TW201544276A - 具有模組式結構和直接受動式臂關節的機器人臂及其組合套裝 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種機器人臂(1)，具有模組式結構和直接受動式臂關節(2)。為簡化和方便機器人臂(1)之組裝，擬議臂關節(2)各顯示驅動模組(3)，具有直接受動式蝸桿驅動器(31)，供產生相對於驅動模組(3)的轉動軸線(a,a1,a2,a3,a4,a5)有效扭矩；和連接模組(4)，按轉動軸線(a)軸向接續在驅動模組(3)後，把扭矩傳動到按機器人臂(1)的頭側末端關節(21)方向，位於驅動次序下游之臂關節(2)。本發明又涉及機器人臂(1)之套裝(8)。

Description

具有模組式結構和直接受動式臂關節的機器人臂及其組合套裝

本發明係關於一種機器人臂，具有模組式結構和直接受動式臂關節。本發明又涉及機器人臂套裝。

一般性機器人臂載於DE8310067U1，其中驅動器位於管狀第一轉動組件，以非轉動方式連接到上游機器人元件，而輸出側以扭矩傳動方式連接到與第一轉動組件共軸配置之第二管狀轉動組件。此種機器人臂顯示精緻，較僵固結構，不易組裝。

本發明之一目的是以此方向進一步開發機器人臂，以顯示較簡單之結構及易於組裝。

按照本發明，此目的是利用申請專利範圍第1項之特徵解決。有益之發展載於申請專利範圍附屬項。目的業已解決，其中臂關節各顯示驅動模組，具有直接受動蝸桿驅動器，以產生相對於驅動模組轉動軸線之有效扭矩，和連接模組，按轉動軸線軸向接續在驅動模組後，把扭矩傳動到按機器人臂的頭側末端關節方向，位於驅動次序下游之臂關節。

擬議令連接模組以扭矩傳送方式位於二驅動模組之間。就輸出次序言，連接模組按軸向接續在關聯的臂關節後。臂關節之模組按軸向排列配置。因此，擬議特別簡單明瞭配置之模組式結構。其中一模組是按軸向，且最好直接連接到下游模組。機器人臂最好由一系列模組構成，一同繫結到所構想之操作頭部。操作頭部可附設到頭側末端關節。機器人臂可顯示底座末端關節，安裝於軸承內或固定於底座。機器人臂包含末端關節，可完全由一系列模組繫結在一起。

因為其清潔配置，此項一貫的模組繫結在一起之優點是，組裝誤差之虞大為減少，意即可能由很少經驗的技匠也能夠正確組裝機器人 臂。模組軸向繫結在一起更能使機器人臂設計精巧。尤其是驅動模組可設符號、標記和/或顏色，以指示驅動次序。此外，機器人臂模組按個別關聯轉動軸線繫結在一起，可在結構上簡單變化，舉例如下述。因此，臂關節可設計成轉動式關節。

為進一步簡化機器人臂模組式結構，擬議機器人臂驅動模組和/或連接模組各為一致設計。此項設計一致性，亦可應用於下述各模組。

驅動模組本身同樣可顯示很簡單結構。為此，蝸桿驅動器可包括驅動馬達，和利用驅動馬達驅動之蝸桿，以扭矩傳動方式連接到蝸輪，其中蝸輪宜安裝於徑向/軸向滑動軸承內，其方式容許繞轉動軸線運動。

在機器人臂開發中，二驅動模組之轉動軸線經由連接模組連接，設定某一角度，可利用連接模組界定。同理，經由連接模組，可界定對轉動軸線之某一距離。意即所需距離和/或角度，可經由連接模組定維度而達成。連接模組可設計成有二股部之角規，其中角度係經由股部彼此相對傾斜度來設定。

連接模組和/或驅動模組各顯示在輸入側之第一連接表面，和在輸出側之第二連接表面，供連接於個別相鄰模組。連接模組位於輸入側之第一連接表面，可固定於驅動模組輸出側所設第二連接表面。如此即可經由二連接表面彼此相對轉動位置，以簡單方式改變連接模組相對於驅動模組之定向。

若連接模組設計成角規，此舉特別有益。結果，連接模組的連接表面之垂直表面，可彼此呈角度定位。如下例所述，若二驅動模組間有二連接模組，則二驅動模組彼此相對定向，和因此輸出側所設驅動模組，及其轉動軸線，可經由二連接模組之相對位置，而決定性改變。

