CN102883859B - 具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手 - Google Patents

Abstract

具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手包括：基座架，具有用于机械手本体的旋转接头；枢转支架，与旋转接头结合，并且具有转动接头；柱状支架，与转动接头结合，并且具有直线接头；电动机，设置在枢转支架上，用于转动柱状支架；减速器，从电动机接收驱动力，以可拆装的方式选择性地设置于转动接头或者枢转支架；以及4节连接件，可装配地设置在减速器的输出轴和柱状支架之间。

Description

具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手

技术领域

本发明涉及工业机械手（industrial manipulator），具体涉及具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手。

背景技术

通常，工业机械手是指如同人类、兼具运动功能和智能的通用机器。所谓的工业机械手可以指代一种具有用于实施工程作业的手、用于了解环境的视觉或触觉、用于自行规划操作流程并予以实施的功能、用于与人类进行对话的对话单元、并且能够自由运行的通用机器。同时，其作为将多种机器合为一体的一种机器***，还可以指代通过编程实施多种操作的机器。

工业机械手被设计成具有最适合于相应工业领域或者作业工序的姿势和工作负载，从而难以如公共机械手一样在多种环境或工序中针对大小不相同的工作负载进行操作。

公共机械手是指如下所述的机械手：其共用机械手本体，并且根据不同的作业而在机械手本体中只替换末端操作器（end effector）或者工具（tool），并且在使用过程中通过替换用于该作业的工序程序可以在机械手控制装置上执行互不相同的作业。

如图1所示，根据现有技术的极坐标式机械手（polar coordinaterobot）是将基座10用作基础，并且通过组装与一个直线轴20和两个旋转轴、即旋转轴30、旋转轴31对应的接头41、接头42、接头43以及第一支架51、第二支架52、第三支架53而成的机械手。

其中，在两个旋转轴、即旋转轴30、旋转轴31中，第一接头41用于使第一支架51以基座10为基准进行旋转，第二接头42用于使第二支架52以第一支架51为基准进行垂直枢转；作为一个直线轴20的第三接头43用于使第三支架53以第二支架52为基准进行延伸和复位。

这种现有的极坐标式机械手具有优异的相对于垂直面的上下运动特性，从而可以在作业区域宽且倾斜的位置上执行作业，因此适合于焊接作业或者涂装作业。

另外，在设计如极坐标式机械手的现有的工业机械手的过程中，为了确定机械手的用途或者目的，确定机械手的工作负载的大小显得尤为重要。根据构成关节型接头的致动器和减速器、动力传输机构决定工作负载的大小。

因此，如果欲将所制造的工业机械手用作其他用途时，若无法满足工作负载所允许的条件，则难以实现。所以迫切地需要能够增加工作负载大小的方法。

虽然作为增加工作负载大小的最简单的方法，可以有改变关节型接头的致动器和减速器的方案，然而此方案会不可避免地导致机械手设计的改变，并且还会进一步发生用于购买大型致动器的费用，并且还会导致机械手本体的重量增加，从而使得该作业相当于制造新的工业机械手的作业。2005年10月6日公告的韩国发明专利第10-0519608号公开了用于增加工作负载的一实例。

另外，由于现有技术中的工业机械手只能获得预先设计和计划的范围内的工作负载，因此其不能用作针对工作负载的需求不同的公共机械手的本体。

另外，当现有技术中的工业机械手对接在用于传输或者在空间上移动机械手的、额外的运输用机械手上时，机械手本体重量会受到限制。因此难以将容量大且重量重的致动器和减速器不受限制地搭载在机械手上。

发明内容

本发明的实施例提供一种具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，该工业机械手通过使用可拆装于机械手本体上的4节连接机构驱动装置，从而在不需要增加额外的致动器或者改变减速器容量的情况下，可以改变工作负载的大小。

