CN117098637A - 关节装置及机器人装置 - Google Patents

Abstract

目的在于提高制动器的安装位置的自由度。本公开的一方面的关节装置(20)具备：输出轴(30)，被第一连杆(13)轴支撑，与第二连杆(15)连接；旋转驱动源(41)，设置于第一连杆；第一传递机构(45、47、49)，将旋转驱动源的旋转力传递至输出轴；制动用轴(53)，设置于第一连杆；第二传递机构(55、57、59)，与第一传递机构分离独立，将输出轴的旋转传递至制动用轴；以及制动设备(51)，对制动用轴的旋转进行制动。

Description

关节装置及机器人装置

技术领域

本发明涉及一种关节装置及机器人装置。

背景技术

已知有一种机构，将由马达等驱动源产生的动力借助传动带、齿轮等传递机构传递至机器人的关节轴并进行驱动。在这种机构中，若产生传动带的断裂、齿轮的破损等传递机构的不良，则无法对关节轴施加扭矩。在具有与重力方向正交的旋转轴的关节装置中，若产生传递机构的不良，则关节装置的旋转侧的结构件可能会因自重而掉落，导致机器人、机器人上安装的手部及机器人周边的工件、夹具等周边设备破损。在协作机器人的情况下，可能会对共处的工作人员带来危害。为了避免这种情况，专利文献1中公开了一种在输出轴具备制动机构的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开第2010-142895号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，在专利文献1中公开的结构中，输出轴与制动器直接连结，制动器的安装位置的自由度低，在输出轴为中空的情况下，制动器会较大。因此，期望提高制动器的安装位置的自由度。

用于解决问题的手段

本公开的一方面的关节装置具备：输出轴，被第一连杆轴支撑，与第二连杆连接；旋转驱动源，设置于第一连杆；第一传递机构，将旋转驱动源的旋转力传递至输出轴；制动用轴，设置于第一连杆；第二传递机构，与第一传递机构分离独立，将输出轴的旋转传递至制动用轴；以及制动设备，对制动用轴的旋转进行制动。

发明效果

根据本公开的一方面，能提高制动器的安装位置的自由度。

附图说明

图1是示出具备本实施方式的关节装置的机器人装置的一个示例的外观图。

图2是从正面侧观察本实施方式的关节装置的内部构造的图。

图3是从侧面观察图2所示的关节装置的内部构造的图。

图4是具备本实施方式的关节装置的机器人装置的构成图。

图5是从正面侧观察本实施方式的关节装置的其他示例的内部构造的图。

图6是从正面侧观察本实施方式的关节装置的其他示例的内部构造的图。

图7是示出本实施方式的关节装置的制动设备的其他示例的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本实施方式的关节装置进行说明。关节装置由作为构造部分的关节机构和控制关节机构的关节控制装置构成。关节机构能够单独使用，也能作为机器人臂机构等关节来使用。在本实施方式中，将构成关节装置的关节机构适用于机器人臂机构的关节，控制机器人臂机构的控制装置具有作为构成关节装置的关节控制装置的功能。在以下的说明中，对于具有大致相同的功能及构成的构成要素标注相同的附图标记，仅在必要的情况下进行重复说明。

如图1所示，具备本实施方式的关节装置20的机器人装置1具备机器人臂机构10和控制机器人臂机构10的控制装置90。

机器人臂机构10具有基座11、经由关节J1与基座11连接的第一连杆13、经由关节J2与第一连杆13连接的第二连杆15、经由关节J3与第二连杆15连接的第三连杆17、经由关节J4与第三连杆17连接的第四连杆18、经由关节J5与第四连杆18连接的末端执行器19。关节J1是具有与重力方向平行的旋转轴的旋转关节。关节J2、关节J3、关节J4分别是具有与重力方向正交的旋转轴的旋转关节。关节J5是具有与关节J4的旋转轴正交的旋转轴的旋转关节。在本实施方式中，正交的3个轴中，将与关节J1的旋转轴平行的轴定义为Z轴，将与关节J2、关节J3、关节J4的旋转轴平行的轴定义为Y轴，将与Y轴和Z轴正交的轴定义为X轴。当机器人臂机构10载置在水平面时，Z轴(关节J1的旋转轴)平行于重力方向。

关节装置20的构造部分适用于连接第一连杆13和第二连杆15的关节J2。当然，关节装置20的构造部分也能适用于关节J2以外的其他关节J1、J3、J4、J5。

如图2、图3所示，关节装置20具有：输出轴30，被第一连杆13轴支撑，与第二连杆15连接；驱动机构40，设置于第一连杆13，驱动输出轴30的旋转；制动机构50，设置于第一连杆13，对输出轴30的旋转进行制动；以及断裂检测传感器70，检测构成驱动机构40的驱动用传动带49的断裂。

