CN1771115B

CN1771115B - 关节式机械手

Info

Publication number: CN1771115B
Application number: CN2004800094060A
Authority: CN
Inventors: 滨安宏; 田中良明; 稻田隆浩
Original assignee: Toyota Motor Corp; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: US20060179964A1; JPWO2004069493A1; CN1771115A; JP4263189B2; EP1598153A1; KR20050096179A; EP1598153B1; EP1598153A4; ATE495860T1; US7841256B2; WO2004069493A1; KR100711314B1; DE602004031084D1

Abstract

小型化关节式机械手(20)包括第一臂构件(30A)和第二臂构件(30B)，其中第一臂构件(30A)内部带有两个驱动马达(33、34)，第二臂构件(30B)不带有任何相当于驱动马达(33、34) 的装置，能被小型化。驱动马达(33、34)位于相对于与第一臂构件(30A)的轴线平行的方向彼此至少部分重叠的共用区域(135)中，且能沿垂直于该轴线的方向布置。这样第一臂构件(30A)能形成为小的轴向尺寸。从而第一臂构件(30A)和第二臂构件(30B)能被小型化，所以可形成总长短的关节式机械手(20)。

Description

关节式机械手

技术领域

本发明涉及一种包括多个臂构件和关节的关节式机械手，每个关节连接相邻的臂构件，使它们绕该关节转动。更特别地，本发明涉及一种其关节包括同轴关节和倾斜关节的关节式机械手，其中每个同轴关节连接相邻的两个臂构件，使它们同轴转动，每个倾斜关节连接相邻的两个臂构件，使得两个臂构件中的一个能相对于另一个旋进。

背景技术

专利文献1中提出的现有关节式机械手包括连接两臂构件的倾斜关节。倾斜关节连接两臂构件使得两臂构件中的一个能相对于另一个旋进。旋进的臂构件绕相对于该臂构件的轴线倾斜一预定角度的旋转轴转动。带有该倾斜关节的关节式机械手能将保持在其自由端的物体移动到希望的位置。

专利文献2或3中提出的另一种现有关节式机械手具有沿线性排列方向依次连接的臂构件，一空腔延伸穿过这些臂构件。电源线和信号线延伸在空腔中，从而形成了输送电力的电力传输线和信号传输线，该电力用于驱动臂构件旋转。

专利文献1：JP 62-148182A

专利文献2：JP 10-225881A

专利文献3：JP 2001-138279A

专利文献2中公开的关节式机械手包括一保持电线的空腔。该关节式机械手带有一无铁心直流马达，即所谓的中空直流马达，从而形成空腔。线性构件比如电源线和信号线穿过中空直流马达，并沿臂构件各自的轴线延伸。

中空直流马达包括一定子，该定子固定到两臂构件中的一个上，转子固定到另一臂构件上。中空直流马达是具有特殊形状即环形的马达。因此，带有中空直流马达的关节式机械手的制造成本高。该关节式机械手有一些问题：中空直流马达由于其尺寸原因而功率小，编码器不能位于旋转轴上，从而不能实现精确定位。

专利文献3中所公开的关节式机械手包括臂构件，每个臂构件中都分别带有内置马达。由于每个臂构件都带有内置马达，所以臂构件在尺寸上不能小于其所带有的内置马达的尺寸，因此关节式机械手不能充分小型化。马达的驱动力通过内部锥齿轮或皮带传递。

内部锥齿轮通过复杂加工形成。由于马达中心的输入轴和减速机构的输出轴不能彼此垂直交叉，因此支承构件需要精确加工和精确组装。由于锥齿轮和减速机构的空腔没有密封，所以润滑剂如润滑脂或润滑油会泄漏。位于锥齿轮内侧的马达影响了空腔的使用效率。

当使用皮带时，需要张力调整机构，臂构件必须被设计成能保持皮带，因此臂构件的结构不可避免地会复杂化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种关节式机械手，其不使用任何特殊的马达，具有简单的机构，并能形成为小的尺寸。

本发明提供一种关节式机械手，其包括：多个臂构件，以线性排列依次连接；关节，每个关节连接两个相邻的臂构件，使得这两个臂构件能彼此相对转动；以及多个驱动装置，每个驱动装置驱动两个相邻的臂构件彼此相对转动；其中，至少一个臂构件具有分别通过关节与其他两个臂构件连接的相反端部，该具有与其他两个臂构件连接的相反端部的臂构件带有两个驱动连接到其上的其他两个臂构件转动的驱动装置，该内置于具有与其他两个臂构件连接的相反端部的臂构件中的两个驱动装置设置在相对于沿着中间臂构件的轴线的方向彼此至少部分重叠的区域中。

根据本发明，由于中间臂构件带有两个内置驱动装置，因此与带有驱动装置的臂构件连接的两个臂构件中的至少一个不需要带有任何驱动装置。这样，另一臂构件由于不用考虑驱动装置的形状而可以形成为小的尺寸。由于该两个驱动装置相对于沿着臂构件的轴线的方向部分地设置在共用区域中，且能沿垂直于臂构件的轴线方向布置这两个驱动装置。这样即使该臂构件的轴向尺寸小，也可防止内置于该臂构件中的两个驱动装置彼此接触，所以该臂构件能形成为小的轴向尺寸。带有驱动装置的臂构件以及分别连接到该带有驱动装置的臂构件相反端的两个臂构件能被小型化，从而可形成总长相对短些的关节式机械手。

本发明提供一种关节式机械手，其包括：多个臂构件，以线性排列依次连接；关节，每个关节连接两个相邻的臂构件；以及多个驱动装置，每个驱动装置驱动两个相邻的臂构件彼此相对转动；其中，至少一个驱动装置内置于臂构件中的由该驱动装置驱动而转动的一个臂构件中，包括驱动器和制动器，其中驱动器产生转动臂构件的驱动力，制动器对转动的臂构件进行制动，驱动器和制动器设置在相对于与臂构件的轴线平行的方向彼此至少部分重叠的区域中。

根据本发明，驱动器和制动器设置在相对于沿着臂构件的轴线的方向彼此至少部分重叠的区域中，且沿垂直于臂构件的轴线的方向布置驱动器和制动器。因此，形成的臂构件的轴向尺寸小于沿臂构件的轴线方向布置驱动器和制动器的臂构件的轴向尺寸。当臂构件安装成倾斜姿势时，可减小沿垂直于轴线的方向的尺寸。因此，形成的关节式机械手沿线性排列方向上变短，且厚度减小。

