CN1258590A - 圆柱坐标型机器人 - Google Patents

Abstract

圆柱坐标型机器人。包括上下圆盘的旋转台相对于包括上下固定板的框架旋转。丝杠和导杆安装在上下圆盘上。第一螺母总成安装到丝杠。第二螺母安装到导杆,第一螺母总成和第二螺母安装在移动件上。轴结构包括:具有纵向空腔的内轴,外轴和一中间轴,它们与内轴同心并可分开地旋转。设有一对臂驱动轴的臂支撑框架安装在轴结构上。设有第一、第二和第三驱动装置,相对于框架旋转旋转台,相对于旋转台旋转丝杠,并相对于旋转台旋转各轴。

Description

圆柱坐标型机器人

本发明涉及圆柱坐标型机器人，特列涉及改进的圆柱坐标型机器人，它具有紧凑结构，这种结构是通过使用轴中轴的结构作为臂驱动机构取得的。

一般来说，可在三维方向移动物体的圆柱坐标型机器人是安装在生产线上，进行如装卸产品、部件的处理和组装以及在自动化系统中搬运完成的商品等工作。也就是说，工业场合中大多数制造过程的自动化能够由能够处理制造过程中需要的材料和部件的各种机器人实现。根据它们的类型这样的机器人被分类成从工业机器人到小型精密机器人的各种类型。另外，这样的机器人也可用于特定用途之外的更广的用途。

一些机器人可具有一个臂的结构，它能将一物体置于一圆柱空间内的希望点上。这类机器人的例子在美国专利No.4,466,769，4,728,252和5,178,512中公开。这类机器人中每个在一圆柱空间的水平面内，和使用传统垂直移动机构在垂直方向移动物体。

在半导体制造工业中，一个物体处理机器人可用于各种用途。一个这样的用途是处理硅晶片。这样的工作应在无尘室中进行，这种用途的机器人能够以很精密的方式工作。目前用于这种用途的最常用的机器人具有一安装成可旋转的旋转装置，和一垂直移动一缸的垂直移动装置。而且，在机器人中设有各具有一抓住一物体的手的伸展或收缩臂的装置。

然而，在具有两个臂的传统圆柱坐标型机器人的结构中，象谐波传动和电机等的减速器直接连接到位于机器人下部上的每个臂驱动轴的输入部分，而另一电机和减速器直接连接各个臂的驱动轴，以便在径向移动位于机器人上部的两个臂。因此，因为使用的减速器是昂贵的，机器人的制造成本高，尺寸变得较大。

另外，在动力是从位于机器人下部的一电机和减速器传递到机器人上部的结构中，展开具有两个臂的机器人是困难的。此时，存在的问题是电机动力和控制信号的电缆必须布设到机器人的上部。

另一方面，采用轴中轴结构的传统机器人被限制在机器人的旋转轴和一个臂被驱动的结构中，将轴中轴的结构应用到具有两个臂的机器人相当困难。

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种圆柱坐标型机器人，利用机器人的旋转轴和臂的驱动轴同轴设置的结构，即轴中轴结构，通过在机器人的下部设置旋转机器人或垂直移动和驱动臂的多个电机，并进一步在轴中轴结构的最内轴中形成布管线的空腔，使得结构紧凑。

因此，为达到上述目的，在此提供的圆柱坐标型机器人包括：一框架；一旋转台，相对于框架可旋转地安装；一丝杠和一导杆，相对于旋转台可旋转地安装；一移动件，设有第一螺母总成和第二螺母，第一螺母总成接合丝杠，第二螺母接合导杆，移动件相对于丝杠和导杆可垂直移动；一轴结构，设有可旋转的中空内轴和一中间轴和一外轴，它们与内轴同心，并可独立地旋转，轴结构的一端固定到移动件，另一端延伸通过旋转台和框架；一臂支撑框架，它的中心部固定到轴结构的另一端，臂支撑框架具有两个侧部，一对臂驱动轴安装到两个侧部；一第一驱动装置，相对框架旋转旋转台；一第二驱动装置，相对于旋转台旋转丝杠；以及一第三驱动装置，相对于旋转台分开旋转所述轴结构的轴。

