CN1408514A - 多关节机器人及其臂装置 - Google Patents

Abstract

在一个具有多个臂的工业机器人中，各个臂与其它组件、例如一个安装基座、另一个臂、一个机械手连接，并且借助旋转关节的运动而旋转。一个用于使旋转关节运动的马达、一个用于感知马达驱动轴的旋转角度的编码器、一个用于控制马达的驱动的控制电路设置在同一个臂上。一个用于向控制电路传输编码器的感知信号的信号电缆端接于同一个臂的控制电路上。其中，不需要配列从编码器到设置于安装基座中的主控制电路的信号电缆。

Description

多关节机器人及其臂装置

技术领域

本发明涉及一种具有多个臂的多关节型工业机器人，所述多个臂分别由多个旋转关节连接起来，该多关节型工业机器人用于例如在半导体器件的制造过程中输送半导体芯片，本发明还涉及该工业机器人的臂装置。

背景技术

水平布置的具有多个旋转关节的工业机器人，通常被用于例如半导体器件制造设备的输送作业。在图4和图5中表示出了具有多个关节的现有工业机器人81的结构。在该工业机器人81中，一个第一马达83被设置在一个安装基座82上。一个第一臂84在该第一臂84的一端附近与第一马达83的一个驱动轴83a连接。一个第二马达85设置在第一臂84的另一端附近。一个第二臂86在该第二臂86的一端附近与第二马达85的一个驱动轴85a连接。一个第三马达87设置在第二臂86的另一端附近。一个用于夹住工件、例如一个半导体芯片的机械手88在该机械手88的一端附近与第三马达87的一个驱动轴87a连接。

第一臂84借助第一马达83的旋转力转动。第二臂86借助第二马达85的旋转力转动。机械手88借助第三马达87的旋转力转动。一个用于感知工件存在的传感器89设置在机械手88的一个顶端附近。

进而，一个驱动控制器90设置在安装基座82中。电缆91、92和93分别向第一至第三马达83、85和87供电和驱动信号。进而，设置一个电缆94用于连接传感器89和驱动控制器90。

在现有的工业机器人81中，电缆92至94将驱动控制器90直接连接到设置在臂84和86以及机械手88上的马达85和87以及传感器89上，使得从安装基座82引出的电缆数目增大。由于电缆92至94沿臂84和86以及机械手88的长度方向排列，所以电缆92至94易于断裂，并且电缆92至94的排列变得复杂。尤其是当臂的数目增加时，马达的数目也增加。因此，从安装基座引出的电缆的数目和与例如马达等电器组件的连接数目将会与臂的数目成比例地增加。在该具有多个臂的工业机器人中，非常容易发生电缆的断裂，并且电缆的布置变得非常复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多个关节的工业机器人，其中，可以减少从安装基座中直接引出的电缆数目，从而不易发生电缆的断裂并使电缆的布置变得容易。

根据本发明的一个方案的工业机器人，具有由多个旋转关节连接起来的多个臂，各个臂可以借助驱动各旋转关节的马达的驱动力进行运动。该工业机器人包括多个设置在相应的臂上的、用于控制所述马达的控制电路。该控制电路分别设置在设有相应马达的臂上。

利用这种结构，一个独立于用于控制整个工业机器人的主控制电路的、用于控制马达驱动的控制电路设置在设有相应马达的臂上，以便一个用于控制马达的信号电缆仅仅连接在该马达和该控制电路之间，从而可以缩短信号电缆的长度。因此，不需要在马达和主控制电路之间连接信号电缆，可以简化控制信号电缆的布置，并且即使在所述臂运动时电缆也不易断裂，并且可以缩短电缆的总长度。

