CN1842399B - 机器人构件 - Google Patents

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Abstract

具有多个安置成互相串联的可转动部件的机器人手腕被安装到机器人手臂或其他自动化机械上，使得第一手腕部件1能够围绕第一轴线作旋转运动，并且第二手腕部件2被安装到第一手腕部件1的轴颈上。手腕部件1或2具有一个或多个齿轮件，以驱动旋转运动和使任何手腕部件相对于其他手腕部件作旋转运动；并且一个啮合对的至少一个齿轮件是凹斜齿轮，所述凹斜齿轮被安排成在啮合面上对于旋转平面(P)具有负斜角(Cn)。在另一个实施例中，机器人手腕具有三个手腕部件1、2、3。机器人手腕还含有内部保护软管。

Description

机器人构件
技术领域
本发明涉及含有装在轴颈上的关节或手腕的机器人构件，并且涉及设置有所述机器人手腕的工业机器人或其他的操作机或自动化机械。
背景技术
题目为机器人手腕(Robot wrist)的专利US 4,690,012和DE3431033描述了用于工业机器人的机器人手腕。工业机器人用于迅速和准确地完成广泛的工业和商业任务。在许多应用中，例如焊接汽车车身、汽车喷漆，机器人必须在有限的空间里操作工具，像弧焊嘴、喷枪或夹持器等等。专利US 4,690,012描述了机器人手腕，它由三个独立的可旋转的手腕部件组成。第一手腕部件连接到机器人手臂并围绕第一轴线旋转；第二手腕部件可旋转地连接到第一手腕部件，并且安装有小齿轮，以使第二个齿轮件围绕第二旋转轴线旋转；而第三手腕部件类似地可旋转地安装在第二手腕部件上，并可围绕第三旋转轴线旋转。
制成了完整的手腕部分，以便在其内部围成中空空间，以允许在手腕内部安置其他装置。特别是，手腕内的中空内部包含一个保护软管或者其他的导管，使得在软管中放置的电缆、导线、管子或较小的软管用于向由机器人操作的一个或多个工具提供电力、压缩空气或液压动力，和/或传送/接收控制信号或者传感器的数据(从工具来或者到工具去)。
上述的机器人手腕有高度的方向性，能够到达中空空间部分、箱体空间部分的诸多地方，并良好地完成操作。然而，包含有电缆或其他较小软管的机器人手腕的内部软管，在操作过程中由于手腕部件重复的弯曲而易于磨损，要求比平时更多的定期维护和修理。还有，在腕部分内部的电源线、控制电缆和类似物的内含物受到机器人手腕内有限的中空空间的限制。
发明内容
本发明解决上述的一个或多个问题。本发明提供中空的机器人手腕，它具有多个互相串联安排的可旋转部件，所述中空的机器人手腕包括：至少一个第一手腕部件，所述第一手腕部件被安装成在使用中装到机器人手臂或自动化机械上，以使所述第一手腕部件可围绕第一轴线旋转；第二手腕部件装到第一手腕部件的轴颈上；其中每个所述的手腕部件装有一个或多个齿轮件，以驱动任何所述手腕部件相对于所述其他手腕部件作旋转运动；其中所述齿轮件至少有一对相对于所述齿轮件的旋转平面P是具有负外倾角(camber angle)或者负斜角(bevel angle)(Cn)，且每个所述齿轮件具有中空的孔，可通过所述中空的孔去布置内部保护软管，内部保护软管被布置，从而当各手腕部件处于弯曲位置时，内部保护软管具有单个圆弧，并且内部保护软管被布置穿过各手腕部件内部。
在本发明的一个有益的实施例中，这个机器人手腕包括第一、第二和第三手腕部件。
在本发明的另一个方面，机器人手腕设置有结构经过改进的内部保护软管。
本发明的主要优点是机器人手腕在手腕部分内部有一个直径相对地增大了的中空通道。与现有技术相比，它在机器人手腕内部为保护软管(或其他导管)进行弯曲和挠曲提供了更大的自由空间。更少受限制的弯曲和挠曲导致保护软管和其中的电缆、导线或其他软管都更少地受到磨损。这是个优点，它不仅可以减少电缆和电源线的磨损，而且可以使机器人的设计者或操作者有更大的自由去选择机器人的功能和特性。这是因为在机器人手腕部分的可利用的中空空间尺寸可观地增大了，从而增加了可接纳的潜在功能。
