TWI538793B - 水平關節機械手臂 - Google Patents

Description

水平關節機械手臂

本發明提供一種水平關節機械手臂，其是與機械手的結構有關。

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)選擇方向具有柔順性之機器人手臂，為一種廣泛使用之平面關節型機器人手臂，由於該機器人手臂具有三個水平轉動關節以及一個垂直位移關節，因此可適用於同時需求水平方向定位以及垂直方向位移或旋轉驅動之作業；而一般的平面關節型機械手臂10如圖1所示，其主要包含於一基座11上設置第一馬達111以第一轉軸112帶動一大臂12水平轉動；一小臂13設置第二馬達131並以一第二轉軸132可轉動地結合於該大臂12，則該第二轉軸132可帶動該小臂13水平轉動；該小臂13內又設置一第三馬達133及一螺桿134，該第三馬達133驅動一第三轉軸135旋轉，而該第三轉軸135與該螺桿134之間透過一傳動皮帶14以帶動該螺桿134旋轉，而該螺桿134上再穿套結合一螺帽15，而該當該螺桿134轉動時，該螺帽15即能帶動一第四轉軸16垂直位移，而該第四轉軸16又可同時受一第四馬達17帶動轉動；以上為一般平面關節型機械手臂10的主要結構組態，而由於該機械手臂10中第三轉軸135與該螺桿134間係透過一傳動皮帶14帶動，該 傳動皮帶14的結構特性除了使其無法長時間維持一定的張力之外，更有磨耗之額定壽命限制，因而必須定期拆換該傳動皮帶14，然而要拆換該傳動皮帶14時又必需拆解該小臂13及相關零組件，拆換工序繁雜而增加保修成本；此外，透過該傳動皮帶14帶動該第三轉軸135及該螺桿134屬於間接傳動，其傳動效能、精度均無法達到最佳狀態，故仍有亟待改善之必要；有鑑於此，本發明人潛心研究並更深入構思，歷經多次研發試作後，終於發明出一種水平關節機械手臂。

本發明提供一種水平關節機械手臂，其主要目的是改善一般平面關節型機械手臂具有傳動效能、精度不高且維護成本高之缺失。

為達前述目的，本發明提供一種水平關節機械手臂，包含：一基座，固定設置一第一軸馬達；一第一臂，一端結合於該第一軸馬達受該第一軸馬達帶動於一水平方向上轉動；一第二臂，一端固定設置一第二軸馬達，該第二軸馬達再結合於該第一臂的另一端，該第二軸馬達帶動該第二臂於該水平方向上轉動；一第三軸棒狀線性馬達，包含一線性馬達定子及一線性馬達動子，該線性馬達定子沿垂直於該水平方向的一垂直方向延伸長度並固定設置於該第二臂上，而該線性馬達動子可沿該垂直方向位移地穿套於該線性馬達定子外；以及一第四軸馬達，與該線性馬達動子連動設置；且該第四軸馬達結合一旋轉桿的一端帶動該旋轉桿轉動，該旋轉桿的另一端穿出該第二 臂。

本發明能提供三個水平轉動動量及一個垂直位移動量，且各位移動量之驅動源均為直接傳動，因此傳動效能、精度皆能高於一般以間接傳動之驅動方式，同時，由於各位移動量之驅動均為直接傳動，因此能簡化因間接傳動而需配合設置之繁雜結構組態，並能據此降低構件之保修成本。

