CN1706602A - 工业用机器人的管线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于工业用机器人的管线处理系统。具备：机械手，具备具有长度方向的第1轴线的前臂，并且前臂具有基部、第1手腕部件、以及第2手腕部件；作业工具，被安装在机械手的前臂的第2手腕部件上；管线，在前臂的外侧被铺设于基部和第2手腕部件之间，并且被连接到作业工具上；管线引导部，被设置在前臂上，大体平行于第1轴线地延伸且具有可以引导地收放管线的引导通路；以及管线保持部，被设置在第2手腕部件上，相对于作业工具将管线保持在适宜的位置上。管线引导部跟随第1手腕部件的旋转动作而在第1轴线的周围移动。管线保持部跟随第2手腕部件的旋转动作而在管线引导部与第2手腕部件之间以许用弯曲半径或以上的半径使管线挠曲。

Description

工业用机器人的管线系统

技术领域

本发明涉及用于工业用机器人的管线处理系统。

背景技术

在使用工业用机器人(以下简称为“机器人”)进行激光加工、电弧焊加工及密封加工中等作业的场合，需要向安装在机器人的手臂前端部的作业工具(即末端操作器)供给电力、激光等的能源以及电、光等信号以及气体、液体、金属线等的材料。进行这些能源和材料的供给时一般使用缆线、管道等的管线。例如，在激光加工中，使用向激光加工用喷嘴供给激光(光能)的光缆；在电弧焊中，使用向电弧焊用焊炬供给焊丝及焊接用电能的导管缆线；在密封加工中，使用向密封加工用喷嘴供给密封剂的密封剂供给管道。在本申请中，向作业工具输送能源、信号及材料等使用的缆线及管道等部件总称为管线。

管线一般因为其许用最小弯曲半径较大，所以在机器人上方空间以呈较大弯曲半径的形态被铺设。一旦采用这样的铺设形态，在机器人的手臂前端的手腕领域进行动作的作业中，便出现管线过分地被拉伸并缠绕到手臂上或管线过分松弛导致该曲率变大而产生和周围物体的干涉，从而会有能源和材料的供给变得不稳定的情况。例如在激光加工时，因光纤的曲率变化而会有激光的能量低下的危险，在电弧焊时，因导管缆线的姿态不稳定而产生焊线的输送不良的危险。

为了避免此问题，提出了将管线内置于机器人的前臂中的方法。例如特许第2606011号公报(JP-B-2606011)公开了如下的构成，即在激加工机器人中，将向安装在手臂前端的激光矩导入激光的光纤通过设置在手臂的旋转轴部(手腕扭转轴)上的中空部分进行铺设。另外，特开2003-200376公报(JP-A-2003200376)公开了如下的构成，在电弧焊中，将向安装在手臂前端的手腕部上的焊矩输送焊接焊丝的导管缆线通过手臂的内部空间进行铺设的构成。

上述公报记载的以往技术中，为了确保在伴随着手臂的动作管线移动时管线的最小弯曲半径，都采用了管线的一部分容易地露出在外部的构成。为此，有管线因该部分的露出部分而被过度地拉伸并缠绕在手臂上或过分松弛致使曲率变大之虞，从而无法完全避免激光的能量低下和焊丝的输送不良等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种管线处理系统，在该用于工业用机器人的管线处理系统中，能够将向安装在手腕部的作业工具供给能源和材料的管线沿前臂保持在稳定状态，因此能够防止在机器人的动作中管线缠绕到机器人上以及防止产生和周围物体的干涉，从而将能量和材料稳定正确地供给到作业工具。

为达到上述目的，本发明提供一种管线处理系统，具备：机械手，具备具有长度方向的第1轴线的前臂，并且前臂具有基部、以第1轴线为中心可以旋转地连接在基部上的第1手腕部件、以及以向与第1轴线大体正交的方向延伸的第2轴线为中心可以旋转地连接在第1手腕部件上的第2手腕部件；作业工具，被安装在机械手的上述前臂的上述第2手腕部件上；管线，在前臂的外侧被铺设于基部和第2手腕部件之间，并且被连接到作业工具上；管线引导部，被设置在前臂上，大体平行于第1轴线地延伸且具有可以引导地收放管线的引导通路，并且跟随以第1轴线为中心的第1手腕部件的旋转动作而在第1轴线的周围移动；以及管线保持部，被设置在第2手腕部件上，相对于作业工具将管线保持在适宜的位置上，并且跟随以第2轴线为中心的第2手腕部件的旋转动作而在管线引导部与第2手腕部件之间以许用弯曲半径或以上的半径使该管线挠曲。