附图说明

图1是表示根据本发明的多关节型工业机器人的一个实施例的外形的透视图。

图2是表示该实施例中将该工业机器人在旋转关节处分解开的状态的侧视图。

图3是表示在该实施例中的工业机器人的第一旋转关节的一部分中的配线结构的剖视图。

图4是表示一个现有的工业机器人的外形的透视图。

图5是表示该现有的工业机器人的配线结构的局部剖视图。

具体实施方式

现在，说明根据本发明的多关节型工业机器人的一个实施例。图1表示该实施例中的工业机器人的外形。该工业机器人1包括：一个将被固定于工厂的地板上的安装基座2；一个第一旋转关节3； 一个通过该第一旋转关节3与安装基座2连接的第一臂4；一个第二旋转关节5；一个通过该第二旋转关节5与第一臂4连接的第二臂6；一个第三旋转关节7；以及一个通过该第三旋转关节7与第二臂6连接的机械手8。该机械手8用于夹取例如半导体芯片等的工件(图中未示出)。一个用于感知工件存在的传感器9设置在机械手8的顶端附近。

第一臂4在其基端附近与第一旋转关节3连接，以便第一臂4可以在一个水平面上绕第一旋转关节3的一个旋转轴旋转。第二旋转关节5设置在第一臂4的顶端附近。第二臂6在其基端附近与第二旋转关节5连接，以便第二臂6可以在一个水平面中绕第二旋转关节5的旋转轴旋转。第三旋转关节7设置在第二臂6的顶端附近。该机械手8在其基端附近与第三旋转关节7连接，以便机械手8可以在一个水平面中绕第三旋转关节7的一个旋转轴旋转。

一个用于控制第一旋转关节3的驱动的控制电路11设置在安装基座2的上表面上。用于控制第二旋转关节5的驱动的第二控制电路12设置在第一臂4上。一个用于控制第三旋转关节7的驱动的第三控制电路13设置在第二臂6上。控制电路11至13分别由一个微型计算机***构成，该微型计算机***具有：一个作为几个功能组件的CPU(中央处理器)、一个用于存储预先确定的控制程序的ROM(只读存储器)、和一个用于存储几个控制数据、例如臂的旋转角度的RAM(随机存储器)。

图2表示设置在旋转关节处被分解的工业机器人1。第一臂4可在第一旋转关节3处从安装基座2上拆卸下来。第二臂6可以在第二旋转关节5处从第一臂4上拆卸下来。机械手8可以在第三旋转关节7处从第二臂6上拆卸下来。

第一旋转关节3包括：一个集电环31、一个编码器32、一个马达33、一个构成设置基座2上的第一单元的耦合器34、和一个构成设置在第一臂4上的第二单元的耦合器35。耦合器34固定在马达33的一个驱动轴331上(参见图3)，并且借助马达33的驱动轴的旋转而旋转。另一方面，耦合器35固定在第一臂4的底面(第二主表面)上。通过使耦合器34和耦合器35连接，第一臂4被第一旋转关节3连接到安装基座2上。

当在耦合器34和35的连接之下驱动马达33时，借助马达33的驱动力，第一臂4随着第一旋转关节3的运动而旋转。从第一控制电路11经由电缆23提供用于驱动马达33的电力。编码器32感知马达33的驱动轴的旋转角度、即第一臂4的旋转角度，并且经由一个信号电缆24输出一个对应于第一臂4的旋转角度的感应信号。用于向第一控制电路11传输感应信号的电缆24端接于第一臂4中。与现有的机器人臂相比，可以缩短用于从编码器向主控制电路发送感应信号的信号电缆。进而，在编码器和控制电路之间的信号线自身决不会扭曲或缠绕在旋转关节上。

类似地，第二旋转关节5包括：一个集电环51、一个编码器52、一个马达53、一个构成设置在第一臂4的一个顶面(第一主表面)上的第一单元的耦合器54、和一个构成设置在第二臂6的底面(第二主表面)上的第二单元的耦合器55。当在耦合器54和55的连接下驱动马达53时，借助马达53的驱动力，第二臂6随着第二旋转关节5的运动而旋转。从第二控制电路12经由电缆25提供用于驱动马达的电力。编码器52感知马达53的驱动轴旋转角度、即第二臂6的旋转角度，并且经由一个信号电缆26输出一个对应于第二臂6的旋转角度的感应信号。

