TWI418452B - 機械手臂之腕關節結構 - Google Patents

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TWI418452B TW098139651A TW98139651A TWI418452B TW I418452 B TWI418452 B TW I418452B TW 098139651 A TW098139651 A TW 098139651A TW 98139651 A TW98139651 A TW 98139651A TW I418452 B TWI418452 B TW I418452B
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En Sheng Chang
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    • Y10T74/20305—Robotic arm
    • Y10T74/20329—Joint between elements
    • Y10T74/20335—Wrist

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

機械手臂之腕關節結構
本發明係有關一種機械手臂結構，特別是一種機械手臂之腕關節結構。
生產製造、倉儲管理、智慧看護等各種不同的領域中，機器人(Robot)或機械手臂(Robot arm)的應用都已變得十分廣泛。機器人或機器手臂一般係由複數個支臂互相連結的結構所構成，其中，藉由對支臂互相連結的各關節進行驅動，而分別對各支臂的樞轉動作進行控制。
一般關節型工業用機器人通常具備有六個旋轉軸，其中四個旋轉軸為機械手臂之旋轉軸，作為大範圍大角度之移動，另外二個旋轉軸為機械手臂之腕關節，作為夾持、取料等定位、定向之功用。如美國第5178031號專利案揭露了一種工業用機器人腕關節構造，031案腕關節部分僅由單邊支撐，於荷重過大時，將影響腕關節之旋轉運動。再者，031案之腕關節處之旋轉馬達係為外露，並無法於危險環境(如油氣、水氣)中作業。
另如美國第7028578號專利案揭露了一種機器人腕關節驅動裝置，578案三個旋轉軸皆使用驅動馬達帶動一齒輪系，再由齒輪系輸出至減速機作傳動，然而578案係以多數個軸承及齒輪元件作為傳動介面，組裝困難且成本 較高。
又如美國第5231889號專利案揭露了一種工業用機器人腕關節構造，889案之腕關節位於手臂兩側孔中間，兩側之通孔置入兩軸承，手臂外側再以壓制蓋固定，右側馬達之旋轉軸透過皮帶連接至腕關節之旋轉軸。889案右側馬達係直接固定於手臂內側臂上，腕關節之旋轉軸係焊接固定於腕關節上，因此右側馬達與腕關節之旋轉軸相對距離係為固定，然而右側馬達係透過皮帶傳動腕關節之旋轉軸，皮帶有其使用壽命，當皮帶疲乏時，將導致腕關節之動作無法定位，而僅能透過更換新的皮帶來解決定位不確實的問題。再者，一般的機械手臂皆需配置減速機，減速機可將馬達輸出迴轉數減速到所要的迴轉數，以得到較大扭矩，889案右側馬達所需配置之減速機，然而889案之腕關節之旋轉軸直接焊接固定於腕關節上，再透過軸承作為降低摩擦介面，也就是889案之機構設計並無適當之位置來裝設減速機，若是再透過額外的機構來裝設減速機，勢必將使得機械手臂之結構更為複雜，並且增加所需零組件而導致成本增加。又，若再透過額外的機構將減速機之輸出傳遞至腕關節上，額外的機構所造成之傳遞損失將使得腕關節無法獲得預定之轉矩，亦導致腕關節之動作無法確實執行。
習知關節型工業用機器人之機械手臂，機械結構複雜且零組件眾多，安裝不易且費時，導致生產及維修成本增加。有鑑於此，本發明提出了一種減速機直接驅動腕關節的機械手臂之腕關節結構。
根據本發明所揭露機械手臂之腕關節結構，其包括有一前臂體、一第一旋轉組成、一腕體及第二旋轉組成。第一旋轉組成設置於前臂體內，以驅動腕體以一第一旋轉軸向相對於前臂體進行旋轉運動，第二旋轉組成設置於腕體內，以驅動一工件以一第二旋轉軸向相對於腕體進行旋轉運動。
其中的第一旋轉組成包括有第一馬達、一固定座、一傳動機構、一第一減速機及一軸承機構。第一馬達係透過固定座裝設於前臂體，並且以一調整座調整固定座相對位置。第一馬達以傳動機構輸出旋轉動力至第一減速機，第一減速機則直接固定於前臂體的一側上，限制第一減速機軸向與徑向運動自由，並且第一減速機之輸出軸直接固定於腕體，即可以預定之減速比直接驅動腕體，以獲得預定之扭矩。