输出轴30以其旋转轴RA1与Y轴平行的方式经由轴承等旋转自如地设置于第一连杆13。在第一连杆13的内部的输出轴30的端部部位连结有两个带轮47、57。分别将卷绕有驱动用传动带49的带轮47作为第一输出用带轮47，将卷绕有制动用传动带59的带轮57作为第二输出用带轮57进行区分。当然，也可以用具有两条传动带槽的单一带轮代替两个带轮47、57。

驱动机构40具有马达单元41。马达单元41具有产生使输出轴30旋转的动力的伺服马达(旋转驱动源)和使马达的旋转减速的减速器。马达单元41在XZ平面上，以驱动用轴43的旋转轴RA2与Y轴平行的方向设置在相对于输出轴30偏移的位置。在驱动用轴43连结有驱动用带轮45。驱动用带轮45具有一条传动带槽。在驱动用带轮45与第一输出用带轮47之间以一定的张力架设有环状的驱动用传动带49。驱动用带轮45、第一输出用带轮47及驱动用传动带49构成将马达单元41的旋转力传递至输出轴30的第一传递机构。

制动机构50具有旋转自如地设置在第一连杆13上的轴(制动用轴53)。制动用轴53既可以被第一连杆13轴支撑，也可以经由轴承等被电磁制动器51等设置在第一连杆13上的构件旋转自如地支撑。制动用轴53在XZ平面上，以其旋转轴RA3与Y轴平行的方向设置在相对于输出轴30偏移的位置。在制动用轴53的一端侧连结有制动用带轮55。制动用带轮55具有一条传动带槽。在制动用带轮55与第二输出用带轮57之间以一定的张力架设有环状的制动用传动带59。在制动用轴53的另一端侧设置有电磁制动器51。例如，作为电磁制动器51，能够使用这样的类型，即，在非励磁时对制动用轴53的旋转进行制动，在励磁时释放制动用轴53。电磁制动器51在非励磁时，利用螺线管将摩擦制动构件按压在制动用轴53上，通过摩擦对制动用轴53的旋转进行制动。制动用带轮55、第二输出用带轮57及制动用传动带59构成将输出轴30的旋转力传递至制动用轴53的第二传递机构。

断裂检测传感器70检测驱动用传动带49的断裂。作为断裂检测传感器70，典型地能够使用从投光部发射可见光线、红外线等光，在受光部检测被检测对象反射的光的光量变化的反射型光电传感器。断裂检测传感器70设置在与驱动用传动带49的传动带面相向的位置。断裂检测传感器70在由受光部接受的光量为阈值以下时，向控制装置90输出表示在驱动用传动带49发生了断裂等异常的检测信号。

以下，参照图4对机器人装置1的构成进行说明。

机器人装置1的控制装置90具有处理器91。存储装置93、输出装置95、关节装置20的马达驱动器42、关节装置20的制动器电路52及断裂检测传感器70经由数据控制总线与处理器91连接。

输出装置95是液晶显示器、有机EL显示器等显示装置。例如，按照处理器91的控制，在输出装置95上显示有通知在驱动用传动带49发生了断裂等异常的通知画面。只要能够对工作人员报告在驱动用传动带49发生异常即可，输出装置95也可以是扬声器、灯等。

存储装置93存储用于控制机器人臂机构10的机器人控制程序和用于控制电磁制动器51的制动器控制程序。处理器91通过执行机器人控制程序，生成各关节的位置指令值、速度指令值及扭矩指令值等马达控制指令值，并输出到马达驱动器42。马达驱动器42按照来自处理器91的马达控制指令值，一边参照检测马达的旋转轴的旋转角、旋转速度、旋转方向等的旋转编码器(未图示)的输出，一边驱动马达。由此，机器人臂机构10按照由机器人控制程序所规定的动作顺序进行动作。

