CN115087524A - 机器人臂机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是，在能够检测人或物的接触的机器人臂机构中，进行使关节部轻量化等简化。本公开的一实施方式的机器人臂机构(1)具有旋转关节部(J1、J2)。旋转关节部(J1)与旋转关节部(J2)通过连杆(30)连接。连杆(30)具有多个连杆部分(31、33、35、37)。连杆部分(31、33)经由扭矩传感器(61)连结，连杆部分(33、35)经由扭矩传感器(63)连结，连杆部分(35、37)经由扭矩传感器(65)连结。

Description

机器人臂机构

技术领域

本发明涉及机器人臂机构。

背景技术

随着劳动人口的减少，能够与人在相同空间内一起工作的协作机器人逐步得到使用。对于协作机器人，需要在机器人与人或物接触时安全地停止。作为检测出机器人与人或物的接触的方法之一，公开了使用扭矩传感器的方法(例如专利文献1)。在使用了扭矩传感器的方法中，例如，在机器人的关节部配置扭矩传感器。能够在扭矩传感器的输出值超过规定的基准值的情况下判断为“机器人已经与人或物接触”，以此为契机，能够采取使机器人停止等措施。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-134059号公报

发明内容

发明要解决的问题

尤其是，若在机器人的前端侧的关节部安装扭矩传感器，则机器人的前端部分的重量增加，对机器人的基座侧的重量负载增加。为了应对重量的增加，需要使用刚性高的昂贵的部件。另外，在关节部容纳有电机和减速器等部件，与这些电气部件连接有电缆的布线等，因此当在关节部安装有扭矩传感器的情况下，不仅关节部变得大型化，而且关节部内的构造变得复杂。因此，在能够检测出人或物的接触的机器人臂机构中，希望使关节部的重量轻量化等关节部的构造简化。

用于解决问题的手段

本公开的一方式的机器人臂机构具有旋转关节部、与旋转关节部连接的连杆以及多个扭矩传感器。连杆具有多个连杆部分。连杆部分彼此经由扭矩传感器连结。

发明效果

根据本方式，在能够检测出已经与人或物接触的机器人臂机构中，能够使关节部简化(轻量化)。

附图说明

图1是一实施方式的机器人臂机构的立体图。

图2是图1的机器人臂机构的主视图。

图3是图1的机器人臂机构的俯视图。

图4是图1的连杆的立体分解图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本实施方式的机器人臂机构。在以下的说明中，对于具有大致相同的功能以及结构的结构要素，标注相同附图标记，仅在需要的情况下进行重复说明。

图1、图2以及图3示出本实施方式的机器人臂机构1的基准姿势。如图1、图2以及图3所示，本实施方式的机器人臂机构1具有放置在地面等接地面处的基座部10。基座部10经由第一旋转关节部J1连接有连杆30，第一旋转关节部J1具有与接地面垂直的第一旋转轴RA1。具体地说，在被未图示的第一电机驱动的第一减速器20的固定侧连接有基座部10，连杆30的一端与旋转侧连接。通过第一电机驱动第一减速器20，由此臂部50与连杆30一起相对于基座部10绕着第一旋转轴RA1旋转。连杆30经由第二旋转关节部J2连接有臂部50，第二旋转关节部J2具有与第一旋转轴RA1垂直的第二旋转轴RA2。具体地说，连杆30的另一端与被未图示的第二电机驱动的第二减速器40的固定侧连接，臂部50的一端与旋转侧连接。通过第二电机驱动第二减速器40，由此臂部50相对于连杆30绕着第二旋转轴RA2旋转。

以下，将与机器人臂机构1的第一旋转轴RA1平行的轴作为Z轴，将与基准姿势下的机器人臂机构1的第二旋转轴RA2平行的轴作为X轴，将与第一旋转轴RA1和第二旋转轴RA2正交的轴作为Y轴，用于适当的说明。