在上述管线处理系统中，管线保持部可以做成具备安装在第2手腕部件上的贯通孔并在贯通孔内可以变位地容纳管线的构成。或者，管线保持部也可以做成具备安装在第2手腕部件上的夹紧部件并将管线固定在夹紧部件上的构成。

附图说明

本发明上述及其他的目的、特征、优点，通过与附图相关联的以下优选的实施例的说明会更加明晰。在该附图中，

图1是概略地表示可以采用本发明的管线处理系统的机器人系统的整体构成的一个例子的主视图。

图2A是概略地表示构成本发明的一个实施例的管线处理系统的机械手和其周边铺设的管线的主视图。

图2B是概略地表示图2A的机械手及管线的侧视图。

图3A是表示构成图2A的管线处理系统的管线引导部及管线保持部的图，是对应于图2A的概略主视图。

图3B是概略表示图3A的管线引导部及管线保持部的图，是对应于图2B的概略侧视图。

图3C是沿图3A的线III-III的截面图。

图4A～图4C是表示图2A的机械手的手腕部以第1轴线为中心旋转180度的动作时的管线的动作的图。

图5A～图5C是表示图2A的机械手的手腕部以第2轴线为中心旋转180度的动作时的管线的动作的图。

图6A～图6C分别表示构成图2A的管线处理系统的管线保持部的各种变型例的图

具体实施方式

以下，参照附图对本实施例进行详细说明。在图中，相同或类似的构成要素加以相同的参照符号。

参照附图，图1概要表示可以采用本发明的管线处理系统的机器人系统的整体构成的一个例子。图示的机器人系统具备：5轴垂直关节型的机器人机构部10；安装在机器人机构部10的手臂构造即安装在机械手12的前端的作业工具14；借助连接缆线16被连接在机器人机构部10上的机器人控制装置18；借助于连接缆线20被连接到机器人控制装置18上的能量/材料供给源22；以及从能量/材料供给源22向作业工具14对工件W的作业供给必要的能量和材料等的管线24。机器人控制装置18借助于连接缆线16控制机械手12的运动的同时，还借助于连接缆线20控制能量/材料供给源22的供给状态(供给接通/断开，能量的强度等)。

在上述机器人系统中，当实施激光加工的时，作为作业工具使用激光加工喷嘴，在能量/材料供给源22上装备激光振荡器，借助于构成管线24的光缆，加工用的光能(激光)由能量/材料供给源22被供给到作业工具14。管线24通常构成如下，将光缆、辅助气体和冷却水的配管、传感控制用缆线等整理成一体，或者收放到导管。

另外，利用上述机器人系统实施电弧焊时，作为作业工具使用电弧焊接用焊矩，在能量/材料供给源22上装备焊丝供给源，借助于构成管线24的导管缆线，焊丝由能量/材料供给源22被供给到作业工具14上。管线24通常由焊丝、从焊接电源将焊接电压/电流施加到焊丝上的线状的导体(缆线)以及辅助气体的配管组合而构成。而且在图1中，表示为作业工具14为电弧焊焊矩时，搭载到机械手12的前臂基部上的送丝装置26。

另外，利用上述机器人系统实施密封加工时，作为作业工具使用密封用喷嘴，在能量/材料供给源22上装备密封剂供给源，借助于构成管线24的密封剂供给管道，将密封剂由能量/材料供给源22供给到作业工具14。

上述的任何一种系统构成中，都有因管线24所许容的最小弯曲半径比较大而引起的共同的问题(机器人动作时的能量/材料的供给不稳定、管线24与周围物体的干涉等)。本发明系统构成虽然不同，但是利用相同的方法来解决共同的课题。