第三旋转关节7包括：一个集电环71、一个编码器72、一个马达73、一个构成设置在第二臂6的一个顶面(第一主表面)上的第一单元的耦合器74、和一个构成设置在机械手6的底面上的第二单元的耦合器75。当在耦合器74和75的连接下驱动马达73时，借助马达73的驱动力，机械手8随着第三旋转关节7的运动而旋转。从第三控制电路13经由电缆27提供用于驱动马达的电力。编码器72感知马达73的驱动轴旋转角度、即机械手8的旋转角度，并且经由一个信号电缆28输出一个对应于机械手8的旋转角度的感应信号。

第一臂4在第一旋转关节3处可从安装基座2上拆卸下来，并且在第二旋转关节5处可从第二臂6上拆卸下来。第二臂6在第二旋转关节5处可从第一臂4上拆卸下来，并且在第三旋转关节7处从机械手8上拆卸下来。第一臂4至少组合有马达53、第二控制电路12和编码器52。第二臂6至少组合有马达73、第三控制电路13和编码器72。耦合器34、54和74具有相同的形状。该耦合器35、55和75具有相同的形状，其可以与耦合器34、54和74连接。当一个带有一个马达、一个编码器和一个控制电路的臂单元可以被用作一个组合的第一臂4和一个组合的第二臂6时，工业机器人1的组合的第一臂4和组合的第二臂6可以相互交换或与其它的臂装置互换。

一个用于控制整个工业机器人1的主控制电路20设置在安装基座2的内侧。该主控制电路20由一个用于产生控制信号的微型计算机***和一个用于发出驱动马达的电力的电源构成。该电源经由电源缆线22从主控制电路20向控制电路11和13提供电力。该控制信号经由控制信号电缆21从主控制电路20输送给控制电路11至13。如上所述，控制电路11至13和主控制电路20由微型计算机***构成，以便控制信号可以平行地输送给控制电路11至13。该控制信号电缆21例如可以由串行总线电缆构成。在本实施例的说明中，“电缆”一词是指由多条电线组成的束。

在本实施例中，用于驱动第二和第三旋转关节5和7的马达53和73的控制电路12和13分别设置在第一和第二臂4和6上。借助这种结构，从编码器52和72引出且用于传输相应于臂4和6的旋转角度的感应信号的信号电缆26和28分别端接在臂4和6中的控制电路12和13。换言之，不需要将信号电缆26和28配列至主控制电路20。

图3表示第一旋转关节3的一部分中的结构。如可以从图3中看出的那样，马达33的驱动轴331直接与编码器32的一个旋转轴321和集电环31的一个旋转轴311连接，以便使旋转轴311和321随着驱动轴331的旋转而旋转。该驱动轴331和旋转轴321和311是中空轴，以便可以将控制信号电缆21的一部分和电源电缆22的一部分配列在其中。配列在轴311内的控制信号电缆21的电线被连接到固定于集电环31的旋转轴311的外表面上的电流集电环(current collecting rings)312a上。配列在轴311内的电源电缆22的电线被连接到固定于旋转轴311的外表面上的电流集电环312b上。在图3中，为了便于表示，仅示出了电流集电环312a和312b中的一个。

另一方面，从设置在安装基座2内侧的主控制电路20直接引出的控制信号电缆21的另一部分和电源电缆22的另一部分，被放入集电环31的一个壳体313之内。从主控制电路20引出的控制信号电缆21的电线被连接到设置在壳体313内表面上的电刷314a上，并且该电刷314a与电流集电环312a相连接。从主控制电路20引出的电源电缆22的电线被连接到壳体313内表面上的电刷314b上，并且该电刷314b与电流集电环312b接触。当旋转轴311旋转时，电刷314a和314b分别在保持电接触的状态下在电流集电环312a和312b的外表面上滑动。因此，在旋转311已经旋转的同时，从主控制电路20引出的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22与配列在旋转轴311内的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22，经由电刷314a和314b以及电流集电环312a和312b电连接。

