TWI441721B - 工業機器人 - Google Patents

Description

工業機器人

本發明涉及一種機器人，尤其涉及一種具有依次連接之複數手腕單元之工業機器人。

工業機器人通常具備：可繞第一軸線轉動之第一手腕單元，該第一手腕單元之前端一側形成一叉形結構；可轉動地設於該叉形結構之二側部間之第二手腕單元；以及於該第二手腕單元之前端一側，可轉動設置之第三手腕單元。第三手腕單元作為工業機器人之末端軸，如六軸工業機器人之第六軸，可用於裝設夾具、切削工具及探測器等末端執行器以執行各種任務。上述第一及第三手腕單元之旋轉軸線通常分別與第二手腕單元之旋轉軸線正交，故，第三手腕單元及末端執行器跟隨第二手腕單元轉動過程中易碰觸第一手腕單元，使第二手腕單元之旋轉角度受到限制，不能繞其旋轉軸線全方位轉動。

另，第一手腕單元之叉形結構處設有第一電機以及第一減速元件，第一減速元件用於減速第一電機轉速且驅動第二手腕單元；第二手腕單元之前端一側設有第二電機以及第二減速元件，第二減速元件用於減速第二電機轉速且驅動第三手腕單元。上述結構增加了手腕單元之體積及佔用之空間，不利於工業機器人於較狹小操作空間中之應用，且第二手腕單元及第三手腕單元重量較重， 從而慣性矩較大，不利於提高控制之準確性及快速性。

鑒於上述內容，有必要提供一種結構緊湊、佔用空間較小之工業機器人。

一種工業機器人，包括可繞第一軸線轉動之第一手腕單元、可繞第二軸線轉動且被第一手腕單元支撐之第二手腕單元、可繞第三軸線轉動且被第二手腕單元支撐之第三手腕單元、驅動該第二手腕單元之第一電機及第一傳動鏈、驅動該第三手腕單元之第二電機及第二傳動鏈以及控制該第一電機及第二電機分別動作之控制裝置。第三手腕單元為該工業機器人之最終軸，該第一軸線、第二軸線及第三軸線相交於一交點。該第二軸線與第三軸線之夾角大於0度小於90度；該第一傳動鏈包括第一錐齒輪組，該第一錐齒輪組中之一錐齒輪相對於該第二手腕單元固定；該第二傳動鏈包括與該第二手腕單元轉動連接之中間軸及沿中間軸之旋轉軸線間隔設置之第二錐齒輪組及第三錐齒輪組，該第三錐齒輪組中之一錐齒輪相對於該第三手腕單元固定，並且該中間軸之旋轉軸線與第二軸線重合，該控制裝置包括一補償單元，該第三手腕單元跟隨該第二手腕單元繞第二軸線旋轉時，該補償單元產生控制指令控制該第二電機驅動該第三手腕單元繞第三軸線旋轉一定角度，以抵消該第三手腕單元因跟隨第二手腕運動而產生的繞第三軸線的跟隨轉動。

上述工業機器人之第二軸線與第三軸線之夾角大於0度小於90度，即第二軸線與第三軸線斜交，第三手腕單元於跟隨第二手腕單元轉動時可避免與第一手腕單元相交，從而第二手腕單元繞第二 軸線之轉動角度可不受限制、作全方位之轉動。另，藉由配置第一至第三錐齒輪組及中間軸，可將第一電機及第二電機之動力傳遞至第二手腕單元及第三手腕單元，並可減小第二手腕單元及第三手腕單元沿各自旋轉軸向之尺寸，使工業機器人結構緊湊，佔用空間減小，可實現手腕單元之小型化，使工業機器人可於更狹窄之作業空間內作業。