根据发明的一方面，可以提供一种具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，包括：基座架，具有用于机械手本体的旋转接头；枢转支架，与所述旋转接头结合，并且具有转动接头；柱状支架，与所述转动接头结合，并且具有直线接头；电动机，设置在所述枢转支架上，用于转动所述柱状支架；减速器，从所述电动机接收驱动力，以可拆装的方式选择性地设置于所述转动接头或者所述枢转支架；以及4节连接件，可装配地设置在所述减速器的输出轴和所述柱状支架之间。

根据本发明实施例，具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手通过改变减速器的设置位置、将可拆装型4节连接件连接在减速器和柱状支架之间，从而在不增加额外的致动器或者改变减速器容量的情况下，可以增加或者减小机械手的工作负载的大小。

另外，根据本发明实施例，具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，与增加额外的致动器的情况相比，在无需大幅增加机械手本体的重量的情况下，可以改变工作负载的大小或者增加机械手的刚性。

另外，根据本发明实施例，具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，可以用作针对工作负载的需求不同的公共机械手的本体。

另外，根据本发明实施例，具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，在使用现有的减速器的情况下增加工作负载，从而与为了增加工作负载而进一步包括额外的致动器或者减速器的机械手的制造情况相比，可以相对减少机械手的制造费用。

附图说明

图1是根据现有技术的极坐标式机械手的立体图。

图2是根据本发明一实施例的具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手的立体图。

图3是沿着图2所示的线III-III切割的截面图。

图4是用于说明将在本发明实施例中使用的可拆装型4节连接机构驱动装置的工作负载的变化原理的几何学模拟图。

图5是在图2所示的机械手本体中通过改变减速器的设置位置来结合可拆装型4节连接机构的状态的立体图。

图6是沿着图5所示的线VI-VI切割的截面图。

具体实施方式

下面，参考图2至图6，详细说明具有根据本发明实施例的可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手。下面的具体实施例仅是示例性地说明根据本发明的具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手，而并不限制本发明的范围。

图2是根据本发明一实施例的具有可拆装型4节连接机构驱动装置的工业机械手的立体图。

如图2所示，根据本发明的一实施例的工业机械手可以包括：末端操作器和工具组装件200，用于实现与将要使用机械手的工序相应的功能；以及机械手本体100，在直线移动部139的自由端上设置有耦合单元201，其中耦合单元201用于物理地和电子地拆装末端操作器和工具组装件200。

另外，机械手本体100可以包括：基座架110，具有多个采用螺纹紧固方式的高度调整装置111，高度调整装置111用于调整高度；枢转支架120，被设置成在基座架110的上部、在有限的旋转角度范围内沿着附图所示的R方向回旋；柱状支架130，被设置成在枢转支架120上、在有限的倾斜角度范围内沿着垂直于R方向的P方向转动；以及直线移动部139，被设置成在柱状支架130上、在有限的往返范围内沿着往返方向、例如沿着Q方向延伸或者复位。

用于调整高度的多个高度调整装置111可以被设置成在基座架110的底表面向下方凸出。

旋转接头112相当于机械手本体100的第一关节，其可以被设置在基座架110和枢转支架120之间或者基座架110的上部。旋转接头112可以由与基座架110的壳体内部结合的电动机驱动方式的主致动器和减速齿轮箱（未图示）构成。这种旋转接头112可以起到使枢转支架120以基座架110为基准、沿着R方向回旋的功能。

所谓的枢转支架120沿着R方向回旋可以是指：枢转支架120或者枢转支架120的底板121以及设置或形成在其上部的组成件和组装件相对于基座架110进行回旋的现象。

在枢转支架120的底板121可以形成有：垂直托架129，用于改变减速器350的设置；以及轴承支撑件500，用于在改变设置时可旋转地支撑减速器350的输出轴359。

转动接头300相当于机械手本体100的第二关节，其可以被设置成使得柱状支架130在左侧枢转凸起部122和右侧枢转凸起部123之间沿着P方向转动，其中左侧枢转凸起部122和右侧枢转凸起部123在枢转支架120的底板121的两侧向上方凸出而成。