以下，作为例子说明适用于实施激光加工的机器人系统的本发明的一个实施例的管线处理系统。

如图2A及图2B所示，一个实施例的管线系统具备具有长度方向的第1轴线28a的前臂28的机械手12，具备：前臂28具有基部30、以第1轴线28a为中心可以旋转地连接在基部30上的第1手腕部件32以及以沿与第1轴线28a大体正交的方向延伸的第2轴线34a为中心可以旋转地连接到第1手腕部件32上的第2手腕部件34的机械手12；安装在机械手12的前臂28的第2手腕部件34上的作业工具14；在前臂28外侧，于基部30和第2手腕部件34之间被铺设并被连接到作业工具14上的管线24；设置在前臂28上，具有大体平行于第1轴线28a延伸且可以引导地收放管线24的引导通路36(图3A及图3B)的管线引导部38；以及安装在第2手腕部件34上且相对作业工具14将管线24保持在适宜位置上的管线保持部40。管线引导部38跟随以第1轴线28a为中心的第1手腕部件32的旋转动作在1轴线28a的周围移动而构成。另外，管线保持部40跟随以第2轴线34a为中心的第2手腕部件34的旋转动作在管线引导部38与第2手腕部件34之间以许用弯曲半径或以上的半径使管线24折弯而构成。

在第2手腕部件34的前端，形成作业工具安装面(或凸缘面)42，作业工具14被安装在作业安装面42上。并且在第2手腕部件34上形成贯通作业工具安装面42与其反对侧(远离作业工具14侧)一面的之间的贯通孔44。贯通孔44构成管线保持部40，具有略微大于管线24的外径的内径，而且向沿作业工具14的轴线14a的方向延长。

向作业工具14供给激光、材料及信号的管线24由基部30起沿第1手腕部件32且与第1轴线28大体平行地被铺设，经过贯通孔44，利用设置在作业工具14的基部上的管线连接部46连接到作业工具14上。比较理想的是沿着这样的路径而被铺设的管线24可以滑动地被引导并保持在适当的地方。在图示的实施例中，在基部30上设置第1保持部件48，在第1手腕部件32上设置第2保持部件50。各保持部件48、50具有筒状的形状，其中空部分具有足以使管线24可以滑动地通过的内径。

第2保持部件50构成管线引导部38，在前臂28周边向大体平行与第1轴线28a的方向稳定地引导并保持管线24。第2保持部件50被设置为：在第1手腕部件32及第2手腕部件34进行动作时，能够稳定保持管线24，并借助于设置机构52，相对第1手腕部件32以第1轴线28a为中心可以旋转。

如图3A及图3B所示，设置机构52通过第1轴承54和第2轴承56组合而构成，在第1手腕部件32上可以旋转地支撑第2保持部件50。第1轴承54被设置为围绕第1手腕部件32的外周，第2轴承56被安装在第1轴承54上使其能够以第1轴线28a为中心旋转移动。因此，在第1手腕部件32以第1轴线28a为中心旋转运动时，第2轴承56不被该旋转运动所约束。于是借助于第2轴承56，第2保持部件50经过第2轴承56的中心，以与第1轴线28a正交的轴线50a为中心旋转自如地被支撑在第1轴承54上。这样，第2保持部件50具有2个旋转自由度，且被设置在第1手腕部件32上。

管线24借助于设置在基部30上的筒状的第1保持部件48，向管线24的长度方向可以滑动地被保持。第1保持部件48的中空部分作为具有空出足够的间隙来容纳管线24的内径的引导通路58而被形成，在与其长度轴线正交的平面内在规定范围内可以移动地保持管线24。由此，管线24在机器人的动作中，在基部30的近旁维持规定的可以移动的范围地被约束。另外，替代第1保持部件48，作为产生同样的作用效果的部件，也可以使用来自工厂的顶棚等的弹簧平衡器而被吊起设置的保持机构。