100‧‧‧機器人

11‧‧‧基座

12‧‧‧機架

13‧‧‧大臂

14‧‧‧連接手腕

15‧‧‧第一手腕單元

16‧‧‧第二手腕單元

18‧‧‧第三手腕單元

19‧‧‧控制裝置

121、131、141‧‧‧軸線

21‧‧‧第一電機

31‧‧‧第二電機

151‧‧‧第一連接部

152‧‧‧第二連接部

153‧‧‧中空部

161‧‧‧連接孔

162‧‧‧安裝孔

160‧‧‧容置部

155‧‧‧第一交叉滾子軸承

163‧‧‧第二交叉滾子軸承

221‧‧‧第一傳動軸

223‧‧‧第一錐齒輪組

323‧‧‧第二錐齒輪組

325‧‧‧第三錐齒輪組

2211、3211、3241、3242‧‧‧軸承

2212‧‧‧貫穿孔

223a、223b、323a、323b、325a、325b‧‧‧錐齒輪

156‧‧‧螺紋件

2232‧‧‧中心孔

321‧‧‧第二傳動軸

324‧‧‧中間軸

圖1係係簡略表示本發明實施例之工業機器人之側視圖。

圖2係圖1所示之機器人之手腕結構之立體組裝圖，圖中省略了電機及設於電機輸出端之齒輪組。

圖3係圖2所示手腕結構沿III-III方向之剖面示意圖。

下面結合附圖及實施例對本發明之工業機器人作進一步的詳細說明，並以六軸工業機器人為例進行說明。

圖1所示為本發明實施方式之工業機器人100簡略示意圖。機器人100為六軸工業機器人，其包括基座11、轉動地設置於基座11之機架12、可轉動地設置於機架12一端之大臂13、與大臂13轉動連接之連接手腕14、依次轉動連接之第一至第三手腕單元15、16、18以及控制裝置19。其中，第一手腕單元15與連接手腕14轉動連接，第三手腕單元18作為工業機器人100之末端軸，可用於裝設夾具、刀具或者探測儀器等末端執行器。控制裝置19用於產生控制指令，以控制各驅動裝置，如電機等動作，使工業機器人100獲得預設之位置及姿勢。

第一至第三手腕單元15、16、18可分別繞第一至第三軸線A、B、C旋轉。第一至第三軸線A、B、C相交於一交點D，且第二軸線B與第三軸線C斜交，換言之，第二軸線B與第三軸線C之夾角θ大於0度小於90度。第二軸線B可與第一軸線A正交，亦可與第一軸線A斜交，換言之，第二軸線B與第一軸線A間之夾角β可為90度，亦可大於0度小於90度。本實施方式中，夾角θ、β均為45度。機架12、大臂13及連接手腕14亦可分別繞軸線121、131、141旋轉。

因第二軸線B與第三軸線C斜交，當第二手腕單元16帶動第三手腕單元18旋轉時，第三手腕單元18及與之連接之末端執行器可避開與第一手腕單元15相觸碰之位置，從而第二手腕單元16繞第二軸線B之轉動範圍不受限制，可作360度全方位轉動。

圖2及圖3示出了第一至第三手腕單元15、16、18之詳細結構。第二手腕單元16由第一電機21及第一傳動鏈(圖未標)驅動，第三手腕單元18由第二電機31及第二傳動鏈(圖未標)驅動。第一電機21及第二電機31均設於第一手腕單元15上。

第一手腕單元15包括一體成型之第一連接部151及第二連接部152。第一連接部151大致呈半球形殼體，第二連接部152形成於第一連接部151上，並大致為沿第一軸線A方向延伸之圓柱體。第二連接部152中部沿第一軸線A方向貫通形成一中空部153。

第二手腕單元16大致為一圓形蓋體，並貫通開設有複數連接孔161及一沿第二軸線B方向延伸之安裝孔162。安裝孔162用於安裝第三手腕單元18。

第二手腕單元16可轉動地設置於第一連接部151之前端一側，並被第一手腕單元15懸臂支撐。第三手腕單元18可轉動地穿設於第二手腕單元16之安裝孔162，並被第二手腕單元16懸臂支撐。第二手腕單元16與第一手腕單元15相配合形成一與中空部153相連通之容置部160。容置部160內可收容第一傳動鏈及第二傳動鏈之部分結構。第一手腕單元15設有第一交叉滾子軸承155，用於支撐第二手腕單元16。第二手腕單元16設有第二交叉滾子軸承163，用於支撐第三手腕單元18。因交叉滾子軸承之內輪與外輪間，間隔交叉之滾子彼此成直角方式排列，具有可同時承受來自多方向之載荷且變形較小之優點，可確保配合之緊密性以及轉動之剛性。