其中的第二旋轉組成包括有一第二馬達、一連接座及一第二減速機，第二馬達裝設於腕體內，並由連接座連接第二馬達與第二減速機，使第二馬達被封閉於腕體內，以保護第二馬達。
根據本發明所揭露機械手臂之腕關節結構，第一馬達 與前臂體可透過固定座及調整座調整相對位置，以透過傳動機構獲得最佳之旋轉動力輸出，而第一減速機直接固定於腕體，將可獲得預定之扭矩輸出，為機械手臂之腕關節結構最佳設計。
有關本發明之詳細特徵與實作，茲配合圖式在實施方式中詳細說明如下，其內容足以使任何熟習相關技術者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容及圖式，任何熟習相關技術者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。
根據本發明所揭露機械手臂之腕關節結構，其中機械手臂係為模擬人類手臂之動作由複數個支臂互相連結的結構所構成，而機械手臂的控制即是對於各支臂的樞轉動作進行控制。模擬人類手臂之機械手臂亦包括有肩膀(Shoulder)、上臂(Upper arm)、前臂(Fore arm)、腕關節(Wrist)、手掌(Hand)及手指(Finger)，而在以下具體實施例中，係以前臂與腕關節連接關係作為本發明最佳實施例，然在本發明所揭露之技術特徵下，並不以前臂與腕關節連接關係為限。
請一併參閱「第1A、1B、2A、2B圖」所示，根據本發明所揭露機械手臂之腕關節結構，其包括有一前臂體10、一第一旋轉組成20、一腕體30及一第二旋轉組成40。
前臂體10大致上呈中空長矩形體，一端為腕連接端101，另一端為上臂連接端102，中空長矩形體內具有一腔室103。於腕連接端101處具有兩相對的接腕部11、11’，接腕部11、11’各別開設有一第一沉孔111及一第二沉孔111’，第一沉孔111及第二沉孔111’週緣處設有複數個螺孔112。又，於前臂體10對應第一沉孔111及第二111’的兩側壁處各設有一開口12、12’，於開口12週緣處設有複數個螺孔121。
第一旋轉組成20包括有一第一馬達21、一固定座22、一調整座23、一第一減速機24、一傳動機構25及一軸承機構26。
第一馬達21用以提供旋轉動力，第一馬達21並具有一輸出軸211。第一馬達21係以固定座22裝設於前臂體10，其中固定座22概呈ㄇ字型，具有一前牆221、兩側牆222、223及一底牆224，於側牆222、223端緣並各延伸有一翼部225、226。前牆221具有一圓形開口2221，圓形開口2221週緣具有複數個螺孔2222，第一馬達21透過複數個螺絲501鎖入螺孔2222而裝設固定於固定座22上，第一馬達21輸出軸211並伸出於圓形開口2221。於固定座兩翼部225、226上設置有複數個長導槽2251、2252、2261、2262，將固定座22對應於前臂體10之開口12，以複數顆螺絲502穿過長導槽2251、2252、2261、2262而鎖入於開口12週緣之螺孔121，以第一馬達21設 置於前臂體10之腔室103內。固定座22係藉由長導槽2251、2252、2261、2262及螺絲502之配置，使固定座22可以相對於前臂體10上下移動。又，於固定座22之底牆224處開設有一螺孔2241。
調整座23概呈T字型，調整座23具有一底部231及一頭部232，底部231設有複數個螺孔2311，頭部232設有一調整孔2321。調整座23設置於固定座22之下方並相隔一間距，調整座23並以底部231裝設於前臂體10之側壁，並以複數顆螺絲503由底部231之螺孔2311鎖入於前臂體10側壁之螺孔112。而以一調整螺桿233由調整座23之調整孔2321旋入於固定座22之螺孔2241，旋轉調整螺桿233，即可帶動固定座22上下移動。
第一減速機24具有一輸入軸241及一輸出軸242，於第一減速機24週緣開設有複數個螺孔243，於輸出軸242上設有複數個螺孔2421。第一減速機24裝設於前臂體10之第一沉孔111，透過複數顆螺絲504穿過第一減速機24之螺孔243鎖入於前臂體10之螺孔112，使第一減速機24直接固定於前臂體10。
