CN105121100B

CN105121100B - 紧凑型并联运动机器人

Info

Publication number: CN105121100B
Application number: CN201380075558.XA
Authority: CN
Inventors: T·布罗加德
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: EP2999572A1; CN105121100A; WO2014187486A1; EP2999572B1; US10737379B2; US20160089776A1

Abstract

一种工业机器人(10)包括第一和第二运动链，它们被配置为将相对应的第一和第二致动器(50，60)的运动传送至末端执行器(150)的运动。该第一运动链包括刚性的第一杆体(160)。该第二运动链包括处于第二致动器(60)和第一杆体(160)之间的部件而使得第二致动器(60)的致动在第一杆体(160)上导致弯曲力度。该第一和第二运动链因此拥有作为共用部件的第一杆体(160)，这改善了机器人(10)的紧凑性和可达性。该改进假设机器人(10)被提供以一个或多个刚性杆体，后者能够承受由于相对应致动器的致动所导致的弯曲力度。

Description

紧凑型并联运动机器人

技术领域

本发明涉及一种包括多个并联工作以操控末端执行器的致动器的工业机器人。

背景技术

常规的并联运动机器人包括多个驱动臂，每个驱动臂在一端直接或经由齿轮箱连接至伺服电机的相应轴。在相反的一端，该驱动臂经由具有三个自由度(DOF)的球形关节而接合至杆体的近端。该杆体将驱动臂的旋转运动传送至末端执行器的相应运动，后者经由球形关节接合至该杆体的远端。因此，就一个驱动臂的操控并不影响其余驱动臂的位置的意义而言，该伺服电机和相应驱动臂是并联工作。

Delta机器人是一种为人所熟知的并联运动机器人的类型，它可以包括三个驱动臂。每个驱动臂利用在每一端具有球形关节的两个杆体连接至末端执行器。该驱动臂绕相应伺服电机的轴线进行旋转，该伺服电机被对称配置而使得它们的轴线以60度的角度相交。由于delta机器人的驱动臂相对长并且指向不同方向，所以该机器人构造需要大量的空间。US7188544公开了一种包括三个驱动臂的delta机器人。Delta机器人还可以包括四个或更多的驱动臂。

WO200366289公开了其它且不太为人所知的并联运动机器人的类型，其包括三个或更多的驱动臂。根据WO200366289的机器人与delta机器人的不同之处在于，驱动臂的旋转轴是并联的，并且在许多实施例中，驱动臂甚至具有一条共用的旋转轴。驱动臂和末端执行器之间的杆体的数量根据驱动臂和机器人的实施例而从一个到三个有所变化。而且，根据WO200366289的机器人的驱动臂需要相对长且妥善分布，并且因此需要大量空间。

对于上述两种并联运动机器人类型而言所共同的是，驱动臂和末端执行器之间的杆体被设计为仅被暴露于轴向力度。机器人的必要刚性通过展开杆体而获得。因此，常规的并联运动机器人在许多应用中无法与SCARA机器人形成竞争，原因在于它们相对不佳的可达性以及大的空间要求。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种有所改进的并联运动机器人，其是紧凑的并且具有高度可达性。

该目标通过根据所附权利要求1的设备而实现。

本发明是基于意识到，通过提供具有一个或多个刚性杆体的并联运动机器人，所有其余的杆体都不需要直接连接至末端执行器。相反，一些杆体可以经由刚性杆体或者能够承受所导致的弯曲力度的杆体而连接至末端执行器，并且将相对应的运动传送至末端执行器。

根据本发明的第一方面，提供了一种工业机器人，包括：第一致动器，其被配置为绕第一轴线旋转第一驱动臂；第二致动器；和第一运动链，其被配置为将第一驱动臂的旋转传送至末端执行器的相应运动。该第一运动链包括第一杆体，该第一驱动臂和第一杆体之间的第一关节，该第一关节具有至少两个自由度，和该第一杆体和末端执行器之间的第二关节。该工业机器人包括第二运动链，其被配置为将该第二致动器的运动传送至该末端执行器的相应运动。该第二运动链包括该第二致动器和第一杆体之间的第四关节、该第一杆体和该第二关节。通过将该第一和第二运动链部署为共享杆体和关节，直接连接至末端执行器的杆体和关节的数量能够相对应地减少。作为结果，该机器人的可达性有所提高。