根据本发明的关节式机械手还包括减速机构和传动机构，其中减速机构在将驱动器的旋转驱动力传递给相邻的臂构件的过程中，将与臂构件结合的驱动器的输入运行速度减小为较低的输出运行速度，传动机构包括具有多个正齿轮的齿轮系，能将驱动器的旋转驱动力传递给减速机构，其中每个正齿轮分别具有与通过关节连接的两个臂构件的轴线平行的轴线。

根据本发明，与臂构件结合的驱动装置通过减速机构施加旋转力给连接到上述臂构件上的臂构件，使两个臂构件彼此相对转动。通过减速机构施加旋转力能使小型驱动装置产生高的转拒。使用与臂构件结合的小型驱动装置能进一步减小臂构件的尺寸。通过减速机构传递驱动力能实现对两臂构件相对于彼此的角度的控制，并能提高定位精度。

能通过包括正齿轮的简单构造的减速机构传递驱动力。因此，可简化带有内置驱动装置的臂构件的构造，并且臂构件可形成为小的尺寸。而且，关节式机械手的设计、组装及其组成部件的加工变得容易，并能提高关节式机械手的可靠性。当减速机构一侧的正齿轮处于预定位置时，与减速机构一侧的正齿轮啮合的驱动装置一侧的正齿轮可位于任意位置。因此，臂构件中驱动装置的位置可以任意设置。

根据本发明的关节式机械手，线性构件穿过臂构件，并延伸通过安装有减速机构和传动机构的空间，管状的线性构件保护构件在两个相邻的臂构件之间延伸，线性构件延伸通过线性构件保护构件。

在根据本发明的关节式机械手中，线性构件延伸通过线性构件保护构件。

根据本发明，线性构件在臂构件中延伸，且任何线性构件都没有在臂构件的外表面上延伸。因此，自臂构件外表面突出的部分减少，并可防止线性构件与障碍物接触。例如，线性构件为自临近基座构件的臂构件朝向位于关节式机械手的工作端的臂构件延伸的电线。

管状的线性构件保护构件延伸通过安装有减速机构和传动机构的空间，线性构件穿过线性构件保护构件。因此，在操作过程中可避免线性构件与减速机构和传动机构接触，从而避免损坏。

根据本发明的关节式机械手，线性构件保护构件的内部空间与安装有减速机构和传动机构的空间密封地隔离。

根据本发明，可防止线性构件被从减速机构和传动机构泄漏的液体弄湿。例如，即使减速机构和传动机构用诸如润滑脂或润滑油等润滑剂润滑，由减速机构和传动机构泄漏的润滑剂也不会流入配置线性构件的空间中。因此，可以避免由于润滑不足而导致的减速机构和传动机构的损坏，同时可防止配置线性构件的区域被污染。

根据本发明的关节式机械手，至少一个关节是倾斜关节，其连接两个臂构件，使得两个臂构件中的一个能绕相对于该两个臂构件各自的轴线倾斜的轴线而相对于另一个臂构件旋进，驱动装置内置于通过倾斜关节连接的两个臂构件中的、位于关节式机械手的工作端一侧的臂构件中。

根据本发明，位于关节式机械手工作端一侧的带有驱动装置的臂构件相对于位于基座一侧的不带有驱动装置的臂构件转动。这样内置有驱动装置的臂构件是从动构件，而不带有任何驱动装置的臂构件是驱动构件。

作为从动构件的臂构件绕倾斜关节的轴线相对于作为驱动构件的臂构件旋进。带有内置驱动装置的臂构件的轴向长度大于不带有任何驱动装置的臂构件的轴向长度。因此，内置有驱动装置的臂构件作为从动构件旋进时所顺沿的圆的半径，大于不带有任何驱动装置的臂构件作为从动构件旋进时所顺沿的圆的半径。因此，关节式机械手能运行在扩大的活动范围中。因此，即使关节式机械手的总长固定，也能扩大关节式机械手的活动范围。

本发明提供了一种关节式机械手，包括：多个臂构件，以线性排列依次连接；关节，每个关节连接两个相邻的臂构件，使得这两个臂构件能彼此相对转动；以及驱动装置，每个驱动装置驱动两个相邻的臂构件彼此相对转动；其中，至少一个关节是倾斜关节，其连接两个相邻的臂构件，使得这两个臂构件能绕相对于该两个臂构件各自的轴线倾斜的旋转轴线转动，驱动装置内置于通过倾斜关节连接的两个臂构件中的、位于关节式机械手的工作端一侧的臂构件中。

根据本发明，位于关节式机械手工作端一侧的带有驱动装置的臂构件相对于位于基座部一侧的不带有任何驱动装置的臂构件转动，也就是说，内置有驱动装置的臂构件是从动构件，而不带有任何驱动装置的臂构件是驱动构件。

作为从动构件的臂构件被驱动从而绕倾斜关节的轴线相对于作为驱动构件的臂构件旋进。带有驱动装置的臂构件的轴向长度大于不带有任何驱动装置的臂构件的轴向长度。因此，内置有驱动装置的臂构件作为从动构件旋进时所顺沿的圆的半径，大于不带有任何驱动装置的臂构件作为从动构件旋进时所顺沿的圆的半径。因此，关节式机械手能运行在扩大的活动范围中。因此，即使关节式机械手的总长固定，也能扩大关节式机械手的活动范围。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的关节式机械手20的局部剖视图；

图2是关节式机械手20的示意性侧视图；

图3是关节式机械手20的剖视图；

图4是关节式机械手20所包含的倾斜关节及其相关部分的放大剖视图；

图5是关节式机械手20的同轴关节及其相关部分的放大剖视图，其中图1所示的部件已经转过90度；

图6是示意性视图，用于说明关节式机械手20的第一臂构件30A和第二臂构件30B的相对运动；

图7是示意性视图，用于说明对比例中的关节式机械手的第一臂构件30A和第二臂构件30B的相对运动；

图8是根据本发明第二实施例的关节式机械手100的局部剖视图；

图9是关节式机械手100的剖视图；

图10是关节式机械手100沿图8中的A-A线的剖视图；

图11是立体图，用于说明内置于第一臂构件30A中的两个驱动马达33和34以及制动器133；

图12是根据本发明第三实施例的关节式机械手300的局部剖视图；

图13是关节式机械手300的示意性侧视图；以及

图14是关节式机械手300的剖视图；

具体实施方式

图1是根据本发明第一实施例的关节式机械手20的局部剖视图。关节式机械手20包括多个臂构件30和连接臂构件30而使它们彼此相对转动的多个关节31、32。通过关节31和32将臂构件30以线性排列依次连接在一起。