连接到电流集电环312a和312b上的部分控制信号电缆21和部分控制电源电缆22被配列穿过集电环31的旋转轴311的内部、编码器32的旋转轴321的内部和马达的驱动轴331的内部，以便连接到耦合器34的连接件341和342上。例如，连接件341和342为凸连接件，它们与耦合器35的凹连接件351和352连接。连接件34具有凹形耦合结构343，并且连接件341和342被置于凹形耦合结构343的中心部分处。耦合器35具有凸形耦合结构353，并且连接件351和352被置于凸形耦合结构353的中心部分处。当耦合器35与耦合器34耦合时，连接件341和342分别连接到连接件351和352上。连接件341、342、351和352分别具有与控制信号电缆21和电源电缆22的电线数目相应的多个触点。

在第一臂4的内部，控制信号电缆21和电源电缆22在连接件351和352处被分支成两路。换言之，两组控制信号电缆21和电源电缆22被连接到连接件351和352上。一组控制信号电缆和电源电缆22(一路)从第一臂4内伸出并且连接到第二控制电路12上(参见图1或2)。另一组控制信号电缆21和电源电缆22(另一路)配列于第一臂4内。借助这种结构，控制信号电缆21和电源电缆22，甚至当第一臂4借助马达33的驱动而被旋转时，也从不会扭曲。

参考图2，在第二旋转关节5的一部分中，配列在第一臂4内的控制信号电缆21的一部分和电源电缆22的一部分，依然经由设置在集电环51中的电刷和电流集电环(未示出，但是与电刷314a和314b以及电流集电环312a和312b基本相同)与配列在集电环51、编码器52和马达53的轴(未示出，但是与轴311、321和331基本相同)内的控制信号电缆21的另一部分和电源电缆22的另一部分连接。配列在所述轴中的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22连接到耦合器54的连接件(未示出，但是与连接件341和342基本相同)上。当耦合器55与耦合器54耦合时，耦合器55的连接件(未示出，但是与连接件351和352基本相同)与耦合器54的连接件电连接，从而使配列在轴内部的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22与耦合器55的连接件电连接。

在第二臂6的内部，控制信号电缆21和电源电缆22在连接件551和552处被分支成两路。两组控制信号电缆21和电源电缆22被分别连接到耦合器55的连接件上。一组控制信号电缆21和电源电缆22(一路)从第二臂6内伸出并且连接到第二控制电路13上。另一组控制信号电缆21和电源电缆22(另一路)配列于第一臂6内。

在第三旋转关节7的一部分中，配列在第二臂6内的控制信号电缆21的一部分和电源电缆22的一部分，依然经由设置在集电环71中的电刷和电流集电环(未示出，但是与电刷314a和314b以及电流集电环312a和312b基本相同)与配列在集电环71、编码器72和马达73的轴(未示出，但是与轴311、321和331基本相同)内的控制信号电缆21的另一部分和电源电缆22的另一部分连接。配列在所述轴中的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22连接到耦合器74的连接件(未示出，但是与连接件341和342基本相同)上。当耦合器75与耦合器74耦合时，耦合器75的连接件(未示出，但是与连接件351和352基本相同)与耦合器74的连接件电连接，从而使配列在轴内部的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22与耦合器75的连接件电连接。一组控制信号电缆21和电源电缆22分别连接到耦合器75的连接件上。连接到耦合器75的连接件上的部分控制信号电缆21和部分电源电缆22从耦合器75伸出，并且沿机械手8的长度方向配列，以便连接到传感器9上。