根据本发明的一个实施例，该第二运动链被配置为将该第一杆体暴露于弯曲力度。弯曲力度隐含地暗示了该第一和第二运动链被设计为以不同方向导致运动。

根据本发明的一个实施例，该第二运动链被配置为导致该第一杆体绕该第一关节进行旋转。

根据本发明的一个实施例，该第二运动链进一步包括第二杆体，以及处于该第二致动器和第二杆体之间的第三关节。杆体是一种用于将第二致动器的运动传送至末端执行器的相应运动的简单装置。

根据本发明的一个实施例，该第二致动器被配置为使得该第二驱动臂绕第二轴线进行旋转，该第一驱动臂和第二驱动臂并联工作。本发明尤其适于被应用于并联运动机器人上。

根据本发明的一个实施例，该第一运动链进一步包括第三杆体，该第一驱动臂和第三杆体之间的第五关节，和该第三杆体和末端执行器之间的第六关节。通过为第一运动链提供两个并联工作的杆体，末端执行器的运动进一步受到约束。

根据本发明的一个实施例，该第一杆体和第三杆体在几何上是平行的。通过为第一运动链提供两个几何上平行的杆体，末端执行器的运动进一步受到约束。

根据本发明的一个实施例，该第一杆体比第三杆体刚性更强。该第一杆体需要相对刚性以便能够承受其所被暴露的弯曲力度。其余杆体并没有同样的要求并且因此其余杆体能够被制作为刚性较弱从而保持运动部件的重量尽可能低。

根据本发明的一个实施例，该第一运动链进一步包括第四杆体，该第一驱动臂和第四杆体之间的第七关节，和该第四杆体和末端执行器之间的第八关节。通过为第一运动链提供三个并联工作的杆体，末端执行器的运动进一步受到约束。

根据本发明的一个实施例，该第一杆体、第三杆体和第四杆体在几何上是平行的。通过为第一运动链提供三个几何上平行的杆体，末端执行器的运动进一步受到约束。

根据本发明的一个实施例，该第一关节、第五关节和第七关节具有绕共用轴线的旋转自由度。通过将第一关节、第五关节和第七关节部署在共用轴线上，末端执行器的运动即使在所有三个关节具有三个DOF时也进一步受到约束。

根据本发明的一个实施例，该工业机器人进一步包括：第三运动链，其被配置为将第三致动器的运动传送至末端执行器的相应运动，该第三运动链包括第五杆体，该第三驱动臂和第五杆体之间的第九关节，该第五杆体和第一杆体之间的第十关节，该第一杆体和该第二关节。通过将第一、第二和第三运动链部署为共享杆体和关节，直接连接至末端执行器的杆体和关节的数量能够相应地减少。作为结果，该机器人的可达性有所提高。