关节31是同轴关节，而关节32是倾斜关节。同轴关节31连接两个相邻的臂构件30，使得相邻臂构件30绕同轴转动轴线R1转动，其中轴线R1与两相邻臂构件30各自的轴线L对齐。倾斜关节32连接相邻的两个臂构件30，使得该两相邻臂构件30中的一个相对于另外一个绕旋进轴线R2旋进，其中轴线R2相对于该两相邻臂构件30各自的轴线倾斜。

在本发明的描述中，术语“旋进”表示两相邻臂构件30中的一个绕旋进轴线R2沿假想的圆锥形面的转动，该圆锥形面的顶点为两相邻臂构件的连接点。在本发明的描述中，术语“转动”还表示绕轴转动轴的角位移。

包括同轴关节31和倾斜关节32的关节式机械手20使多个臂构件30彼此相对转动，以完成类似于蛇的运动的蜿蜒运动，用于三维定位。例如，当设备被安装于复杂的排列中并且可利用复杂的工作通道时，或当关节式机械手20必须以低姿态在底板和低顶板之间的狭窄空间内工作时，关节式机械手20能够将保持在末端的物体以希望的姿势放置到在希望的位置上。

图2是关节式机械手20的示意性侧视图，图3是关节式机械手20的剖视图。例如，关节式机械手20包括六个臂构件c1-c6、多个关节31和32，每个关节可转动地连接相邻的臂构件。

位于关节式机械手20的相对端的一端的第一臂构件c1与基座21连接，而在关节式机械手20的另一端即工作端的第六臂构件c6上连接有手部组件22。第一臂构件c1到第六臂构件c6可沿线性排列同轴延伸。关节式机械手20包括三个同轴关节31和三个倾斜关节32。在本实施例中，同轴关节31和倾斜关节32沿臂构件c1-c6排列的方向交替布置。通过相邻臂构件的彼此相对转动，关节式机械手20能将第六臂构件以希望的姿势放置到在希望的位置上。

多种手部组件中的一理想组件、即末端执行器与关节式机械手20的工作端连接。关节式机械手20将手部组件放置在一希望的位置。例如，关节式机械手20将手部组件带到汽车中，并将该手部组件放置在汽车中的某一希望的位置。例如，关节式机械手20将手部组件放置在底板和顶板之间的空间中。放置在希望的位置的手部组件22完成装卸操作、密封操作、涂敷操作、点焊操作、或弧焊操作。

参考图1，每个臂构件30包括侧壁41和端壁42，其中侧壁41环绕轴线L，端壁42形成在侧壁41在轴向Z上的相反端部上，从而封闭侧壁41。臂构件30的侧壁41和端壁42限定出一内部空间40。

两相邻的臂构件30通过轴承36可转动地连接。轴承36包括一内环和一外环，内环和外环结合成使得它们彼此相对转动。轴承36的内环和外环分别紧固到两相邻的臂构件30上。实际应用中，例如，轴承36是环形十字滚柱轴承。十字滚柱轴承在径向和轴向负载下能可转动地支承两臂构件。

在同轴关节31中，由同轴关节31连接的两个臂构件30的轴线和轴承36的旋转轴线对齐。通过同轴关节31相连接的两臂构件30的端壁42分别具有同轴连接面37。连接面37与臂构件30的轴线L垂直。

通过倾斜关节32连接的两个臂构件30各自的轴线相对于轴承36的旋转轴线倾斜。通过倾斜关节32连接的两个臂构件30的端壁42分别具有倾斜连接面38并固定到轴承36上。倾斜连接38相对于臂构件30的轴线L倾斜，并且彼此平行。在本实施例中，倾斜连接面38相对于臂构件30的轴线倾斜45度。

通过轴承36连接的两个臂构件30绕轴承36的轴线转动。这样轴承36的旋转轴线与臂构件30各自的转动轴线R1和R2对齐。端壁42具有通孔39，通孔39的轴线与臂构件30的转动轴线R1和R2对齐。臂构件30各自的内部空间通过通孔39连通。

关节式机械手20具有线性构件35，该线性构件35包括电气布线和管道。线性构件35由基座21沿臂构件30向关节式机械手20的工作端延伸。线性构件35延伸穿过臂构件30的轴向Z1一侧的端壁42的通孔39、臂构件30的内部空间40、臂构件30的轴向Z2一侧的端壁42的通孔39。即线性构件35在臂构件30的内部空间40中沿轴向Z延伸。线性构件35是柔性的，当臂构件转动时，该线性构件35能与关节式机械手20一起变形。

关节式机械手20带有驱动系统，该驱动系统包括驱动马达33和34，用于使臂构件30彼此相对转动。臂构件30分为第一臂构件30A和第二臂构件30B，其中每个第一臂构件30A内部带有两个驱动马达33和34，而第二臂构件30B 带有任何相当于驱动马达33和34的装置。术语“第一臂构件30A”和“第二臂构件30B”分别表示带有两个驱动马达33和34的臂构件30，和不带有任何相当于驱动马达33和34的装置的臂构件30。在此，用“第一臂构件30A”和“第二臂构件30B”对臂构件30的命名，应该与用“第一臂构件c1”和“第二臂构件c2”对六个臂构件c1-c6中的两个臂构件的命名区分开来。

第一臂构件30A的一端与第二臂构件30B连接。在本实施例中，第一臂构件30A和第二臂构件30B交替布置。

驱动马达33和34内置于第一臂构件30A中。驱动马达33驱动第一臂构件30A和沿轴向Z1连接到第一臂构件30A的相对两端的一端上的第二臂构件30B，使这两个臂构件彼此相对转动。另一个驱动马达34驱动第一臂构件30A和沿轴向Z2连接到第一臂构件30A的另一端上的第二臂构件30B，使这两个臂构件彼此相对转动。在第一臂构件30A的内部空间40中，驱动马达33和34设置于相对于轴向Z1和Z2彼此至少部分重叠的共用区域135中。驱动马达33和34沿与轴向垂直的方向布置。