处理器91通过执行制动器控制程序，基于从断裂检测传感器70输出检测信号，生成将电磁制动器51从励磁状态切换为非励磁状态的开关指令值，并输出到制动器电路52。制动器电路52是例如由晶体管等构成的电路。制动器电路52构成为，在驱动用传动带49未断裂的通常状态下，能将制动器电源供给至电磁制动器51，并能基于从处理器91输出开关指令值，切断制动器电源的供给。在通常状态下，电磁制动器51被励磁，维持制动用轴53被释放的状态。在该状态下，制动用轴53从动于输出轴30的旋转而旋转。当驱动用传动带49断裂时，电磁制动器51从励磁状态切换为非励磁状态，由电磁制动器51对制动用轴53的旋转进行制动。由电磁制动器51对制动用轴53产生的制动力经由第二传递机构传递到输出轴30。也就是，通过制动用轴53的旋转被制动，从而经由第二传递机构与制动用轴53连接的输出轴30的旋转被制动，与输出轴30连结的第二连杆15停止在驱动用传动带49断裂时的旋转位置。在此，虽然仅在驱动用传动带49断裂时使用了电磁制动器51，但也能够使用于在驱动用传动带49未断裂的通常状态下使输出轴30减速的用途。通过马达与电磁制动器51协作来使输出轴30的旋转减速，从而能够减轻伴随减速的马达负荷。

根据以上说明的本实施方式的关节装置20，通过使将马达单元41的旋转力传递至输出轴30的第一传递机构和将输出轴30的旋转力传递至制动用轴53的第二传递机构相互分离独立，即使驱动用传动带49断裂，也能够利用制动机构50对输出轴30及与输出轴30连结的第二连杆15进行制动，从而能够提高机器人臂机构10的安全性。

本实施方式的关节装置20通过采用由第一传递机构将马达单元41的旋转力传递至输出轴30并且经由第二传递机构将输出轴30的旋转力传递至制动用轴53的机构，从而能够使马达单元41(驱动用轴43)和电磁制动器51(制动用轴53)相对于输出轴30偏移，从而能够提高马达单元41、电磁制动器51的安装自由度。由于能够在第一连杆13的内部使马达单元41和电磁制动器51相对于输出轴30分散，因此与用电磁制动器51直接对输出轴30进行制动的结构或直接驱动输出轴30的结构相比，可抑制关节部分的大型化。特别地，由于电磁制动器51不直接作用于输出轴30，因此即使输出轴30为较大的中空传动轴，也不需要由此增大电磁制动器51，从而可抑制因具备制动机构50导致关节部分的大型化。

以下，参照图2、图5、图6，对电磁制动器51(制动用轴53)及马达单元41(驱动用轴43)相对于输出轴30的位置关系进行说明。在此，针对与XZ平面相关的位置关系进行说明。

如图2、图5、图6所示，从扩大第二连杆15的可动范围(旋转范围)的观点出发，期望马达单元41配置在相对于输出轴30与电磁制动器51同一侧且比电磁制动器51更远的位置。在容置于第一连杆13的内部的状态下，在Y轴方向上马达单元41比电磁制动器51长。通过将马达单元41配置在远离输出轴30的基座11侧的位置，与将马达单元41配置在靠近输出轴30的位置的情况相比，能够使第二连杆15干涉到马达单元41的角度范围缩小，从而能够扩大第二连杆15的可动范围(旋转范围)。

如图5所示，从抑制第一连杆13的大型化的观点出发，当从正面侧(Y轴方向)观察关节装置20时，期望将电磁制动器51配置在驱动用传动带49的轨道内侧的大致椭圆形的范围内。具体地，期望将制动用轴53配置在输出轴30的旋转轴RA1和驱动用轴43的旋转轴RA2之间，且使其旋转轴RA3位于穿过输出轴30的旋转轴RA1和驱动用轴43的旋转轴RA2的直线CL1上。

在不能将电磁制动器51配置在驱动用传动带49的轨道内侧的情况下，如图2所示，期望将电磁制动器51(制动用轴53)配置在驱动用传动带49的轨道外侧且尽可能接近驱动用传动带49的位置。

进一步地，在不能将电磁制动器51配置在驱动用传动带49的轨道内侧的情况下，如图6所示，期望在第一连杆13的内部使马达单元41相对于与第一连杆13的长度方向平行且穿过第一连杆13的宽度中央的中心线CL2靠一侧配置，并使电磁制动器51相对于中心线CL2靠另一侧配置。具体地，马达单元41配置在其旋转轴RA2相对于第一连杆13的中心线CL2向一侧(－X方向侧)偏移的位置，电磁制动器51配置在制动用轴53的旋转轴RA3相对于第一连杆13的中心线CL2向另一侧(+X方向侧)偏移的位置。由此，可以一边避免驱动用传动带49和电磁制动器51的干涉，一边抑制由于具备制动机构50而导致的第一连杆13的大型化。