根据本发明的一个实施例，该第三致动器被配置为绕第三轴线旋转该第三驱动臂，该第一驱动臂、第二驱动臂和第三驱动臂并联工作。本发明尤其适于在并联运动机器人中得以应用。

根据本发明的一个实施例，该第一轴线、第二轴线和第三轴线在几何上是平行的。

根据本发明的一个实施例，该第一轴线、第二轴线和第三轴线是重合的。通过该措施，该机器人能够被部署为能够旋转一整圈。

根据本发明的一个实施例，该第一轴线能够旋转一整圈。通过该措施，该机器人的工作区域有所改善。

根据本发明的一个实施例，直接连接至末端执行器的所有杆体在几何上都是平行的。通过该措施，该机器人的可达性进一步有所提高。

根据本发明的一个实施例，当考虑该第一杆体的纵向轴线的方向时，该第四和第二关节位于该第一关节的相反两侧。通过该措施，该机器人的可达性进一步有所提高。

附图说明

将参考附图对本发明进行更为详细的解释，其中

图1示出了本发明的一个实施例，其中一个刚性杆体是两个单独运动链的一部分，

图2示出了本发明的一个实施例，其中一个刚性杆体是三个单独运动链的一部分，

图3示出了本发明的一个实施例，其中两个杆体连接至刚性杆体的延伸，

图4示出了本发明的一个实施例，其中两个刚性杆体是两个单独运动链的一部分，

图5示出了本发明的一个实施例，其中运动链包括皮带机构，

图6示出了本发明的一个实施例，其中运动链包括集成于驱动臂上的杠杆机构，

图7示出了本发明的一个实施例，其中运动链包括齿轮机构，和

图8示出了本发明的一个实施例，其中驱动臂被划分为两个分段。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的一个实施例的工业机器人10包括机器人框架，其具有机器人10能够经由其而接合至地面、基座、墙壁、天花板或者其它稳固结构的支脚20。该机器人框架进一步包括固定接合至支脚20的柱体30，以及固定接合至柱体30的横梁40。三个伺服电机50、60、70被接合至基座80，后者可以固定或可移动地关于横梁40进行接合。每个伺服电机50、60、70具有驱动臂120、130、140与之固定接合的轴90、100、110。第一、第二和第三伺服电机50、60、70因此用作能够绕相应伺服电机轴线进行旋转的相应驱动臂120、130、140的致动器。每个驱动臂120、130、140利用相应运动链连接至末端执行器150，上述运动链被配置为将驱动臂120、130、140的旋转传送至末端执行器150的相应运动。

第一驱动臂120固定接合至第一伺服电机轴90，并且因此能够绕第一轴线进行旋转。第一驱动臂120利用第一传动链连接至末端执行器150，上述第一运动链由第一杆体160、第一驱动臂120和第一杆体160之间的第一关节170、第一杆体160和末端执行器150之间的第二关节180、第三杆体190、第一驱动臂120和第三杆体190之间的第五关节200、第三杆体190和末端执行器150之间的第六关节210、第四杆体220、第一驱动臂120和第四杆体220之间的第七关节230，以及第四杆体220和末端执行器150之间的第八关节240所组成。第一运动链因此包括三个杆体和六个关节。这三个杆体在几何上是平行的，即该杆体的纵向轴线在方向上保持平行。因此，末端执行器150关于第一驱动臂120的方位保持恒定。这三个杆体在它们中的每一个直接而并不经由三个杆体中的另一杆体来影响末端执行器150的位置的意义上也是并联工作的。这六个关节可以包括具有两个或三个DOF的关节。

第二驱动臂130固定接合至第二伺服电机轴100，并且因此能够绕第二轴线进行旋转。第二驱动臂130利用第二运动链连接至末端执行器150，上述第二运动链包括第二杆体250、第二驱动臂130和第二杆体250之间的第三关节260、第二杆体250和第一杆体160之间的第四关节270、第一杆体160，以及第一杆体160和末端执行器150之间的第二关节180。第二运动链进一步包括肘部280、肘部280和第一驱动臂偏移横梁300之间的第一铰链290、第一串联杆体310、肘部280和第一串联杆体310之间的第十三关节320，以及第一串联杆体310和第一杆体偏移横梁340之间的第十四关节330。

所要理解的是，肘部280、第一铰链290、第一串联杆体310、第十三关节320和第十四关节330并非本发明的必要部件。本发明的主要原则—即令杆体作为至少两个单独运动链的一部分—即使在第四关节270直接连接至第一杆体偏移横梁340—即没有以上所提到的处于其间的部件—的情况下也能够实现。然而，这些部件以及本公开其余机器人实施例中的其它相应部件是可选部件，除其它之外，它们的作用包括：减小传输力度，提高机器人10的可达性，并且优化运动链的动态性能。所要理解的是，在本公开的上下文中，当提到部件A连接至部件B时，并非必然意味着部件A和B在它们之间具有直接连接。换句话说，并不排除部件A和B之间存在部件A经由其连接至部件B的另外部件。此外，所要理解的是，部件的刚性延伸被认为是该部件的一部分。例如，第一驱动臂偏移横梁300是第一驱动臂120的一部分，并且第一杆体偏移横梁340是第一杆体160的一部分。此外，所要理解的是，在本公开的上下文中，当部件的至少一个刚性部分对于完成运动链而言是必要的时，整个部件应当被认为包括在该运动链中。