这种形式的机器人手腕的主要优点是，使机器人可以到达部分地封闭的空间内，例如进入车身的中空部分或箱体部分去进行喷漆、表面处理或焊接接缝等等。本发明所述改进了的功能允许机器人进入一些空间，那是具有现有技术手腕的机器人很难到达的。由本发明提供的整齐的、紧凑的外形和改进的功能，增加了可由工业机器人或操作机以合理成本实现的操作的数量和范围。这就意味着，更多的重复性工业任务，可以由装备有根据本发明的紧凑的中空机器人手腕的机器人来完成。所述重复性工业任务例如是机器搬运作业，诸如供给和/或搬运元件到一个机器或另一个机器人，和抓取和/或包装操作，诸如从一个容器中取物或者放物。
齿轮的独特设计和构造还提供了总体上很紧凑的手腕结构，并由此提供了较之其他中空手腕结构更小的外部直径。这意味着所述机器人手腕可以通过较小的进入窗口进入一些腔室或者中空部分。(机器人手腕)内腔尺寸增大的其他优点是保护软管可以自由地弯曲，并且与伸直位置时相比，在弯曲位置时的长度不会伸长，同时减少了保护软管和其中的软管、电缆的磨损。内部保护软管还具有摩擦系数特别小的有利材料，以进一步减少在保护软管中的电缆和软管的磨损。同时，较之现有技术的结构，在保持大的灵活性和提供增大尺寸的内孔或腔的同时，其外形更加紧凑。
增加内孔或腔的尺寸是很有好处的，因为应用于例如喷漆用途或其他任何表面处理用途的机器人，可以有大约20个不同的管线被装在保护软管或导管内部。这些管线例如用于不同种类、颜色漆的管线，冲洗管线，防腐蚀液、脱脂液、溶剂管线，(压缩)空气管线，电源线和电信号线等等。类似地用于电焊的机器人有：保护气体、填平材料、焊剂和焊丝供给管线等等。在腕内部的增大的空间和对称形状的可利用空间，能够使保护软管内的管线、软管和电缆有更长的寿命，增加了可靠性，也就是增加了正常生产时间。
另一个好处是：当不担心保护软管磨损的增加或其他管线在中空空间中的安排时，由本机器人手腕的有益实施例提供的高度定位(空间)容量可被充分利用，所述容量至少是两运动轴的而最好是三运动轴的。手腕内部增加有用的中空空间的又一个好处是：在维修工作或者改变生产时易于接近保护软管或其他零件，使得在生产转换期间的停工时间、维修时间和复工的时间减少。
附图说明
要对本发明的方法和系统有更完全的理解，可能需要参阅下面的详细说明和其中的附图：
图1示出一个根据现有技术的机器人手腕，它处于直的或伸直位置；
图2示出根据现有技术的机器人手腕，它处于弯曲的位置；
图3示出根据本发明实施例的机器人手腕，它带有软管，并处于弯曲位置；
图4示出带有软管的机器人手腕，并处于伸直位置；
图5示意性地示出机器人手腕处于伸直和弯曲两种位置时的软管长度；
图6b示出现有技术的齿轮结构的详图，而图6a示出根据本发明的对应(结构)的详图；以及
图7示出处于伸直位置的机器人手腕的三维外形图。
实施本发明的最佳模式
图1(现有技术)示出美国专利US 4,690,012的机器人手腕，它包含保护软管并处于伸直位置。图中1、2和3分别是机器人手腕的第一、二、三手腕部件。第一和第二手腕部件之间的各齿轮件的旋转轴线标示为E-E；布置在第二和第三手腕部件之间的齿轮件的旋转轴线F-F。其中空结构包含绕名义中心线D设置的软管4。图2示出同样的机器人手腕，但处于弯曲位置。在现有技术的机器人手腕结构中，其中空空间的几何尺寸不允许软管4自由弯曲，因而限制了软管的寿命。可以说，在机器人手腕完全弯曲时，通过其中的软管有两处弯曲；而当它从伸直状态变到弯曲状态时，软管还有显著的长度伸长，如图中用箭头X标示的。
图3示意地显示根据本发明的处于弯曲位置的实施例。图中示出机器人手腕的第一、第二和第三手腕部件1、2、3和保护软管4。在第一和第二手腕部件之间的各齿轮件的旋转轴线如A1所示；在第二和第三手腕部件之间的各齿轮件旋转轴线如A2所示。根据机器人手腕的改进的内部几何尺寸，其中没有什么阻碍保护软管对称弯曲的阻碍物。可以看到，当软管在机器人手腕内部处于完全弯曲的位置时，它也只有一处弯曲，形成单个的圆弧来完成最大弯曲。