在柱状支架130的上端部的一侧面或者两个表面上，可以形成有用于4节连接件600的转动连接部620的接头孔136，随后将通过下面的图5和图6详细说明4节连接件600的转动连接部620。

为了产生基本工作负载（例如，5-10kgf），转动接头300包括：设置在枢转支架120的底板121的伺服电动机310；设置在伺服电动机310的旋转轴的第一皮带轮320；一侧连接在第一皮带轮320的第一同步带330；连接在第一同步带330的另一侧的第二皮带轮340。在第二皮带轮340的输入轴351上可结合有减速器350。其中，减速器350可以是谐波齿轮传动器（harmonic drive）。

基本上，减速器350的壳体可通过6个可装配的设置螺栓而设置在右侧枢转凸起部123的上侧外侧面上。

另外，第一皮带轮320和第一同步带330或者下述的图5的第二同步带331和第二皮带轮340等，可通过皮带轮-带型动力传输机构实现运转。另外，伺服电动机310和皮带轮-带型动力传输机构可以用作转动接头300的致动器。

另外，减速器350的输出轴359被设置成将给柱状支架130传输输出转矩。即，减速器350的输出轴359的末端部可通过贯通右侧枢转凸起部123而连接在柱状支架130。

直线接头400相当于机械手本体100的第三关节，其可以通过在柱状支架130和直线移动部139之间采用伸缩机构（telescopicmechanism）方式形成。其中，伸缩机构可以包括内部致动器（例如，齿条和副齿轮减速驱动装置），其中，该内部致动器通过沿着直线移动部139的Q方向的延伸或者复位，从而使末端操作器和工具组装件200以柱状支架130为基准进行移动。

如图2所示，当将减速器350可装配地结合在转动接头300上时，机械手本体100可以产生相当于预先设定的设计值的基本工作负载（例如，5-10kgf）。

通过图3详细说明产生如上所述的基本工作负载的转动接头300的结合关系以及运行关系。

图3是沿着图2所示的线III-III切割的截面图。

如图3所示，转动接头300接收伺服电动机310的电动机驱动力；根据电动机驱动力，第一皮带轮320、第一同步带330、第二皮带轮340得以旋转；通过轴结合于这种第二皮带轮340的旋转轴的输入轴351，运行减速器350，从而能够产生与减速器350的减速比对应的输出。

在位于右侧枢转凸起部123的、设置有用于与减速比对应地接收输出的输出轴359末端部的安装空间124中，减速器350贯通第一轴承组装件125的轴心孔，从而连接在柱状支架130的一侧表面上，进而可以使柱状支架130与输出对应地沿着P方向转动。

在柱状支架130的另一侧面可以连接有枢转轴126的一侧端部。这种枢转轴126的另一侧端部可以与设置在位于左侧枢转凸起部122的安装空间127的第二轴承组装件128结合。

通过驱动伺服电动机310，柱状支架130接收与减速器350的减速比对应的输出，从而进行转动。此时，第一轴承组装件125、第二轴承组装件128基于左侧转凸起部122、右侧枢转凸起部123，可以起到减小摩擦力且可转动地支撑柱状支架130的作用。

这样，通过伺服电动机310和减速器350的组合，包括图2和图3所示的转动接头300的机械手本体100可以产生与预先设定的设计值相应的基本工作负载（例如，5-10kgf）。

另外，可以采用可装配的设置带或者托架311，以第一设置孔312或者第二设置孔313为基准设置伺服电动机310，以使其对于枢转支架120的底板121可进行拆装。

在图2和图3中设置伺服电动机310时可以使用第一设置孔312，在图5和图6中将伺服电动机310移动至左侧再进行设置时可以使用第二设置孔313。

将参考图4的几何学模拟图，说明在本发明中使用的可拆装型4节连接机构驱动装置的工作负载变化原理。图4是用于说明根据本发明实施例的可拆装型4节连接机构驱动装置的工作负载变化原理的几何学模拟图。