进一步参考图1，第三驱动臂140固定接合至第三伺服电机轴110，并且因此能够绕第三轴线进行旋转。第三驱动臂140利用第三运动链连接至末端执行器150，上述第三运动链由第五杆体350、第三驱动臂140和第五杆体350之间的第九关节360、第五杆体350和末端执行器150之间的第十关节370、第六杆体380、第三驱动臂140和第六杆体380之间的第十一关节390、第六杆体380和末端执行器150之间的第十二关节400所组成。该第三运动链因而包括两个杆体和四个关节。两个杆体在几何上是平行的并且它们也并联工作。四个关节可以包括具有两个或三个DOF的关节。

第一杆体160是刚性的而使得其能够承受由于伺服电机50、60、70—尤其是第二伺服电机60—的激致动导致的弯曲力度。特别地，第一杆体160比被设计为仅暴露于轴向力度的第二、第三、第四、第五和第六杆体250、190、220、350、380的刚性更强。

参考图2，与图1的机器人10相比，驱动臂120、130、140不再固定接合至伺服电机轴90、100、110。相反，伺服电机50、60、70被部署为经由齿轮箱来致动驱动臂120、130、140，并且驱动臂120、130、140固定接合至被部署为关于第四轴线400为同轴的相应的第一、第二和第三输出轴410、420、430。驱动臂120、130、140因此具有共用的旋转轴线，这使得驱动臂120、130、140能够旋转超过一整圈。

图2的第一和第二运动链与图1的那些相似，但是第三运动链则非常不同。不同于被直接(通过第十关节370)连接至末端执行器150，第五杆体350经由第一杆体160连接至末端执行器150。此外，与图1的机器人10相比，第六杆体380被省略。为了对缺失的第六杆体380进行补偿并且对末端执行器150的所有六个DOF进行约束，第一和第二关节170、180能够被选择为具有两个DOF的万象关节。当将图1和2的实施例进行比较时，能够确定的是，图2的机器人10的可达性由于直接连接至末端执行器150的所有杆体160、190、220都在几何上是平行的—即在单个方向进行延伸—而被大幅提高。

参考图3，所有三个运动链都与图2的那些相似，最重要的差异在于第一杆体160包括第二和第五杆体250、350与之相连接的延伸450。因此，当考虑第一杆体160的纵向轴线的方向时，第四和第十关节270、370以及第二关节180分别位于第一关节170的相反两侧。当将图2和3的实施例进行比较时，所能够确定的是，图3的机器人10的可达性进一步有所提高，这是因为直接连接至末端执行器150的所有杆体160、190、220在末端执行器150和第一驱动臂120之间都没有任何另外的连接。

参考图4，根据机器人10的可替换实施例，第一、第五和第七关节170、200、230被部署在第五轴线460上，这是这三个关节所共用的旋转轴线。该实施例使得所有三个关节都具有三个DOF。该实施例还使得第二、第六和第八关节180、210、240仅具有一个DOF。

参考图5-7，相应的第二运动链与第一驱动臂120部分集成。根据图5，第二运动链包括皮带机构，后者具有主滑轮470、皮带480和副滑轮490。副滑轮490固定接合至第二驱动臂偏移横梁500，后者进而利用第一轴承510以可旋转的方式关于第一驱动臂120进行接合。根据图6，第二运动链包括杠杆机构，后者具有主杠杆520、杠杆轴530和副杠杆540。杠杆轴530利用第二轴承550以可旋转的方式关于第一驱动臂120进行接合。根据图7，第二运动链包括齿轮机构，后者具有主齿轮560、副齿轮570和齿轮轴580。齿轮轴580利用第二轴承550以可旋转的方式关于第一驱动臂120进行接合。主滑轮470、主杠杆520和主齿轮560分别被固定接合至由第二伺服电机60所驱动的第二输出轴420。

参考图8，末端执行器150关于机器人框架(未示出)的方位能够通过将第一驱动臂120划分为两个分段—第一驱动臂分段590和第二驱动臂分段600—而被保持恒定。第二驱动臂分段600利用第三轴承610以可旋转的方式关于第一驱动臂分段590进行接合，上述第三轴承610能够绕平行于第四轴线440的第六轴线620进行旋转。第二驱动臂分段600包括第三驱动臂偏移横梁630，后者经由在其每一端具有节点650的连杆640而连接至机器人框架的固定点。每个节点650具有至少一个旋转DOF，并且连同第四和第六轴线440、620一起，节点650的旋转轴形成平行四边形的拐角点。