图3所示的保护软管(和包含在此保护软管内互相分开的软管和电缆等，但未示于图中)具有比现有技术结构更自由弯曲的可能性，主要是因为重新设计了齿轮的装配。在图2的现有技术结构中，显示了当机器人手腕从伸直状态弯至弯曲状态时，软管是如何必须弯曲一次以上，而且软管必须要移动或者伸长超过直线距离X。现有技术结构的这个重复的移动和/或伸长会磨损软管。它也能够严重地磨损软管内的电缆和管线；但是在本发明中，这个移动和/或伸长被消除或者至少 很大程度上被减小了。
本发明的优先实施例示于图4。图中示出和图3所示的本发明相同的第一、第二和第三手腕部件，但处于伸直位置。可以把它和图1中的等效现有技术进行比较。在第二(中间)手腕部件2两端的任何一端的齿轮件旋转平面是用虚线和字母P来表示的。每个旋转平面都垂直于每个齿轮件的旋转轴线，见图3的A1和A2。可以看出，特别是第二手腕部件2比起现有技术的第二手腕部件2是更加紧凑。换句话说，本发明的圆柱形第二手腕部件2的小端或者尖头的一侧比现有技术的更加紧凑。本发明可以通过第一和第二手腕部件用某种直接连接到第二零件的工具来实现。较好的是本发明由三个手腕部件来实现，以得到最大弯曲范围，从而有能力进入难于进入的中空部分和箱形部分。所显示的本实施例中的保护软管4c是风箱式或者螺旋式的。
图5示出名义的中心线，它具有点A、B、C、D；当手腕弯曲时，它有固定长度，另一种说法是它被描述成弯曲的手腕三角。然而实际上，内部的保护软管具有某个半径，它使得弯曲时距离缩短。当改变到不同方向时，也要求有不同的半径。本发明的改进的内部软管允许这个弯曲缩短，以生成额外的长度，所述额外的长度等于局部曲线要求的弯曲长度。
图6b(现有技术)和6a示出美国专利US 4,690,012的现有技术机器人手腕方案的齿轮构造和本发明的齿轮构造的结构差异。根据本发明特殊设计的内斜齿轮，它可以分别地被描述成或设计成齿轮件、齿轮、环形齿轮或者斜齿轮，其中至少一个啮合对是负斜角的齿轮结构；这就为内部软管和内软管在紧凑结构中的灵活移动提供了最佳条件。
所示的特别的紧凑结构是通过手腕内部齿轮的独特布局和形状而获得的。图6a示出根据本发明的第一和第二手腕部件1、2之间的齿轮装置和啮合区域的详图；而图6b则是类似的现有技术的详图。可以看出，当比较线C与线P时，现有技术的齿轮沿斜线啮合而具有正的斜角。相反的，可以看出：当从线Cn看，图6a的本发明的配合面和斜齿轮的平面P线间有一个负斜角在所示齿轮平面上。在第一手腕部件/第二手腕部件对中的至少一个齿轮上的这个负斜角能够增加手腕部分的内直径，并消除或减少先前提到的妨碍保护软管自由弯曲的障 碍物。从现有技术的详图6b可以看出它没有斜齿轮的这种负斜角。本发明人发现，一个大约-10度的负倾角或斜角是有好处的，虽然-5度或比-12度大得多也是可能的。
图7示出机器人手腕的外形及三维视图，其中标示了的第一、第二和第三手腕部件1、2和3。也示出了名义中心线D。在手腕的一端内部，可以看到第三手腕部件3和波纹管形的保护软管4。在手腕的一端内部也可以看到波纹形的保护软管4和用圈加强的或者螺旋形的软管。
如上所述，内部保护软管中可含有许多的导线、软管和电缆，可能总数在20根或更多。在正常运行前，通过以预定的方案把包含在内部软管中的单个软管及电缆布置在机器人手腕的内保护软管内。当机器人手腕在正常运行中转动或弯曲时，例如通过施加相对于计划方向的预定扭转量和手腕部件的预定程度的转动，就有可能补偿单个软管或电缆长度的变化。例如，当它们被装在机器人手腕内部时，180度或更多度的导线扭转幅度可以被加到至少是一些软管和/或电缆上。
在另一个优先实施例中，内部软管是一个柔性的关节形软管，如图4中所示。优良的弯曲特性可以由这种关节形软管获得，或者可由能支持对称弯曲的风箱式软管获得。这种关节形软管有助于在力的作用下弯成环形的对称形状。另外，对于具有内部几何形状的机器人手腕也可能有非圆形的几何形状，所述内部几何形状要求有不同的弯曲性能。软管可包括单相的塑料或者是多层的塑料。弹性的材料、其他聚合的或合成的材料可以用作软管。塑料材料可含有氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)，商标名通常称为Teflon(特氟隆)(杜邦公司商标)或者其他含氟聚合物，做成混合的、共聚物的、复合的或多层的结构。应用减摩材料，如含氟聚合物，会大大地减少保护软管内侧和它所包含的导线、电缆、软管等之间的摩擦。更好是软管结构包括至少两相并包含有不同直径的一些加强元件，例如金属环或塑料环。在另一个实施例中的金属环可安排成朝向外部的连续盘旋线或螺旋线，或安排成环绕塑料软管的外部，所述塑料软管与结合有分离环的塑料软管相反被模压成波纹形。此线环或者螺旋环也可以覆盖一层薄的塑料。
