CN102101299B - 机械手臂的腕关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械手臂的腕关节结构，其包括有一前臂体、一第一旋转组成、一腕体及第二旋转组成。第一旋转组成设置于前臂体内，以驱动腕体以一第一旋转轴向相对于前臂体进行旋转运动，第二旋转组成设置于腕体内，以驱动一工件以一第二旋转轴向相对于腕体进行旋转运动，其中第一旋转组成的第一减速机直接连接于腕体，即可以预定的减速比直接驱动腕体，进而获得预定的扭矩。

Description

机械手臂的腕关节结构

技术领域

本发明涉及一种机械手臂结构，特别是涉及一种机械手臂的腕关节结构。

背景技术

生产制造、仓储管理、智慧看护等各种不同的领域中，机器人(Robot)或机械手臂(Robot arm)的应用都已变得十分广泛。机器人或机器手臂一般由多个支臂互相连结的结构所构成，其中，通过对支臂互相连结的各关节进行驱动，而分别对各支臂的枢转动作进行控制。

一般关节型工业用机器人通常具备有六个旋转轴，其中四个旋转轴为机械手臂的旋转轴，作为大范围大角度的移动，另外两个旋转轴为机械手臂的腕关节，作为夹持、取料等定位、定向的功用。如美国第5178031号专利案揭露了一种工业用机器人腕关节构造，其腕关节部分仅由单边支撑，在荷重过大时，将影响腕关节的旋转运动。再者，该案的腕关节处的旋转马达为外露，并无法在危险环境(如油气、水气)中作业。

另如美国第7028578号专利案揭露了一种机器人腕关节驱动装置，其三个旋转轴皆使用驱动马达带动一齿轮系，再由齿轮系输出至减速机作传动，然而该案以多数个轴承及齿轮元件作为传动界面，组装困难且成本较高。

又如美国第5231889号专利案揭露了一种工业用机器人腕关节构造，其腕关节位于手臂两侧孔中间，两侧的通孔置入两轴承，手臂外侧再以压制盖固定，右侧马达的旋转轴通过皮带连接至腕关节的旋转轴。该案右侧马达直接固定于手臂内侧臂上，腕关节的旋转轴焊接固定于腕关节上，因此右侧马达与腕关节的旋转轴相对距离为固定，然而右侧马达通过皮带传动腕关节的旋转轴，皮带有其使用寿命，当皮带疲乏时，将导致腕关节的动作无法定位，而仅能通过更换新的皮带来解决定位不确实的问题。再者，一般的机械手臂皆需配置减速机，减速机可将马达输出回转数减速到所要的回转数，以得到较大扭矩，该案右侧马达所需配置的减速机，然而该案的腕关节的旋转轴直接焊接固定于腕关节上，再通过轴承作为降低摩擦介面，也就是该案的机构设计并无适当的位置来装设减速机，若是再通过额外的机构来装设减速机，势必将使得机械手臂的结构更为复杂，并且增加所需零组件而导致成本增加。又，若再通过额外的机构将减速机的输出传递至腕关节上，额外的机构所造成的传递损失将使得腕关节无法获得预定的转矩，也导致腕关节的动作无法确实执行。

发明内容

现有关节型工业用机器人的机械手臂，机械结构复杂且零组件众多，安装不易且费时，导致生产及维修成本增加。有鉴于此，本发明提出了一种减速机直接驱动腕关节的机械手臂的腕关节结构。

根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其包括有一前臂体、一第一旋转组成、一腕体及第二旋转组成。第一旋转组成设置于前臂体内，以驱动腕体以一第一旋转轴向相对于前臂体进行旋转运动，第二旋转组成设置于腕体内，以驱动一工件以一第二旋转轴向相对于腕体进行旋转运动。

其中的第一旋转组成包括有第一马达、一固定座、一传动机构、一第一减速机及一轴承机构。第一马达通过固定座装设于前臂体，并且以一调整座调整固定座相对位置。第一马达以传动机构输出旋转动力至第一减速机，第一减速机则直接固定于前臂体的一侧上，限制第一减速机轴向与径向运动自由，并且第一减速机的输出轴直接固定于腕体，即可以预定的减速比直接驱动腕体，以获得预定的扭矩。

其中的第二旋转组成包括有一第二马达、一连接座及一第二减速机，第二马达装设于腕体内，并由连接座连接第二马达与第二减速机，使第二马达被封闭于腕体内，以保护第二马达。

根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，第一马达与前臂体可通过固定座及调整座调整相对位置，以通过传动机构获得最佳的旋转动力输出，而第一减速机直接固定于腕体，将可获得预定的扭矩输出，为机械手臂的腕关节结构最佳设计。

有关本发明的详细特征与实作，兹配合附图在实施方式中详细说明如下，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