在本实施方式中，为了对制动用轴53的旋转进行制动使用了电磁制动器51，但只要能对制动用轴53的旋转进行制动即可，制动设备的种类不限于电磁制动器。例如，制动设备可以是通过使其他构件对与制动用轴53连结的旋转构件进行碰撞，来对制动用轴53的旋转进行制动的机械式装置。如图7所示，制动设备具有与制动用轴53连结的圆盘54和卡合用臂56。圆盘54在其外缘形成有多个卡合用的凹部。卡合用臂56构成为在驱动用传动带49未断裂的通常状态下，其前端配置在远离圆盘54的位置，当驱动用传动带49断裂时，其前端朝向圆盘54移动。例如，在卡合用臂56的基端连结有与驱动用传动带49接触并自由地旋转的辊58。辊58被第一连杆13轴支撑。卡合用臂56的前端被例如板簧等弹簧构件、硅橡胶等弹性树脂构件朝向圆盘54施力。在驱动用传动带49未断裂的通常状态下，换言之在辊58借助驱动用传动带49而旋转的状态下，卡合用臂56的前端对抗作用力而从圆盘54远离，从而使制动用轴53从制动设备的制动中释放。当驱动用传动带49断裂时，换言之，当辊58的旋转停止时，卡合用臂56的前端被朝向圆盘54施力，与圆盘54的凹部卡合。由此，制动用轴53的旋转被制动。根据该结构，能够不需要断裂检测传感器70，并且由于无需电控制制动设备，因此也能够不需要对制动设备牵引电缆等。当然，作为驱动卡合用臂56的驱动源也可以使用马达等任意的电部件，并基于断裂检测传感器70检测驱动用传动带49的断裂，通过电控制驱动卡合用臂56。

在本实施方式中，作为断裂检测传感器70使用了光电传感器，但只要至少能够检测驱动用传动带49的断裂即可，断裂检测传感器70不限于此。例如，作为检测驱动用传动带49的异常的传感器，能使用如下的装置，即，朝向驱动用传动带49对辊施力，并使其与驱动用传动带49的传动带面压力解除，监测辊的轴的位置变化，并根据辊的轴的位置变化检测驱动用传动带49的张力。另外，作为检测驱动用传动带49的异常的传感器，能使用声波式传动带张力计，可感知从驱动用传动带49产生的声波(自然频率)，并测量驱动用传动带49的张力。上述两种装置不仅能够检测驱动用传动带49的断裂，还能够检测驱动用传动带49的松弛等异常。在使用上述两个装置中的任一个来代替断裂检测传感器70情况下，当由传感器检测到驱动用传动带49的断裂或松弛时，处理器91向制动器电路52输出开关指令值以使电磁制动器51工作。在检测到驱动用传动带49松弛的时刻能够更换驱动用传动带49，从而可以抑制第一连杆13的内部的构造部件由于断裂的驱动用传动带49而损坏的风险。

此外，如果驱动用传动带49处于稍微松弛的状态，则也许可以继续使用。因此，传感器构成为能够区分检测驱动用传动带49的断裂和松弛，使检测到驱动用传动带49断裂时的处理与检测到驱动用传动带49松弛时的处理不同，例如，当检测到驱动用传动带49的断裂时使电磁制动器51工作，经由输出装置95将驱动用传动带49已断裂的情况报告工作人员，当检测到驱动用传动带49松弛时不使电磁制动器51工作，经由输出装置95将驱动用传动带49发生了松弛的情况报告工作人员等。例如，通过在机器人臂机构10完成一系列任务的时刻更换驱动用传动带49，而不是在检测到松弛的时刻马上更换驱动用传动带49，从而可以抑制机器人臂机构10的工作效率的降低。

在本实施方式中，通过利用断裂检测传感器70直接监测驱动用传动带49，从而检测驱动用传动带49的断裂，但只要能检测驱动用传动带49的断裂，则该结构就不限于上述。当驱动用传动带49断裂时，由于马达的旋转力不传递到输出轴30，因此在根据马达的旋转速度和减速器的减速比所计算的驱动用轴43的旋转速度和输出轴30及制动用轴53的旋转速度之间产生差异。能够基于该差异检测驱动用传动带49的断裂。该情况下，例如，能够在制动用轴53上设置如编码器作为检测制动用轴53的旋转位置的位置检测部，基于编码器的输出值和马达的旋转速度检测驱动用传动带49的断裂。

另外，当驱动用传动带49断裂时，由于施加于马达的轴、驱动用轴43及输出轴30的扭矩变小，因此通过利用扭矩传感器等监测该扭矩的变化量，也能够检测驱动用传动带49的断裂。