如图4所示，4节连接件（分别以A、B、C、D表示）可通过分别将关节型的相交点连接而成。例如，在左侧配置具有预定长度的输入连接件B；在右侧配置具有预定长度的输出连接件D；在输入连接件B和输出连接件D的下侧和上侧可以配置具有预定长度的相连连接件A、相连连接件C；用于几何学解析的对角线L可配置在从连接件B-C之间的相交点到连接件D-A之间的相交点之间。

在这种配置状态下，通过下面的数学式可以计算出每个相交点周围的角度分量。

数学式1

${\mathrm{\α}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{A-B\cos {\mathrm{\α}}_i}{\sqrt{A^2+B^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}}\right)$

${\mathrm{\α}}_2={\cos }^{-1}\left(\frac{A^2+B^2-C^2+D^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}{2D\sqrt{A^2+B^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}}\right)$

${\mathrm{\α}}_3={\cos }^{-1}\left(\frac{B-A\cos {\mathrm{\α}}_i}{\sqrt{A^2+B^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}}\right)$

${\mathrm{\α}}_4={\cos }^{-1}\left(\frac{A^2+B^2+C^2-D^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}{2C\sqrt{A^2+B^2-2\mathrm{AB}\cos {\mathrm{\α}}_i}}\right)$

其中，α_i表示由输入连接件B和下侧相连连接件A形成的输入内角，α₁表示由从连接件B-C之间的相交点到连接件D-A之间的相交点的对角线L和下侧相连连接件A形成的第一内角，α₂表示由所述对角线L和输出连接件D形成的第二内角，α₃表示由所述对角线L和输入连接件B形成的第三内角，α₄表示由所述对角线L和上侧相连连接件C形成的第四内角。

采用如上所述的第一内角α₁、第二内角α₂、第三内角α₃、第四内角α₄和输入连接件B、输出连接件D时，输入转矩T_i和输出转矩T_o的关系可表示为如下述数学式。

数学式2

$T_0=T_i\frac{D_L\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_4)}{B_L\sin ({\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_4)}$

其中，T_o表示4节连接件的输出转矩，T_i表示4节连接件的输入转矩，B_L表示输入连接件D的长度，D_L表示输出连接件D的长度，α₂表示由对角线L和输出连接件D形成的第二内角，α₃表示所述由对角线L和输入连接件B形成的第三内角，α₄表示由所述对角线L和上侧相连连接件C形成的第四内角。

查看输入转矩T_i和输出转矩T_o的关系式，即所述数学式2，则可以发现输入连接件B的长度B_L和输出连接件D的长度D_L产生影响。即，当输入连接件B的长度B_L大于输出连接件D的长度D_L时，与输入转矩T_i相比输出转矩T_o会减小。相反地，当输入连接件B的长度B_L小于输出连接件D的长度D_L时，与输入转矩T_i相比输出转矩T_o会增加。

从而，在本发明中，如图5和图6所示，与4节连接机构600对应地，将以图2所示的方式设置的减速器350等的设置位置进行改变，，即在减速器350和柱状支架130之间连接可拆装型4节连接件600，然后将4节连接件600的连接长度作为设计参数来进行调整，从而在无需进一步附着减速器的情况下可以实现工作负载的变化，例如增加工作负载。

换言之，根据本发明实施例的可拆装型4节连接机构驱动装置由4节连接件600、皮带轮-带型动力传输机构、减速器350以及伺服电动机350构成，从而可以实现工作负载的变动（例如，10-20kgf）。即，通过改变减速器350的设置位置和添加使用4节连接件600，可以实现工作负载的变化。

如图5和图6所示，通过将以图2所示的方式设置的减速器350移动至4节连接件600侧。从而可以将柱状支架130的下端部131结合为，使其在枢转支架120的左侧枢转凸起部122的第一轴承组装件125和右侧枢转凸起部123的第二轴承组装件128中可自由地旋转。

采用驱动电动机310的第二设置孔313（参考图2或者图3），可以将伺服电动机310设置在左侧枢转凸起部122、右侧枢转凸起部123的前方侧的枢转支架120的底板121上。