关节式机械手20包括减速机构44和传动机构45，其中减速机构44由驱动马达33(34)的旋转驱动力驱动，并降低输出速度，传动机构45包括一具有多个正齿轮的齿轮系，并能够将驱动马达33(34)的旋转驱动力传递给减速机构44。减速机构44具有高的减速比，即输入速度与输出速度之比。在本实施例中，具有高减速比的减速机构44是一通常称之为Harmonic Drive的谐波齿轮机构。具有高减速比的减速机构44可以是除Harmonic Drive外的任何合适的减速机构，比如行星齿轮机构或包含具有特殊齿廓的齿轮的减速机构。

图4是关节式机械手20的倾斜关节的放大剖视图。减速机构44具有输入轴48、输出轴49、以及固定轴50。输入轴48和输出轴49围绕预定的旋转轴线旋转。在减速机构44中，输出轴49的旋转速度、即相对于固定轴50旋转的输出旋转速度，与输入轴48的旋转速度即输入旋转速度成比例。输出旋转速度远远低于输入旋转速度。输出轴49相对于固定轴50旋转。用于本实施例的减速机构44为环形谐波减速机构。输入轴48和输出轴49各自的转动轴线与轴承36的转动轴线R1对齐。

驱动马达33和减速机构44的输出轴49利用螺栓可拆卸地紧固于第一臂构件30A的端壁42上，该端壁42面向倾斜关节32。减速机构44的固定轴50可拆卸地固定于第二臂构件30B的端壁42上，该端壁42面向倾斜关节32。

驱动马达33具有旋转输出轴43。驱动小齿轮46即正齿轮固定安装于输出轴43上，并与从动齿轮47即正齿轮啮合。从动齿轮47转动支承在减速机构44的输入轴48上并利用螺栓可拆卸地固定于其上。减速机构44的输入轴48是一管状构件，其支承于减速机构44的内侧面上。从动齿轮47具有一中心开口，并形成为环形状。从动齿轮47固定到减速机构44的输入轴48上。减速机构44的内部空间和外部空间通过从动齿轮47的中心开口彼此连通。从动齿轮47和减速机构44的输入轴48与轴承36同轴，并能围绕轴承36的轴线旋转。

驱动小齿轮46的轴线平行于轴承36的旋转轴线，其中该轴承36的旋转轴线与两臂构件30A和30B的旋转轴线R2对齐。驱动马达33设置成使得当驱动小齿轮46和从动齿轮47啮合时，其输出轴43的轴线平行于臂构件30A和30B的旋转轴线R2。

减速机构44的输出轴49和固定轴50分别固定到第一臂构件30A上和第二臂构件30B上。当旋转力施加到减速机构44的输入轴48上时，输出轴49以降低了的旋转速度相对于固定轴50旋转，从而第一臂构件30A和第二臂构件30B彼此相对转动。驱动小齿轮46的齿数小于从动齿轮47的齿数。因此，由驱动小齿轮46和从动齿轮47组成的齿轮系能进一步提高减速比。

图5是关节式机械手20的同轴关节31及其相关部分的放大剖视图。图1所示的同轴关节的剖视图在图5中转动了90度，以示出传动机构。与倾斜关节32同样，同轴关节31也包括减速机构44和传动机构45。更具体地说，驱动马达34和减速机构44的输出轴49利用螺栓可拆卸地固定于第一臂构件30A的端壁42上，该端壁42面向同轴关节31。减速机构44的固定轴50利用螺栓可拆卸地固定于第二臂构件30B的端壁42上，其中该端壁42面向同轴关节31。

驱动小齿轮46即正齿轮固定安装到驱动马达34的输出轴43上，并与从动齿轮47即正齿轮啮合。从动齿轮47转动支承在减速机构44的输入轴48上并利用螺栓可拆卸地固定于其上。从动齿轮47和减速机构44的输入轴48各自的轴线与轴承36的旋转轴线对齐。从动齿轮47和减速机构44的输入轴48围绕轴承36的旋转轴线转动。

驱动小齿轮46的轴线平行于轴承36的旋转轴线，其中轴承36的旋转轴线与两臂构件30A和30B的旋转轴线R1对齐。驱动马达34设置成使得当驱动小齿轮46和从动齿轮47啮合时，输出轴43的轴线平行于臂构件30A和30B的旋转轴线R1。驱动小齿轮46的齿数小于从动齿轮47的齿数。因此，由驱动小齿轮46和从动齿轮47组成的齿轮系能进一步提高减速比。

环形减速机构44中的中空空间54将形成在臂构件30A的端壁42中的开口39和形成在臂构件30B的端壁中的开口39连通。线性构件35延伸通过端壁42的开口39、减速机构44的中空空间54、及另一端壁42的开口39。因此，线性构件35延伸通过多个臂构件。

关节式机械手20具有管状的保护构件55，用于保护线性构件35。管状保护构件55延伸通过臂构件30A的端壁42的开口39、减速机构44的中空空间54、及另一臂构件30B的端壁42的开口39。管状保护构件55在两相邻臂构件30A和30B之间延伸，其轴线与两相邻臂构件30A和30B的旋转轴线R1和R2对齐。

管状保护构件55一端固定到两相邻臂构件30中的一个的端壁42上，并延伸到另一臂构件30的端壁42。管状保护构件55与固定其一端的臂构件30一起转动。在本实施例中，管状保护构件55固定到第一臂构件30A的端壁42上。管状保护构件55的外表面57与第一臂构件30A的端壁42的开口39的侧面56之间的间隙由密封构件如O形环密封。管状保护构件55的外表面与第二臂构件30B的端壁42的开口39的侧面56之间的间隙由密封构件如油封密封。这样管状保护构件55的外表面57与第二臂构件30B的端壁42的开口739的侧面之间的间隙被密封成使得管状保护构件55与第二臂构件30B的端壁42能够彼此相对转动。