《習知技術》

10‧‧‧平面關節型機械手臂

11‧‧‧基座

111‧‧‧馬達

112‧‧‧第一轉軸

12‧‧‧大臂

13‧‧‧小臂

131‧‧‧第二馬達

132‧‧‧第二轉軸

133‧‧‧第三馬達

134‧‧‧螺桿

135‧‧‧第三轉軸

14‧‧‧傳動皮帶

15‧‧‧螺帽

16‧‧‧第四轉軸

17‧‧‧第四馬達

《本發明》

20‧‧‧基座

21‧‧‧第一軸馬達

211‧‧‧第一驅轉軸

22‧‧‧第一減速機構

30‧‧‧第一臂

40‧‧‧第二臂

41‧‧‧第二軸馬達

411‧‧‧第二驅轉軸

42‧‧‧第二減速機構

50‧‧‧第三軸棒狀線性馬達

51‧‧‧線性馬達定子

511‧‧‧撐靠件

52‧‧‧線性馬達動子

60‧‧‧第四軸馬達

61‧‧‧第四軸馬達固定板

62‧‧‧連動件

63‧‧‧連軸器

64‧‧‧旋轉桿

65‧‧‧滾珠軸承

70‧‧‧線性導引單元

71‧‧‧線性導引部

72‧‧‧線性滑移部

73‧‧‧線軌固定板

80‧‧‧線性位置控制單元

81‧‧‧位置感測器

82‧‧‧軌道箝制器

90‧‧‧導線架

A‧‧‧電氣配線

X‧‧‧水平方向

Y‧‧‧垂直方向

圖1 為一般水平關節型機械手臂的示意圖。

圖2 為本發明水平關節機械手臂的立體外觀示意圖。

圖3 為本發明水平關節機械手臂的另一視角立體外觀示意圖。

圖4 為本發明水平關節機械手臂的剖視圖。

圖5 為本發明水平關節機械手臂的線性導引單元設置於不同位置之實施例圖。

圖6 為本發明水平關節機械手臂的線性導引單元為不同形式之示意圖。

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：本發明一種水平關節機械手臂的較佳實施例如圖2至6所示，包含：一基座20，供以固定配置於地面或固定平面上，且該基座20固定設置一第一軸馬達21，該第一軸馬達21驅動一第一驅轉軸211轉動，該 第一驅轉軸211係沿一垂直方向Y延伸，垂直該垂直方向Y定義為水平方向X，該第一驅轉軸211並結合帶動一第一減速機構22，藉此使該第一軸馬達21透過該第一減速機構22輸出動力；一第一臂30，一端結合於該第一軸馬達21上之第一減速機構22，據此使該第一臂30與該第一軸馬達21結合，則該第一臂30即能受該第一軸馬達21帶動轉動，且使該第一臂30可以該第一驅轉軸211為轉軸於水平方向X上轉動；一第二臂40，一端固定設置一第二軸馬達41，該第二軸馬達41驅動一第二驅轉軸411轉動，且該第二驅轉軸411結合帶動一第二減速機構42，藉此使該第二軸馬達41透過該第二減速機構42輸出動力，且該第二減速機構42更結合於該第一臂30的另一端，據此使該第二臂40可受該第二減速機構42帶動轉動，且該第二臂40是以該第二驅轉軸411為轉動軸於水平方向X上轉動；一第三軸棒狀線性馬達50，固定設置於該第二臂40上，且該第三軸棒狀線性馬達50包含一線性馬達定子51及一線性馬達動子52，該線性馬達定子51沿垂直方向Y延伸長度並固定設置於該第二臂40上，而該線性馬達動子52與一驅動控制器(圖中未示)電性連接並穿套於該線性馬達定子51外，該線性馬達動子52受該驅動控制器驅動而能相對該線性馬達定子51沿垂直方向Y線性位移；而該第三軸棒狀線性馬達50更可配合一霍爾效應感測器(Hall Sensor)使用，透過該霍爾效應感測器於該第三軸棒狀線性馬達50啟動時順利尋找電機角，確保運作順暢；當然，也可如圖2至4所示於該線性馬達定子51上穿套一撐靠件511，據以限制該線性馬達動子52的位置位於正確 的電機角位置，而不需於啟動時重新尋找電機角，提高該第三軸棒狀線性馬達50之運作順暢性；本實施例之該撐靠件511為圈形彈簧；一第四軸馬達60，與該線性馬達動子52連動設置，本實施例之第四軸馬達60係透過一第四軸馬達固定板61固定於一連動件62上，即該第四軸馬達60固定於該第四軸馬達固定板61上，而該第四軸馬達固定板61固定於該連動件上62，而該連動件62同時固定於該線性馬達動子52，透過該連動件62使該線性馬達動子52能與該第四軸馬達60連動；且該第四軸馬達60透過一連軸器63結合一旋轉桿64的一端以帶動該旋轉桿64轉動，且該旋轉桿64的另一端通過一固定於該第二臂40上的滾珠軸承65穿出該第二臂40；一線性導引單元70，固定設置於該第二臂40上導引該第四軸馬達60線性位移，該線性導引單元70包含一線性導引部71及一線性滑移部72，該線性導引部71係透過一線軌固定板73固定於該第二臂40上，即該線軌固定板73固定設置於該第二臂40上，而該線性導引部71再固定設置於該線軌固定板73上；而該線性滑移部72結合於第四軸馬達固定板61與該第四軸馬達60形成連結並受該線性導引部71導引產生線性位移，如圖2、圖3例之線性導引部71為線性滑軌，線性滑移部72為線性滑塊；而確保該第四軸馬達60線性位移之裝置並不限於如圖2、圖3之線性導引單元70的結構形態，如圖2、圖3例之線性導引部71係設置於該線軌固定板73面對該第四軸馬達60的一面；而如圖5例則顯示該線性導引部71設置於該線軌固定板73的側面，而只要確保該連動件62確實連動該線性馬達動子52與該第四軸馬達60即可達成與圖1例相同之目的及功效；而該線性導引單元70除了如圖2、圖3、圖5所示之線性滑軌之配合構件之外，更能如圖6 所示之形態，如圖6所示之線性導引單元70的線性導引部71為一線性槽，而該線性滑移部72則為一凸塊，該線性導引部71貫穿設置於該線軌固定板73上，而該線性滑移部72設置於該第四軸馬達固定板61上與該第四軸馬達60形成連結，據此同樣地能透過該連動件62帶動該第四軸馬達60位移，且確保該第四軸馬達60受該線性導引單元70導引而沿線性位移；一線性位置控制單元80，包含一位置感測器81以及一軌道箝制器82，該位置感測器81與該驅動控制器、軌道箝制器82控制連接，且該位置感測器81固定設置於該第二臂40上的該線軌固定板73以感測該第四軸馬達60之線性位置，該位置感測器81之形態不限；而該軌道箝制器82相對該線性導引單元70的線性導引部71並固定設置於該線性滑移部72上；該位置感測器81感測該第四軸馬達60之位置並反饋訊號至該驅動控制器以控制該第三軸棒狀線性馬達50之驅動動作以及控制該軌道箝制器82作動；以及一導線架90，固定設置於該第二臂40上，而複數電氣配線A一端分別結合於該線性馬達動子52、該第四軸馬達60及該軌道箝制器82，另端則承靠於該導線架90上，且結合於該第四軸馬達60、該軌道箝制器82的電氣配線係越過該連動件62承靠於該導線架90上，使各該電氣配線A接觸該連動件62之處係固定於該連動件62上，據此使越過該連動件62之電氣配線A隨該連動件62位移，而當各該電氣配線A位移時，各該電氣配線A的另端係承靠於該導線架90上，藉此降低各該電氣配線A隨意甩動之狀況發生。