在本实施方式的机器人臂机构1中，在最接近基座部10的第一旋转关节部J1和与第一旋转关节部J1相邻的第二旋转关节部J2之间的连杆30上设置有多个扭矩传感器。其中，连杆30具有4个连杆部分31、33、35、37，在该连杆30上分散设置有3个扭矩传感器61、63、65。4个连杆部分31、33、35、37从远离基座部10一侧，即从接近机器人臂机构1的前端一侧，依次称为第一连杆部分31、第二连杆部分33、第三连杆部分35、第四连杆部分37。3个扭矩传感器61、63、65从远离基座部10一侧依次称为第一扭矩传感器61、第二扭矩传感器63、第三扭矩传感器65。

此外，这里使用的扭矩传感器是具有薄圆筒形状，用于检测绕着其圆筒中心轴(以下称为检测轴)的扭矩的传感器。扭矩传感器无法检测与检测轴垂直交叉的力分量以及沿着检测轴的方向的力分量。扭矩传感器设置于两个构件之间，输出与一个构件相对于另一个构件绕着检测轴扭转的角度相对应的扭矩值。通过将该扭矩值与规定的阈值进行比较，能够检测出扭转。作为检测扭矩的方式，能够采用电容式、应变片式等已知的方法。

本实施方式的机器人臂机构1的一个特征为，在第一旋转关节部J1和第二旋转关节部J2之间的连杆30上设置有扭矩传感器61、63、65。与在第二旋转关节部J2容纳扭矩传感器的情况相比，能够提高驱动第二旋转关节部J2的电机、减速器等容纳在第二旋转关节部J2的内部的部件的配置自由度，能够期待部件成本的下降，制造成本的下降，因布线变得容易而减少布线不良等。另外，因为不需要在第二旋转关节部J2容纳扭矩传感器，所以能够使第二旋转关节部J2自身变得小型、轻量化，能够期待将比第二旋转关节部J2更靠近基座部侧的部件替换为刚性更低的部件。

另外，通过在连杆30设置扭矩传感器61、63、65，即使是在第一旋转关节部J1以及第二旋转关节部J2驱动的情况下，因为连杆30自身不运动，所以与在第二旋转关节部J2等容纳扭矩传感器的情况相比，能够以简单的构造将扭矩传感器密封，有助于提高密封性能，削减成本等。

而且，在与最接近基座部10的第一旋转关节部J1连接的连杆30上设置扭矩传感器61、63、65，由此能够使从主要与人或物接触的频率高的部位即臂部50的前端至扭矩的检测源即扭矩传感器61、63、65的距离变长。由此，即使施加在臂部50的前端处的外力小，也因为从臂部50的前端至扭矩传感器61、63、65的距离长，所以能够使施加在扭矩传感器61、63、65处的力的力矩变大。即，能够提高扭矩传感器61、63、65的灵敏度，能够通过扭矩传感器61、63、65检测出稍稍触碰臂部50的前端那样的轻微的接触，有助于提高安全性。

上述说明的这些效果，不依赖于在连杆上设置的扭矩传感器的数量，设置于连杆上的扭矩传感器可以是一个，也可以是3个以上，都能发挥同样的效果。

此外，在本实施方式中，将具有两个旋转关节部的机器人臂机构1作为示例进行了说明，而对于例如具有4轴、5轴、6轴等轴数的机器人臂机构适用了本实施方式的情况下，其效果更好。例如，在具有6个关节部的机器人臂机构中，扭矩传感器搭载于多个连杆中的最接近基座部的第一关节部和与第一关节部相邻的第二关节部之间的连杆上。通过在接近基座部10一侧，这里是第一关节部和第二关节部之间的连杆上设置扭矩传感器，能够使比该连杆更靠近机器人臂机构的前端侧的第二关节部、第三关节部、第四关节部、第五关节部以及第六关节部变得小型、轻量化。通过能够使机器人臂机构的前端侧的关节部轻量化，能够使连杆等各部件所需要的刚性也变小，能够抑制部件的成本。当然，如上所述，通过配置扭矩传感器，能够使从臂前端至扭矩传感器的距离变长，能够提高检测与臂的接触的灵敏度。此外，在具有6个关节部的机器人臂机构中，扭矩传感器也可以搭载于基座部与最接近基座部的第一关节部之间的连杆上。