管状保护构件55的内部空间与设置减速机构44和传动机构45的区域被密封地隔离开。减速机构44和传动机构45用润滑剂如润滑脂或润滑油润滑，以便平稳传递驱动力和平稳降低输出速度。由于管状保护构件55的外表面57与第一臂构件30A的端壁42的开口39的侧面56之间的间隙被密封构件密封，因此润滑减速机构44和传动机构45的润滑剂不会泄漏到管状保护构件55内和臂构件30的内部空间40中。

由于线性构件35延伸通过管状保护构件55，因此线性构件35不会与减速机构44和传动机构45接触。当减速机构44和传动机构45工作以使臂构件30A和30B彼此相对转动时，线性构件35不会与减速机构44和传动机构45形成接触，因此可防止线性构件35被损坏。优选地，管状保护构件55的面向线性构件35的一面由对线性构件35仅施加低的摩擦阻力的材料形成。

很显然从前述的描述中可知，根据本发明第一实施例的关节式机械手20，第一臂构件30A和第二臂构件30B分别都有内部空间40。管状保护构件55延伸通过两个相邻的臂构件30A和30B。因此，线性构件35沿臂构件线性排列的方向延伸通过关节式机械手20。

线性构件35不是沿关节式机械手20的外表面延伸。这样，可防止线性构件35与存在于关节式机械手20周围的障碍物接触。因此，即使关节式机械手20用于狭窄的工作空间或即使关节式机械手20的周围存在有很多障碍物，也可防止线性构件35被损坏。

例如，线性构件35可包括电源线和信号线，其中电源线用于向驱动马达33和34传递电力，信号线传送用于控制驱动马达33和34的工作的电信号。线性构件35可包括用于向连接到关节式机械手20末端的手部组件传送电力的管路，以及输送被手部组件消耗的材料的管路。例如，当手部组件为粘合组件时，线性构件35可输送粘合剂给粘合组件。当手部组件为涂刷组件时，线性构件35可输送涂料给涂刷组件。

由于驱动马达33和34内置于第一臂构件30A中，并沿垂直于轴向Z的方向布置，因此可减小第一臂构件30A的轴向尺寸。由于第二臂构件30B不带有相当于驱动马达33和34的任何装置，因此不需考虑驱动马达33和34的尺寸，第二臂构件30B可形成为小的尺寸，因此关节式机械手20可形成为小的尺寸。具有小尺寸的关节式机械手20能将工作端以希望的姿势保持在希望的位置，即使在狭窄的工作空间中。

关节式机械手20具有减速机构44，每个减速机构44都具有高的减速比，通过减速机构44，每个驱动马达33和34的旋转力施加到两相邻臂构件中的任一个上。因此，即使驱动马达33和34的功率小，也可将使臂构件转动所需的扭矩施加到臂构件上。换句话说，驱动马达33和34可以小些，且这些小的驱动马达33和34可有效利用，从而进一步减小了第一臂构件30A的轴向尺寸。当驱动马达33和34各自的输出轴43的旋转被控制以定位关节式机械手20的工作端时，通过经具有高减速比的减速机构44传递传动力，可提高定位精度。

由于线性构件35延伸通过位于两个相连的臂构件之间的管状保护构件55，因此管状保护构件55可防止线性构件35与减速机构44和传动机构45接触，因此即使减速机构44和传动机构45转动一角度以转动臂构件，也可防止线性构件35与转过了一定角位移的减速机构44和传动机构45接触。

由于管状保护构件55中的中空空间与设置有减速机构44和传动机构45的区域被密封地隔离，因此可防止润滑减速机构44和传动机构45的润滑剂泄漏到管状保护构件55的中空空间中和臂构件的中空空间40中。同时，也可防止减速机构44和传动机构45由于润滑不足而导致的损坏。相反，流过线性构件35的物质也不会泄漏到减速机构44和传动机构45中。例如，涂料和粘合剂不会泄漏到减速机构44和传动机构45中。管状保护构件55使得减速机构44和传动机构45所产生的热量很难传递到线性构件35上。

使用正齿轮作为驱动小齿轮46和从动齿轮47，这简化了传动机构45。与皮带传动相比，均包括驱动小齿轮46和从动齿轮47的齿轮系能可靠地传递驱动马达33和34的旋转驱动力，并具有高的动力传输能力。这样可提高传动机构45的可靠性，并能实现精确定位。当从动齿轮47的齿数大于驱动小齿轮46的齿数时，传动机构45还作为进一步降低被驱动马达33(34)驱动的机构的输出速度的减速机构。

不同于内部锥齿轮传动，使用小齿轮46和齿轮47的传动机构45能将驱动马达33(34)和减速机构44设置成使得驱动马达33(34)的输出轴43的轴线与减速机构44的输入轴48的轴线彼此平行延伸。因此，支承驱动马达33和34以及减速机构44的支承构件很容易加工和组装。

虽然当使用皮带传动时，驱动马达33和减速机构44也可设置成使得驱动马达33和减速机构44各自的轴线彼此平行延伸，但需要附加机构来延伸皮带并调整皮带的张力，结果关节式机械手构造复杂并需要大的臂构件。由于皮带具有小的弯曲容量，因此皮带传动不能实现高的减速比。

与使用皮带的传动机构相比，本实施例中使用正齿轮的传动机构45能有效简化第一臂构件30A的构造，并能有效形成小尺寸的第一臂构件30A。

不用将驱动小齿轮46与从动齿轮47脱开，便可容易改变驱动小齿轮46的位置。因此在第一臂构件30A中可获得足够的空间用于放置线性构件35，驱动马达33和34可容易放置于具有小尺寸的第一臂构件30A中。

在本实施例中，通过倾斜关节32连接的两臂构件的旋转轴线R2相对于臂构件各自的轴线倾斜45度。这样布置组成部分减少了关节式机械手20的组成部分的类型。

图6是示意性视图，用于说明关节式机械手20的第一臂构件30A和第二臂构件30B的相对运动，图7是示意性视图，用于说明对比例中的关节式机械手的第一臂构件30A和第二臂构件30B的相对运动。当通过连接轴向长度为L4的第一臂构件30A和轴向长度为L3的第二臂构件30B而形成的结构的长度L5减小到最小限度时，第一臂构件30A的轴向长度L4大于第二臂构件30B的轴向长度L3。

