TWI480141B - 機器人之臂結構 - Google Patents

Description

機器人之臂結構

本發明涉及一種機器人之臂結構。

應用於包裝、碼垛、灌裝、搬運以及噴塗等領域之機器人，其末端執行裝置需於平面內作平移運動，以利於完成取放料等動作。習知機器人一般採用四邊形連桿結構來保持其末端執行裝置之姿態。

圖1所示為一種採用平行四邊形連桿結構之機器人之結構簡圖。機架101安裝於底座上，且可繞垂直方向轉動。與轉軸H同軸設置之馬達(圖未示)驅動下方大臂102，與轉軸H同軸設置之另一馬達(圖未示)通過下方小臂103、上方大臂104來驅動上方小臂105。其中，下方小臂103、上方大臂104、上方小臂105及下方大臂102，藉由轉軸A、B、C、H相連而共同組成一第一平行四邊形連桿機構。下方大臂102和上方小臂105之中心線交匯點C之連接軸安裝有一“L”型連接件106。“L”型連接件106、第一連桿107、機架101以及下方大臂102藉由轉軸O、D、C、H相連而共同組成一第二平行四連桿機構。“L”型連接件106、第二連桿114、上方小臂105與末端執行器保持機構108藉由連接軸C、E、F、G相連而共同組成一第三平行四連桿機構，利用上述第二平行四連桿機構和第三平行四連桿機構可保證末端執行器109於機器人工作過程中 始終保持水平。然，上述採用平行四連桿結構之機器人，其轉動連接副較多、結構較為複雜，且因需採用較多連桿結構，而造成體積較大，需佔用較大之空間。

鑒於上述狀況，有必要提供一種結構緊湊、佔用空間較小之機器人之臂結構。

一種機器人之臂結構，其包括支撐座、與支撐座轉動連接之大臂、驅動該大臂之第一驅動機構、與該大臂轉動連接之小臂、驅動該小臂之第二驅動機構，以及手腕組件，該大臂及小臂分別繞第一旋轉軸線及第二旋轉軸線轉動。該機器人之臂結構還包括與支撐座固定連接之第一圓輪、固定設置於小臂之第二圓輪、與小臂轉動連接且與手腕組件固定之第三圓輪、無滑動地纏繞於第一圓輪與第二圓輪之第一撓性傳動件，以及無滑動地纏繞於第二圓輪與第三圓輪之第二撓性傳動件。該第一、第二、第三圓輪具有相同之工作半徑，且該第一圓輪之中心軸線與第一旋轉軸線重合，該第二圓輪之中心軸線與第二旋轉軸重合，該第一驅動機構包括固定設置於支撐座之第一馬達、由第一馬達驅動之第一蝸桿，以及與該蝸桿嚙合以驅動大臂繞第一旋轉軸線轉動之第一蝸輪。

上述機器人之臂結構藉由第一、第二撓性傳動件與第一、第二、第三圓輪相互無滑動配合，使第二圓輪相對於第一圓輪之姿態可保持不變，第三圓輪相對與第二圓輪之姿態可保持不變，從而與第三圓輪固定連接之手腕組件於機器人之運動過程中之姿態可保持不變，且上述機器人之臂結構之結構較為緊湊，佔用空間較小。