在機器人臂開發中，角度和/或距離可設調節式。角度可小於或等於180°，以小於或等於120°為佳，而以小於或等於90°尤佳。

在機器人臂模組之較佳配置中，機器人臂至少一臂關節之連接模組，係在輸入側連接到驅動驅動模組之蝸輪，在輸出側連接到下游臂關節之驅動模組罩蓋。依此脈絡，連接模組可利用凸緣安裝連接至罩蓋和/或蝸輪。

在機器人臂另一具體例中，可提供二連接模組，按輸出次序 前後排列，至少設在機器人臂二相鄰驅動模組之間，彼此以非轉動方式直接連接，或彼此以非轉動方式經由延伸模組間接連接。二相鄰驅動模組間之距離，可藉延伸模組加長。此外，二連接模組之相對轉動定向，可用來設定連接模組位置在其間的驅動模組之轉動軸線相對位置。以彼此利用凸緣連接之機械性轉動言，二連接模組宜前後排列。

為進一步簡化組裝，提供至少若干連接模組和/或至少若干延伸模組，就其連接表面，可安裝呈相對於個別鄰組任何所需定向。若構想把模組尺寸朝機器人臂末端元件變化，尤其是從第一尺寸變小成第二尺寸，則此項尺寸變化宜發生在連接模組內。為此，連接模組可在輸入側，於其第一連接表面顯示第一尺寸，在輸出側，於其第二連接表面顯示第二尺寸。

在機器人臂開發中，又在相對於連接模組的輸入側和/或輸出側，把延伸模組定位在機器人臂之至少一臂關節。如此就受影響驅動模組的轉動軸線相對位置言，可進一步變化機器人臂的臂關節設計。

在機器人臂有利具體例中，延伸模組可為擠型段，尤其是管狀擠型段。此優點是擠型段或管狀擠型段可從擠型棒，在現場裁掉一定長度。

為有利簡單起見，擠型段兩端宜連接於個別關聯之連接模組，或關聯之連接模組和驅動模組，利用所設插入/夾持連接，以非轉動方式為之。

在起頭界定目的之又一解決方案中，提供機器人臂顯示至少一模組，尤其是延伸模組，其輸出側末端具有至少二連接點。以此方式，可把機器人臂在此點分成二副臂，例如以便能夠在副臂之末端，對要處理的工作件從兩側作動。依此脈絡，可視情形對要連接的模組設計至少二連接點，或為要連接之模組，尤指連接模組、延伸模組或驅動模組，各設計一連接點。另有好處是，就機器人臂較大變化範圍言，若設至少二連接點定位在相對於驅動模組樞動軸線之不同角度，則驅動模組可顯示至少二連接點，最好是至少有一角度可以調節。至少二連接點可設計以應一致或不同尺寸。可為一致或不同的連接模組而設計。若在驅動模組輸出側設至少二連接點，可在驅動模組輸出側設中間齒輪箱，藉此可把驅動模組發生的 扭矩，傳動到附設於連接點之一模組，或二附設模組。

關於機器人臂擴大運動範圍，並可能減少運動機器人臂質量，宜將所安裝驅動模組和/或所安裝連接模組之尺寸，朝機器人臂頭側末端之方向減小。

做為解決目的之變通例，可在前述和後述具體例之一，提供機器人臂組合套裝，此套裝包括驅動模組和連接模組。此套裝可保持存量，在現場用來組裝機器人臂。此套裝可顯示一定數量的同樣設計之驅動模組和/或同樣設計之連接模組。

為方便組裝，在套裝內可提供至少若干驅動模組和/或至少若干連接模組，可為不同尺寸。

此外，套裝亦宜包含延伸模組。套裝內所設至少若干延伸模組可為不同尺寸。延伸模組可設計成擠型段，尤其是管狀擠型段。套裝亦可包含擠型棒，有一定長度和/或若干長度和/或斷面尺寸。依此脈絡，擠型棒各顯示一致之擠型斷面。結果，擠型棒可裁成在各情況現場所需長度。

