CN1287954C

CN1287954C - 多关节工业机器人

Info

Publication number: CN1287954C
Application number: CNB021458634A
Authority: CN
Inventors: 坂本正文; 远藤薰; 山添勝広; 小曳雄洋
Original assignee: Nidec Servo Corp; Tazmo Co Ltd
Current assignee: Tazmo Co Ltd; Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: CN1411960A; TW592912B; US6781337B2; KR20030032853A; US20030085681A1; JP2003117877A

Abstract

在一种具有多个臂的工业机器人中，各个臂与例如安装基座、其它的臂、机械手的其它元件连接起来，并且借助旋转关节的运动而旋转。旋转关节具有一个可以无限旋转例如一个集电环或一个旋转变压器的旋转电连接结构，并且还具有用于感知各个臂的旋转角度的编码器。所述臂借助用于驱动马达的电源进行旋转，并且通过该旋转电连接结构供应或传输用于控制马达驱动的控制信号，以便所述臂可以无限地旋转，而不会使电缆扭曲或折断。

Description

多关节工业机器人

技术领域

本发明涉及一种多关节型工业机器人，该多关节型工业机器人具有多个分别由多个关节连接的多个臂，该多关节型工业机器人用于例如在半导体器件制造过程中输送半导体晶片。

背景技术

具有多个旋转关节的工业机器人通常用于输送工件、例如输送在一个半导体器件的制造设备中的半导体晶片。现有的具有多个关节的工业机器人71如图7和8所示。在该工业机器人71中，一个第一马达73设置在一个安装基座72上。一个第一臂74在第一臂74的端部附近与第一马达73的一个驱动轴73a连接。一个第二马达75设置在第一臂74的另一端附近。一个第二臂76在第二臂76的一端附近与第二马达75的一个驱动轴75a连接。一个第三马达77设置在第二臂76的另一端附近。一个用于夹取例如半导体晶片等工件的机械手78在机械手78的一端附近与第三马达77的驱动轴77a连接。

第一臂74借助第一马达73的旋转力旋转。第二臂76借助第二马达75的旋转力旋转。机械手78借助第三马达77的旋转力旋转。一个用于感知工件存在的传感器79设置在机械手78的一个顶端附近。

驱动控制器80进一步设置在安装基座72中。分别设置电缆81、82和83，用以向第一至第三马达73、75和77提供电源和驱动信号。而且，设有一个电缆84，用于连接传感器79和驱动控制器80。

在该现有的工业机器人71中，电缆82至84直接从驱动控制器80连接到设置在臂74和76及机械手78上的马达75和77以及传感器79上。当臂74和76以及机械手78旋转时，电缆82至84被弯曲和/或扭曲，或者电缆82至84被缠绕在臂74和76以及机械手78上。因此，电缆82至84易于断裂，并且臂74和76以及机械手78的旋转角度受到限制，从而使臂74和76以及机械手78不能无限的旋转。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有多个关节的工业机器人，其中，电缆不会弯曲或扭曲，并且不会缠绕在臂或机械手上，从而不会由于电线的疲劳而断线，并且，该臂和机械手还可以无限地旋转。

根据本发明的一个方案的工业机器人，具有多个通过旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各旋转关节的马达的驱动力运动。各个旋转关节可以无限地旋转，并且具有可以无限旋转的旋转电连接结构，至少用于从一个控制电路向马达提供电力。

采用这种结构，当壁旋转时，可以通过没有电缆的旋转电连接结构向马达供电。因此，该臂可以无限地旋转而不会扭曲或折断电缆。

为此，本发明提供一种工业机器人，其具有由多个旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各个旋转关节的马达的驱动力运动，其中，各旋转关节可以无限地旋转，并且具有一个可以无限地旋转的旋转电连接结构，用于从一个控制电路向所述马达供应电力；所述旋转电连接结构是一个集电环结构，该集电环结构具有多个可以相应于臂的旋转而旋转的导电旋转构件，和多个不相应于臂的旋转而旋转的导电固定构件，并且，是通过旋转构件和固定构件的滑动而实现电连接的；各旋转关节还具有一个用于感知各个臂的旋转角度的编码器；编码器的旋转轴整体地连接到集电环结构的一个旋转轴上；并且集电环结构还用于从编码器向控制电路传输读出信号。