应注意，虽然上面描述了本发明的示例实施例中，可以有若干种对已公开的解决方案的变更和修改，但不离开附录的权利要求书限定的本发明的范围。
在另一个实施例中，一对齿轮中的一个齿轮--凸斜齿轮与一对中的另一个齿轮相比，其齿轮正斜角可以是一个减小的正斜角。在还有的另一个的实施例中，一对齿轮中的一个齿轮件的正齿轮角可以减小到零，因而有一个平的或者中性的斜角。在这一对中的第二个齿轮可具有一个正的齿轮角，如同典型的凸斜齿轮那样。
图3、4和5示出这个优先的实施例，在啮合对中的至少一个齿轮具有负斜角，换句话说，是凹的(或者中性的)斜齿轮。这个实施例也是中空的手腕装置，它能够从伸直位置弯曲，在该伸直位置中，中空空间包括从A到D的笔直的圆柱形空间，如图3、4、5、7所示。图4示出手腕的三个部件1、2、3和保护软管4。可以看出，手腕的第二个部件是由两个分开的部件装配在一起的，如图4的剖分线20所标示，和示于图3、5、7中但未标明标号。使第二部件2由基本装配在一起的两个部件构成，造成各个部件容易构造和安装成第二部件2的非常紧凑结构，所述各个部件的每个含有图5中的B及C所标示的斜齿轮。
图4还示出了第二手腕部件2的两个构件的轴向中心线A1、A2，它们相交于软管4的边界壁里面，并更靠近臂弯曲半径的中心；当与图1、2的现有技术相比较时，对应于图3的A1和A2的轴线E-E和F-F的交点落在保护软管4的外面，更加远离弯曲半径的中心。
图5示有一个或多个啮合齿轮对标号，其中至少有一个齿轮具有负齿轮角或者是凹斜齿轮。图5示出第一部件1的内部零件10，在第一部件1上安装有一个具有正齿轮角的斜齿轮，并标注为11。齿轮11与围绕中心线B的、布置在第二部件2上的具有负齿轮角的齿轮件12相啮合。第二部件2的另一边(C)与第三部件3的内部构件14啮合，并可驱动它。示出了内部构件14的截面图，它以正齿轮角或者凸斜齿轮的轮齿16与具有负齿轮角的齿轮件--凹斜齿轮13啮合。从中心线D另一边的截面16′处可以看清凸斜齿轮14。
第二手腕部件2的紧凑布置及结构也导致：对轴线6(指工具夹持端，即部件3的齿轮件14)的驱动是由机器人手臂端1直接从第一部件的构件10传送到第二部件的构件12，从第二构件13直接传送到第三部件3的构件14，而不用附加的驱动传送装置，例如可见于现有技术的图1、2中第二部件中心处的装在轴颈上的筒形齿轮件或支承件。因此，如在其他的实施例中的情况，驱动是通过第二部件2的罩部分传送到第二齿轮件13，然后第二齿轮件13直接驱动工具(在具有两个部分的实施例中)，或者驱动第三手腕部件的齿轮件，诸如第三部件的齿轮件14，如示于图3-5和7所示；第二部件的动力传送齿轮件13和齿轮件14被显示装配成互相倾斜的，它们的旋转轴线A1、A2是互相倾斜，而不是互相平行的。

Claims (23)

1.具有多个布置成互相串联的可旋转部件的机器人手腕，它包括：至少一个第一手腕部件(1)，该部件(1)被安排用于安装到机器人手臂或自动化机械上，以使第一手腕部件(1)可以围绕第一轴线旋转；和第二手腕部件(2)，它装到第一手腕部件的轴颈上；其中每个手腕部件装有一个或多个齿轮件，以驱动任何一个所述手腕部件相对于另一个所述手腕部件作旋转运动；其特征在于至少一个所述齿轮件的圆锥表面的母体被设置成凹斜齿轮，所述凹斜齿轮具有相对于平面(P)的负斜角(Cn)，该平面(P)垂直于所述齿轮件的旋转轴线(A1、A2)，且每个所述齿轮件具有中空的孔，通过所述中空的孔去布置内部保护软管(4)，内部保护软管被布置，从而当各手腕部件处于弯曲位置时，内部保护软管具有单个圆弧，并且内部保护软管被布置穿过各手腕部件内部。