擠型棒或管狀段在各情況下均以金屬材料製成，尤其是鋁。連接模組同樣可用金屬製成，惟以塑膠為佳。連接模組可用塑膠，利用注射塑製法，或最好是雷射燒結法製成。

茲根據附圖所示機器人臂具體例，詳述本發明如下。

1‧‧‧機器人臂

2‧‧‧臂關節

3‧‧‧驅動模組

4‧‧‧連接模組

5‧‧‧延伸模組

6‧‧‧螺釘連接

7‧‧‧插入/夾持連接

8‧‧‧套裝

21‧‧‧頭側末端關節

22‧‧‧基部關節

31‧‧‧蝸桿驅動器

32‧‧‧驅動馬達

33‧‧‧蝸桿

34‧‧‧徑向/軸向滑動軸承

35‧‧‧蝸輪

36‧‧‧連接環

37‧‧‧間隔環

38‧‧‧基座

39‧‧‧罩蓋環

41‧‧‧第一連接表面

42‧‧‧第二連接表面

51‧‧‧管狀擠型段

52‧‧‧分叉段

61‧‧‧螺釘

62‧‧‧存取槽溝

71‧‧‧插座

72‧‧‧夾持螺釘

73‧‧‧貫通孔

301‧‧‧聚合物滑動元件

302‧‧‧罩蓋

a,a1,a2,a3,a4,a5,a6‧‧‧轉動軸線

l‧‧‧縱軸線

β‧‧‧角度

第1圖為由模組所構成具有不同臂關節之機器人臂透視圖；第2a和2b圖為第1圖機器人臂之側視圖；第3圖為臂關節第一具體例連同所連接驅動模組之縱向斷面圖；第4圖為臂關節第二具體例之縱向斷面圖；第5a和5b圖為驅動模組連同開啟罩蓋之側視圖，和第5a圖驅動模組之斷面圖；第6a和6b圖為第5a圖驅動模組又一側視圖，和第6a圖驅動模組之斷面圖；第7至10圖為機器人臂連接模組一具體例之縱向斷面圖； 第11圖為做為延伸模組例的管狀擠型段之斷面圖；第12圖為延伸模組又一具體例連同雙末端連接之縱向斷面圖；第13圖為機器人臂之套裝，連接模組之個別透視圖，有些是不同尺寸。

第1和2圖顯示不同視圖之機器人臂1，具有模組式結構和直接受動臂關節2。臂關節2各顯示驅動模組3，具有直接受動蝸桿驅動器4，供發生相關於驅動模組3轉動軸線有效之扭矩。又設有連接模組5，就轉動軸線a軸向接續在驅動模組3後，按機器人臂1的頭側末端關節21方向，把扭矩傳動到位於驅動次序下游之臂關節2。因此，連接模組5即以扭矩傳動方式位於二驅動模組3之間。在此情況下，機器人臂1完全由模組構成，包含驅動模組3和連接模組5。第1和2圖只顯示末端關節21之驅動模組3，因為例如操作頭部可套合在驅動模組3之輸出側，做為一種定位模組。從第1和2圖亦可推論到，臂關節2之模組式設計可從末端關節21連續，因此，本發明即不限於第1和2圖所示臂關節數。

第3圖顯示臂關節2具體例之縱向斷面圖，其中該臂關節2同時做為第1圖所示機器人臂1之基部關節22。基部關節22呈臂關節2之基本形式，具有驅動模組3和下游連接模組4。第4圖又顯示臂關節2的連接模組4之縱向斷面圖。接續基部關節22後，和臂關節2的驅動模組3，接續其後。

由第3圖可見，基部關節22的連接模組4形式，為彎成直角。此連接模組4具體例之縱向斷面圖，又如第7圖所示。連接模組4此項彎角形式的結果，經連接模組4所連接驅動模組之轉動軸線a1,a2，在此例中定位於β角度90°。連接模組4顯示在輸入側之第一連接表面41，和在輸出側之第二連接表面42。依此脈絡，垂直於連接表面41,42之二表面，在此例中配置於β角度90°。從圖示可直接看出，可例如藉連接表面41,42定位於與轉動軸線a呈一角度，而改變β角度。根據延伸模組5又一具體例，同樣適用於其餘模組3,5，例如參見後述第12圖。在此情況下，垂直於連接表面的表面間β角度為30°。

於第4圖可見一圈螺釘61，從底部連接模組4之第二連接表面42凸出，供螺釘連接6於驅動元件。在輸出次序中其驅動模組(圖上 未示)下游，臂關節2顯示彎成直角的連接模組4，其原理如第9圖之連接模組4縱向斷面圖所示。設在此連接模組4下游的是延伸模組5，形成管狀擠型段51，在此例中呈圓形斷面，藉此在驅動模組3間造成間隙。此管狀擠型段51之例，亦如第11圖所示，其中顯示不同長度之三個管狀擠型段51。雖然在此未特別圖示，此管狀擠型段51可例如從相對應擠型棒，裁成長度。按輸出次序設在延伸模組5下游的是，又一彎成直角之連接模組4，具有相同設計，但尺寸把前一連接模組4小。從第4圖可直接看出，二連接模組4和延伸模組5造成的情況是，指定給臂關節2之轉動軸線a2,a3，彼此以一距離平行配置。此距離可經由管狀擠型段51設定。