本发明还提供了一种工业机器人，其具有由多个旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各个旋转关节的马达的驱动力运动，其中，各旋转关节可以无限地旋转，并且具有一个可以无限地旋转的旋转电连接结构，用于从一个控制电路向所述马达供应电力；旋转电连接结构是一个旋转变压器，该旋转变压器具有一个可以相应于臂的旋转而旋转的旋转次级线圈，和一个不相应于臂的旋转而旋转固定初级线圈，并且电连接是通过固定初级线圈和旋转次级线圈之间的电磁感应来实现的；各个旋转关节还具有一个用于感知各个臂的旋转角度的编码器；该编码器的旋转轴整体地连接到旋转变压器的一个旋转轴上；并且旋转变压器还用于从编码器向控制电路传输读出信号。

附图说明

图1是根据本发明的工业机器人的第一个实施例的外观透视图；

图2是第一个实施例中的工业机器人的局部侧剖视图；

图3是表示第一个实施例中的工业机器人的第一旋转关节的部分结构的剖视图；

图4A是表示第一个实施例中的工业机器人的集电环结构的侧剖视图；

图4B是表示第一个实施例中的集电环的平面剖视图；

图5是本发明的第二个实施例中的工业机器人的局部侧剖视图；

图6是表示第二个实施例中的旋转变压器的结构的侧剖视图；

图7是表示现有的工业机器人的外观的透视图；

图8是表示现有的工业机器人的布线结构的局部侧剖视图。

具体实施方式

第一个实施例

现在，说明根据本发明的工业机器人的第一个实施例。图1表示第一个实施例中的工业机器人1的外观。图2表示该工业机器人1的局部侧剖视图。该工业机器人1包括一个将被固定在工厂的地板上的安装基座2、一个第一旋转关节3、一个通过第一旋转关节3与安装基座2连接的第一臂4、一个第二旋转关节5、一个通过第二旋转关节5与第一臂4连接的第二臂6、一个第三旋转关节7和一个通过第三旋转关节7与第二臂6连接的机械手8。该机械手8用于夹取一个半导体晶片60。一个用于感知半导体晶片60存在的传感器9被设置在机械手8的顶端附近。

图3表示第一旋转关节3的一部分的结构。第二旋转关节5和第三旋转关节7具有基本相同的结构。

参照图2和3，第一旋转关节3包括一个马达11、一个集电环12、和一个用于感知马达11的驱动轴11a的旋转角度或用于感知第一臂4的旋转角度的和一个编码器13。集电环12的旋转轴和编码器13的旋转轴连接起来，以便将集电环12和编码器13整合成一体。第一臂4在其基端附近与马达11的驱动轴11a连接，以便第一臂4可以借助马达11的驱动力在一个水平面中绕驱动轴11a旋转。由于马达11的驱动轴11a是中空的，所以电缆22b、23b和24b从第一臂4的顶面通过马达11的该驱动轴11a的内部与集电环12对准。

参考图2，第二旋转关节5包括一个马达14、一个集电环15、和一个用于感知马达14的驱动轴14a的旋转角度或用于感知第二臂6的旋转角度的编码器16。集电环15和编码器16连接起来，以便将集电环15和编码器16整合成一体。第二臂6在其基端附近与马达14的驱动轴14a连接，以便第二臂6可以借助马达14的驱动力在一个水平面中绕驱动轴14a旋转。由于马达14的驱动轴14a是中空的，所以电缆23c和24c从第二臂6的顶面通过马达14的该驱动轴14a的内部与集电环15对准。

第三旋转关节7包括一个马达17、一个集电环18、和一个用于感知马达17的驱动轴17a的旋转角度或用于感知机械手8的旋转角度的编码器19。该集电环18和编码器19被整合成一体。机械手8在其基端附近与马达17的驱动轴17a连接，以便机械手8可以借助马达17的驱动力在一个水平面中绕驱动轴17a旋转。由于马达17的驱动轴17a是中空的，所以电缆24d从机械手8的顶面通过马达17的该驱动轴17a的内部与集电环18对准。