2.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于多个软管和/或电缆安置在各手腕部件(1、2、3)内的所述内部保护软管(4)里。
3.根据权利要求2的机器人手腕，其特征在于多个软管和/或电缆以扭转线形式被布置在内部保护软管(4)内，且所述多个软管和/或电缆被扭转至180度。
4.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于至少一个所述齿轮件被设置成凸斜齿轮，所述凸斜齿轮具有相对于垂直于所述齿轮件的旋转轴线(A1、A2)的平面(P)的正斜角，并且至少另一个所述齿轮件被设置成所述凹斜齿轮具有所述负斜角。
5.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于负斜角(Cn)范围在0度到-20度之间。
6.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于负斜角(Cn)范围在-8度到-12度之间。
7.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于所述第二手腕部件(2)的齿轮件(12，13)被设置为具有负斜角(Cn)。
8.根据权利要求6的机器人手腕，其特征在于所述第二手腕部件(2)的具有负斜角(Cn)的齿轮件被布置与所述第一手腕部件(1)的齿轮件(10)相啮合。
9.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于内部保护软管是具 有在管的轴线的纵向方向为波纹形的管壁横截面的软管。
10.根据权利要求9的机器人手腕，其特征在于内部保护软管是由聚合材料制成的，所述聚合材料结合了至少一种金属加强件。
11.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于内部保护软管含有氟聚合物。
12.根据权利要求10的机器人手腕，其特征在于金属加强件为含有多个金属环或者盘旋金属丝中的任何一种。
13.根据权利要求12的机器人手腕，其特征在于内部保护软管的金属环或者盘旋金属丝是附着在聚合材料表面的外部。
14.根据权利要求12的机器人手腕，其特征在于内部保护软管的金属环或者盘旋金属丝被嵌入所述聚合材料。
15.根据权利要求12的机器人手腕，其特征在于盘旋金属丝为螺旋金属丝。
16.根据权利要求1的机器人手腕，其特征在于第三手腕部件(3)被安装到第二手腕部件(2)的轴颈上，以使第三手腕部件可相对于第二手腕部件作旋转运动，并且第二手腕部件可相对于第一手腕部件作旋转运动。
17.根据权利要求16的机器人手腕，其特征在于第一手腕部件(1)的齿轮件(10，11)被布置与第二手腕部件(2)的齿轮件(12)相啮合，以使得第二手腕部件(2)的传递作用可转动地驱动第三手腕部件(3)的齿轮件(14)，第三手腕部件(3)的齿轮件(14)与第二手腕部件(2)的第二齿轮件(13)相啮合。
18.根据权利要求17的机器人手腕，其特征在于对第三手腕部件的齿轮件(14)起传递作用的第二手腕部件的齿轮件(12)和第二齿轮件(13)被布置在第二手腕部件中，使得第二手腕部件的齿轮件(12)和第二齿轮件(13)的旋转轴线(A1、A2)互相倾斜一个角度。
19.根据权利要求18的机器人手腕，其特征在于第一手腕部件的齿轮件(10)和第三手腕部件的齿轮件(14)是具有正斜角的凸斜齿轮，而第二手腕部件的齿轮件(12)和第二齿轮件(13)是各具有负斜角的凹斜齿轮。
20.对根据权利要求1-19中任何一项的机器人手腕的应用，用于使用工业机器人进行内部或外部表面的处理作业或喷漆作业。 
21.对根据权利要求1-19中任何一项的机器人手腕的应用，用于使用工业机器人进行焊接作业。
22.对根据权利要求1-19中任何一项的机器人手腕的应用，用于使用工业机器人进行抓取作业和包装作业。
23.对根据权利要求1-19中任何一项的机器人手腕的应用，用于使用工业机器人进行机器的维护作业。 
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