以上為本發明水平關節機械手臂之結構組態及特徵，而其運作時，透過該第一軸馬達21可驅動控制該第一臂30轉動，而透過該第二軸馬達41則可驅動控制該第二臂40轉動，接著該第三軸棒狀線性馬達50之運作則 可使該線性馬達動子52相對該線性馬達定子51於垂直方向Y上位移；而當該線性馬達動子52於垂直方向Y上位移時，由於該線性馬達動子52與該第四軸馬達60之間固定連結該第四軸馬達固定板61及該連動件62，因此該線性馬達動子52位移而能透過該連動件62、第四軸馬達固定板61同步帶動該第四軸馬達60於垂直方向Y上位移，而結合於該第四軸馬達60上之旋轉桿64亦同時產生同步的垂直方向Y位移；而此時只要同時驅動該第四軸馬達60，則該旋轉桿64即能同時產生於垂直方向Y上的線性位移及於水平方向X上的旋轉動作；據此，本發明即能提供三個水平轉動動量及一個垂直位移動量；值得說明的是，由於本發明中驅動產生垂直方向Y上位移之驅動源為該第三軸棒狀線性馬達50，該第三軸棒狀線性馬達50的內部構造為非接觸式的傳動方式，因此能降低運作噪音；此外，本發明提供垂直方向Y上位移的驅動源係由該第三軸棒狀線性馬達50直接驅動，且提供該旋轉桿64轉動之驅動源係由該第四軸馬達60直接驅動，直接驅動的驅動模式能夠顯著提高驅動的精準度、穩定性及即時性，且兩者之間更不需透過鏈條、皮帶或其他傳動結構間接傳動，據此則又能簡化結構組成，並能完全免除因間接傳動構件產生的維護費用，提高附加價值；另外，由於該第四軸馬達60、軌道鉗制器82均會產生垂直方向Y上的位移，因此結合於該第四軸馬達60、軌道箝制器82的電氣配線A只要越過該連動件62使各該電氣配線A的另端靠抵於該導線架90上，則各該電氣配線A隨各構件垂直位移的同時係靠抵於該導線架90上位移，在不需使用 鏈條護管的狀態下就能避免各該電氣配線A另端隨意甩動之狀況發生；而若能在各該電氣配線A越過該連動件62的同時定位於該連動件62上，則就能更確保各該電氣配線A與該連動件62的同步動作，更提高運作的順暢性。