在上述结构的工业机器人1中，从设置在安装基座2中的主控制电路20，经由控制信号电缆21和电源电缆22向第一至第三控制电路11至13传输控制信号和提供电力，用以控制整个工业机器人1。分别在控制电路11至13的控制下，驱动马达33、53和73。第一臂4、第二臂6和机械手8分别以与控制信号相应的预定旋转角度旋转。因此，仅从安装基座2引出控制信号电缆21和电源电缆22，可以简化电缆和电缆的排列，并且不易发生电缆的断裂，并且可以缩短电缆和电缆的总长度。进而，用于控制马达33、53和73的驱动的第一至第三控制电路11至13可以与主控制电路20相独立，从而可以减小安装基座2的尺寸。

在上述实施例中，没有涉及第一臂4和第二臂6的长度。在本发明中，可以根据情况的需要随意选择臂的长度。

在上述实施例中，控制信号电缆21和电源电缆22在耦合器35、55和75的连接件处分支。因此，从各安装基座2、第一臂4、第二臂6和机械手8中仅引出一组控制信号电缆21和电源电缆22。即使当臂和用于驱动旋转关节的马达的数目增加时，从各个臂引出的电缆和电缆的数目也是相同的。其可以组成一个具有任意旋转关节数目的任意的工业机器人，而不增加从安装基座引出的电缆和电缆的数目。

本申请以日本申请的专利申请2001-305704为基础，并将其在此引作为参考。

尽管己经通过举例的方式参考附图对本发明进行了说明，但是，应当理解，本发明的各种改变和变形对于本领域人员是显而易见的。因此，除非所作出的改变和变形超出了本发明范围，否则将被认为其被包含在本发明中。

Claims (6)

1.一种工业机器人，具有由多个旋转关节连接的多个臂，各个臂可以借助一个驱动各旋转关节的马达的驱动力进行运动，该改进包括：

用于控制设置在各个臂上的马达的控制电路；其中，

该控制电路分别设置在设有相应马达的臂上。

2.如权利要求1所述的工业机器人，进一步包括：

一个用于控制整个工业机器人的主控制电路；

分别连接到主控制电路和控制电路之间且用于传输用于控制马达的控制信号的控制信号电缆；

分别连接到主控制电路和控制电路之间且用于提供用于驱动马达的电力的电源电缆；

信号电缆，用于向控制电路传输与由于马达的驱动力而运动的各个臂相应的信号，其中，

各信号电缆端接于各个臂中。

3.如权利要求1所述的工业机器人，进一步包括：用于感知马达驱动轴的旋转角度的编码器；其中

编码器被分别设置在设有相应马达的臂上。

4.根据权利要求3所述的工业机器人，进一步包括：

一个主控制电路用于控制整个工业机器人；

控制信号电缆，分别连接到主控制电路和控制电路之间且用于传输用于控制马达的控制信号；

电源电缆，分别连接到主控制电路和控制电路之间且用于提供驱动马达的电力；

信号电缆，用于向控制电路传输由解码器感知的信号；并且其中，

各信号电缆端接于各个臂中。

5.如权利要求4所述的工业机器人，进一步包括：

一个第一旋转关节，用于可旋转地连接工业机器人的一个安装基座和一个第一臂；

一个第二旋转关节，用于可旋转地连接第一臂和一个第二臂；以及

一个第三旋转关节，用于可旋转地连接第二臂和一个机械手；其中，

各旋转关节具有一个集电环，该集电环用于电连接从主控制电路而来的相应的控制信号电缆和电源电缆；和一个耦合器，该耦合器用于可拆卸地在两个部位中驱动旋转关节；并且控制信号电缆和电源电缆被配列于旋转关节的中空部和臂的内部。

6.一种用于工业机器人的臂装置，其中，工业机器人可以包括任意数目的臂，该臂装置包括：

一个具有旋转关节的臂，其中，所述臂可以与另一个臂耦合；

一个用于驱动旋转关节的马达；

一个用于控制马达的驱动的控制电路；

一个用于感知马达的驱动轴的旋转角度的编码器；其中，

所述马达、控制电路和编码器设置在用于构成一个装置的臂上，以便与另一个可选择的装置连接。

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