第一傳動鏈包括第一傳動軸221，設於第一傳動軸221一端之第一錐齒輪組223。第一電機21設於第一傳動軸221之另一端，以驅動第一傳動軸221。第一傳動軸221由軸承2211可轉動地支撐於第一手腕單元15之中空部153內。本實施例中，第一傳動軸221沿軸向開設一貫穿孔2212。第一錐齒輪組223為單級齒輪，其中一錐齒輪223a相對於第二手腕單元16固定設置，可藉由將複數螺紋件156分別穿設於第二手腕單元16之連接孔161將錐齒輪223a與第二手腕單元16鎖固。另一錐齒輪223b相對於第一傳動軸221固定設置，其連接方式可為鍵連接或過盈連接等。錐齒輪223a中部設有沿軸向貫通之中心孔2232。

第二傳動鏈包括依次設置之第二傳動軸321、第二錐齒輪組323、中間軸324以及第三錐齒輪組325。

第二傳動軸321穿設於第一傳動軸221之貫穿孔2212，且其二端分 別伸出貫穿孔2212外，並由設於第一傳動軸221內壁與第二傳動軸321間之軸承3211可轉動支撐。且第二傳動軸321及第一傳動軸221之旋轉軸線與第一軸線A重合。

第二電機31及第二錐齒輪組323分別設置於第二傳動軸321二端，且於第一軸線A方向上，第一電機21及第二電機31相互偏置，且分別設置於第一手腕單元15沿軸向之相對二側。第一電機21及第二電機31之輸出軸分別藉由齒輪組(圖未標)與第一傳動軸221及第二傳動軸321連接。

中間軸324穿設錐齒輪223a之中心孔2232，且二端分別藉由軸承3241、3242與第二手腕單元16可轉動連接。中間軸324之旋轉軸線E通過交點D且與第二軸線B重合，以使第三手腕單元18跟隨第二手腕單元16轉動時，第二電機31仍可藉由第二傳動鏈將動力傳送至第三手腕單元18。

第二錐齒輪組323及第三錐齒輪組325沿中間軸324之軸向間隔設置，且分別鄰近中間軸324之二端。第二錐齒輪組323及第三錐齒輪組325均為單級齒輪。其中，第二錐齒輪組323中之一錐齒輪323a與第二傳動軸321固定連接，另一錐齒輪323b與中間軸324固定連接。錐齒輪323a與錐齒輪223b於第二軸線B方向上相互偏置，從而錐齒輪323a及錐齒輪223a於垂直第一軸線A之平面之投影可部分重合，從而減小整體結構之徑向尺寸。第三錐齒輪組325中之一錐齒輪325a相對於第三手腕單元18固定設置以帶動第三手腕單元18繞第三軸線C旋轉，另一錐齒輪325b與中間軸324固定連接。

上述工業機器人100之第一電機21及第二電機31均設於第一手腕 單元15上，並藉由第一傳動鏈及第二傳動鏈將動力分別傳遞至第二手腕單元16及第三手腕單元18，第二手腕單元16及第三手腕單元18僅需分別與錐齒輪223a及錐齒輪323a直接連接，使得第二手腕單元16及第三手腕單元18沿各自軸向之尺寸均較小，可實現手腕單元之小型化，有利於工業機器人100於較狹窄之作業空間內與週圍物體無觸碰地進行作業。同時，還減輕了第二手腕單元16之慣性矩，有利於對第二手腕單元16及第三手腕單元18進行準確、快速控制。另，上述第一至第三錐齒輪組223、323、325均採用單級齒輪，並可採用傳統之錐齒輪結構，可降低製造成本。

以下主要介紹工業機器人100第二、第三手腕單元16、18之動作情況，工業機器人100之其他機構，例如機架12、大臂13、第一手腕單元15之動作情況與習知工業機器人相似。

控制裝置19中預設有控制指令，並包括一補償單元(圖未示)。當控制裝置19發出控制指令驅動第一電機21轉動時，第一電機21之動力藉由第一傳動鏈傳遞至第二手腕單元16，使第二手腕單元16繞第二軸線B旋轉。與此同時，第三手腕單元18將跟隨第二手腕單元16繞第二軸線B旋轉，第二錐齒輪組323及第三錐齒輪組325之二齒輪相互嚙合，導致第三手腕單元18繞第三軸線C轉動一定角度，此處稱該轉動之角度為跟隨轉動。為防止第三手腕單元18因跟隨第二手腕單元16之轉動而失去定位之基準，控制裝置19於控制第二手腕單元16旋轉之同時發出控制指令控制第二電機31轉動，以驅動第二傳動鏈帶動第三手腕單元18繞軸線C旋轉相應角度以抵消上述跟隨轉動，使第二手腕單元16旋轉時，第三手腕單元18繞線C仍保持於當前位置。當需要單獨調整第三手腕單元 18繞軸線C之旋轉角度時，控制裝置19再次發出控制指令使第三手腕單元18轉動至預設之角度，第三手腕單元18之運動不影響第二手腕單元16之動作。