附图说明

图1A、图1B为本发明结构分解示意图；

图2A为本发明结构组合示意图；

图2B为本发明结构剖面示意图；及

图3A、图3B为本发明应用示意图。

主要元件符号说明

10                  前臂体

101                 腕连接端

102                 上臂连接端

103                 腔室

11、11’            接腕部

111                 第一沉孔

111’               第二沉孔

112                 螺孔

12、12’            开口

121                 螺孔

20                  第一旋转组成

21                  第一马达

211                 输出轴

22                  固定座

221                 前墙

222、223            侧墙

2221                圆形开口

2222                螺孔

224                 底墙

2241                螺孔

225、226            翼部

2251、2252、2261、2262长导槽

23                    调整座

231               底部

232               头部

2311              螺孔

2321              调整孔

233               调整螺杆

24                第一减速机

241               输入轴

242               输出轴

243               螺孔

2421              螺孔

25                传动机构

251               第一皮带轮

252               第二皮带轮

253               皮带

26                轴承机构

261               轴承

262               连接环

263               扣环

2621              螺孔

2622              扣槽

30                腕体

301               第一圆端面

301’             第二圆端面

303               腔室

3011              螺孔

3011’            开口

3012’            螺孔

304               开口

3041              螺孔

40                第二旋转组成

41                第二马达

42             连接座

43             第二减速机

501            螺丝

502            螺丝

503            螺丝

504            螺丝

505            螺丝

506            螺丝

60             密封环

具体实施方式

根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其中机械手臂为模拟人类手臂的动作由多个支臂互相连结的结构所构成，而机械手臂的控制即是对于各支臂的枢转动作进行控制。模拟人类手臂的机械手臂也包括有肩膀(Shoulder)、上臂(Upper arm)、前臂(Fore arm)、腕关节(Wrist)、手掌(Hand)及手指(Finger)，而在以下具体实施例中，以前臂与腕关节连接关系作为本发明最佳实施例，然在本发明所揭露的技术特征下，并不以前臂与腕关节连接关系为限。

请一并参阅图1A、图1B、图2A、图2B所示，根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其包括有一前臂体10、一第一旋转组成20、一腕体30及一第二旋转组成40。

前臂体10大致上呈中空长矩形体，一端为腕连接端101，另一端为上臂连接端102，中空长矩形体内具有一腔室103。在腕连接端101处具有两相对的接腕部11、11’，接腕部11、11’各别开设有一第一沉孔111及一第二沉孔111’，第一沉孔111及第二沉孔111’周缘处设有多个螺孔112。又，于前臂体10对应第一沉孔111及第二沉孔111’的两侧壁处各设有一开口12、12’，在开口12周缘处设有多个螺孔121。

第一旋转组成20包括有一第一马达21、一固定座22、一调整座23、一第一减速机24、一传动机构25及一轴承机构26。

第一马达21用以提供旋转动力，第一马达21并具有一输出轴211。第一马达21以固定座22装设于前臂体10，其中固定座22大概呈ㄇ字型，具有一前墙221、两侧墙222、223及一底墙224，于侧墙222、223端缘并各延伸有一翼部225、226。前墙221具有一圆形开口2221，圆形开口2221周缘具有多个螺孔2222，第一马达21通过多个螺丝501锁入螺孔2222而装设固定于固定座22上，第一马达21输出轴211并伸出于圆形开口2221。于固定座两翼部225、226上设置有多个长导槽2251、2252、2261、2262，将固定座22对应于前臂体10的开口12，以多颗螺丝502穿过长导槽2251、2252、2261、2262而锁入于开口12周缘的螺孔121，以第一马达21设置于前臂体10的腔室103内。固定座22通过长导槽2251、2252、2261、2262及螺丝502的配置，使固定座22可以相对于前臂体10上下移动。又，于固定座22的底墙224处开设有一螺孔2241。

调整座23大概呈T字型，调整座23具有一底部231及一头部232，底部231设有多个螺孔2311，头部232设有一调整孔2321。调整座23设置于固定座22的下方并相隔一间距，调整座23并以底部231装设于前臂体10的侧壁，并以多颗螺丝503由底部231的螺孔2311锁入于前臂体10侧壁的螺孔112。而以一调整螺杆233由调整座23的调整孔2321旋入于固定座22的螺孔2241，旋转调整螺杆233，即可带动固定座22上下移动。

第一减速机24具有一输入轴241及一输出轴242，在第一减速机24周缘开设有多个螺孔243，在输出轴242上设有多个螺孔2421。第一减速机24装设于前臂体10的第一沉孔111，通过多颗螺丝504穿过第一减速机24的螺孔243锁入于前臂体10的螺孔112，使第一减速机24直接固定于前臂体10。

传动机构25包括有一第一皮带轮251、一第二皮带轮252及一皮带253。第一皮带轮251装设于第一马达21的输出轴211，第二皮带轮252装设于第一减速机24的输入轴241，皮带253套设于第一皮带轮251与第二皮带轮252，以使第一马达21的旋转动力传递至第一减速机25。另外，旋转调整螺杆233带动固定座22上下移动，即可调整第一皮带轮251与第二皮带轮252的相对距离，以调整皮带253的最佳松紧程度进行动力传递。