参照图4，说明设置于连杆30的3个扭矩传感器61、63、65的配置结构。如图4所示，与连杆30的一端相当的第四连杆部分37的端部与第一旋转关节部J1(第一减速器20)的旋转部连接，与连杆30的另一端相当的第一连杆部分31的端部与第二旋转关节部J2(第二减速器40)的固定部连接。

第一连杆部分31与第二连杆部分33经由第一扭矩传感器61连结。第一扭矩传感器61配置为其第一检测轴DA1与第二旋转轴RA2平行。第一扭矩传感器61输出与第一连杆部分31相对于第二连杆部分33绕着第一检测轴DA1扭转的角度相对应的扭矩值。

第二连杆部分33与第三连杆部分35经由第二扭矩传感器63连结。第二扭矩传感器63配置为其第二检测轴DA2与第一旋转轴RA1平行。第二扭矩传感器63输出与第二连杆部分33相对于第三连杆部分35绕着第二检测轴DA2扭转的角度相对应的扭矩值。

第三连杆部分35与第四连杆部分37经由第三扭矩传感器65连结。第三扭矩传感器65配置为，其第三检测轴DA3与垂直于第一旋转轴RA1的面(XY平面)平行，且相对于第二旋转轴RA2以小于90度的角度倾斜。若以检测轴彼此的位置关系进行说明，则第三扭矩传感器65配置为，是其第三检测轴DA3与第二检测轴DA2垂直的位置关系，且是第三检测轴DA3以小于90度的角度相对于第一检测轴DA1倾斜的位置关系。第三扭矩传感器65输出与第三连杆部分35相对于第四连杆部分37绕着第三检测轴DA3扭转的角度相对应的扭矩值。

通过将扭矩传感器61、63、65配置为各检测轴为上述位置关系，能够使第一检测轴DA1以及第二检测轴DA2与正交3轴的2轴(X轴以及Z轴)分别平行，使第三检测轴DA3相对于正交3轴的剩余1轴(Y轴)在第三检测轴DA3的方向上以小于90度的角度倾斜。这样，将第一扭矩传感器61、第二扭矩传感器63以及第三扭矩传感器65配置为，第一检测轴DA1、第二检测轴DA2以及第三检测轴DA3不相互平行，即，扭转或交叉的位置关系，由此，第一扭矩传感器61、第二扭矩传感器63以及第三扭矩传感器65能够检测绕相互不同的轴的扭矩，能够扩大可检测出机器人臂机构1，尤其是臂部50与人或物的接触的范围、朝向。

另外，通过将第一扭矩传感器61和第二扭矩传感器63配置为第一检测轴DA1与第二检测轴DA2垂直的位置关系，能够使第一扭矩传感器61可检测的扭矩的朝向与第二扭矩传感器63可检测的扭矩的朝向正交。由此，能够扩大可检测出与臂部50等的接触的范围、朝向，能够提高机器人臂机构1的安全性。

与机器人臂机构1处于静止中时相比，机器人臂机构1在动作中时，人或物与臂部50等无意地接触的可能性高。如本实施方式那样，通过将第一扭矩传感器61配置为第一检测轴DA1与第二旋转关节部J2的第二旋转轴RA2平行，能够由第一扭矩传感器61以高灵敏度检测出绕第二旋转轴RA2的旋转动作中的与臂部50等的接触。同样地，通过将第二扭矩传感器63配置为第二检测轴DA2与第一旋转关节部J1的第一旋转轴RA1平行，能够由第二扭矩传感器63以高灵敏度检测出绕第一旋转轴RA1的旋转动作中的与臂部50等的接触。这些有助于提高机器人臂机构1的安全性。

