TWI689389B - 多軸機器人 - Google Patents

Abstract

一種多軸機器人包含第一轉動模組、第二轉動模組以及升降件。第一轉動模組包含座體以及複數個臂件。臂件配置以平行於第一平面相對座體轉動。第二轉動模組包含至少一腕件。腕件連接至第一轉動模組中相對於座體排列最遠之臂件，並配置以平行於第二平面相對第一轉動模組轉動。升降件樞接至座體且連接相鄰之臂件，或連接於臂件與腕件中之相鄰兩者之間。升降件配置以使多軸機器人相對於座體排列於升降件之後的部件沿一升降方向升降。

Description

多軸機器人

本發明是有關於一種多軸機器人。

相較於汽車產業等其他機械手臂使用產業，3C產業產品生命週期短，汰換率高。正因如此，3C產業對機器人產品的需求愈來愈高。目前，3C產業廣泛應用之SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)機器人，主要是為了平面工作而設計。具體來說，它依靠兩個旋轉關節實現X-Y平面內的快速定位，依靠一個移動關節和一個旋轉關節在Z方向上做伸縮和旋轉運動。這種結構特性使得SCARA機器人擅長從一點抓取物體，然後快速的安放到另一點。因此，SCARA機器人在自動裝配生產線上得到了廣泛的應用。

雖然SCARA機器人的優點是高速、一二臂旋轉關節剛性強、價格較低、有效工作範圍大、針對XY水平面最佳化、逆向運動學簡易…等，但其缺點是只能水平工作，且Z軸行程短。因此，目前的3C產業應用SCARA機器人之自動化工站，仍受到了許多限制。

另外，為了執行立體動作，也可考慮使用傳統的 六軸機械臂。六軸機械臂的優點有臂長夠長、靈活角度、可針對3D連續路徑最佳化…等，幾乎可使用於所有應用。然而，六軸機械臂的缺點是速度慢、價格高、球狀工作範圍受限、逆向運動學困難、有奇異點…等。再者，六軸機械臂的專長是打磨、拋光…等大量曲面之應用，且其靈活度超過了3C產業需求，若使用於只需要少量的立體動作的3C產業時，無異於殺雞用牛刀。

因此，如何提出一種可解決上述問題的多軸機器人，是目前業界亟欲投入研發資源解決的問題之一。

有鑑於此，本發明之一目的在於提出一種既能快捷地應用於生產活動，又能以柔性角度動作執行多樣任務的多軸機器人。

為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一種多軸機器人包含第一轉動模組、第二轉動模組以及升降件。第一轉動模組包含座體以及複數個臂件。臂件配置以平行於第一平面相對座體轉動。第二轉動模組包含至少一腕件。腕件連接至第一轉動模組中相對於座體排列最遠之臂件，並配置以平行於第二平面相對第一轉動模組轉動。升降件樞接至座體且連接相鄰之臂件，或連接於臂件與腕件中之相鄰兩者之間。升降件配置以使多軸機器人相對於座體排列於升降件之後的部件沿一升降方向升降。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之升降件 樞接座體。臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端可滑動地連接升降件。第二臂件的一端樞接至第一臂件之另一端。第三臂件的一端樞接至第二臂件之另一端。腕件樞接至第三臂件之另一端。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端樞接至座體，且第一臂件的另一端可滑動地連接升降件。第二臂件的一端樞接至升降件。第三臂件的一端樞接至第二臂件之另一端。腕件樞接至第三臂件之另一端。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端樞接至座體，且第一臂件的另一端可滑動地樞接至升降件。第二臂件的一端連接升降件。第三臂件的一端樞接至第二臂件之另一端。腕件樞接至第三臂件之另一端。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端樞接至座體。第二臂件的一端樞接至第一臂件之另一端，且第二臂件的另一端可滑動地連接升降件。第三臂件的一端樞接至升降件。腕件樞接至第三臂件之另一端。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端樞接至座體。第二臂件的一端樞接至第一臂件之另一端，且第二臂件的另一端可滑動地樞接至升降件。第三臂件的一端連接升降件。腕件樞接至第三臂件之另一端。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之臂件包含第一臂件、第二臂件以及第三臂件。第一臂件的一端樞接至座體。第二臂件的一端樞接至第一臂件之另一端。第三臂件的一端樞接至第二臂件之另一端，且第三臂件的另一端可滑動地連接升降件。腕件樞接至升降件。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之第二平面實質上垂直於第一平面。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之升降方向實質上垂直於第一平面。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之第二轉動模組包含第一腕件以及第二腕件。第一腕件連接至第一轉動模組中相對於座體排列最遠之臂件，並配置以平行於第二平面相對第一轉動模組轉動。第二腕件樞接至第一腕件，並配置以平行於第三平面相對第一腕件轉動。