轴承机构26包括有一轴承261、一连接环262及一扣环263。轴承261、连接环262及扣环263皆为中空环体。轴承261装设于前臂体10的第二沉孔111’，连接环262套设于轴承261内，连接环262内具有多个螺孔2621，连接环262并设有一扣槽2622，扣环263卡扣于扣槽2622，使连接环262以可旋转的关系设置于前臂体10的第二沉孔111’。

腕体30大致上呈中空圆柱体，两端面为一第一圆端面301及一第二圆端面301’，中空圆柱体内具有一腔室303，而第一圆端面301上具有多个螺孔3011，第二圆端面301’开设有一开口3011’周缘设有多个螺孔3012’。另在腕体30圆周面上设有一开口304，开口周缘设有多个螺孔3041。

请一并参阅图2A、图2B所示，腕体30装设于前臂体10的接腕部11、11’之间，以多颗螺丝505由腕体30的螺孔3011而锁入于第一减速机24的输出轴242的螺孔2421，以使第一减速机24的输出轴242可以带动腕体30旋转。而以多颗螺丝506由连接环262的螺孔2621穿过锁入于第二圆端面301’的螺孔3012’。腕体30一端由第一减速机24带动旋转，另一端以轴承机构26连接，使腕体30以可旋转的关系枢接于前臂体10，腕体30于前臂体10的旋转轴限定为第一旋转轴向X。另外，腕体30的腔室303、开口304、前臂体10的第二沉孔111’、第一旋转组成20的轴承机构26及前臂体10的开口12’构成一走线通道。

第二旋转组成40包括有一第二马达41、一连接座42及一第二减速机43。第一旋转组成40装设于腕体30的开口304处。第二马达41用以提供旋转动力，第二马达42并具有一输出轴411。第二马达41装设于腕体30的腔室303内，连接座42用以连接第二马达41及第二减速机43，连接座42上具有多个螺孔421，以多颗螺丝507穿过螺孔421而锁入于腕体30的螺孔3041，使第二旋转组成40结合于腕体30上，连接座42与腕体30之间还设有一密封环60，以作为水、油气的阻隔，保护第二马达41。第二马达41的旋转动力传递至第二减速机43，第二减速机43可装设一工件(图中未示)，第二减速机43的旋转轴即限定为第二旋转轴向Y。而第二旋转组成40的连接线(图中未示)可通过走线通道接回前臂体10。

请参阅图3A、图3B所示，根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其中腕体30通过第一旋转组成20以可旋转的关系装设于前臂体10，腕体30以第一旋转轴向X相对于前臂体10旋转。而通过固定座22及调整座23调整相对位置，调整皮带253的最佳松紧程度进行动力传递，且第一减速机25直接连接于腕体30并带动旋转，即可以预定的减速比直接驱动腕体，进而获得预定的扭矩。

又，第一旋转轴向X与第二旋转轴向Y为正交，如同前臂(Fore arm)与腕关节(Wrist)的动作关系。而第二旋转组成40的第二马达41封闭在腕体30的腔室303内，因而可在危险环境(如水气、油气)中作业。

Claims (9)

1.一种机械手臂的腕关节结构，其包括有：

前臂体，具有两相对的接腕部，该两接腕部分别设有第一沉孔及第二沉孔；

腕体，装设于该前臂体的该两接腕部之间，该腕体具有第一圆端面及第二圆端面，该第一圆端面及该第二圆端面对应于两所述沉孔；及

第一旋转组成，装设于该前臂体并连接该腕体，使该腕体相对于该前臂体以一第一旋转轴向进行旋转运动，该第一旋转组成包括有固定座、第一马达、第一减速机、传动机构及轴承机构，其中，

该固定座装设于该前臂体；

该第一马达装设于该固定座并提供旋转动力；

该第一减速机装设于该第一沉孔并直接连接于该腕体的该第一圆端面；

该传动机构连接该第一马达及该第一减速机，以驱动该第一减速机旋转而带动该腕体于该第一旋转轴向旋转；及

该轴承机构装设于该第二沉孔并连接于该腕体的该第二圆端面。

2.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该前臂体具有腔室，该腔室容置该第一马达。

3.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第一旋转组成还包括有调整座，而该固定座以可移动的关系装设于该前臂体，该调整座设有调整螺杆，该调整螺杆旋入该固定座而调整固定座相对于该第一减速机距离。

4.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该传动机构包含第一皮带轮、第二皮带轮及皮带，该第一皮带轮设于该第一马达，该第二皮带轮设于该第一减速机，该皮带套设于该第一皮带轮及该第二皮带轮。

5.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该轴承机构包含轴承、连接环及扣环。

6.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，还包括有第二旋转组成，该第二旋转组成装设于该腕体。

7.如权利要求6所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第二旋转组成包含第二马达、连接座及第二减速机，该连接座连接该第二马达及该第二减速机并装设于该腕体，该第二马达输出的旋转动力传递至该第二减速机，该第二减速机以第二旋转轴向进行旋转运动。

8.如权利要求7所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第二旋转轴向与该第一旋转轴向正交。

9.如权利要求7所述的机械手臂的腕关节结构，其中腕体设有腔室，在该连接座与该腕体间设有密封环。

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