根据本发明的一方面，第一螺母总成包括：一第一螺母，与丝杠可旋转地接合；和一第三螺母，一体地组装到第一螺母，能够沿丝杠垂直移动。

根据本发明的另一方面，轴结构的外轴连接到一对臂驱动轴的第一臂驱动轴；中间轴连接到一对臂驱动轴的第二臂驱动轴，并位于内外轴之间。

根据本发明的再一方面，机器人还包括分别安装在一对臂驱动轴上并与它们成垂直地伸出，使得与轴结构一同枢轴旋转的臂部分。

根据本发明的有优点的改进方面，框架包括通过支撑框架彼此连接的上下固定板；和过滤器、真空传感器和电磁阀，安装在上下固定板和支撑框架上，使得不干扰轴结构的旋转并减少安装在内轴空腔内的电缆和管线数量。

在此，第一驱动装置包括：一电机，固定安装在旋转台上；和一减速器，它的输入端连接电机，输出端连接下固定板。

另外，第二驱动装置包括：一电机，安装在移动件上可与移动件一起移动；和第三皮带/皮带轮装置用于向丝杠传送电机的扭矩。

以下参照附图的说明将使本发明的目的和优点更明了。

图1是本发明的圆柱坐标型机器人的透视示意图；

图2是图1所示的圆柱坐标型机器人的部分剖面图；

图3是图1所示的圆柱坐标型机器人的后视图；

图4是图1所示的圆柱坐标型机器人的底视图。

如图1和2所示，本发明优选实施例的圆柱坐标型机器人100包括：框架110和一旋转台120。框架110包括上下固定板114和112，在此，旋转台120可相对于框架110旋转，位于框架110上，包括一下圆盘122和一上圆盘124。丝杠130和导杆140分别安装在上下圆盘124和122间可旋转。

在此，丝杠130是提供机器人的垂直移动的装置，并最好是用一普通的滚珠丝杠用作丝杠130。丝杠130的端部分别通过轴承122a和124b耦接上下圆盘124和122。另外，第一螺母总成134与丝杠130接合，第二螺母144与导杆140接合。在此，第一螺母总成134由第一螺母136和第三螺母138一体地构成，第一螺母136是一传统滚珠丝杠螺母，第三螺母138是带槽螺母(spline nut)。另外，第一螺母总成134和第二螺母144安装在移动件150上。因此，移动件150沿丝杠130和导杆140上升或下降。

导杆140位于上下圆盘124和122间，象传统机器人中那样一个滚珠花键(ball spline)用作导杆140。即，通过导杆140本身的旋转，与它接合的第二螺母144也可旋转，或第二螺母144可沿不旋转的导杆140提升或下降。另一方面，导杆轴承124c安装在上下圆盘124和122上，使导杆140平稳旋转。

最好第二螺母144是一普通带槽螺母。即，在导杆140旋转时，第二螺母144同时旋转，使中间轴164旋转，并在移动件150由Z电机132垂直移动时，第二螺母144沿导杆140垂直移动。第二螺母皮带轮144a安装在第二螺母144上，通过第二螺母皮带145，连接到安装在中间轴164上的第二螺母从动皮带轮164a。

移动件150是在上下圆盘124和122间垂直移动轴结构160的件，轴结构160的内轴166的一端固定到移动件150。因此，在垂直移动圆柱坐标型机器人100的接合丝杠130的第一螺母总成134旋转时，移动件150具有垂直移动第二螺母144和轴结构160的作用。

轴结构160的一端固定到移动件150上，轴结构160从外到内包括外轴162、中间轴164和内轴166，它们同轴设置并隔开预定距离。轴结构160的另一端穿过上圆盘124和上固定板114，并固定到臂支撑框架180。一对臂部192和194安装到臂支撑框架180。

在此，轴结构160的轴162、164和166可分开旋转。轴结构160具有一所谓的轴中轴结构，其中，中间轴164在内与外轴162隔开，内轴166在内与中间轴164隔开。在此，轴承163和165分别插在外轴162和中间轴164之间，以及中间轴164和内轴166之间。