綜上所述，本發明的多軸機器人改善了SCARA機器人的結構配置。具體來說，本發明的多軸機器人的結構配置不但保留了類似SCARA機器人的平面與快速的工作特性，還增加了六軸機械臂的柔性角度動作(可達五或六自由度)。由此可知，本發明的多軸機器人可針對“快速水平移動到目的地後執行水平/立體動作”之作動模式進行最佳化，與六軸機械臂針對“立體空間連續路徑”之作動模式不同，因此並不具有逆向運動學困難、有奇異點…等缺點。再者，本發明的多軸機器人的高度可設計得較高，且可達成高圓柱範圍，因此優於傳統六軸機械臂針對多層測試站做最佳化的作法，可以有效縮小多軸 機器人的佔地空間。

以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

100、300、400、500、600、700‧‧‧多軸機器人

110‧‧‧第一轉動模組

111‧‧‧座體

112‧‧‧第一臂件

113‧‧‧第二臂件

114‧‧‧第三臂件

120‧‧‧第二轉動模組

121‧‧‧第一腕件

122‧‧‧第二腕件

130‧‧‧升降件

140a‧‧‧控制器單元

140b‧‧‧驅動器單元

140c‧‧‧馬達

140d‧‧‧解碼器

140e‧‧‧I/O控制單元

140f‧‧‧氣閥控制單元

140g‧‧‧顯示器單元

140h‧‧‧通訊單元

2‧‧‧工作台

20‧‧‧工件

A‧‧‧升降方向

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為繪示本發明一實施方式之多軸機器人的立體圖。

第2圖為繪示第1圖中之多軸機器人的側視圖，其中多軸機器人於工作台上斜放工件。

第3圖為繪示本發明一實施方式之多軸機器人的電路圖。

第4A圖為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人的示意圖。

第4B圖為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人的示意圖。

第4C圖為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人的示意圖。

第4D圖為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人的示意圖。

第4E圖為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第1圖以及第2圖。第1圖為繪示本發明一實施方式之多軸機器人100的立體圖。第2圖為繪示第1圖中之多軸機器人100的側視圖，其中多軸機器人100於工作台2上斜放工件20。如第1圖與第2圖所示，於本實施方式中，多軸機器人100包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110包含座體111以及複數個臂件(即第一臂件112、第二臂件113以及第三臂件114)。這些臂件配置以平行於第一平面(例如，平行於X軸與Y軸所形成的XY平面)相對座體111轉動。第二轉動模組120包含第一腕件121。第一腕件121連接至第一轉動模組110中相對於座體111排列最遠之臂件(即第三臂件114)，並配置以平行於第二平面(例如，平行於X軸與Z軸所形成的XZ平面)相對第一轉動模組110轉動。於本實施方式中，升降件130樞接至座體111且連接相鄰之臂件(即第一臂件112)。升降件130配置以使多軸機器人100相對於座體111排列於升降件130之後的部件沿升降方向A升降(例如，平行於Z軸之方向)。

