TWI490098B

TWI490098B - 機器人關節構造

Info

Publication number: TWI490098B
Application number: TW101143205A
Authority: TW
Inventors: Kimihito Mushikami; Haruo Ito; Keisuke Sadao; Junji Takehara; Hisato Uda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2015-07-01
Also published as: US9278455B2; TW201343343A; DE112012006256B4; US20150059511A1; CN104245249B; JP5159994B1; JPWO2013157143A1; CN104245249A; WO2013157143A1; DE112012006256T5

Description

機器人關節構造

本發明係關於一種機器人(robot)關節構造。

有一種垂直多關節機器人，係同軸地配置有：腕部驅動機構(wrist drive mechanism)(在6軸多關節之情形時係為5軸驅動機構)，係以設置在臂部(arm)之前端的腕部(wrist)支撐部從兩側支撐腕部(在6軸多關節之情形時係為5軸部)；及手部驅動機構(hand drive mechanism)(在6軸多關節之情形時係為6軸驅動機構)，係使設置在腕部之末端效應器(end effector)(在6軸多關節之情形時係為6軸部)內外旋轉。

當將腕部驅動機構及手部驅動機構配置在相同側之腕部支撐部時，距離臂部(arm)之中心的距離係在左右大幅地不同。因此，為了防止機器人驅動時之干擾，必須以距離臂部之中心的距離較大者之腕部支撐部為基準來設定干擾防止區域。因此，干擾防止區域會變大。

在專利文獻1揭示有一種將腕部驅動機構與手部驅動機構設為不同軸，且將手部驅動機構組裝在腕部之內部的機器人。若為該構造，支撐腕部之左右的腕部支撐部之粗度的差，係可設為比將腕部驅動機構與手部驅動機構配置在相同側之情形小。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平5-318378號公報

在垂直多關節機器人中，有一種從基部(base)穿通至安裝末端效應器之手部介面(hand interface)的線狀構件(纜線(cable)或管(tube))。以下，雖表示為纜線，但亦包含氣管(air tube)等管。)，當線狀構件露出於外部時，由於會有造成作業之妨礙之情形，因此大多要求在臂部或腕部之內部具備供纜線穿通之構造。

從基部穿通至腕部之纜線的粗度並未取決於機器人之尺寸而為大致相同程度之大小。因此，機器人越小型，越難以確保在腕部之內部拉繞纜線所需之空間(space)。

專利文獻1揭示之構造中，由於手部驅動機構之馬達(hand driving motor)配置在腕部內，因此腕部內之空餘空間會變小。因此，必須在腕部內以小的曲率使纜線彎曲，此時，纜線容易斷裂，且機器人之耐久性會變低。因此，難以在小型之機器人採用專利文獻1所示之構造。

本發明係鑑於上述課題而研創者，其目的在於獲致一種臂部之周圍的干擾防止區域小且從臂部穿通至腕部之構造體的纜線不容易斷裂之機器人關節構造。

為了要解決上述課題並達成目的，本發明之機器人關節構造係具備：臂部，係在前端側形成有一對腕部支撐部(wrist supporting portion)；及腕部，係在前端側設置有手部介面，且被夾持在一對腕部支撐部而被軸支；且透過腕部之內部配設有線狀構件，該線狀構件係設置在手部介面，且用以連接至末端效應器或感測器等；其中，臂部係具有：腕部驅動用馬達(wrist driving motor)及手部驅動用馬達(hand driving motor)，係配置成比腕部支撐部更靠近根部側；腕部驅動用皮帶輪(wrist driving pulley)，係設置在一對腕部支撐部之一方，且傳達腕部驅動用馬達之旋轉；及手部驅動用皮帶輪(hand driving pulley)，係與腕部驅動用皮帶輪同軸地設置在一對腕部支撐部之另一方，且傳達手部驅動用馬達之旋轉；腕部係具有腕部外殼(wrist housing)，該腕部外殼具有：腕部驅動構造部(wrist driving mechanism portion)，係由腕部驅動用皮帶輪傳達旋轉；圓筒部，係以與腕部驅動構造部之旋轉軸同軸之方式設置，且供由手部驅動用皮帶輪傳達旋轉之第1手部驅動軸(first hand driving axis)貫通；纜線導入部(cable loading portion)，係在其與圓筒部之間形成環狀之間隙；及手部驅動軸貫通部(hand driving axis penetrating portion)，係與第1手部驅動軸正交，且供傳達第1手部驅動軸之旋轉且使手部介面轉動之第2手部驅動軸(second hand driving axis)貫通；並且，使從一對腕部支撐部之另一方突出至臂部外的線狀構件從環狀之間隙拉入腕部外殼內，且以在腕部外殼內保持鬆弛之狀態敷設，並穿通至手部介面支撐部內部。