100‧‧‧機器人之臂結構

11‧‧‧支撐座

12‧‧‧大臂

13‧‧‧第一驅動機構

14‧‧‧小臂

15‧‧‧第二驅動機構

16‧‧‧手腕組件

201‧‧‧第一旋轉軸線

202‧‧‧第二旋轉軸線

141‧‧‧第一端

142‧‧‧第二端

21‧‧‧第一圓輪

22‧‧‧第二圓輪

23‧‧‧第三圓輪

24‧‧‧第一撓性傳動件

25‧‧‧第二撓性傳動件

211‧‧‧安裝座體

26‧‧‧第一預緊裝置

261‧‧‧壓輪

262‧‧‧支撐桿

131‧‧‧第一馬達

132‧‧‧第一蝸桿

133‧‧‧第一蝸輪

1331‧‧‧第一轉矩調節部

151‧‧‧第二馬達

152‧‧‧第二蝸桿

153‧‧‧第二蝸輪

154‧‧‧帶傳動機構

1531‧‧‧第二轉矩調節部

110‧‧‧底座

112‧‧‧第三驅動機構

1122‧‧‧第三馬達

1123‧‧‧第一齒輪

1124‧‧‧第二齒輪

203‧‧‧第三旋轉軸線

161‧‧‧旋轉軸

162‧‧‧第四馬達

204‧‧‧第四旋轉軸線

圖1係一種採用平行四邊形連桿結構之機器人結構示意圖。

圖2係本發明實施方式之機器人之臂結構之立體圖。

圖3係圖2所示機器人之臂結構沿另一視角之立體圖。

圖4係圖2所示機器人之臂結構之局部結構之立體圖。

圖5係圖4所示機器人之臂結構之局部結構沿另一視角之立體圖。

圖6係圖2所示機器人之臂結構之運動狀態示意圖。

下面將結合附圖及具體實施方式對本發明之機器人之臂結構作進一步詳細說明。

請參見圖2及圖3，本發明實施方式之機器人之臂結構100包括支撐座11、與支撐座11轉動連接之大臂12、驅動大臂12之第一驅動機構13、與大臂12轉動連接之小臂14、驅動小臂14之第二驅動機構15，以及手腕組件16。手腕組件16設於機器人之末端，其上可安裝刀具、夾具等末端執行裝置。大臂12與小臂14分別繞第一旋轉軸線201及第二旋轉軸線202轉動。小臂14包括相對設置之第一端141及第二端142。第一端141與大臂12之前端相連接，第二端142與手腕組件16相連接。

請同時參見圖4和圖5，機器人之臂結構100還包括與支撐座11固定連接之第一圓輪21、固定設置於小臂14之第二圓輪22、與小臂14轉動連接且與手腕組件16固定之第三圓輪23、無滑動地纏繞於第一圓輪21與第二圓輪22之第一撓性傳動件24，以及無滑動地纏繞於第二圓輪22與第三圓輪23之第二撓性傳動件25。第一、第二 、第三圓輪21、22、23具有相同之工作半徑，且第一圓輪21之中心軸線與第一旋轉軸線201重合，第二圓輪22之中心軸線與第二旋轉軸線202重合。本實施方式中，第一圓輪21藉由一安裝座體211固定設置於支撐座11上，第二圓輪22設於小臂14之第一端141，第三圓輪23設於小臂14之第二端142。

以下詳細介紹本發明實施方式之機器人之臂結構100之工作原理。請同時參見圖6，假設第一、第二、第三圓輪21、22、23之工作半徑均為r。因第一圓輪21固定設置於支撐座11，且第一撓性傳動件24無打滑地纏繞於第一圓輪21與第二圓輪22，當第一驅動機構13驅動大臂12以角速度ω由第一位置(圖6中實線所示)逆時針轉動至第二位置(圖6中虛線所示)時，大臂12轉動之角度為α。第一撓性傳動件24將於第一圓輪21之左側相對繞出長度為r α之一段，而於第一圓輪21之右側相對繞入長度為r α之一段，此時第二圓輪22跟隨大臂12由X位置轉動移動至X’位置。因第一、第二圓輪21、22之工作半徑相同，且第一撓性傳動件24相對第一、第二圓輪21、22無滑動，第二圓輪22將相對第一撓性傳動件24順時針轉動角度α，以將第一圓輪21左側繞出之長度為r α之一段傳遞至第二圓輪22右側。從而，第二圓輪22於跟隨大臂12繞第一旋轉軸線201作公轉運動時，還將繞其自身之中心軸線自轉。根據相對運動原理，當第一撓性傳動件24相對於第一圓輪21以角速度ω逆時針轉動，第二圓輪22相對第一撓性傳動件24以角速度ω順時針轉動時，第二圓輪22相對於第一圓輪21之絕對轉動速度為零，即第二圓輪22於運動過程中其姿態不變。從而於大臂12繞第一旋轉軸線201轉動過程中，小臂14姿態始終保持不變。