具體來說，於本實施方式中，第一臂件112的一端可滑動地連接升降件130。第二臂件113的一端樞接至第一 臂件112之另一端。第三臂件114的一端樞接至第二臂件113之另一端。第一腕件121樞接至第三臂件114之另一端。進一步來說，第二轉動模組120還包含第二腕件122。第二腕件122樞接至第一腕件121，並配置以平行於第三平面(例如，平行於Y軸與Z軸所形成的YZ平面)相對第一腕件121轉動。於一些實施方式中，如第2圖所示，第二腕件122的末端可配置以拾取並放置工件20，但本發明並不以此為限。

藉由此結構配置，本實施方式之多軸機器人100可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此可針對“快速水平移動到目的地後執行水平/立體動作”之作動模式進行最佳化。舉例來說，本實施方式之多軸機器人100可輕易地對第2圖中所示之工件20執行斜板平放的動作，這是習知之SCARA機器人無法執行的動作。並且，本實施方式之多軸機器人100完成整個動作(即移動到目的地後執行斜板平放的動作)比傳統之六軸機械臂更為迅速。

於一些實施方式中，上述之第二平面(即第一腕件121轉動時所平行的平面)實質上垂直於第一平面(即第一轉動模組110中之各臂件轉動時所平行的平面)，但本發明並不以此為限。

於一些實施方式中，上述之升降方向A實質上垂直於第一平面(即第一轉動模組110中之各臂件轉動時所平行的平面)，但本發明並不以此為限。

於一些實施方式中，多軸機器人100所採用的第 二轉動模組120可僅包含第一腕件121，且第一腕件121的末端配置以拾取或放置工件20。雖然無法達到第1圖所示之多軸機器人100的全自由度，但仍能執行前述斜板平放的動作，且可以少用一軸馬達，因此整機建置成本可降低。

於一些實施方式中，多軸機器人100所採用的第一轉動模組110所包含之臂件的數量亦可大於三，進而可增加自由度以符合實際需求。

請參照第3圖，其為繪示本發明一實施方式之多軸機器人100的電路圖。如第3圖所示，於本實施方式中，多軸機器人100還包含控制器單元140a、驅動器單元140b、馬達140c、解碼器140d、I/O控制單元140e、氣閥控制單元140f、顯示器單元140g(配合參見第1圖)以及通訊單元140h。於實際應用中，可於每一轉軸處或升降件130中各別設置馬達140c與解碼器140d，以利用馬達140c致動各臂件或各腕件轉動，或致動升降件130執行升降功能，並利用解碼器140d取得各臂件或各腕件的轉動角度值，或取得升降件130升降所連接之馬達140c的轉動角度值。驅動器單元140b配置以驅動馬達140c。I/O控制單元140e(例如，鍵盤)配置以供使用者輸入用以控制多軸機器人100進行特定動作之指令。控制器單元140a配置以根據所輸入之指令以及解碼器140d所取得之數據控制驅動器單元140b。顯示器單元140g配置以顯示有關多軸機器人100的資訊畫面。通訊單元140h配置以與其他電腦或控制器進行通訊。

請參照第4A圖，其為繪示本發明另一實施方式之 多軸機器人300的示意圖。如第4A圖所示，於本實施方式中，多軸機器人300同樣包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110同樣包含第一臂件112、第二臂件113與第三臂件114。第二轉動模組120同樣包含第一腕件121與第二腕件122。在此要說明的是，本實施方式相較於第1圖所示之實施方式的差異之處，在於本實施方式針對於臂件、腕件與升降件130的連接順序提供了替代方案。具體來說，於本實施方式之多軸機器人300中，第一臂件112的一端樞接至座體111，且第一臂件112的另一端可滑動地連接升降件130。第二臂件113的一端樞接至升降件130。第三臂件114的一端樞接至第二臂件113之另一端。第一腕件121樞接至第三臂件114之另一端。第二腕件122樞接至第一腕件121。在此結構配置之下，本實施方式之多軸機器人300同樣可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此同樣可完成前述“快速水平移動到目的地後執行斜板平放”的動作。