傳動機構25包括有一第一皮帶輪251、一第二皮帶輪252及一皮帶253。第一皮帶輪251裝設於第一馬達21之輸出軸211，第二皮帶輪252裝設於第一減速機24之輸入軸241，皮帶253係套設於第一皮帶輪251與第二皮帶輪252，以使第一馬達21之旋轉動力傳遞至第一減速 機24。另外，旋轉調整螺桿233帶動固定座22上下移動，即可調整第一皮帶輪251與第二皮帶輪252之相對距離，以調整皮帶253之最佳鬆緊程度進行動力傳遞。
軸承機構26包括有一軸承261、一連接環262及一扣環263。軸承261、連接環262及扣環263皆為中空環體。軸承261係裝設於前臂體10之第二沉孔111’，連接環262套設於軸承261內，連接環262內具有複數個螺孔2621，連接環262並設有一扣槽2622，扣環263卡扣於扣槽2622，使連接環262以可旋轉之關係設置於前臂體10之第二沉孔111’。
腕體30大致上呈中空圓柱體，兩端面為一第一圓端面301及一第二圓端面301’，中空圓柱體內具有一腔室303，而第一圓端面301上具有複數個螺孔3011，第二圓端面301’開設有一開口3011’週緣設有複數個螺孔3012’。另於腕體30圓周面上設有一開口304，開口304週緣設有複數個螺孔3041。
請一併參閱「第2A、2B圖」所示，腕體30裝設於前臂體10之接腕部11、11’之間，以複數顆螺絲505由腕體30之螺孔3011而鎖入於第一減速機24之輸出軸242之螺孔2421，以使第一減速機24之輸出軸242可以帶動腕體30旋轉。而以複數顆螺絲506由連接環262之螺孔2621穿過鎖入於第二圓端面301’之螺孔3012’。腕體30一端由第一減速機24帶動旋轉，另一端以軸承機構26連 接，使腕體30以可旋轉之關係樞接於前臂體10，腕體30於前臂體10之旋轉軸定義為第一旋轉軸向X。另外，腕體30之腔室303、開口304、前臂體10之第二沉孔111’、第一旋轉組成20之軸承機構26及前臂體10之開口12’構成一走線通道。
第二旋轉組成40包括有一第二馬達41、一連接座42及一第二減速機43。第二旋轉組成40係裝設於腕體30之開口304處。第二馬達41用以提供旋轉動力，第二馬達42並具有一輸出軸411。第二馬達41裝設於腕體30之腔室303內，連接座42用以連接第二馬達41及第二減速機43，連接座42上具有複數個螺孔421，以複數顆螺絲穿過螺孔421而鎖入於腕體30之螺孔3041，使第二旋轉組成40結合於腕體30上，連接座42與腕體30之間還設有一密封環60，以作為水、油氣之阻隔，保護第二馬達41。第二馬達41之旋轉動力傳遞至第二減速機43，第二減速機43可裝設一工件(圖中未示)，第二減速機43之旋轉軸即定義為第二旋轉軸向Y。而第二旋轉組成40之連接線(圖中未示)可透過走線通道接回前臂體10。
請參閱「第3A、3B圖」所示，根據本發明所揭露機械手臂之腕關節結構，其中腕體30透過第一旋轉組成20以可旋轉之關係裝設於前臂體10，腕體30以第一旋轉軸向X相對於前臂體10旋轉。而藉由固定座22及調整座23調整相對位置，調整皮帶253之最佳鬆緊程度進行動 力傳遞，且第一減速機24直接連接於腕體30並帶動旋轉，即可以預定之減速比直接驅動腕體，進而獲得預定之扭矩。
又，第一旋轉軸向X與第二旋轉軸向Y係為正交，如同前臂(Fore arm)與腕關節(Wrist)之動作關係。而第二旋轉組成40之第二馬達41係封閉在腕體30之腔室303內，因而可在危險環境(如水氣、油氣)中作業。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧前臂體
101‧‧‧腕連接端
102‧‧‧上臂連接端
103‧‧‧腔室
11、11’‧‧‧接腕部
111‧‧‧第一沉孔
111’‧‧‧第二沉孔
112‧‧‧螺孔
12、12’‧‧‧開口
121‧‧‧螺孔
20‧‧‧第一旋轉組成
21‧‧‧第一馬達
211‧‧‧輸出軸
22‧‧‧固定座
221‧‧‧前牆
222、223側牆
2221‧‧‧圓形開口
2222‧‧‧螺孔
224‧‧‧底牆
2241‧‧‧螺孔
225、226‧‧‧翼部
2251、2252、2261、2262‧‧‧長導槽
23‧‧‧調整座
231‧‧‧底部
232‧‧‧頭部
2311‧‧‧螺孔
2321‧‧‧調整孔
233‧‧‧調整螺桿
24‧‧‧第一減速機
241‧‧‧輸入軸
242‧‧‧輸出軸
243‧‧‧螺孔
2421‧‧‧螺孔
25‧‧‧傳動機構
251‧‧‧第一皮帶輪
252‧‧‧第二皮帶輪