优选地，臂构件30A和30B通过倾斜关节32连接，使得相对于倾斜关节32，第一臂构件30A位于工作端一侧，而第二臂构件30B位于基座21一侧。当驱动臂构件位于基座21一侧，而从动臂构件位于工作端一侧时，驱动马达33和34固定地保持在从动臂构件中。设置于第一臂构件30A中的驱动马达33驱动第一臂构件30A使其相对于位于一预定位置的第二臂构件30B转动。在本实施例中，第一臂构件30A沿一圆锥形面绕倾斜关节32的旋转轴线R2旋进，其中该圆锥形面的母线长度等于第一臂构件30A的轴向长度L4，如图6所示。由于第一臂构件30A的轴向长度L4大于第二臂构件30B的轴向长度L3，所以第一臂构件30A的自由端转动时所顺沿的圆的半径，大于比较例中的第二臂构件30B的自由端转动时所顺沿的圆的半径，其中在比较例中该第二臂构件30B的轴向长度L3短于第一臂构件30A的轴向长度L4。因此，本发明的关节式机械手的活动范围比对比例中的关节式机械手的活动范围宽。因此，与对比例中的关节式机械手相比，即使本发明的关节式机械手具有最短的长度，也能在宽的活动范围中动作。当连接臂构件30A和30B而成的结构的长度L5固定时，通过使第一臂构件30A的轴向长度L4大于第二臂构件30B的轴向长度L3，活动范围可以增大。

在大多情况下，本实施例中的关节式机械手20自基座21向上延伸，第二臂构件30B位于基座21一侧，而第一臂构件30A位于工作端一侧。在多数情况下，第一臂构件30A自倾斜关节32向上延伸。因此，驱动马达33位于倾斜关节32的上方，所以润滑减速机构44和倾斜关节32的润滑剂不会泄漏到驱动马达33中。

当减速机构44为Harmonic Drive时，需要润滑的Harmonic Drive的润滑区域在第二臂构件30B中。由于第二臂构件30B位于倾斜关节32的下方，润滑剂能很容易地流入Harmonic Drive的润滑区域，因此可避免Harmonic Drive的润滑不足。

下面将描述Harmonic Drive。参考图4和5，输入轴48是通过将薄的滚珠轴承200放在椭圆凸轮上而形成的大致椭圆形部件。轴承200包括一内环202和一外环203，其中内环202通过凸轮201紧固到从动齿轮47上，外环203可通过滚珠204弹性变形。固定轴50是刚性的环形部件。固定轴50在其内表面上具有一内齿轮205。内齿轮205能与形成在输出轴49的外表面上的外齿轮206啮合。内齿轮205的齿数比外齿轮206的齿数多两个。输出轴49由金属形成，并包括具有弹性、挠性的圆筒形部件207和固定部件208，该固定部件208自圆筒形部件207的一个端部延伸。圆筒形部件207具有外齿轮206，该外齿轮206和固定轴205的内齿轮205啮合。固定部件208固定到第一臂构件30A上。

圆筒形部件207放在轴承200的外203上，并能被弯曲成椭圆形状。圆筒形部件207的外齿轮206在椭圆形弯曲了的外表面长轴部分上与固定轴50的内齿轮205啮合。圆筒形部件207的外齿轮206在椭圆形弯曲了的外表面的短轴部分上不与固定轴50的内齿轮205啮合。当输入轴48转动时，输入轴48和圆筒形部件207弹性变形，内齿轮205和外齿轮206的啮合位置改变。由于外齿轮206的齿数比固定轴50的内齿轮205的齿数少两个，因此当输入轴48转一整圈时，输出轴49沿与输入轴48转动的方向相反的方向转过相当于两个齿的角度。输出轴49沿相反方向的转动被利用。因此，Harmonic Drive是具有高减速比的减速机构。

在Harmonic Drive中，内齿轮205、外齿轮206、轴承的外203以及圆筒形部件207是高速滚动接触，因此这些部件必须被充分润滑。所以，内齿轮205和外齿轮206啮合的区域、以及轴承的外环203和圆筒形部件207啮合的区域是润滑区域。

这样，Harmonic Drive中的润滑区域靠近位于第二臂构件30B一侧的固定轴50。如上所述，由于第二臂构件30B位于较低高度，润滑区域也位于较低高度，因此润滑剂能容易地流入润滑区，从而防止Harmonic Drive润滑不足。

图8是根据本发明第二实施例的关节式机械手100的局部剖视图，图10是关节式机械手100沿图8中的A-A线的剖视图，图11是立体图，用于说明内置于第一臂构件30A中的两个驱动马达33和34以及制动器133。关节式机械手100以分体形式具有驱动马达33即驱动装置和制动器133即制动装置。驱动小齿轮固定安装到驱动马达33的输出轴上。驱动小齿轮与从动齿轮47啮合，以借助驱动马达33驱动从动齿轮47旋转。制动齿轮固定安装到制动器133的旋转轴上。制动齿轮与从动齿轮47啮合以制动从动齿轮47。这样，驱动小齿轮46与从动齿轮47啮合以驱动从动齿轮47，而制动齿轮与从动齿轮47啮合以制动从动齿轮47。驱动马达33和制动器133设置在相对于与第一臂构件30A的轴线平行的方向Z彼此至少部分重叠的区域中。关节式机械手100在其他方面同图1所示的关节式机械手20一样。关节式机械手100对应于或类似于关节式机械手20的部件用相同的参考标记表示，并在这里省略对这它们的描述。

通常，驱动马达33和制动器133结合在同轴的排列中。因此，驱动马达33和制动器133的组装的轴向尺寸大于驱动马达33的轴向尺寸。当驱动马达33和制动器133结合在同轴排列中时，臂构件30A除容纳驱动马达33的空间之外还需要形成一容纳制动器133的空间；即第一臂构件30A的轴向尺寸和外径需要增加与制动器133的轴向尺寸相当的尺寸。

根据本发明，驱动马达33和制动器133被分开设置，并沿平行于第一臂构件30A的轴线的方向并排设置。因此，即使制动器133内置于第一臂构件30A中，该第一臂构件30A也可形成为短的轴向长度和小的外径。驱动马达33和制动器133设置成，使得在第一臂构件30A中存在可用来延伸线性构件35的空间，并使得第一臂构件30A形成为短的轴向长度和小的外径。