经过第1保持部件48的管线24被引导至利用设置机构52而被设置在前臂中央的第1手腕部件32的第2保持部件50。第2保持部件50的中空部分作为具有空出足够的间隙来容纳管线24的内径的引导通路36而被形成，从而在沿其长度方向可以滑动地保持管线24的同时，还在与其长度轴线正交的平面内在规定范围内可以移动地保持管线24。这样，在机器人的第1手腕部件32及/或第2手腕部件34以第1轴线28a及/或第2轴线34a为中心旋转动作时，管线24在维持最小弯曲半径或以上的弯曲半径的同时，沿第1手腕部件32的外周面产生适当的弯曲及扭转地移动。这时，因为借助设置机构52的作用，第2保持部件50顺滑地跟随管线24的动作以第1轴线28a为中心自由地移动，所以，可以回避在管线24上施加过度的张力。

这样，在图示实施例所示的管线处理系统中，在具有第2手腕部件34相对第1手腕部件32以与第1轴线28a正交的第2轴线34a为中心可以旋转的构成的机械手12上，将构成管线引导部38的筒状的第2保持部件50以第1轴线28a为中心自由地旋转地设置在第1手腕部件32上，同时将构成管线保持部40的贯通孔44在第2手腕部件34形成，这样，即使当第1手腕部件32及第2手腕部件34产生比较大的动作时，也能够维持管线24的稳定状态，并能够防止能量供给和材料供给的不稳定化。

例如，在作业工具14为激光加工喷嘴的上述构成中，为了向工件W(图1)上实施激光加工，使作业工具14进行各种移动，从而相对工件W配置在适宜的焊接姿势。这时，连接作业工具14的管线24因为其最小弯曲半径较大，所以伴随着作业工具14的移动具有跨越很大范围而变位的倾向，但是通过采用图示实施例的管线处理系统，能够将管线24的变位抑制在较小的范围。

图4A～图4C表示前臂28的第1手腕部件32以第1轴线28a为中心旋转180度的旋转动作时的管线24的动作的一个例子。图4A表示作为第1手腕部件32的旋转控制轴的第1轴的角度等于-90度的状态，图4B表示该第一轴的角度等于0度(中立角度位置)的状态，图4C表示该第1轴的角度为+90度的状态。如图所示，第1手腕部件32以第1轴线28a为中心进行旋转时，作业工具14的位置维持其轴线14a平行于第1轴线28a的同时，且沿圆弧变化。此时管线24伴随构成管线引导部38的第2保持部件50的移动的同时，产生其自体的最小弯曲半径或以上的弯曲及扭转，并在第1手腕部件32上缓慢地卷绕地进行变位。

当第1手腕部件32旋转时，管线24能够不被第1保持部件48约束地向其长度方向移动。因此，在基部30上的第1保持部件48上，不向管线24施加多余的张力地抑制管线24的变位。因而，防止了管线24在基部30的周边侧向振摆。

另外，当第1手腕部件32旋转时，第2保持部件50顺滑地跟随管线24的变位，以第1轴线28a为中心跨越比第1手腕部件32的旋转角度还小的角度地移动。此时，管线24能够不被第2保持部件50约束地向其长度方向移动。因此，在第1手腕部件32上的第2保持部件50上，伴随第1手腕部件32的旋转，作用在管线24上的多余张力及产生过度的弯曲和扭转确实地得到防止。还有，因为第2保持部件50沿第1手腕部件32的外周在规定轨道上移动，所以管线24的变位变成稳定的动作，管线24能够维持沿前臂28的姿势，并且回避和周边部件的干涉。

图5A～图5C表示当前臂28的第2手腕部件34以第2轴线34a为中心跨越180度地进行旋转动作时的管线24的动作的一个例子。图5A表示作为第2手腕部件34的旋转控制轴的第2轴的角度等于-90度的状态，图5B表示该第2轴的角度等于0度(中立角度位置)的状态，图5C表示该第2轴的角度等于+90度的状态。还有，如图3A所示，第2手腕部件34设置在第1手腕部件32的侧方，在中立位置(图6B)上，作业工具14的轴线14a由第1轴线28a向侧方大体平行地偏移。