同理，因第二圓輪22相對於小臂14固定，第二撓性傳動件25無打滑地纏繞於第二圓輪22與第三圓輪23，且第二圓輪22與第三圓輪23之工作半徑相同，從而當第二驅動機構15驅動小臂14繞第二旋轉軸線202轉動過程中，第三圓輪23以及與之固定之手腕組件16之姿態亦保持不變，故，設於手腕組件16之末端執行器，於機器人之運動過程中可保持姿態不變，從而便於進行包裝、碼垛、灌裝及搬運等動作。

第一、第二撓性傳動件24、25可為鋼絲繩、同步傳送帶、平帶及鋼帶中任一種，其滿足相對於第一、第二、第三圓輪21、22、23無滑動連接即可。

本發明實施方式之機器人之臂結構100藉由第一、第二撓性傳動件24、25分別與第一、第二、第三圓輪21、22、23相互無滑動配合，使第二圓輪22相對於第一圓輪21之姿態可保持不變，第三圓輪23相對與第二圓輪22之姿態可保持不變，從而與第三圓輪23固定連接之手腕組件16於機器人運動過程中之姿態可保持不變，其結構較為緊湊，佔用之空間較小，且元件數量較少，安裝便利，成本較低。

進一步，機器人之臂結構100還可包括用於對第一撓性傳動件24進行預緊之第一預緊裝置26。第一預緊裝置26可採用習知帶傳動機構之預緊裝置，例如，第一預緊裝置26包括抵壓第一撓性傳動件24之壓輪261以及支撐壓輪261且與大臂12固定連接之支撐桿262。機器人之臂結構100還可包括用於對第二撓性傳動件25進行預緊之第二預緊裝置28。第二預緊裝置28與第一預緊裝置26相似。

請再次參見圖2至圖5，本實施方式中，第一驅動機構13包括固定設置於支撐座11之第一馬達131、由第一馬達131驅動之第一蝸桿132，以及與第一蝸桿132嚙合以驅動大臂12繞第一旋轉軸線201轉動之第一蝸輪133。第一蝸輪133設有第一轉矩調節部1331，用於抵消作用於機器人之臂結構100之負載產生之轉矩。藉由設置第一轉矩調節部1331使第一蝸輪133之重心盡可能大地偏移，以盡可能多地抵消負載產生之轉矩。第一轉矩調節部1331可為開設於第一蝸輪133之通孔，或者設於第一蝸輪133一側之平衡塊，該平衡塊由密度較大之材料，如鉛製成。第一蝸輪133驅動大臂12轉動過程中，第一轉矩調節部1331對第一旋轉軸線201產生之轉矩及作用於大臂12之負載對第一旋轉軸線201產生之轉矩具有相同之變化趨勢。

第二驅動機構15包括固定設置於支撐座11之第二馬達151、由第二馬達151驅動之第二蝸桿152、與第二蝸桿152嚙合之第二蝸輪153、由第二蝸輪153驅動之帶傳動機構154。帶傳動機構154驅動小臂14繞第二旋轉軸線202轉動。

帶傳動154機構包括與第二蝸輪153耦接之主動帶輪1541，與小臂14固定連接之從動帶輪1542，以及傳送帶1543。傳送帶1543也可藉由一預緊裝置(圖未示)進行預緊。

與第一蝸輪133相似，第二蝸輪153設有第二轉矩調節部1531，用於抵消作用於機器人之臂結構100之負載產生之轉矩。第二轉矩調節部1531可為開設於第二蝸輪153之通孔，或者設於第二蝸輪153一側之平衡塊。第二蝸輪153驅動大臂12轉動之過程中，第二轉矩調節部1531產生之轉矩及作用於大臂12之負載之轉矩具有相 同之變化趨勢。

上述第一驅動機構13及第二驅動機構15均採用蝸輪-蝸桿進行動力傳遞，可較為方便地實現自鎖，且機構較為緊湊。可以理解，第一驅動機構13及第二驅動機構15不限於採用蝸輪-蝸桿進行動力傳遞，亦可藉由將馬達之動力經減速器直接輸出至大臂12或小臂14，以驅動大臂12或者小臂14。