空腔166a形成在内轴166中，容纳臂驱动电源和系统控制信号电缆。内轴166的下部固定列移动件150。第一臂驱动皮带轮182安装在外轴162的上端，第三螺母从动皮带轮162a安装在外轴162的下外表面。第二臂驱动皮带轮184安装在中间轴164的上端，第二螺母从动皮带轮164a安装在中间轴164的下端。

下固定板112支撑整个机器人，上固定板114在一间隔上，即在圆柱坐标型机器人从下固定板112可垂直移动的距离上设置。下固定板112和上固定板114由支撑框架116彼此连接。在此，在与外轴162接触的上固定板114和上圆盘124上设有供油部分114a和124a。供油部分114a和124a允许轴结构160平稳移动。

中空的中心轴123固定到旋转台120的中心上，旋转台120以中心轴123为旋件中心相对框架110旋转。

相对于框架110旋转旋转台120的第一驱动装置包括一θ电机126、一减速器128和一θ皮带/皮带轮装置。

θ电机126固定到下固定板112，由控制装置(未示出)控制产生动力，并最好是一传统电机。θ皮带/皮带轮装置包括：θ电机驱动皮带轮126a，它安装在θ电机126的输出轴上；一中心轴皮带轮123a，安装在中心轴123上和一θ电机驱动皮带127，它将θ电机驱动皮带轮126a连接到中心轴皮带轮123a。减速器128的输入端固定到θ电机126，输出端固定到下固定板112。因此，在θ电机126运行时，根据θ电机126的旋转，通过θ皮带/皮带轮装置的作用，下圆盘122相对于下固定板112旋转。

第二驱动装置，通过相对于框架110旋转丝杠130垂直移动机器人100的臂支撑框架180，它包括Z电机132和Z皮带/皮带轮装置。

Z电机132是可分开控制的，并可反向旋转，安装在移动件150上。

Z皮带/皮带轮装置包括安装在Z电机132的输出轴上驱动皮带轮132a，和Z皮带133，它将驱动皮带轮132a连接到安装在第一螺母136上的第一螺母皮带轮136a。

在驱动Z电机时，Z电机的扭矩由Z皮带/皮带轮装置传递到第一螺母总成134的第一螺母136，并且第一螺母136相对于丝杠130旋转。因此，第一螺母136围绕不旋转的丝杠130旋转。这时，第三螺母138不旋转，沿丝杠130垂直地与第一螺母136一起移动。因此，移动件150能垂直移动。此时，与导杆140接合的第二螺母144沿导杆140垂直移动，导向移动件150的垂直移动。最后，由Z电机132旋转第一螺母136，并且在旋转丝杠130时第三螺母138与丝杠130一起旋转。另外，第三螺母皮带轮138a安装在第三螺母138的上部，并且由第三螺母皮带139连接到安装在外轴162上的第三螺母从动皮带轮162a。

相对于旋转台120分开旋转外轴162和中间轴164的第三驱动装置包括一第一臂驱动电机172(图3)和第二臂驱动电机176，它仍安装在旋转台120，可在向前和向后方向独立控制和旋转，和第一和第二臂驱动皮带/皮带轮装置。第一和第二臂驱动电机172和176的扭矩分别传递到外轴162和中间轴164，最后旋转相应的第一和第二臂驱动轴186和188。

如图3所示，第一臂驱动电机皮带轮172a安装在第一臂驱动电机172的输出轴上，第一臂驱动电机皮带轮172a由第一臂驱动皮带/皮带轮装置173连接到安装在丝杠130的下端上的第一臂驱动电机驱动的皮带轮130a上，第一臂驱动皮带/皮带轮装置173由多个皮带和皮带轮构成。第一臂驱动皮带/皮带轮装置173，取决于机器人的其它组件的配置，可以由多个皮带和皮带轮构成，另外第一臂驱动电机皮带轮装置172a也可由一皮带连接到第一臂驱动电机从动皮带轮130a。