253‧‧‧皮帶
26‧‧‧軸承機構
261‧‧‧軸承
262‧‧‧連接環
263‧‧‧扣環
2621‧‧‧螺孔
2622‧‧‧扣槽
30‧‧‧腕體
301‧‧‧第一圓端面
301’‧‧‧第二圓端面
303‧‧‧腔室
3011‧‧‧螺孔
3011’‧‧‧開口
3012’‧‧‧螺孔
304‧‧‧開口
3041‧‧‧螺孔
40‧‧‧第二旋轉組成
41‧‧‧第二馬達
42‧‧‧連接座
43‧‧‧第二減速機
501‧‧‧螺絲
502‧‧‧螺絲
503‧‧‧螺絲
504‧‧‧螺絲
505‧‧‧螺絲
506‧‧‧螺絲
60‧‧‧密封環
第1A、1B圖為本發明結構分解示意圖；第2A圖為本發明結構組合示意圖；第2B圖為本發明結構剖面示意圖；及第3A、3B圖為本發明應用示意圖。
10‧‧‧前臂體
101‧‧‧腕連接端
102‧‧‧上臂連接端
103‧‧‧腔室
11、11’‧‧‧接腕部
111‧‧‧第一沉孔
111’‧‧‧第二沉孔
112‧‧‧螺孔
121‧‧‧螺孔
21‧‧‧第一馬達
211‧‧‧輸出軸
22‧‧‧固定座
221‧‧‧前牆
222、223‧‧‧側牆
2221‧‧‧圓形開口
2222‧‧‧螺孔
224‧‧‧底牆
2241‧‧‧螺孔
225、226‧‧‧翼部
2251、2252、2261、2262‧‧‧長導槽
23‧‧‧調整座
231‧‧‧底部
232‧‧‧頭部
233‧‧‧調整螺桿
24‧‧‧第一減速機
241‧‧‧輸入軸
242‧‧‧輸出軸
243‧‧‧螺孔
2421‧‧‧螺孔
25‧‧‧傳動機構
251‧‧‧第一皮帶輪
252‧‧‧第二皮帶輪
253‧‧‧皮帶
26‧‧‧軸承機構
261‧‧‧軸承
262‧‧‧連接環
263‧‧‧扣環
2621‧‧‧螺孔
2622‧‧‧扣槽
30‧‧‧腕體
301’‧‧‧第二圓端面
3011’‧‧‧開口
3012’‧‧‧螺孔
304‧‧‧開口
3041‧‧‧螺孔
40‧‧‧第二旋轉組成
41‧‧‧第二馬達
42‧‧‧連接座
43‧‧‧第二減速機
501‧‧‧螺絲
502‧‧‧螺絲
503‧‧‧螺絲
504‧‧‧螺絲
60‧‧‧密封環

Claims (9)

  1. 一種機械手臂之腕關節結構，其包括有：一前臂體，具有兩相對的接腕部，該對接腕部分別設有一第一沉孔及一第二沉孔；一腕體，裝設於該前臂體之該對接腕部之間，該腕體具有一第一圓端面及一第二圓端面，該第一圓端面及該第二圓端面對應於該對沉孔；及一第一旋轉組成，裝設於該前臂體並連接該腕體，使該腕體相對於該前臂體以一第一旋轉軸向進行旋轉運動，該第一旋轉組成包括有：一固定座，裝設於該前臂體；一第一馬達，裝設於該固定座並提供旋轉動力；一第一減速機，裝設於該第一沉孔並直接連接於該腕體之該第一圓端面；一傳動機構，連接該第一馬達及該第一減速機，以驅動該第一減速機旋轉而帶動該腕體於該第一旋轉軸向旋轉；及一軸承機構，該裝設於該第二沉孔並連接於該腕體之該第二圓端面。
  2. 如請求項1所述之機械手臂之腕關節結構，其中該前臂體具有一腔室，該腔室容置該第一馬達。
  3. 如請求項1所述之機械手臂之腕關節結構，其中該第一旋轉組成更包括有一調整座，而該固定座係以可移動之關係裝設於該前臂體，該調整座設有一調整螺桿，該調整螺桿旋入該固定座而調整固定座相對於該第一減速機距離。
  4. 如請求項1所述之機械手臂之腕關節結構，其中該傳動機構包含一第一皮帶輪、一第二皮帶輪及一皮帶，該第一皮帶輪設於該第一馬達，該第二皮帶輪設於該第一減速機，該皮帶套設於該第一皮帶輪及該第二皮帶輪。
  5. 如請求項1所述之機械手臂之腕關節結構，其中該軸承機構包含一軸承、一連接環及一扣環。
  6. 如請求項1所述之機械手臂之腕關節結構，更包括有一第二旋轉組成，該第二旋轉組成裝設於該腕體。
  7. 如請求項6所述之機械手臂之腕關節結構，其中該第二旋轉組成包含一第二馬達、一連接座及一第二減速機，該連接座連接該第二馬達及該第二減速機並裝設於該腕體，該第二馬達輸出之旋轉動力傳遞至該第二減速機，該第二減速機以一第二旋轉軸向進行旋轉運動。
  8. 如請求項7所述之機械手臂之腕關節結構，其中該第二旋轉軸向與該第一旋轉軸向正交。
  9. 如請求項7所述之機械手臂之腕關節結構，其中腕體設有一腔室，於該連接座與該腕體間設有一密封環。
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