第一臂构件30A包含第一驱动系统和第二驱动系统，其中第一驱动系统在第一部分以分体形式具有用于第一轴向Z1的驱动马达33和制动器133，第二驱动系统在第二部分具有用于第二轴向Z2的驱动马达34和与其结合的制动器。

当用于第一轴向Z1的驱动马达33被固定保持在最佳位置P1附近时，驱动马达33可被容纳在第一臂构件30A中，使得即使用于第一轴向Z1的驱动马达33轴向长度长，驱动马达33不会接触到端壁42和侧壁41各自的内表面52和53，第一臂构件30A可被形成为小的尺寸。换句话说，内置有用于第一轴向Z1的驱动马达33的第一臂构件30A可形成为短的轴向长度。

用于第二轴向Z2的驱动马达34可设置在任意位置，只要在第一臂构件30A中有用于线性构件35的可用空间，并且驱动马达34不会接触用于第一轴向Z1的第一驱动马达33、制动器133、端壁42和侧壁41。

从上述的描述中可清楚看出，根据本发明第二实施例中的关节式机械手100具有同图1所示的关节式机械手20相同的效果。驱动马达33和制动器133的分体布置有利于形成轴向尺寸小的第一臂构件30A。

下面参考附图12、13、14描述根据本发明第三实施例的关节式机械手300。关节式机械手300包括多个臂构件30，其中该多个臂构件30包括这样的臂构件，它们均具有一个相对于其轴线倾斜的端部，以及与相对于其轴线垂直的另一端部，臂构件30还包括这样的臂构件，它们均具有沿同一方向相对于其轴线倾斜的相反端部，臂构件30还包括这样的臂构件，它们均具有沿相反方向相对于其轴线倾斜的相反端部。关节式机械手300具有连接这些臂构件30的同轴关节31和倾斜关节32。同轴关节31和倾斜关节32各自的数量和布置不同于图1所示的关节式机械手20。关节式机械手300在其他方面同图1所示的关节式机械手20基本类似。关节式机械手300的对应于或类似于关节式机械手20的部件用相同的参考标记表示，并在这里省略对它们的描述。

图12是关节式机械手300的局部剖视图，图13是关节式机械手300的示意性侧视图，图14式关节式机械手300的剖视图。关节式机械手300具有六个臂构件c1-c6、关节31和32，其中六个臂构件c1-c6以线性排列依次连接，每个关节连接相邻的臂构件30使它们彼此相对转动。位于线性关节式机械手300一端的第一臂构件c1与基座21连接，位于线性关节式机械手300另一端的第六臂构件与手部组件22连接。第一臂构件c1到第六臂构件c6可沿同轴方向延伸。关节包括两个同轴关节31和四个倾斜关节32。

从图2和图13的比较观察中可清楚看出，关节式机械手300的第一臂构件c1同图1所示的关节式机械手20的第一臂构件c1形状相同。如图13所示，不同于关节式机械手20的第二臂构件c2的形状，关节式机械手300的第二臂构件c2具有相对于其轴线均向右倾斜45度的上端和下端，如图13所示。不同于关节式机械手20的第三臂构件的形状，关节式机械手300的第三臂构件c3具有分别相对于其轴线向右和向左倾斜45度的下端和上端，如图13所示。关节式机械手300的第四臂构件c4除了其下端相对于其轴线向左倾斜45度而不是向右倾斜外，与关节式机械手20的第四臂构件c4形状相同，如图13所示。关节式机械手300的第五臂构件c5除了其上端相对于其轴线向左倾斜45度而不是向右倾斜外，与关节式机械手20的第五臂构件c5形状相同，如图13所示。关节式机械手300的第六臂构件c6除了其下端相对于其轴线向左倾斜45度而不是向右倾斜外，与关节式机械手20的第六臂构件c6形状相同，如图13所示。

因此，在关节式机械手300中，臂构件30的连接不同于关节式机械手20的臂构件30的连接。臂构件c2的下端和上端分别通过倾斜关节32与相邻的臂构件连接，其中两个倾斜关节32的轴线朝相同方向倾斜，臂构件c3的下端和上端分别通过倾斜关节32与相邻的臂构件连接，其中两个倾斜关节32的轴线朝相互垂直的方向倾斜。

同关节式机械手20类似，关节式机械手300具有驱动装置，每个驱动装置驱动相邻的两个臂构件30彼此相对转动。驱动装置包括驱动马达33和34。关节式机械手300的臂构件30分为第一臂构件30A、第二臂构件30B、及第三臂构件30C，其中每个第一臂构件30A带有驱动马达33和34，第二臂构件30B不带有任何相当于驱动马达33和34的装置，每个第三臂构件30C带有驱动马达33。在关节式机械手300中，臂构件c1、c2、c3、c4、c5、及c6分别为第二臂构件30B、第三臂构件30C、第三臂构件30C、第一臂构件30A、第二臂构件30B、及第一臂构件30A。

同关节式机械手20的驱动马达类似，在第一臂构件30A的内部空间40中，关节式机械手300的驱动马达33和34设置在相对于轴向Z1和Z2彼此至少部分重叠的共用区域135中。驱动马达33和34沿垂直于轴向的方向布置。

在关节式机械手300中，臂构件c4和c6为第一臂构件30A，每个第一臂构件30A都带有两个驱动马达33和34，驱动马达33和34沿垂直于方向Z的方向布置，其中方向Z平行于第一臂构件30A的轴线。因此，第一臂构件30A能形成为小的尺寸。驱动马达33和34不需要内置于第二臂构件30B、即延伸于臂构件c4和c6之间的臂构件c5中。因此，不用考虑驱动马达33和34的尺寸，第二臂构件30B可形成为小的尺寸。由于第一臂构件30A和第二臂构件30B可形成为小的尺寸，因此关节式机械手300可小型化。因此，小型化的关节式机械手300的工作端能以希望的姿势保持在希望的位置处，即使是在狭窄的操作空间中。在关节式机械手20中，小尺寸的第二臂构件30B分别与第一臂构件30A的相反端连接，而在关节式机械手300中，第二臂构件30B和第三臂构件30C分别与第一臂构件30A的相反端部连接。这样，第二臂构件30B能被小型化。