用于控制工业机器人1的控制电路20设置在安装基座2的内部。控制电路20由一个微型计算机系统构成，用于产生一个控制信号和用于产生驱动马达的电力的电源供应。电缆21是一个直接连接在控制电路20和设置在安装基座2上的马达11之间的电源电缆，用于提供驱动马达11的电力。电缆22a和22b是经由集电环12连接在控制电路20和设置在第一臂4上的马达14之间的电源电缆，用于提供驱动马达14的电力。电缆23a、23b和23c是经由集电环12和15连接在控制电路20和设置在第二臂6上的马达17之间的电源电缆，用于提供驱动马达17的电力。电缆24a、24b、24c和24d是经由集电环12、15和18连接在控制电路20和设置在机械手8上的传感器9之间的信号电缆，用于在控制电路20和传感器9之间传输对应于传感器9的读出结果的信号和对应于用于激活传感器9的电力的信号。用于传输对应于马达11、14和17的驱动轴11a、14a和17a的旋转角度读出信号的、连接在控制电路20和编码器16和19之间的信号电缆在图中未示出。然而，经由集电环12和15平行地配列有电缆22a、22b、23a、23b和23c。从编码器13而来的读出信号被直接输入给控制电路20。

图4A是集电环12的侧剖视图，图4B是集电环12的平面剖视图。如从图4A和4B可以看出的那样，电流集电环(导电旋转构件)122a、122b和122c固定在集电环12的旋转轴121的外表面上。电刷(导电固定构件)124a、124b和124c和端子125a、125b和125c设置在集电环12的外壳123的内表面中。使电刷124a、124b和124c保持与电流集电环122a、122b和122c的侧表面接触。当旋转轴121旋转时，电刷124a、124b和124c在电流集电环122a、122b和122c的侧表面上以保持电接触的状态滑动。

旋转轴121是一个中空轴，以便电缆22b、23b和24b通过旋转轴121的内部对准，从而与电流集电环122a、122b和122c连接。另一方面，电缆22a、23a和24a分别连接到端子125a、125b和125c上。采用这种结构，电缆22a、23a和24a分别点连接到电缆22b、23b和24b上。旋转轴121的一端与马达11的驱动轴11a连接，以便借助马达11的驱动力与驱动轴11a一起旋转。旋转轴121的另一端与编码器13的旋转轴(图中未示出)连接，所述编码器13与集电环12整合成一体。

当驱动马达11以旋转第一臂4时，由于驱动轴11a的顶端与第一臂4连接并且驱动轴11a的底端与集电环12的旋转轴121连接，所以集电环12的旋转轴121被旋转与第一臂4的旋转角度相同的角度。电流集电环122a、122b和122c上的电缆22b、23b和24b的连接点、例如焊点相应于第一臂4的旋转被旋转与第一臂4的旋转角度相同的旋转角度。换而言之，可以考虑将电流集电环122a、122b和122c上的电缆22b、23b和24b的连接点固定到第一臂4上。另一方面，电缆22b、23b和24b的另一端被连接到固定在第一臂4的第二旋转关节5的集电环15上。因此，即使当第一臂4旋转时，电流集电环122a、122b和122c上的电缆22b、23b和24b连接点的相对位置相对于电缆22b、23b和24b对集电环15的连接点也不变。因此，即使当第一臂4旋转时，电线22b、23b和24b也不会自己扭曲并且不会缠绕在第一臂4上。电缆22b、23b和24b绝不会由于第一臂4的旋转而折断。

集电环15和17分别具有与图4A和4B所示集电环12相同的结构。因此，未表示出集电环15和17的结构。如参照图2所述，电缆23b和24b经由集电环15分别电连接到电缆23c和24c上。很容易理解，即使当第二臂6旋转时，电缆23c和24c也不会自己扭曲且不会缠绕在第二臂6上。类似地，电缆24c经由集电环18电连接到电缆24d上。很容易理解，即使当机械手8旋转时，电缆24d也不会自己扭曲且不会缠绕在机械手8上。

采用这种结构，可以从控制电路20向马达11、14和17供应电力，并且，当集电环12、15和18的旋转轴旋转时，可以在控制电路20和传感器9之间传输读出信号和电力。进而，第一臂4、第二臂6和机械手8的旋转角度不受限制，以便它们可以无限地旋转。

第二个实施例

现在，说明根据本发明的工业机器人的第二个实施例。图5表示第二个实施例中的工业机器人1的一个局部侧剖视图。

该工业机器人1包括一个安装基座2、一个通过一个第一旋转关节3连接到安装基座2上的第一臂4、一个通过第二旋转关节5连接到第一臂4上的第二臂6、和一个通过第三旋转关节7连接到第二臂6上的机械手8。一个用于感知半导体晶片60的存在的传感器9设置在机械手8上。