為使末端執行裝置獲得更多自由度，還可將支撐座11轉動設置於一底座110上。第三驅動機構112驅動支撐座11，以使其繞第三旋轉軸線203轉動。第三驅動機構112包括固定設置於支撐座11之第三馬達1122，由第三馬達1122驅動之第一齒輪1123，以及固定設置於底座110之第二齒輪1124。第一齒輪1123設有外齒，第二齒輪1124設有內齒，第一齒輪1123與第二齒輪1124相互嚙合，使支撐座11相對底座110繞第三旋轉軸線203轉動。另，手腕組件16還可包括一旋轉軸161以及驅動旋轉軸161之第四馬達162。第四馬達162驅動旋轉軸161繞第四旋轉軸線204轉動，以使末端執行裝置於平面內平移時還可繞第四旋轉軸線204轉動。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之如申請專利範圍內。

100‧‧‧機器人之臂結構

11‧‧‧支撐座

12‧‧‧大臂

14‧‧‧手腕組件

15‧‧‧第二驅動機構

16‧‧‧小臂

201‧‧‧第一旋轉軸線

202‧‧‧第二旋轉軸線

141‧‧‧第一端

142‧‧‧第二端

21‧‧‧第一圓輪

211‧‧‧安裝座體

110‧‧‧底座

Claims (9)

1. 一種機器人之臂結構，包括支撐座、與支撐座轉動連接之大臂、驅動該大臂之第一驅動機構、與該大臂轉動連接之小臂、驅動該小臂之第二驅動機構，以及手腕組件，該大臂及小臂分別繞第一旋轉軸線及第二旋轉軸線轉動，其改良在於：該機器人之臂結構還包括與支撐座固定連接之第一圓輪、固定設置於小臂之第二圓輪、與小臂轉動連接且與手腕組件固定之第三圓輪、無滑動地纏繞於第一圓輪與第二圓輪之第一撓性傳動件，以及無滑動地纏繞於第二圓輪與第三圓輪之第二撓性傳動件，該第一、第二、第三圓輪具有相同之工作半徑，且該第一圓輪之中心軸線與第一旋轉軸線重合，該第二圓輪之中心軸線與第二旋轉軸重合，該第一驅動機構包括固定設置於支撐座之第一馬達、由第一馬達驅動之第一蝸桿，以及與該蝸桿嚙合以驅動大臂繞第一旋轉軸線轉動之第一蝸輪。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該第一撓性傳動件及第二撓性傳動件為鋼絲繩、同步傳送帶、平帶及鋼帶中任一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該機器人之臂結構還包括用於對該第一撓性件進行預緊之預緊裝置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該機器人之臂結構還包括用於對該第二撓性件進行預緊之預緊裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該第一蝸輪設有第一轉矩調節部，該第一轉矩調節部用於至少部分抵消作用於該機器人之臂結構之負載產生之轉矩。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該第二驅動機構包括固定設置於支撐座之第二馬達、由第二馬達驅動之第二蝸桿、與該第二 蝸桿嚙合之第二蝸輪、由該第二蝸輪驅動之帶傳動機構，該帶傳動機構驅動該小臂繞第二旋轉軸線轉動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器人之臂結構，其中該第二蝸輪設有第二轉矩調節部，該第二轉矩調節部用於至少部分抵消作用於該機器人之臂結構之負載產生之轉矩。
8. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該小臂包括與大臂相連接之第一端及與該第一端相對設置之第二端，該第二圓輪設於該第一端，該第三圓輪設於該第二端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之機器人之臂結構，其中該機器人之臂部件還包括一底座、固定設置於支撐座之馬達、由該馬達驅動之第一齒輪，以及固定設置於該底座之第二齒輪，該第一齒輪設有外齒，該第二齒輪設有內齒，該第一齒輪與第二齒輪相互嚙合，使該支撐座相對底座轉動。