在本实施方式中，以下内容也是一个特征，即将第一扭矩传感器61和第二扭矩传感器63配置为，使第一检测轴DA1以及第二检测轴DA2与正交3轴的2轴(X轴以及Z轴)分别平行，将第三扭矩传感器65配置为，使第三检测轴DA3不与正交3轴的剩余1轴(Y轴)平行。如本实施方式那样，将第三扭矩传感器65配置为，第三检测轴DA3与第二检测轴DA2是垂直的位置关系，且以小于90度的角度相对于第一检测轴DA1倾斜，由此，第三扭矩传感器65能够检测出由第一扭矩传感器61和第二扭矩传感器63无法检测的绕Y轴的扭矩，还能够检测绕X轴的扭矩。即，通过3个扭矩传感器61、63、65，能够检测出绕正交3轴的各轴的扭矩，而且，能够由第一扭矩传感器61和第三扭矩传感器65这两者检测出绕X轴的扭矩。不将3个扭矩传感器配置为检测轴与正交3轴分别平行，而将其中的一个扭矩传感器设置为检测轴以小于90度的角度相对于其他检测轴倾斜，由此能够一边检测出绕正交3轴的各轴的扭矩，一边由两个扭矩传感器检测出绕某个特定的轴的扭矩。例如，通过将由两个扭矩传感器检测出的扭矩的绕轴轴向设为扭矩的检测频率即接触频率高的绕轴轴向，能够提高接触检测精度。

此外，上述记载并不否定将3个扭矩传感器61、63、65配置为各检测轴与正交3轴的各轴平行。另外，若设置两个扭矩传感器而非3个，则以两个扭矩传感器的各检测轴不相互平行，例如，相互正交的方式进行设置即可。若在4个以上，则配置为3个扭矩传感器的各检测轴与正交3轴的各轴平行，剩余的一个扭矩传感器的检测轴不与其他3个检测轴平行即可。

说明了本发明的数个实施方式，而这些实施方式是作为示例进行呈现，并非旨在限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式进行实施，在不超出发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或者其变形包含在权利要求书中记载的发明以及与其等同的范围内，与包含在发明的范围和主旨中同样。

附图标记说明

1…机器人臂机构、10…基座部、20…第一减速器、30…连杆、31…第一连杆部分、33…第二连杆部分、35…第三连杆部分、37…第四连杆部分、40…第二减速器、50…臂部、RA1…第一旋转轴、RA2…第二旋转轴、DA1…第一检测轴、DA2…第二检测轴、DA3…第三检测轴。

Claims (7)

1.一种机器人臂机构，其中，具有：

多个连杆，

连接所述连杆的多个旋转关节部，以及

多个扭矩传感器；

多个所述连杆中的至少一个连杆具有多个连杆部分，

所述连杆部分经由所述扭矩传感器连结。

2.根据权利要求1所述的机器人臂机构，其中，多个所述扭矩传感器配置为多个检测轴为扭转或交叉的位置关系。

3.根据权利要求2所述的机器人臂机构，其中，在多个所述扭矩传感器中，第一扭矩传感器配置为，所述第一扭矩传感器的检测轴相对于第二扭矩传感器的检测轴垂直的位置关系。

4.根据权利要求3所述的机器人臂机构，其中，在多个所述扭矩传感器中，第三扭矩传感器配置为，所述第三扭矩传感器的检测轴相对于所述第一扭矩传感器的检测轴以小于90度的角度倾斜的位置关系。

5.根据权利要求4所述的机器人臂机构，其中，所述第三扭矩传感器配置为，所述第三扭矩传感器的检测轴相对于所述第二扭矩传感器的检测轴垂直的位置关系。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的机器人臂机构，其中，所述第一扭矩传感器和所述第二扭矩传感器配置为，所述第一扭矩传感器的检测轴和所述第二扭矩传感器的检测轴相对于与所述至少一个连杆的两侧连接的两个旋转关节部的旋转轴分别平行。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的机器人臂机构，其中，

所述机器人臂机构还具有基座部，

所述至少一个连杆与多个所述旋转关节部中的最接近所述基座部的第一旋转关节部连接。

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