可以理解，工業機器人100之第一傳動鏈及第二傳動鏈還可進一步增加傳動齒輪之級數以獲得需要之減速比。另，亦可將第二傳動軸321設為空心結構，而將第一傳動軸221可轉動地穿設於第二傳動軸321。

可以理解，本發明之機器人100不限於為六軸機器人，其亦可為具有較少軸數之機器人，如四軸或者五軸機器人等。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

15‧‧‧第一手腕單元

16‧‧‧第二手腕單元

151‧‧‧第一連接部

152‧‧‧第二連接部

153‧‧‧中空部

161‧‧‧連接孔

221‧‧‧第一傳動軸

321‧‧‧第二傳動軸

Claims (9)

1. 一種工業機器人，包括可繞第一軸線轉動之第一手腕單元、可繞第二軸線轉動且被第一手腕單元支撐之第二手腕單元、可繞第三軸線轉動且被第二手腕單元支撐之第三手腕單元、驅動該第二手腕單元之第一電機及第一傳動鏈、驅動該第三手腕單元之第二電機及第二傳動鏈以及控制該第一電機及第二電機分別動作之控制裝置；該第三手腕單元為該工業機器人之最終軸，該第一軸線、第二軸線及第三軸線相交於一交點，其改良在於：該第二軸線與第三軸線之夾角大於0度小於90度；該第一傳動鏈包括第一錐齒輪組，該第一錐齒輪組中之一錐齒輪相對於該第二手腕單元固定；該第二傳動鏈包括與該第二手腕單元轉動連接之中間軸及沿中間軸之旋轉軸線間隔設置之第二錐齒輪組及第三錐齒輪組；該第三錐齒輪組中之一錐齒輪相對於該第三手腕單元固定，且該中間軸之旋轉軸線與第二軸線重合，該控制裝置包括一補償單元，該第三手腕單元跟隨該第二手腕單元繞第二軸線旋轉時，該補償單元產生控制指令控制該第二電機驅動該第三手腕單元繞第三軸線旋轉一定角度，以抵消該第三手腕單元因跟隨第二手腕運動而產生的繞第三軸線的跟隨轉動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之工業機器人，其中該第一軸線與第二軸線之夾角大於0度小於90度。
3. 如申請專利範圍第1至2任何一項所述之工業機器人，其中該第一傳動鏈還包括設於第一電機與第一錐齒輪組間之第一傳動軸，該第二傳動鏈還包括設於第二電機與第二錐齒輪組間之第二傳動軸，該第一傳動軸與第二傳動軸相互套設，且該第一傳動軸及第二傳動軸之旋轉軸線與第一軸線重合。
4. 如申請專利範圍第3項所述之工業機器人，其中該第一手腕單元開設沿第一軸線方向延伸之中空部，該第一傳動軸及第二傳動軸穿設於該中空部。
5. 如申請專利範圍第4項所述之工業機器人，其中該第一手腕單元包括第一連接部及第二連接部，該第一連接部大致為半球形殼體並懸臂支撐該第二手腕單元，該第二連接部形成於該第一連接部並沿第一軸線方向延伸，該中空部貫穿該第二連接部。
6. 如申請專利範圍第4項所述之工業機器人，其中該第一傳動軸二端分別與第一電機及第一錐齒輪組之一錐齒輪連接，該第二傳動軸二端分別與第二電機及第二錐齒組之一錐齒輪連接，該分別與第一傳動軸及第二傳動軸連接之二錐齒輪於軸向相互偏置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之工業機器人，其中該第一手腕單元設有第一交叉滾子軸承，該第一交叉滾子軸承支撐該第二手腕單元；該第二手腕單元設有第二交叉滾子軸承，該第二交叉滾子軸承支撐該第三手腕單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之工業機器人，其中該第一錐齒輪組、第二錐齒輪組及第三錐齒輪組均為單級齒輪。
9. 如申請專利範圍第1項所述之工業機器人，其中該工業機器人為六軸工業機器人，該第一軸線、第二軸線及第三軸線分別為該六軸工業機器人之第四、第五及第六軸之旋轉軸線。