如图所示，第2手腕部件34以第2轴线34a为中心旋转时，作业工具14的位置便使其轴线14a摇动地发生变化。此时管线24一边伴随构成管线引导部38的第2保持部件50的移动，一边产生其自身的最小弯曲半径或以上的弯曲及扭转地变位。而且，当第2手腕部件34旋转时，管线24能够不受第2保持部件50约束向其长度方向移动。由此，在第1及第2保持部件48、50上，不向管线24施加过度的张力地抑制管线24的变位。因而，管线24向作业工具14的相反一侧的突出被抑制为最小限度。另外，如前所述，因为第2保持部件50以轴线50a为中心可以旋转地被支撑在第1手腕部件32上，所以第2手腕部件34例如位于图5A或图5C的位置时，跟随管线24的变位，第2保持部件50以轴线50a为中心仅旋转适当的角度(比第2手腕部件34的旋转角度还小的角度)，所以能够有效地抑制管线24的弯曲及扭转。

以上，对本发明的典型的实施例进行了说明，但是本发明不限于上述的实施例，可以有各种变型。例如，第2保持部件50的设置机构52可以省略第2轴承56，将第2保持部件50的旋转自由度限定为1个(以第1轴线28为中心)。或能够将第2保持部件50与第1保持部件48同样地固定设置在第1手腕部件32上。

另外，上述实施形态是具有由前臂28的基部30起沿第1轴线28a延长的部分为第1手腕部件32的机械手12的例子，但取而代之，在固定在基部30上的延长部分的前端邻接于第2手腕部件34的部分为由作为第1手腕部件32’(图3A)而构成的机械手也可以在本发明的管线处理系统中采用。在该场合下也能够获得也上述作用效果同等的作用效果。

而且，在上述实施例中，作为管线保持部40采用了形成于第2手腕部件34上的贯通孔44，但也能够采用具有其他构成的管线保持部40。例如如图6A所示，通过设置在第2手腕部件34上的夹紧部件58，能够构成管线保持部40。这时，管线24固定在夹紧部件58上。夹紧部件58像上述贯通孔44那样设置在作业工具14的轴线14a上是比较困难的，但最好尽量设置在轴线14a附近。另外，夹紧部件58是将管线24机械地固定的部件，虽然与第1保持部件48和第2保持部件50不同，不容许管线24的滑动，但是，从夹紧部件58的位置至作业工具14的距离比较短，所以即使固定管线24也不会产生障碍。

或者，如图6B所示，替代固定用的夹紧部件58，能够将与第1保持部件48和第2保持部件50同样的筒状的夹紧部件60使用在管线保持部40上。即使在该构成中，也可以将夹紧部件60尽量设置在有作业工具的轴线14a附近。

或者，如图6C所示，替代夹紧部件58、60，能够将具有相互自如拆装地组合在一起的第1连接部件62a及第2连接部件62b的连接器62使用在管线保持部40上。这时，管线24可以相互连接和分离地具备通过管线引导部38(图3A)引导的第1部份24a和连接到作业工具14上的第2部分24b。于是，管线24的第1部分24a被安装在连接器62的第1连接部件62a上，管线24的第2部分24b被安装在连接器62的第2连接部件62b上。这样的构成当作业工具14是例如激光加工喷嘴和密封用喷嘴的场合时，尤其可以容易地采用。当作业工具14是激光加工喷嘴的场合，作为连接器62，使用光纤连接器或者将其和辅助气体导路用连接器的组合。另外，当作业工具14是密封用喷嘴的场合，使用不泄漏密封剂的导路连接器作为连接器62。

以上，联系其相关的优选实施例对本发明进行说明，但对于本领域的技术人员，只要不脱离后面所述的权力要求的范围的精神及公开范围，可以进行各种修改及变更。

Claims (10)

1.一种管线处理系统，其特征在于，具备：

机械手(12)，具备具有长度方向的第1轴线(28a)的前臂(28)，并且该前臂具有基部(30)、以该第1轴线为中心可以旋转地连接在该基部上的第1手腕部件(32)、以及以向与该第1轴线大体正交的方向延伸的第2轴线(34a)为中心可以旋转地连接在该第1手腕部件上的第2手腕部件(34)；

