构成的系统被设计成滚珠主轴系统或行星滚柱主轴系统。

3.如权利要求2所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述主轴(6.13)支承在所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上，所述几何主轴轴线(6.13a)位置固定地位于所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上。

4.如权利要求2或3所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述主轴(6.13)轴向固定地、但能够旋转地支承在所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上，并且所述主轴螺母(6.14)能够轴向移位地、但抗扭转地支承在所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上，优选地，设置有用于驱动所述主轴(6.13)的主轴驱动器(6.15)，进一步优选地，所述主轴驱动器(6.15)被设计成伺服驱动器。

5.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，优选在与所述线性驱动器(6.4)分开的情况下，在所述部分运动机构(6)的第一机器人节段(6.10)上布置有纵向引导部(6.16)，借助于该纵向引导部在所述第一机器人节段(6.10)上沿引导方向(6.17)对所述驱动元件(6.6)予以纵向引导，优选地，所述纵向引导部(6.16)在横向于所述引导方向(6.17)的所有方向上将引导力施加到所述驱动元件(6.6)上。

6.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，针对所述部分运动机构(6)的静止状态，所述机器人关节(6.1)和两个耦联关节(6.8、6.9)与所述耦联部(6.7)和所述机器人节段(6.2、6.3)的位于所述耦联关节(6.8、6.9)和所述机器人关节(6.1)之间的相应区段一起，形成了杆件三角(6.18)的布置方式。

7.如权利要求6所述的弯曲臂机器人，其特征在于，配属于所述杆件三角(6.18)的力作用线形成力作用三角(6.19)，该力作用三角的顶角(6.20、6.21、6.22)由所述机器人关节(6.1)和所述耦联关节(6.8、6.9)规定，并且其内角在所述弯曲臂机器人的工作范围内优选始终都分别大于15°，优选大于20°，进一步优选大于30°，并且/或者，在背离所述驱动元件(6.6)的耦联关节(6.9)处的内角在所述弯曲臂机器人的工作范围内优选始终都小于150°，优选小于140°，进一步优选小于120°，并且进一步优选小于100°。

8.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述运动机构(2)具有所述至少一个部分运动机构(6、7)的第一部分运动机构(6)和所述至少一个部分运动机构(6、7)的第二部分运动机构(7)，其中，所述第二部分运动机构(7)后置于所述第一部分运动机构(6)，优选地，所述第一部分运动机构(6)的后置的机器人节段(6.3)同时是所述第二部分运动机构(7)的前置的机器人节段(7.2)，并且由此提供了两个部分运动机构(6、7)的共同的机器人节段(9)，进一步优选地，两个部分运动机构(6、7)的线性驱动器(6.4、7.4)布置在所述共同的机器人节段(9)上。

9.如权利要求8所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述第一部分运动机构(6)的具有所述线性驱动器(6.4)的第一机器人节段(6.10)同时是所述第二部分运动机构(7)的具有所述线性驱动器(7.4)的第一机器人节段(7.10)，并且因而提供了两个部分运动机构(6、7)的共同的机器人节段(9)。

10.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述第一部分运动机构(6)的具有所述线性驱动器(6.4)的第一机器人节段(6.10)后置于所述第一部分运动机构(6)的第二机器人节段(6.11)，并且所述第二部分运动机构(7)的具有所述线性驱动器(7.4)的第一机器人节段(7.10)前置于所述第二部分运动机构(7)的第二机器人节段(7.11)。

11.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述两个部分运动机构(6、7)的线性轴线(6.5、7.5)彼此间隔开地但相互平行地定向。

12.如前述权利要求中任一项所述的弯曲臂机器人，其特征在于，所述终端执行器(3)被设计成铆接单元、操纵单元或者纤维铺设单元。