請參照第4B圖，其為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人400的示意圖。如第4B圖所示，於本實施方式中，多軸機器人400同樣包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110同樣包含第一臂件112、第二臂件113與第三臂件114。第二轉動模組120同樣包含第一腕件121與第二腕件122。在此要說明的是，本實施方式相較於第1圖所示之實施方式的差異之處，在於本實施方式針對於臂件、腕件與升降件130的連接順序提供了替代方案。具體來說， 於本實施方式之多軸機器人400中，第一臂件112的一端樞接至座體111，且第一臂件112的另一端可滑動地樞接至升降件130。第二臂件113的一端連接升降件130。第三臂件114的一端樞接至第二臂件113之另一端。第一腕件121樞接至第三臂件114之另一端。第二腕件122樞接至第一腕件121。在此結構配置之下，本實施方式之多軸機器人400同樣可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此同樣可完成前述“快速水平移動到目的地後執行斜板平放”的動作。

請參照第4C圖，其為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人500的示意圖。如第4C圖所示，於本實施方式中，多軸機器人500同樣包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110同樣包含第一臂件112、第二臂件113與第三臂件114。第二轉動模組120同樣包含第一腕件121與第二腕件122。在此要說明的是，本實施方式相較於第1圖所示之實施方式的差異之處，在於本實施方式針對於臂件、腕件與升降件130的連接順序提供了替代方案。具體來說，於本實施方式之多軸機器人500中，第一臂件112的一端樞接至座體111。第二臂件113的一端樞接至第一臂件112之另一端，且第二臂件113的另一端可滑動地連接升降件130。第三臂件114的一端樞接至升降件130。第一腕件121樞接至第三臂件114之另一端。第二腕件122樞接至第一腕件121。在此結構配置之下，本實施方式之多軸機器人500同樣可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組 120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此同樣可完成前述“快速水平移動到目的地後執行斜板平放”的動作。

請參照第4D圖，其為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人600的示意圖。如第4D圖所示，於本實施方式中，多軸機器人600同樣包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110同樣包含第一臂件112、第二臂件113與第三臂件114。第二轉動模組120同樣包含第一腕件121與第二腕件122。在此要說明的是，本實施方式相較於第1圖所示之實施方式的差異之處，在於本實施方式針對於臂件、腕件與升降件130的連接順序提供了替代方案。具體來說，於本實施方式之多軸機器人600中，第一臂件112的一端樞接至座體111。第二臂件113的一端樞接至第一臂件112之另一端，且第二臂件113的另一端可滑動地樞接至升降件130。第三臂件114的一端連接升降件130。第一腕件121樞接至第三臂件114之另一端。第二腕件122樞接至第一腕件121。在此結構配置之下，本實施方式之多軸機器人600同樣可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此同樣可完成前述“快速水平移動到目的地後執行斜板平放”的動作。

請參照第4E圖，其為繪示本發明另一實施方式之多軸機器人700的示意圖。如第4E圖所示，於本實施方式中，多軸機器人700同樣包含第一轉動模組110、第二轉動模組120以及升降件130。第一轉動模組110同樣包含第一臂件112、第二臂件113與第三臂件114。第二轉動模組120同樣包含第一腕 件121與第二腕件122。在此要說明的是，本實施方式相較於第1圖所示之實施方式的差異之處，在於本實施方式針對於臂件、腕件與升降件130的連接順序提供了替代方案。具體來說，於本實施方式之多軸機器人700中，第一臂件112的一端樞接至座體111。第二臂件113的一端樞接至第一臂件112之另一端。第三臂件114的一端樞接至第二臂件113之另一端，且第三臂件114的另一端可滑動地連接升降件130。第一腕件121樞接至升降件130。第二腕件122樞接至第一腕件121。在此結構配置之下，本實施方式之多軸機器人700同樣可藉由第一轉動模組110提供平面與快速的工作特性，並藉由第二轉動模組120執行柔性角度動作(可達六自由度)，因此同樣可完成前述“快速水平移動到目的地後執行斜板平放”的動作。