本发明并不局限于以上所示出的实施例，而是本领域技术人员可以在如权利要求所限定的本发明的范围之内以多种方式对它们进行修改。

Claims

1.一种工业机器人(10)，包括：

第一致动器(50)，其被配置为使第一驱动臂(120)绕第一轴线旋转；

第二致动器(60)；和

第一运动链，其被配置为将所述第一驱动臂(120)的旋转传送至末端执行器(150)的相应运动，所述第一运动链包括第一杆体(160)，在所述第一驱动臂(120)与所述第一杆体(160)之间的第一关节(170)，所述第一关节(170)具有至少两个自由度，和在所述第一杆体(160)与所述末端执行器(150)之间的第二关节(180)，以及第二运动链，其被配置为将所述第二致动器(60)的运动传送至所述末端执行器(150)的相应运动，所述第二运动链包括在所述第二致动器(60)与所述第一杆体(160)之间的第四关节(270)、所述第一杆体(160)和所述第二关节(180)，

其特征在于，所述第一杆体(160)的运动被配置为关于所述第一驱动臂(120)具有至少两个自由度。

2.根据权利要求1所述的工业机器人(10)，其中所述第二运动链被配置为将所述第一杆体(160)暴露于弯曲力度。

3.根据之前任一项权利要求所述的工业机器人(10)，其中所述第二运动链被配置为导致所述第一杆体(160)绕所述第一关节(170)进行旋转。

4.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中所述第二运动链进一步包括第二杆体(250)，以及处于所述第二致动器(60)与所述第二杆体(250)之间的第三关节(260)。

5.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中所述第二致动器(60)被配置为使得第二驱动臂(130)绕第二轴线进行旋转，所述第一驱动臂(120)和所述第二驱动臂(130)并联工作。

6.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中所述第一运动链进一步包括第三杆体(190)，在所述第一驱动臂(120)与所述第三杆体(190)之间的第五关节(200)，和在所述第三杆体(190)与所述末端执行器(150)之间的第六关节(210)。

7.根据权利要求6所述的工业机器人(10)，其中所述第一杆体(160)和所述第三杆体(190)在几何上是平行的。

8.根据权利要求6所述的工业机器人(10)，其中所述第一杆体(160)比所述第三杆体(190)的刚性更强。

9.根据权利要求6所述的工业机器人(10)，其中所述第一运动链进一步包括第四杆体(220)，在所述第一驱动臂(120)与所述第四杆体(220)之间的第七关节(230)，和在所述第四杆体(220)与所述末端执行器(150)之间的第八关节(240)。

10.根据权利要求9所述的工业机器人(10)，其中所述第一杆体(160)、所述第三杆体(190)和所述第四杆体(220)在几何上是平行的。

11.根据权利要求9所述的工业机器人(10)，其中所述第一关节(170)、所述第五关节(200)和所述第七关节(230)具有绕共用轴线的旋转自由度。

12.根据权利要求5所述的工业机器人(10)，进一步包括：

第三运动链，其被配置为将第三致动器(70)的运动传送至所述末端执行器(150)的相应运动，所述第三运动链包括第五杆体(350)，在第三驱动臂(140)与所述第五杆体(350)之间的第九关节(360)，在所述第五杆体(350)与所述第一杆体(160)之间的第十关节(370)，所述第一杆体(160)和所述第二关节(180)。

13.根据权利要求12所述的工业机器人(10)，其中所述第三致动器(70)被配置为使所述第三驱动臂(140)绕第三轴线旋转，所述第一驱动臂(120)、所述第二驱动臂(130)和所述第三驱动臂(140)并联工作。

14.根据权利要求13所述的工业机器人(10)，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线在几何上是平行的。

15.根据权利要求13或14所述的工业机器人(10)，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线是重合的。

16.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中所述第一驱动臂(120)能够绕所述第一轴线旋转一整圈。

17.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中直接连接至所述末端执行器(150)的所有杆体在几何上都是平行的。

18.根据权利要求1或2所述的工业机器人(10)，其中当考虑所述第一杆体(160)的纵向轴线的方向时，所述第四关节和所述第二关节(270，180)位于所述第一关节(170)的相反两侧。