通过伺服电动机310侧的第一皮带轮320、长度小于在上面说明的第一同步带的第二同步带331、减速器350侧的第二皮带轮340，伺服电动机310可以将电动机驱动力传输给减速器350。

可以将分散在右侧枢转凸起部123的上侧外侧面的减速器350的壳体设置在枢转支架120的底板121上。

进一步具体地，减速器350的壳体可以可装配地固设于垂直托架129上，其中，垂直托架129垂直竖立在伺服电动机310的前方的、枢转支架120的底板121的右侧的位置。例如，减速器350的壳体可以结合在垂直托架129的左侧面。

在垂直托架129的右侧面可以设置有用于保护第一皮带轮320、第二同步带331、第二皮带轮340的保护壳体380。在保护壳体380可以形成有可以让第一皮带轮320和第二皮带轮340通过的贯通孔。通过固定螺钉等，保护盖381可装配地结合于这种保护壳体380，以堵住位于贯通孔的相反侧的保护壳体380的开口部位。

另外，减速器350的输出轴359结合在轴承支撑件500上，其中，轴承支撑件500垂直竖立在伺服电动机310的前方的、枢转支架120的底板121的左侧的位置。轴承支撑件500可旋转地支撑减速器350的输出轴359、从而可以起到将输出轴359的输出稳定地传输至4节连接件600的作用。

4节连接件600可以包括：操作臂610，以轴结合方式连接在减速器350的输出轴359上，从而接收减速器350的输出；以及转动连接部620，一侧端部以旋转接头方式连接在操作臂510，另一侧端部以旋转接头方式连接在柱状支架130的上端部132的接头孔136的周围。

其中，轴结合方式或者旋转接头方式可以是如下所述的方式。即，可以将具有可装配的公知环形盖的轴承组装件、用于轴结合的销部件、方栓（spline）部件、过盈配合部件、衬套部件中的一个组成品或者将它们组合的组成品等，可旋转地结合在如操作臂510、转动连接部620等组装对象物上，也可以根据需要将其拆装的方式。

如图5和图6所示，为了将转动连接部620结合在柱状支架130的上端部132的两侧面，转动连接部620可以形成为如英文Y，即一对弯曲的连接件形状。虽未图示，但是为了将转动连接部620结合在柱状支架130的上端部132的一侧面，转动连接部620还可以形成为直线连接件形状。

当需要改变工作负载或者增加机械手的刚性时，从图2所示的转动接头300分离减速器350之后，如图5所示连接4节连接件600和减速器350，从而本发明的机械手本体100可以在柱状支架130的直线移动部139的自由端上得到增加的旋转力。尤其，操作臂610可以相当于在上面通过图4进行说明的输入连接件B，柱状支架130可以相当于输出连接件D。

从而，如图5所示，当操作臂610的长度小于柱状支架130的长度时，如同所述数学式2中的输出转矩T_o相对于输入转矩T_i出现增加的现象，作用于柱状支架130的工作负载也会增加。

虽未图示，然而与上述情况相反地，当操作臂610的长度大于柱状支架130的长度时，如同输出转矩T_o相对于输入转矩T_i出现减小的现象，作用于柱状支架130的工作负载也会减小。

从而，在本实施例中，根据所需的工作负载，可以制作一套具有多种长度操作臂610。

另外，为了调整或者改变操作臂610的长度，可以将操作臂610形成为公知的伸缩机构、球窝接头机构或者螺钉机构等伸缩调整结构。

另外，如上所述，在本发明的机械手本体100中，在无需大幅改变机械手的设计的情况下，通过改变减速器350的位置后安装4节连接件600，从而可以得到工作负载的变化或者转矩的增加效果；当不需要4节连接件600时，可以将其从机械手本体100较轻易地拆除，从而可以简单地改变工作负载，由此可以将其应用为公共机械手。