在第二个实施例中，第一旋转关节3包括一个马达11、一个旋转变压器31和一个用于感知马达11的驱动轴11a的旋转角度的编码器13。旋转变压器31的旋转轴和编码器13的旋转轴连接起来，以便将旋转变压器31和编码器13整个成一体。类似地，第二旋转关节5包括一个马达14、一个组成一体的旋转变压器32和一个编码器16。第三旋转关节7包括一个马达17和一个组成一体的旋转变压器33和编码器19。马达11、14和17以及编码器13、16和19分别具有与上述第一个实施例中所述结构的相同的结构。

电缆41是一个直接连接在控制电路20的设置在安装基座2上的马达11之间的电源电缆，用于提供驱动马达11的电源。电缆42是用于向工业机器人1的各个部分(主要是马达14和17)提供电力的电源电缆。电缆43是串联信号传输缆线，用于向工业机器人1的各个部分(主要是调制解调器53)串行传输控制信号，并且用于从编码器13、16和19以及传感器9向控制电路20传送读出信号。

电缆42和43分别连接到一个调制解调器51上。调制解调器51将电源调制成可以由旋转变压器31、32和33传输的驱动电源传输信号。调制解调器51进一步将控制信号调制成可以由旋转变压器31、32和33传输的控制信息传输信号。电缆44a、44b、44c和44d是用于传输由调制解调器51调制的驱动电源传输信号的信号传输缆线。电缆45a、45b、45c和45d是用于传输由调制解调器51调制的控制信息传输信号的信号传输缆线。电缆45a、45b、45c和45d进一步传输下面将要说明的读出结果传输信号。

电缆44b和45b从第一臂4的顶面通过马达11的驱动轴11a的内部连接到旋转变压器31上。电缆44c和45c从第二臂6的顶面通过马达14的驱动轴14a的内部连接到旋转变压器32上。电缆44d和45d从机械手8的顶面通过马达17的驱动轴17a内部连接到旋转变压器33上。

调制解调器52将控制信息传输信号解调成一个控制信号。之后，调制解调器52利用解调的控制信号将驱动电源传输信号解调成一个驱动电源，并且解调的驱动电源被供应给马达11。而且，调制解调器52将对应于第一臂4的旋转角度的编码器16的读出信号调制成一个可以由旋转变压器31传输的读出结果传输信号。

类似地，调制解调器53将控制信息传输信号解调成一个控制信号。之后，调制解调器53利用解调的控制信号将驱动电源传输信号解调成驱动电源，并且解调的驱动电源被供应给马达14。而且，调制解调器53将对应于第二臂6的旋转角度的编码器19的读出信号调制成一个可以由旋转变压器31和32传输的读出结果传输信号。

一个调制解调器54将控制信息传输信号解调成一个控制信号。之后，调制解调器54利用解调的控制信号将驱动电源传输信号解调成驱动电源，并且解调的驱动电源被供应给传感器9。进而，调制解调器54将对应于半导体晶片是否存在的传感器9的读出信号调制成一个可以由旋转变压器31、32和33传输的读出结果传输信号。

调制解调器51将从调制解调器52、53和54来的读出结果传输信号解调成从传感器9和编码器16和19的读出信号，并且将解调的读出信号输入控制电路20。控制电路20利用读出信号控制工业机器人1。编码器13的读出信号被直接输入给控制电路20。

图6表示旋转变压器31的一个结构。一个固定的初级线圈312和连接到固定变压器312上的端子313a和313b被设置在外壳311的底部上。一个旋转的次级线圈315被固定在旋转变压器31的旋转轴314上。采用这种结构，固定的初级线圈312和旋转的次级线圈315通过电磁感应被电连接起来。旋转变压器31具有一个多通道结构，通过该多通道结构可以同时传输两种不同类型的信号。

由于旋转变压器31的固定的初级线圈312和旋转的次级线圈315通过电磁感应电连接起来，所以驱动电源传输信号和控制信息传输信号必须是交流信号或脉冲电流信号。调制解调器51将电源调制成交流或脉冲驱动电源传输信号。进而，调制解调器51将控制信号调制成交流或脉冲控制信息传输信号。

各个调制解调器52、53和54将交流或脉冲驱动电源传输信号解调成电源，并且将交流或脉冲控制信息传输信号解调成控制信号。各调制解调器52和53具有例如一个用于接通和断开向马达14或17的电源供应的开关电路。该开关电路由控制信号控制，所述控制信号分别具有例如与调制解调器52和53或马达14和17相应的标识。