機器人臂1的轉動軸線參照號碼，按照其輸出次序賦予指數，其中基部元件22具有轉動軸線a1，下游臂關節2具有轉動軸線a2，依此類推，直到末端關節21具有轉動軸線a6。因此進入第4圖的是基部關節22後續的臂關節2之轉動軸線a2，其後續臂關節之轉動軸線a3，在第4圖上未示。

驅動模組3下游之連接模組4，或驅動模組3下游之模組4,5，連接到關聯驅動模組3，或彼此連接，以非轉動方式為之。依此脈絡，驅動模組3下游之連接模組4，經由螺釘連接6以凸緣安裝於驅動模組3，其中各螺釘61可經由關聯存取槽溝62旋鬆或旋緊。如第5和6圖所詳示，蝸桿驅動器31顯示驅動馬達32，和利用驅動馬達32驅動之蝸桿33。蝸桿33聯結到蝸輪35，後者安裝於徑向/軸向滑動軸承34內，其方式是容許繞轉動軸線a運動。徑向/軸向滑動軸承34結構，特別從第6b圖可看清楚。依此脈絡，連接環36和位於蝸輪35與連接環36間之間斷環37，形成罩蓋環39之基座38，其中基座38在罩蓋環39上相對運動，發生在聚合物滑動元件301上，如第6b圖所見。罩蓋環39是籠罩驅動模組3的罩蓋302之組件，其中連接環36連同外側第二連接表面42，凸出超越罩蓋302。第5和6圖內略去罩蓋302之組件，使蝸桿驅動器31更易顯見。

此種徑向/軸向軸承之特徵，在於其低摩擦、免保養的設計。此特別要歸功於聚合物(滑動元件)和金屬(軸承表面)之良善材料組合，尤其是組合物和鋁。關於徑向/軸向滑動軸承，各方面均可參見DE 20 2013 101 374 U1新型說明書，其內容涵蓋於本案內容，尤其是關於徑向 /軸向滑動軸承內之聚合物滑動元件及其配置。

蝸輪35、間隔環37和連接環36，彼此利用螺釘連接6以非轉動方式連接。為簡化設計，與此螺釘連接6對齊設備是，把驅動模組3連接到下游連接模組4的螺釘連接6，以非轉動方式連接於驅動模組3。再者，罩蓋環39同樣利用螺釘連接6以凸緣安裝於罩蓋302。同理，連接模組4特別在其輸出側的第一連接表面41，利用螺釘連接6，以凸緣安裝於個別關聯之驅動模組3。

從第4和9圖可見，設有插入/夾持安裝件7，把管狀擠型段51非轉動連接到個別關聯之連接模組4。為此，個別關聯連接模組4顯示管狀擠型段51用之插座71，設有側向夾持螺釘72，按徑向螺合頂住管狀擠型段51。另外，如第4圖所示，可在管狀擠型段51設各夾持螺釘72用之貫通孔73，夾持螺釘72可在插入/夾持連接7中，被引導穿過，結果，管狀擠型段51即以非轉動和非滑動方式扣持於插座71內。

第8和10圖表示連接模組4之又一具體例。按照第8圖，插座71配置成與關聯轉動軸線a之β角度為45°，在此情況下，與連接模組4的縱軸線l一致。按照第10圖，插入基座71按縱軸線l方向延伸。連接模組4此二具體例，旨在做為實施例，說明連接模組可以有變化主機，而本發明不限於此圖示之連接模組4具體例。

延伸模組5同樣不限於此處所示具體例。舉例而言，第12圖表示分叉段52，做為延伸模組5之組件，在此情況下顯示三個插座71，各容納一管狀擠型段51。依此脈絡，設有二個上插座71和一個下插座71，其中上插座71可用在外側，而下插座71用在內側。亦可設有二個以上之插座。按照第12圖實施例，可在分叉段52之各上插座71，設有虛線所示之管狀擠型段51，使機器人臂1以此方式分成二副臂。如此可例如導致末端側操作頭部，於此圖上未示。再者，可例如各經由連接模組連接。惟亦可在連接頭連接到驅動模組和/或連接模組。

再翻到第1圖，可知位在末端關節21上游的臂關節，重複基部關節22設計，具有驅動模組3和下游連接模組4，惟基部關節22尺寸比末端關節21或位於末端關節21上游的臂關節2大。此明白顯示可從基部關節22朝臂末端關節21，減小臂關節2尺寸。

此組裝機器人臂1的套裝8為例，第13圖表示集成不同設計之驅動模組3、連接模組4和延伸模組5，形成管狀擠型段51，可包含於此種套裝8內。不用說此集成只是一例，第13圖所示套裝8包含實施第1圖所示機器人臂1所需模組具體例。