本发明所属技术领域的技术人员能够了解，在不改变本发明的技术思想或必要特征的前提下，如上所述的本发明的技术结构还可以以其他具体形式实施。因此，应解释为，本发明所要保护的范围应根据权利要求书来确定，而不是根据上述的详细说明来确定。从权利要求书的意义、范围及其等效的概念所导出的所有变更以及变型形式都应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种工业机械手，具有可拆装型4节连接机构驱动装置以产生工作负载，所述工业机械手包括：

基座架，具有用于机械手本体的旋转接头；

枢转支架，与所述旋转接头结合，并且具有转动接头；

柱状支架，与所述转动接头结合，并且具有直线接头；

减速器，以可拆装的方式选择性地设置于所述转动接头或所述枢转支架，以转动所述柱状支架，其中所述减速器的设置位置从所述转动接头和所述枢转支架中的一个改变至另一个以实现工作负载的变化；

电动机，设置在所述枢转支架上以向所述减速器传输驱动力；以及

4节连接件，当所述减速器设置于所述枢转支架时，在所述减速器的输出轴和所述柱状支架之间添加使用所述4节连接件，

其中，通过改变所述减速器的设置位置和添加使用所述4节连接件而实现工作负载的变化。

2.根据权利要求1所述的工业机械手，其特征在于，所述枢转支架包括：

枢转凸起部，在所述枢转支架的两侧分别向上方凸出，具有用于与所述柱状支架的下端部连接的轴承组装件。

3.根据权利要求1所述的工业机械手，其特征在于，所述枢转支架包括：

垂直托架，用于设置所述减速器。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的工业机械手，其特征在于，所述枢转支架包括：

轴承支撑件，可旋转地支撑所述减速器的输出轴。

5.根据权利要求4所述的工业机械手，其特征在于，

所述4节连接件包括：

皮带轮-带型动力传输机构，用于将所述电动机的驱动力传输给所述减速器，

所述皮带轮-带型动力传输机构包括：

第一皮带轮，设置于所述电动机的旋转轴；

同步带，一侧连接于所述第一皮带轮；

第二皮带轮，连接在所述同步带的另一侧，具有用于与所述减速器连接的输入轴。

6.根据权利要求1所述的工业机械手，其特征在于，

所述转动接头包括：

皮带轮-带型动力传输机构，用于将所述电动机的驱动力传输给所述减速器，

所述皮带轮-带型动力传输机构包括：

第一皮带轮，设置于所述电动机的旋转轴；

同步带，一侧连接在所述第一皮带轮；

第二皮带轮，连接在所述同步带的另一侧，具有用于与所述减速器连接的输入轴。

7.根据权利要求1所述的工业机械手，其特征在于，所述4节连接件包括：

操作臂，以轴结合方式连接在所述减速器的输出轴，用于接收所述减速器的输出；以及

转动连接部，一侧端部以旋转接头方式连接于所述操作臂，另一侧端部以旋转接头方式连接在所述柱状支架的上端部。

8.根据权利要求7所述的工业机械手，其特征在于，

所述4节连接件通过采用与对应于所述操作臂的输入连接件和输入转矩以及对应于所述柱状支架的输出连接件和输出转矩相关的下述数学式，从而改变工作负载，

$T_0=T_i\frac{D_L\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_4)}{B_L\sin ({\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_4)},$

其中，T_o表示4节连接件的输出转矩，T_i表示4节连接件的输入转矩，B表示输入连接件，B_L表示输入连接件(B)的长度，D表示输出连接件，D_L表示输出连接件(D)的长度，α₂表示从所述输入连接件(B)与上侧相连连接件的相交点到所述输出连接件(D)与下侧相连连接件之间的相交点的对角线(L)和所述输出连接件(D)所形成的内角，α₃表示所述对角线(L)和所述输入连接件(B)所形成的内角，α₄表示所述对角线(L)和所述上侧相连连接件所形成的内角，所述上侧相连连接件是连接在所述输入连接件(B)与所述输出连接件(D)之间的上侧的连接件，所述下侧相连连接件是连接在所述输入连接件(B)与所述输出连接件(D)之间的下侧的连接件。