旋转轴314具有是中空的，电缆44b和45b被连接到旋转的次级线圈315上。电缆44b和45b电缆44b、45b进一步配列在马达11的中空驱动轴11a的内部。图6中未示出的电缆44a和45a将被连接到端子313a、313b上，以便使电缆44a和44b、45a和45b电连接。旋转轴314的一端与马达11的驱动轴11a连接，以便相互旋转。旋转轴314的另一端与编码器13的一个旋转轴连接，所述编码器13与旋转变压器31整合成一体。

当驱动马达11用以旋转第一臂4时，由于马达11的驱动轴11a的顶端与第一臂4连接并且驱动轴11a的底端与旋转变压器31的旋转轴314连接，所以旋转变压器31的旋转轴314被旋转与第一臂4的旋转角度相同的角度。电缆44b和45b在旋转次级线圈315上的连接点被旋转与旋转轴314相应于第一臂4的旋转而旋转的角度相同的旋转角度。换而言之，可以考虑将电缆44b和45b在旋转次级线圈315上的连接点固定到第一臂4上。另一方面，电缆44b和45b的另一端被连接到固定在第一臂4上的第二旋转关节5的旋转变压器32上。因此，即使当第一臂4旋转时，电缆44b和45b在旋转次级线圈315上的连接点相对于电缆44b和45b与旋转变压器32的固定初级线圈的连接点的相对位置也不变。结果，即使当第一臂4旋转时，电线44b和45b也不会自己扭曲并且不会缠绕在第一臂4上。

旋转变压器32和33分别具有与图6所示的旋转变压器31基本相同的结构。因此，不再说明旋转变压器32和33的结构。如上面参考图5所述，电缆44b和45b经由旋转变压器32分别电连接到电缆44c和45c上。易于理解，即使当第二臂6旋转时，电缆44c和45c也不会自己扭曲且不会缠绕在第二臂6上。类似地，电缆44c和45c经由旋转变压器33电连接到电缆44d和45d上。易于理解，即使当机械手8旋转时，电缆44d和45d也不会自己扭曲并且不会缠绕在机械手8上。

采用这种结构，可以从控制电路20向马达11、14和17以及传感器9供应电力，并且，当旋转变压器31、32和33的旋转轴旋转时，可以在控制电路20和传感器9以及编码器13、16和19之间传输读出信号。进而，第一臂4、第二臂6和机械手8的旋转角度不受限制，从而可以无限地旋转。

本申请基于在日本申请的日本专利申请2001-319385，其内容在此引作为参考。

尽管已经通过参照附图以举例的方式对本发明进行了说明，但是应当理解，对于本领域人员来说，各种改变和变型都是明显的。因此，除非是超出本发明范围的改变和变型，否则均将被解释为包含在本发明范围之中。

Claims

1.一种工业机器人，具有由多个旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各个旋转关节的马达的驱动力运动，其中，

各旋转关节可以无限地旋转，并且具有一个可以无限地旋转的旋转电连接结构，用于从一个控制电路向所述马达供应电力；

所述旋转电连接结构是一个集电环结构，该集电环结构具有多个可以相应于臂的旋转而旋转的导电旋转构件，和多个不相应于臂的旋转而旋转的导电固定构件，并且，是通过旋转构件和固定构件的滑动而实现电连接的；

各旋转关节还具有一个用于感知各个臂的旋转角度的编码器；

编码器的旋转轴整体地连接到集电环结构的一个旋转轴上；并且

集电环结构还用于从编码器向控制电路传输读出信号。

2.一种工业机器人，具有由多个旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各个旋转关节的马达的驱动力运动，其中，

旋转电连接结构是一个旋转变压器，该旋转变压器具有一个可以相应于臂的旋转而旋转的旋转次级线圈，和一个不相应于臂的旋转而旋转固定初级线圈，并且电连接是通过固定初级线圈和旋转次级线圈之间的电磁感应来实现的；

各个旋转关节还具有一个用于感知各个臂的旋转角度的编码器；

该编码器的旋转轴整体地连接到旋转变压器的一个旋转轴上；并且

旋转变压器还用于从编码器向控制电路传输读出信号。

3.如权利要求2所述的工业机器人，进一步包括：

用于将从控制电路供应的电源和从控制电路传输的控制信号调制成其它信号的多个调制解调器，所述调制解调器可以借助旋转变压器的电磁感应被电连接起来，并且，所述调制解调器用于将调制的其它信号解调成电源和控制信号。