1‧‧‧機器人臂

2‧‧‧臂關節

3‧‧‧驅動模組

4‧‧‧連接模組

5‧‧‧延伸模組

21‧‧‧頭側末端關節

32‧‧‧驅動馬達

51‧‧‧管狀擠型段

73‧‧‧貫通孔

a,a1,a2,a3,a4,a5,a6‧‧‧轉動軸線

Claims (17)

1. 一種具有模組式結構和直接受動式臂關節(2)之機器人臂(1)，其中臂關節(2)各顯示驅動模組(3)，具有直接受動式蝸桿驅動器(31)，以發生相關於驅動模組(3)的轉動軸線(a,a1,a2,a3,a4,a5)有效之扭矩；和連接模組(4)，按轉動軸線(a)軸向接續在驅動模組(3)後，把扭矩傳動到按機器人臂(1)的頭側末端關節(21)方向，位於驅動次序下游之臂關節(2)者。
2. 如申請專利範圍第1項之機器人臂，其中機器人臂(1)之驅動模組(3)和/或連接模組(4)，各為一致設計者。
3. 如申請專利範圍第1或2項之機器人臂，其中蝸桿驅動器(31)顯示驅動馬達(32)，和利用驅動馬達(32)驅動之蝸桿(33)，以扭矩傳動方式聯結於安裝在徑向/軸向滑動軸承(34)內之蝸輪(35)，其方式可允許繞轉動軸線(a,a1,a2,a3,a4,a5)旋轉運動者。
4. 如申請專利範圍第1至3項之一項機器人臂，其中經由連接模組(4)連接的二驅動模組(3)轉動軸線(a,a1,a2,a3,a4,a5)定位之某一角度(β)，和/或轉動軸線(a,a1,a2,a3,a4,a5)間之某一距離，係利用連接模組(4)界定者。
5. 如申請專利範圍第4項之機器人臂，其中連接模組(4)和/或驅動模組(3)各顯示在輸入側之第一連接表面(41)，和在輸出側之第二連接表面(42)，供連接至個別相鄰模組(3,4)者。
6. 如申請專利範圍第4或5項之機器人臂，其中角度(β)和距離可調節者。
7. 如申請專利範圍第4至6項之一項機器人臂，其中角度(β)小於/等於180°，以小於/等於120°為佳，或以小於/等於90°尤佳者。
8. 如申請專利範圍第1至7項之一項機器人臂，其中機器人臂(1)至少一臂關節(2)之連接模組(4)，特別利用凸緣安裝方式，連接到輸入側的驅動驅動模組(3)之蝸桿驅動器(35)，和輸出側的下游臂關節(2)之驅動模組(3)罩蓋(302)者。
9. 如申請專利範圍第1至8項之一項機器人臂，其中就機械式轉動而前後排列之二連接模組(4)，至少設在二相鄰驅動模組(3)之間，係彼此以非轉動方式直接連接，或彼此經由延伸模組(5)以非轉動方式間接連接者。
10. 如申請專利範圍第1至9項之一項機器人臂，其中延伸模組(5)位於 機器人臂(1)之至少一臂關節(2)，在輸入側和/或輸出側，介於驅動模組(3)和連接模組(4)之間者。
11. 如申請專利範圍第9或10項之機器人臂，其中延伸模組(5)顯示擠型段，尤其是管狀擠型段，最好可伸縮者。
12. 如申請專利範圍第11項之機器人臂，其中擠型段的兩端利用所設插入/夾持連接(7)，以非轉動方式，連接至個別關聯之連接模組(4)，或關聯之連接模組(4)和驅動模組(3)者。
13. 如申請專利範圍第9至12項之一項機器人臂，其中延伸模組(5)之輸出側末端，顯示至少一連接點，其一或各為連接模組(4)、驅動模組(3)或待連接之延伸模組(5)者。
14. 如申請專利範圍第1至13項之一項機器人臂，其中個別驅動模組(3)和/或個別連接模組(4)之尺寸，按機器人臂(1)的頭側末端關節(21)方向遞減者。
15. 一種套裝，供組裝申請專利範圍第1至14項之一項機器人臂(1)，具有驅動模組(3)和連接模組(4)，其中套裝(8)顯示某一數量的特別一致設計之驅動模組(3)，和特別一致設計之連接模組(4)者。
16. 如申請專利範圍第15項之套裝，其中至少有些驅動模組(3)和/或連接模組(4)呈不同尺寸者。
17. 如申請專利範圍第15或16項之套裝，其中另外包含延伸模組(5)，至少有部份呈不同尺寸，並且特別設計成擠型段，尤其是管狀擠型段(51)者。