作业工具(14)，被安装在上述机械手的上述前臂的上述第2手腕部件上；

管线(24)，在上述前臂的外侧被铺设于上述基部和上述第2手腕部件之间，并且被连接到上述作业工具上；

管线引导部(38)，被设置在上述前臂上，大体平行于上述第1轴线地延伸且具有可以引导地收放上述管线的引导通路(36)，并且跟随以该第1轴线为中心的上述第1手腕部件的旋转动作而在第1轴线的周围移动；以及

管线保持部(40)，被设置在上述第2手腕部件上，相对于上述作业工具将上述管线保持在适宜的位置上，并且跟随以上述第2轴线为中心的该第2手腕部件的旋转动作而在上述管线引导部与该第2手腕部件之间以许用弯曲半径或以上的半径使该管线挠曲。

2.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述管线保持部具备设置在上述第2手腕部件上的贯通孔(44)，并且在该贯通孔内可以变位地容纳上述管线。

3.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述管线保持部具备设置在上述第2手腕部件上的夹紧部件(58；60)，并且上述管线被固定在该夹紧部件上。

4.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述管线可以相互连接和分离地具备用上述管线引导部引导的第1部分(24a)和连接到上述作业工具上的第2部分(24b)，并且上述管线保持部具备安装在该管线的该第1部分上的第1连接部件(62a)和与该第1连接部件拆装自如地被组合且被安装在该管线的该第2部分上的第2连接部件(62b)。

5.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述作业工具是激光加工用喷嘴，并且上述管线包括光缆。

6.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述作业工具是电弧焊用焊矩，并且上述管线包括焊丝。

7.根据权利要求1所述的管线处理系统，其特征在于，上述作业工具是密封用喷嘴，并且上述管线包括密封剂供给管路。

8.一种管线处理系统，其特征在于，具备：

机械手(12)，具备具有长度方向的第1轴线(28a)的前臂(28)，并且该前臂具有基部(30)、以该第1轴线为中心可以旋转地连接在该基部上的第1手腕部件(32)、以及以向与该第1轴线大体正交的方向延伸的第2轴线(34a)为中心可以旋转地连接到该第1手腕部件上的第2手腕部件(34)；

作业工具(14)，被安装在上述机械手的上述前臂的上述第2手腕部件上；

管线(24)，在上述前臂的外侧被铺设于上述基部和上述第2手腕部件之间，并且被连接到上述作业工具上；以及

管线保持部(40)，被安装在上述第2手腕部件上，相对于上述作业工具将上述管线保持在适宜位置上，并且跟随以上述第2轴线为中心的该第2手腕部件的旋转动作而在上述基部与该第2手腕部件之间以许用弯曲半径或以上的半径使该管线挠曲；

上述管线保持部具备设置在上述第2手腕部件上的贯通孔(44)，并且在该贯通孔内可以变位地容纳上述管线。

9.一种管线处理系统，其特征在于，具备：

机械手(12)，具备具有长度方向的第1轴线(28a)的前臂(28)，并且该前臂具有基部(30)、以第1轴线为中心可以旋转地连接在该基部上的该第1手腕部件(32)、以及以向与该第1轴线大体正交的方向延伸的第2轴线(34a)为中心可以旋转地连接到该第1手腕部件上的第2手腕部件(34)；

作业工具(14)，被安装在上述机械手的上述前臂的上述第2手腕部件上；

管线(24)，在上述前臂的外侧被铺设于上述基部和上述第2手腕部件之间，并且被连接到上述作业工具上；以及

管线保持部(40)，被安装在上述第2手腕部件上，相对于上述作业工具将上述管线保持在适宜位置上，并且跟随以上述第2轴线为中心的该第2手腕部件的旋转动作而在上述基部与该第2手腕部件之间以许用弯曲半径或以上的半径使该管线挠曲；

上述管线保持部具备设置在上述第2手腕部件上的夹紧部件(58；60)，并且上述管线被固定在该夹紧部件上。

10.具备权利要求1～9中任何一项所述的管线处理系统的工业用机器人系统。

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