本發明之機器人關節構造係發揮以下效果：臂部之周圍的干擾防止區域較小亦無妨，而且可提升機器人之耐久性。

1‧‧‧基部

2‧‧‧第1臂部

3‧‧‧第2臂部

4‧‧‧腕部

5‧‧‧手部介面

31、32‧‧‧腕部支撐部

33‧‧‧腕部驅動用馬達

34‧‧‧手部驅動用馬達

35‧‧‧手部驅動用皮帶輪

36‧‧‧手部驅動用皮帶

37‧‧‧腕部驅動用皮帶輪

38‧‧‧腕部驅動用皮帶

39‧‧‧纜線

41‧‧‧手部介面支撐部

42‧‧‧腕部外殼

43、48‧‧‧減速機

44‧‧‧第1手部驅動軸

45、46‧‧‧斜齒輪

47‧‧‧第2手部驅動軸

49、491、492‧‧‧纜線導件

100‧‧‧垂直多關節機器人

421‧‧‧纜線導入部

422‧‧‧腕部驅動構造部

423‧‧‧圓筒部

424‧‧‧手部驅動軸貫通部

425‧‧‧罩部

426‧‧‧夾持台座

J1‧‧‧第1軸

J2‧‧‧第2軸

J3‧‧‧第3軸

J4‧‧‧第4軸

J5‧‧‧第5軸

J6‧‧‧第6軸

第1圖係顯示應用本發明之機器人關節構造之垂直多關節機器人的實施形態之圖。

第2圖係第2臂部(second arm)及腕部之部分的上面放大圖。

第3圖係第2臂部及腕部之部分的斜視圖。

第4圖係第2臂部及腕部之部分的斜視圖。

第5圖係第2臂部及腕部的剖視圖。

第6圖係顯示腕部之構成的圖。

第7圖係顯示腕部外殼之構成的圖。

第8圖係顯示安裝有纜線導件(cable guide)之狀態之腕部外殼的圖。

第9圖係顯示在腕部外殼內之纜線之狀態的圖。

(實施形態1)

以下，根據圖式詳細地說明本發明之機器人關節構造的實施形態。此外，本發明並非由上述実施形態所限定者。

實施形態

第1圖係顯示應用本發明之機器人關節構造之垂直多關節機器人的實施形態之圖。實施形態之垂直多關節機器人100係為6軸垂直多關節型之機器人，且具有基部1、第1臂部(first arm)2、第2臂部3、及腕部4。在基部1與第1臂部2之間設置有：使第1臂部2朝水平方向旋轉之第1軸(J1)；及使第1臂部2朝垂直方向旋轉之第2軸(J2)。再者，在第1臂部2與第2臂部3之間設置有使第2臂部2朝垂直方向旋轉之第3軸(J3)。第2臂部3係具備以長度方向為軸方向旋轉成使第2臂部3之前端側扭轉的第4軸(J4)，前端側係分歧為二。第2臂部3係以使腕部4在第5軸(J5)可旋轉之方式從兩側予以支撐。腕部4係具備安裝有末端效應器(手部等)之手部介面(Inter face：I/F)5，安裝在手部介面5之末端效應器係可旋轉成以與第5軸(J5)正交之第6軸(J6)為旋轉軸扭轉。

第2圖係第2臂部及腕部之部分的上面放大圖。第2臂部3之前端側係成為腕部支撐部31、32，在腕部支撐部31、32之間夾持腕部4並予以軸支。

第3圖及第4圖係第2臂部及腕部之部分的斜視圖。第4圖中係穿透顯示第2臂部3及腕部4之內部。第5圖係第2臂部及腕部的剖視圖。此外，在第5圖中，針對從基部1穿通至手部介面支撐部41之纜線39或與動力傳達無直接相關之軸承(bearing)等構件，係省略其圖示而示意性顯示關節部分之構造。在比第2臂部3之腕部支撐部 31、32更靠近根部側(第1臂部2側)的部分，設置有腕部驅動用馬達33及手部驅動用馬達34。此外，在腕部支撐部31之內部配置有手部驅動用皮帶輪35，在手部驅動用馬達34與手部驅動用皮帶輪35之間架設有手部驅動用皮帶(hand driving belt)36。此外，在腕部支撐部32之內部配置有腕部驅動用皮帶輪37，在腕部驅動用馬達33與腕部驅動用皮帶輪37之間架設有腕部驅動用皮帶(wrist driving belt)38。

第6圖係顯示腕部之構成的圖，且穿透顯示腕部之內部。腕部4係具有：配置在第5軸(J5)所穿通之部分之腕部外殼42；及設置在腕部外殼42之前端側之手部介面41。第7圖係顯示腕部外殼之構成的圖。腕部外殼42係具備纜線導入部421、腕部驅動構造部422、圓筒部423、手部驅動軸貫通部424。此外，圓筒部423及手部驅動軸貫通部424係以跨越纜線導入部421與腕部驅動構造部422之間的方式設置，且由形成外部輪廓之罩部(cover portion)425所覆蓋，在第7圖中，為了顯示內部之構造，罩部425係省略一部分而圖示。腕部外殼42係藉由金屬材料而一體成形，在腕部外殼42之內側，以覆蓋纜線導入部421、腕部驅動構造部422、圓筒部423、及手部驅動軸貫通部424等之方式安裝有纜線導件49。第8圖係顯示安裝有纜線導件之狀態之腕部外殼的圖。纜線導件491、492係由與纜線39之摩擦小的樹脂所形成。