在此，第一臂驱动电机172的扭矩由第一臂驱动皮带/皮带轮装置173传递到并旋转丝杠130，并且外轴162由安装在第三螺母138上的第三螺母皮带/皮带轮装置旋转。因此，第一臂驱动轴186被旋转，并且最后第一臂部分192被旋转。此时，在丝杠130旋转时，设有一反向旋转装置使第一螺母136在垂直方向不移动。反向旋转装置在第一臂驱动电机172旋转方向的相反方向驱动Z电机132，并防止第一螺母136与丝杠130同时移动。

第二臂驱动电机皮带轮176a作为第二臂驱动皮带/皮带轮装置安装在第二臂驱动电机176的输出轴上，并由第二臂驱动电机皮带177连接到在导杆140的下端上安装的第二臂驱动电机从动皮带轮140a上。即，第二臂驱动电机176的扭矩由第二臂驱动皮带/皮带轮装置传递到并旋转导杆140，并由安装在第二螺母144上的第二螺母皮带/皮带轮装置旋转中间轴164。据此，第二臂驱动轴188被旋转最后枢轴旋转第二臂部分194。

臂支撑框架180安装在轴结构160的一端上并与轴结构160一同旋转。另外，臂驱动轴轴承186a和188a插在第一和第二臂驱动轴186与188和臂支撑框架180间使第一和第二臂驱动轴186和188能平稳地旋转。

第一和第二臂驱动轴186和188可独立被驱动旋转。第一臂从动皮带轮183安装在第一臂驱动轴186下部，并由第一臂驱动皮带185连接到第一臂驱动皮带轮182。另外，第二臂被从动皮带轮187安装在第二臂驱动轴188的下部上，并由第二臂驱动皮带189连接到第二臂驱动皮带轮184上。

第一和第二臂部192和194分别安装在第一和第二臂驱动轴186和188的上部并垂直于第一和第二臂驱动轴186和188从它们中伸出，使得与轴结构160的外和中间轴162和164一起枢轴旋转。即，第一臂部192通过第一臂部皮带/皮带轮和轴承191安装在第一臂驱动轴186的上部，第二臂部194通过第二臂部皮带/皮带轮和轴承195安装在第二臂驱动轴188的上部。

如图4所示，驱动机器人的各组件，如气动或液压管111、过滤器113、电磁阀115和真空传感器(未示出)等安装在框架110上。因此，这些组件不干扰轴结构160的旋转，并且安装在内轴166的空腔166a中的电缆或管线117(图2)数目可以减少。

下面参照图1-3说明上述本发明优选实施例的圆柱坐标型机器人的工作。

首先说明机器人在θ方向中的旋转。

当机器人的控制器操纵θ电机时，驱动安装在它输出轴上的皮带轮126a的θ电机旋转。然后，θ电机驱动皮带127试图旋转安装在中心轴123上的中心轴皮带轮123a。但是，因为θ电机126的输出端连接固定到下固定板112上的减速器128的输入端，固定到下圆盘122上的θ电机126的扭矩通过θ皮带/皮带轮装置相对于下固定板112旋转下圆盘122。因此，旋转台120相对于框架110旋转。

第二点，下面说明依据移动件的垂直移动的臂支撑框架的垂直移动。

当机器人的控制器操纵Z电机132时，安装在Z电机输出轴上的Z电机驱动皮带轮132a旋转。然后，第一螺母皮带轮136a由Z皮带133旋转，第一螺母136围绕丝杠旋转并垂直移动。因此，设有第一螺母136的移动件150能垂直移动。此时，第三螺母138不旋转，在沿丝杠130垂直移动的同时，导向移动件150的垂直移动。相似地，安装在移动件150上的第二螺母144在沿导杆140垂直移动时，导向移动件150的垂直移动。

第三点，下面说明驱动一对臂部的第一臂部的操作。

在机器人的控制器操纵第一臂驱动电机172时，安装在第一臂驱动电机172的输出轴上的第一臂驱动电机皮带轮172a旋转，它的扭矩通过第一臂驱动皮带/皮带轮173传递到安装在丝杠130下端上的第一臂驱动电机从动皮带轮130a。这样传递的扭矩旋转丝杠130。然后，装在丝杠130上的第三螺母138与丝杠130一起旋转，并旋转安装在它外周表面上的第三螺母皮带轮138a。扭矩由第三螺母皮带139传递到第三螺母从动皮带轮162a，旋转外轴162。由于外轴162的旋转，安装在外轴162上端的第一臂驱动皮带轮182旋转，这扭矩由第一臂驱动皮带185传递到第一臂从动皮带轮183，旋转第一臂驱动轴186。因此，安装在第一臂驱动轴186上的第一臂部192可水平枢轴旋转。