20‧‧‧基座

21‧‧‧第一軸馬達

211‧‧‧第一驅轉軸

22‧‧‧第一減速機構

30‧‧‧第一臂

40‧‧‧第二臂

41‧‧‧第二軸馬達

411‧‧‧第二驅轉軸

42‧‧‧第二減速機構

50‧‧‧第三軸棒狀線性馬達

51‧‧‧線性馬達定子

511‧‧‧撐靠件

52‧‧‧線性馬達動子

60‧‧‧第四軸馬達

61‧‧‧第四軸馬達固定板

62‧‧‧連動件

63‧‧‧連軸器

64‧‧‧旋轉桿

65‧‧‧滾珠軸承

70‧‧‧線性導引單元

71‧‧‧線性導引部

72‧‧‧線性滑移部

73‧‧‧線軌固定板

82‧‧‧軌道箝制器

90‧‧‧導線架

A‧‧‧電氣配線

X‧‧‧水平方向

Y‧‧‧垂直方向

Claims (10)

1. 一種水平關節機械手臂，包含：一基座，固定設置一第一軸馬達；一第一臂，一端結合於該第一軸馬達受該第一軸馬達帶動於一水平方向上轉動；一第二臂，一端固定設置一第二軸馬達，該第二軸馬達再結合於該第一臂的另一端，該第二軸馬達帶動該第二臂於該水平方向上轉動；一第三軸棒狀線性馬達，包含一線性馬達定子及一線性馬達動子，該線性馬達定子沿垂直於該水平方向的一垂直方向延伸長度並固定設置於該第二臂上，而該線性馬達動子可沿該垂直方向位移地穿套於該線性馬達定子外；以及一第四軸馬達，與該線性馬達動子連動設置；且該第四軸馬達結合一旋轉桿的一端帶動該旋轉桿轉動，該旋轉桿的另一端穿出該第二臂。
2. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該第四軸馬達透過一第四軸馬達固定板固定於一連動件上，而該連動件同時固定於該線性馬達動子，據此使該線性馬達動子能與該第四軸馬達連動。
3. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該第二臂上更固定設置一線性導引單元導引該第四軸馬達線性位移，該線性導引單元包含一線性導引部及一線性滑移部，該線性導引部固定設置於該第二臂上，而該線性滑移部結合於該第四軸馬達並受該線性導引部導引產生線性位移。
4. 如申請專利範圍第3項所述的水平關節機械手臂，其中，該線性 導引部為線性滑軌，線性滑移部為線性滑塊，該線性導引部係透過一線軌固定板固定於該第二臂上，而該第四軸馬達固定於一第四軸馬達固定板上，該線性滑移部設置於該第四軸馬達固定板上與該第四軸馬達形成連結。
5. 如申請專利範圍第3項所述的水平關節機械手臂，其中，該線性導引部係透過一線軌固定板固定於該第二臂上，且該線性導引部為一線性槽，而該線性滑移部則為一凸塊，該線性導引部貫穿開設於該線軌固定板上，而該第四軸馬達固定於一第四軸馬達固定板上，該線性滑移部設置於該第四軸馬達固定板上與該第四軸馬達形成連結。
6. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該第二臂上更設置一線性位置控制單元以感測該第四軸馬達位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該線性導引單元更配合設置一軌道箝制器，該軌道箝制器相對該線性導引部並固定設置於該線性滑移部上。
8. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該第二臂上更固定設置一導線架，複數電氣配線一端分別結合於該線性馬達動子及該第四軸馬達，另端則承靠於該導線架上。
9. 如申請專利範圍第2項所述的水平關節機械手臂，其中，該第二臂上更固定設置一導線架，複數電氣配線一端分別結合於該線性馬達動子及該第四軸馬達，另端則承靠於該導線架上，且各該電氣配線兩端之間固定於該連動件上。
10. 如申請專利範圍第1項所述的水平關節機械手臂，其中，該第三軸棒狀線性馬達的該線性馬達定子上穿套一撐靠件，限制該線性馬達動 子的位置位於正確的電機角位置，該撐靠件為圈形彈簧。