在关节式机械手300中，臂构件c2的上端和下端都倾斜并彼此平行，臂构件c3的上端和下端都倾斜并彼此垂直，臂构件c2的上端和臂构件c3的下端通过倾斜关节32连接。因此，通过例如将臂构件c2设置在水平姿势，将臂构件c3设置在垂直姿势，连接到关节式机械手300工作端的手部组件22可移动到接近基座21的低位置。因此，手部组件相对于基座21可以在较大的工作范围内活动。

自然地，关节式机械手300具有前述的效果及同图1所示的关节式机械手20同样的效果。

这里描述的本发明的实施例仅仅是一些示例，在不脱离本发明保护范围的情况下可作改变。例如，关节式机械手20的关节在组装中可被布置成不同于上述情况的布置关系。关节和臂构件各自的数量并不局限于上述所提到的数量。倾斜关节的倾斜角度不局限于45度。线性构件35不局限于布线和管道。

根据本发明，连接于其他臂构件的相反端的两个臂构件中的至少一个能被小型化，因此关节式机械手能被小型化。小型化的关节式机械手的臂构件能在狭窄空间中转动，比如在顶板和底板之间的狭窄空间中，而不会接触到顶板和底板。因此，连接到关节式机械手上的物体能被容易且可靠地移动。

根据本发明，驱动器和制动器没有同轴布置，所以与驱动器和制动器同轴配置的臂构件相比，臂构件能被形成为小的尺寸。因此，关节式机械手在总长上可以缩短。小型化的关节式机械手的臂构件能在狭窄的空间中转动，比如在顶板和底板之间的狭窄空间中，而不会接触到顶板和底板。因此，连接到关节式机械手的物体能被容易且可靠地移动。

根据本发明，通过减速机构将旋转力传递到臂构件，从而使臂构件彼此相对转动。因此，即使是小的驱动装置也能对臂构件施加需要的转拒用于臂构件转动。带有小的驱动装置的臂构件能被小型化，从而关节式机械手能被进一步小型化。

由于驱动装置的驱动力通过包括正齿轮的齿轮系传递到减速机构，因此安装有驱动装置的臂构件的构造能被简化，并能被小型化。关节式机械手的组成部件能容易设计、加工和组装。当与减速机构互锁的从动齿轮位于预定位置时，与驱动装置互锁并与从动齿轮啮合的驱动小齿轮可位于任意位置。这样臂构件中驱动装置的位置可选择决定，因此即使臂构件小型化，在臂构件中也能确保用于保持驱动装置的空间和用于保持线性构件的空间。

根据本发明，线性构件延伸通过臂构件，并且不需要沿臂构件的外表面延伸。所以可防止线性构件与位于臂构件周围的障碍物接触。由于线性构件穿过管状保护构件，因此可防止线性构件与减速机构和传动机构接触。由于可防止线性构件与外界的障碍物、减速机构、及传动机构接触，因此线性构件不会被损坏，关节式机械手能平稳工作。

本发明可防止液体由减速机构和传动机构泄漏到线性构件延伸的空间中。例如，即使减速机构和传动机构用润滑剂如润滑脂或润滑油润滑，也可防止润滑剂泄漏到线性构件延伸的空间中。因此，可防止减速机构和传动机构由于润滑不足而导致损坏，同时线性构件也不会弄脏。

即使关节式机械手的总长固定，通过使用不带有任何驱动装置的臂构件作为驱动臂构件，也可扩大关节式机械手的活动范围。这样，不用增加其总长，关节式机械手也能运动到必需的活动范围。本发明的关节式机械手的活动范围大于其总长与本发明的关节式机械手相同的其他关节式机械手的活动范围。

Claims

1.一种关节式机械手，包括：

多个臂构件，串联地设置；

关节，每个关节连接两个相邻的臂构件，使得这两个臂构件能彼此相对转动；以及

多个驱动装置，每个驱动装置驱动两个相邻的臂构件彼此相对转动；

其中，至少一个臂构件具有分别通过关节与其他两个臂构件连接的相反端部，该具有与其他两个臂构件连接的相反端部的臂构件带有两个驱动连接到其上的其他两个臂构件转动的驱动装置，该内置于具有与其他两个臂构件连接的相反端部的臂构件中的各驱动装置，设置在相对于沿着该具有与其他两个臂构件连接的相反端部的臂构件的轴线的方向彼此至少部分重叠的重叠区域中，

所述关节中的至少一个是倾斜关节，该倾斜关节连结相邻的两个臂构件，使得该两个臂构件绕相对于这两个臂构件的轴线倾斜的旋转轴线旋转自如，

通过倾斜关节连结的两个臂构件中，在位于关节式机械手的工作端一侧的臂构件中内置有上述两个驱动装置，所述驱动装置相对于通过所述倾斜关节连结的两个臂构件中位于与工作端一侧相反的一侧的臂构件驱动工作端一侧的所述臂构件。

2.根据权利要求1所述的关节式机械手，还包括减速机构和传动机构，其中减速机构将驱动器的旋转驱动力减速传递给与设置驱动器的臂构件不同的臂构件，传动机构包括具有多个正齿轮的齿轮系，能将驱动器的旋转驱动力传递给减速机构，其中每个正齿轮分别具有与通过关节连接的两个臂构件的轴线平行的轴线。

3.根据权利要求2所述的关节式机械手，其中，线性构件穿过臂构件，并延伸通过安装有减速机构和传动机构的空间，管状的线性构件保护构件在两个相邻的臂构件之间延伸，线性构件延伸通过线性构件保护构件。

4.根据权利要求3所述的关节式机械手，其中线性构件保护构件的内部空间与安装有减速机构和传动机构的空间密封地隔离。

5.根据权利要求1所述的关节式机械手，其特征在于，内置有所述驱动装置的工作端一侧的所述臂构件与关节式机械手的工作端一侧的第二臂构件，通过与所述倾斜关节平行地倾斜的第二倾斜关节连结。

6.根据权利要求5所述的关节式机械手，其特征在于，所述第二臂构件与关节式机械手的工作端一侧的第三臂构件，通过与所述第二倾斜关节垂直地倾斜第三倾斜关节连结。

7.权利要求6所述的关节式机械手，其特征在于，在所述第二臂构件中内置有第二驱动装置，所述第二驱动装置相对于所述臂构件驱动所述第二臂构件。