最后说明驱动一对臂部的第二臂部的工作过程。

机器人控制器操纵第二臂驱动电机176。然后，安装在第二臂驱动电机176的输出轴上的第二臂驱动电机皮带轮176a旋转，它的扭矩由第二臂驱动皮带177传递到安装在导杆140下端上的第二臂驱动电机从动皮带轮140a。这样传递的扭矩旋转导杆140。然后，装在导杆140上的第二螺母144与导杆140一起旋转，并旋转安装在它外周表面上的第二螺母皮带轮144a。由第二螺母皮带145将扭矩传递到第二螺母从动皮带轮164a，旋转中间轴164。由于中间轴164的旋转，安装在中间轴164上端的第二臂驱动皮带轮184旋转，由第二臂驱动皮带轮189将扭矩传递到第二臂从动皮带轮187，旋转第二臂驱动轴188。因此，安装在第二臂驱动轴188上的第二臂部194可水平枢轴旋转。

本发明的圆柱坐标型机器人显示出以下优点。

第一，因为在机器人下部设置机器人θ方向旋转的减速器，并且臂驱动减速器和垂直移动减速器数目能减少，制造成本低，机器人的整个尺寸减小。

第二，通过在臂驱动机构中用轴中轴的结构能使机器人的尺寸减小。

第三，通过在轴结构的内轴中形成空腔并将机器人的控制信号电缆和管线设在空腔内，有效地容纳电缆和管线。

Claims (8)

1.一种圆柱坐标型机器人，包括：

一框架；

一旋转台，相对于框架可旋转地安装；

一丝杠和一导杆，相对于旋转台可旋转地安装；

一移动件，设有第一螺母总成和第二螺母，第一螺母总成接合丝杠，第二螺母接合导杆，移动件相对于丝杠和导杆可垂直移动；

轴结构，设有可旋转的中空内轴，一中间轴和一外轴，它们与内轴同心，并可独立地旋转，轴结构的一端固定到移动件，另一端延伸通过旋转台和框架；

一臂支撑框架，它的中心部固定到轴结构的另一端，臂支撑框架具有两个侧部，一对臂驱动轴安装到两个侧部；

第一驱动装置，相对框架旋转旋转台；

第二驱动装置，相对于旋转台旋转丝杠；

第三驱动装置，相对于旋转台分开旋转轴结构的各轴。

2.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中第一螺母总成包括：

第一螺母，与丝杠可旋转地接合；和

第三螺母，一体地组装到第一螺母，能够沿丝杠垂直移动。

3.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中轴结构的外轴连接一对臂驱动轴的第一臂驱动轴；中间轴连接一对臂驱动轴的第二臂驱动轴，并位于内外轴之间。

4.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中机器人还包括分别安装在一对臂驱动轴上并垂直于它们伸出的一对臂部，以便与轴结构一同枢轴旋转。

5.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中框架包括通过支撑框架彼此连接的上下固定板；和过滤器、真空传感器和电磁阀，安装在上下固定板和支撑框架上，使得不干扰轴结构的旋转，并减少安装在内轴空腔内的电缆和管线数量。

6.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中第一驱动装置包括：

一电机，固定安装在旋转台上；和

一减速器，它的输入端连接电机，输出端固定到下固定板上。

7.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中第二驱动装置包括：

一电机，安装在移动件上可与移动件一起移动；和

第三皮带/皮带轮装置向丝杠传送电机的扭矩。

8.根据权利要求1所述的圆柱坐标型机器人，其中第三驱动装置包括：

两个电机，安装在旋转台上，可分开控制；和

皮带/皮带轮装置，用于将电机的扭矩分别传递到中间轴和外轴。

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