由以上對於本發明之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，本發明的多軸機器人改善了SCARA機器人的結構配置。具體來說，本發明的多軸機器人的結構配置不但保留了類似SCARA機器人的平面與快速的工作特性，還增加了六軸機械臂的柔性角度動作(可達五或六自由度)。由此可知，本發明的多軸機器人可針對“快速水平移動到目的地後執行水平/立體動作”之作動模式進行最佳化，與六軸機械臂針對“立體空間連續路徑”之作動模式不同，因此並不具有逆向運動學困難、有奇異點…等缺點。再者，本發明的多軸機器人的高度可設計得較高，且可達成高圓柱範圍，因此優於傳統六軸機械臂針對多層測試站做最佳化的作法，可以有效縮小多軸機器人的佔地空間。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧多軸機器人

110‧‧‧第一轉動模組

111‧‧‧座體

112‧‧‧第一臂件

113‧‧‧第二臂件

114‧‧‧第三臂件

120‧‧‧第二轉動模組

121‧‧‧第一腕件

122‧‧‧第二腕件

130‧‧‧升降件

140g‧‧‧顯示器單元

A‧‧‧升降方向

Claims (10)

1. 一種多軸機器人，包含：一第一轉動模組，包含：一座體；以及複數個臂件，由該座體依序連接而出，並配置以平行於一第一平面相對該座體轉動；一第二轉動模組，包含至少一腕件，該腕件連接至該第一轉動模組中相對於該座體排列最遠之該臂件，並配置以平行於一第二平面相對該第一轉動模組轉動；以及一升降件，可轉動地樞接至該座體且連接相鄰之該臂件，或連接於該些臂件與該腕件中之相鄰兩者之間，該升降件配置以使該多軸機器人相對於該座體排列於該升降件之後的部件沿一升降方向升降。
2. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端可滑動地連接該升降件；以及一第二臂件，其一端樞接至該第一臂件之另一端；以及一第三臂件，其一端樞接至該第二臂件之另一端，其中該腕件樞接至該第三臂件之另一端。
3. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端樞接至該座體，且其另一端可滑動地連接該升降件；以及 一第二臂件，其一端樞接至該升降件；以及一第三臂件，其一端樞接至該第二臂件之另一端，其中該腕件樞接至該第三臂件之另一端。
4. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端樞接至該座體，且其另一端可滑動地樞接至該升降件；以及一第二臂件，其一端連接該升降件；以及一第三臂件，其一端樞接至該第二臂件之另一端，其中該腕件樞接至該第三臂件之另一端。
5. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端樞接至該座體；以及一第二臂件，其一端樞接至該第一臂件之另一端，且其另一端可滑動地連接該升降件；以及一第三臂件，其一端樞接至該升降件，其中該腕件樞接至該第三臂件之另一端。
6. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端樞接至該座體；以及一第二臂件，其一端樞接至該第一臂件之另一端，且其另一端可滑動地樞接至該升降件；以及 一第三臂件，其一端連接該升降件，其中該腕件樞接至該第三臂件之另一端。
7. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該些臂件包含：一第一臂件，其一端樞接至該座體；以及一第二臂件，其一端樞接至該第一臂件之另一端；以及一第三臂件，其一端樞接至該第二臂件之另一端，且其另一端可滑動地連接該升降件，其中該腕件樞接至該升降件。
8. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該第二平面實質上垂直於該第一平面。
9. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該升降方向實質上垂直於該第一平面。
10. 如請求項第1項所述之多軸機器人，其中該第二轉動模組包含：一第一腕件，連接至該第一轉動模組中相對於該座體排列最遠之該臂件，並配置以平行於該第二平面相對該第一轉動模組轉動；以及一第二腕件，樞接至該第一腕件，並配置以平行於一第三平面相對該第一腕件轉動。

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