在本实施方式中，采用传动带机构作为将马达的旋转力传递给输出轴30的第一传递机构，采用传动带机构作为将输出轴30的旋转力传递给制动用轴53的第二传递机构，但作为其中一方的传递机构或者两方的传递机构，可以采用将多个齿轮组合而成的齿轮机构，也可以采用将齿轮和传动带组合的机构。即使在将传递机构设为齿轮机构的情况下，也会发挥与将传递机构用传动带机构构成的情况相同的效果。与驱动用传动带49断裂时相同，若产生构成第一传递机构的齿轮缺损等异常，无法将马达的旋转力传递至输出轴30，则有可能无法制动第二连杆15而使其掉落。因此，构成为能检测第一传递机构的异常，并当检测到第一传递机构的异常时使电磁制动器51工作即可。例如，第一传递机构的异常能够通过利用已经说明的马达的旋转速度和制动用轴53(输出轴30)的旋转速度来检测。

在本实施方式中，仅监测了驱动用传动带49，但也可以一起监测驱动用传动带49及制动用传动带59。该情况下，通过使用与断裂检测传感器70相同的其他断裂检测传感器，从而能够检测制动用传动带59的断裂。当通过其他断裂检测传感器检测到制动用传动带59的断裂时，马达驱动器42按照来自处理器91的指令，停止马达的驱动。由此，第二连杆15被制动在制动用传动带59断裂时的位置。虽然仅制动用传动带59断裂不会对第二连杆15的驱动产生影响，但是若在制动用传动带59断裂的状态下，驱动用传动带49进一步断裂，则无法对第二连杆15进行制动。因此，当检测到制动用传动带59的断裂时，通过马达控制使输出轴30的旋转停止，从而能够进一步提高机器人臂机构10的安全性。

期望驱动用传动带49和制动用传动带59设计为制动用传动带59的寿命比驱动用传动带49的寿命更长。为了使制动用传动带59的寿命比驱动用传动带49更长，制动用传动带59使用比驱动用传动带49粗的构件。当然，不限于此，制动用传动带59也可以由刚性高的材料形成。如果在维护时同时更换驱动用传动带49和制动用传动带59，则即使在驱动用传动带49因老化等原因而断裂的情况下，寿命比驱动用传动带49长的制动用传动带59正常的可能性高。降低在驱动用传动带49断裂之前制动用传动带59断裂的可能性，使得不需要检测制动用传动带59的断裂的其他断裂检测传感器，并且实现与用其他断裂检测传感器监测制动用传动带59的情况同等的安全性。

对本发明的一些实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为示例而提出的，并不用于限定发明的范围。这些实施方式可以用其他各种方式来实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形与包含在发明的范围或主旨中同样地包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。

附图标记说明

11：基座、13：第一连杆、15：第二连杆、20：关节装置、30：输出轴、40：驱动机构、41：马达单元、43：驱动用轴、45：驱动用带轮、47：第一输出用带轮、49：驱动用传动带、50：制动机构、51：电磁制动器、53：制动用轴、55：制动用带轮、57：第二输出用带轮、59：制动用传动带、70：断裂检测传感器。

Claims (9)

1.一种关节装置，连结机器人的第一连杆和第二连杆，其中，具备：

输出轴，被所述第一连杆轴支撑，与所述第二连杆连接；

旋转驱动源，设置于所述第一连杆；

第一传递机构，将所述旋转驱动源的旋转力传递至所述输出轴；

制动用轴，设置于所述第一连杆；

第二传递机构，与所述第一传递机构分离独立，将所述输出轴的旋转力传递至所述制动用轴；以及

制动设备，对所述制动用轴的旋转进行制动。

2.根据权利要求1所述的关节装置，其中，所述第一传递机构是传动带机构。

3.根据权利要求1或2所述的关节装置，其中，所述第二传递机构是传动带机构。

4.根据权利要求1或2所述的关节装置，其中，所述第二传递机构是齿轮机构。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的关节装置，其中，所述制动设备是电磁制动器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的关节装置，其中，还具备：

传感器，检测所述第一传递机构的异常；以及

控制部，基于所述传感器的输出，控制所述制动设备。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的关节装置，其中，

所述旋转驱动源配置在相对于所述输出轴与所述制动设备相同的一侧且比所述制动设备远的位置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的关节装置，其中，

所述旋转驱动源相对于所述第一连杆的中心线靠一侧配置，所述制动设备相对于所述第一连杆的中心线靠另一侧配置。

9.一种机器人装置，其中，

具备权利要求1-8中任一项所述的关节装置。