如第5圖所示，腕部驅動構造部422係透過減速機43 與腕部驅動用皮帶輪37連結。腕部驅動用馬達33之旋轉係透過腕部驅動用皮帶38、腕部驅動用皮帶輪37及減速機43而傳達至腕部驅動構造部422，腕部4係以第5軸(J5)為旋轉軸而轉動。

此外，在圓筒部423穿通有連接於手部驅動用皮帶輪35之第1手部驅動軸44。在從手部驅動用皮帶輪35延伸之第1手部驅動軸44，安裝有斜齒輪(bevel gear)45。斜齒輪45係貫通手部驅動軸貫通部424，並與安裝在到達腕部外殼42之前端的第2手部驅動軸47之斜齒輪46囓合。藉由斜齒輪45、46之囓合，旋轉之方向會在腕部外殼42之內部變換90度。在第2手部驅動軸47之前端，透過減速機48連接有手部介面5。因此，手部驅動用馬達34之旋轉係透過手部驅動用皮帶36、手部驅動用皮帶輪35、第1手部驅動軸(first hand driving axis)44、斜齒輪45、斜齒輪46、第2手部驅動軸(second hand driving axis)47及減速機48而傳達至手部介面5，手部介面5係以第6軸(J6)為旋轉軸而轉動。

此外，當腕部4轉動時，手部驅動用馬達34係以第1手部驅動軸44配合減速機43之旋轉而旋轉之方式進行使手部驅動用皮帶輪35旋轉之控制(即所謂之拉繞)。藉此，在不使手部旋轉之情形下可使腕部4轉動。

第9圖係顯示在腕部外殼內之纜線之狀態的圖。在第9圖中，係穿透地顯示第2臂部3及腕部4之內部。在腕部支撐部31之內部，拉繞有從基部1穿通至手部介面41 之纜線39。從腕部支撐部31突出至第2臂部3之外部的纜線39係從圓筒部423與纜線導入部421之間的環狀間隙拉入至腕部外殼42之內部，且在圓筒部423之上彎曲180度而成為U字形，且在設置於圓筒部423上之夾持台座(clamp base)426上被夾持後從腕部外殼42突出，而到達手部介面支撐部41，亦即，纜線39係以在該腕部外殼42內保持鬆弛之狀態敷設，並穿通至手部介面支撐部41。

當腕部4轉動時，纜線39之鬆弛量變化，纜線39係在腕部外殼42之內部動作。因此，如上所述藉由安裝纜線導件49，即可防止纜線39在腕部外殼42內部摩擦而損傷，且提升纜線39之耐久性。

此外，亦可在配置有手部驅動用皮帶36之部分的附近，以覆蓋纜線導入部421與圓筒部423之環狀間隙之方式設置罩部，以防止纜線39與手部驅動用皮帶36接觸。

在以上之構成中，由於可使用腕部外殼42之內部空間中除了減速機43之寬度部分的空間進行纜線39之拉繞，因此無須在腕部外殼42之內部以小的曲率使纜線39彎曲。藉此，可提升纜線39之耐久性，且謀求機器人100之製品壽命之長壽命化。此外，由於在腕部外殼42之內部可充分地確保用以拉繞纜線39之空間，因此纜線39無須使用特殊規格。再者，由於屬於腕部驅動機構之腕部驅動用皮帶輪37及屬於手部驅動機構之手部驅動用皮帶輪35係左右地分開配置，因此，可將左右之腕部支撐部31、32設為大致相同之粗度。藉此，可使臂部周圍之干擾防止區域減小，且可減低設置機器人100所需之空間。此外，由於可使第2臂部3之寬度變窄，因此可使機器人100在窄小之空間作業。

在以上之構成中，由於腕部4係藉由腕部支撐部31、32而從兩側被支撐，因此可提升關節部分之機械性強度。

在以上之說明中，雖係以纜線在腕部外殼內部之圓筒部上彎曲180度而成為U字形之情形下從腕部外殼往前端側突出之構造為例，但亦可為在圓筒部之下側彎曲180度而成為U字形之情形下從腕部外殼往前端側突出之構造。此外，亦可為在將從環部與圓筒部之間的間隙拉入至腕部外殼之內部的纜線捲繞在圓筒部後突出至腕部外殼之前端側的構造。

在上述實施形態中，雖係以6軸垂直多關節機器人為例，但本發明係只要為具有腕部及手部之垂直多關節機器人皆可適用，並不限定於6軸型。

[產業上之可利用性〕

如上所述，本發明之機器人關節構造係於設置所需之空間小且纜線之耐久性高之特點有用，特別適用於纜線之設置空間相對地小之小型之垂直多關節機器人的應用。