CN103097087A

CN103097087A - 包括并联运动操作器的工业机器人

Info

Publication number: CN103097087A
Application number: CN2011800417743A
Authority: CN
Inventors: T·布罗加尔德; M·艾萨克森
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: WO2012031635A1; US10166684B2; WO2012031954A1; CN103097087B; US20130189063A1

Abstract

本发明涉及一种工业机器人，该机器人包括用于空间中的物体的移动的操作器。该操作器包括：被配置为携带该物体的可移动平台(4)；第一臂(1)，该第一臂被配置为在第一方向中影响该平台并且包括可关于第一轴(A1)旋转的第一内臂部分(1a)、被枢轴地连接到该第一内臂部分和该平台的第一外臂部分(1b；1b-c)以及用于致动该第一臂的第一致动器(5)；第二臂(2)，第二臂被配置为在第二方向中影响该平台并且包括可关于第二轴(A2)旋转的第二内臂部分(2a)、被枢轴地连接到该第二内臂部分和该平台的第二外臂部分(2b-2；2b-d)以及用于致动该第二臂的第二致动器(6)；第三臂(3)，第三臂被配置为在第三方向中影响该平台并且包括可关于第三轴(A3)旋转的第三内臂部分(3a)、被枢轴地连接到该第三内臂部分和该平台的第三外臂部分(3b-c)以及用于致动该第三臂的第三致动器(7)，其中，该内臂部分的该旋转轴是平行的。该操作器包括被连接到该第三内臂部分(3a)的中空部分(14)，以及经过所述中空部分延伸并且被配置为刚性地支撑所述第一致动器(5)和第二致动器(6)中的至少一个致动器的支撑构件(16)，并且该第三内臂部分被配置为可关于该支撑构件旋转。

Description

包括并联运动操作器的工业机器人

技术领域

本发明涉及用于物体在空间中的移动的包括操作器的工业机器人，其中，该操作器是并联运动操作器。

并联运动操作器包括：被配置为携带物体的可移动平台；第一臂，该第一臂被配置为在第一方向中影响该平台并且包括第一内臂部分、被枢轴地连接到该第一内臂部分和该平台的第一外臂部分以及具有用于致动该第一臂的第一驱动轴的第一致动器；第二臂，第二臂被配置为在第二方向中影响该平台并且包括第二内臂部分、被枢轴地连接到该第二内臂部分和该平台的第二外臂部分以及具有用于致动该第二臂的第二驱动轴的第二致动器；第三臂，第三臂被配置为在第三方向中影响该平台并且包括第三内臂部分、被枢轴地连接到该第三内臂部分和该平台的第三外臂部分以及具有用于致动该第三臂的第三驱动轴的第三致动器。

背景技术

工业机器人包括操作器和具有用于自动地操作该操作器的装置的控制单元。存在不同类型的操作器如串联运动操作器和并联运动操作器。今日，典型地由并联运动操作器执行平坦表面如传送带的表面上的组件的快速处理和装配。

将并联运动操作器(PKM)定义为包括至少一个静止元件、可表示为平台的移动元件和通常三个臂的操作器。每个臂包括被连接到可移动平台的链接配置。由被优选地配置在静止元件上的致动器致动每个臂以降低移动质量。链接配置将力传递到可移动平台。为了用于具有三个自由度的平台的移动的并联运动操作器的完全的建立，需要三个并联的工作臂。为了获得具有大的负载容量和低的重量的刚性的臂系统，被连接到并联运动操作器的可移动平台的臂应该具有总共六个链接。

存在用于快速材料处理、拾取与放置以及装配的不同类型的操作器如Scara操作器、Gantry操作器和Delta PKM操作器。Delta PKM操作器由于它的重量轻的臂结构占领特别是Scara操作器的市场份额，其中该重量轻的臂结构关于操作器制造成本提供较高的动态性能。然而，Scara操作器具有由Delta操作器不能实现的一些特征例如小的占用空间、在工作空间旁边安装操作器的可能性、获得较大的垂直行程的可能性以及进行具有较高的操作器密度的安装的可能性。来看运动学，增加水平工作空间大小意味着仅需要重新设定Scara操作器的臂的尺寸，而对于Delta操作器必须重新设定整个框架和操作器的尺寸，这意味着将需要操作器位于工作空间上方更高地放置。

为了将传统Scara运动学的优点与Delta PKM操作器的性能潜能结合，开发了Scara Tau PKM概念。在WO 03/066289中公开了该概念。现有技术Scara Tau操作器具有安装在三个轴承上的三个内臂部分，三个轴承进而被安装到垂直柱上，该垂直柱还保持具有齿轮箱的马达。将来自齿轮箱的输出轴连接到齿轮，该齿轮接合被安装到该臂轴承的臂侧面的齿轮圈。因为马达和齿轮箱必须与它们的轴一起与臂的旋转轴平行安装，所以在臂轴承之间需要大量的空间，以便得到致动系统所需要的空间。这意味着，即使机器人获得小的占用空间，其仍然在垂直方向中需要大量空间。如果机器人用于服务例如传送带，特别是如果机器人必须被安装到传送带上，则这特别成问题。除了在z方向中需要大量空间之外，由于支撑臂和致动系统的安装柱，现有技术机器人还将是笨重的。

发明内容

本发明的目的在于提供并联运动机器人，它是紧凑的、与公开的Scara Tau操作器相比较不昂贵的并且与其所占用的空间相比具有大的工作空间即具有小的占用空间。

通过如在权利要求1中定义的工业机器人实现该目标。

该机器人包括用于空间中的物体的移动的操作器，其中，该操作器包括：被配置为携带该物体的可移动平台；第一臂，该第一臂被配置为在第一方向中影响该平台并且包括可关于第一轴旋转的第一内臂部分、被枢轴地连接到该第一内臂部分和该平台的第一外臂部分以及具有用于致动该第一臂的第一致动器；第二臂，第二臂被配置为在第二方向中影响该平台并且包括可关于第二轴旋转的第二内臂部分、被枢轴地连接到该第二内臂部分和该平台的第二外臂部分以及具有用于致动该第二臂的第二致动器；第三臂，第三臂被配置为在第三方向中影响该平台并且包括可关于第三轴旋转的第三内臂部分、被枢轴地连接到该第三内臂部分和该平台的第三外臂部分以及具有用于致动该第三臂的第三致动器，其中，该内臂部分的该旋转轴是平行的。该机器人的特征在于该操作器包括被连接到该第三内臂部分的中空部分，以及经过所述中空部分延伸并且被配置为刚性地支撑所述第一致动器和第二致动器中的至少一个致动器的支撑构件，并且该第三内臂部分被配置为可关于该支撑构件旋转。优选地，该支撑构件被垂直地安装在工作车间中。

术语“支撑构件被配置为刚性地支撑至少一个致动器”意味着该支撑构件被配置为以这样一种方式支撑该致动器，其中在该方式中两个组件相对于彼此的安装的机械刚度很高，这意味着支撑构件和支撑构件与致动器之间的安装接口的刚度被设计为刚性的。支撑构件可以被配置为单独支撑该致动器或者作为用于支撑该致动器的支撑结构的一部分。应该注意到，该支撑构件可以是具体的机械构件或者可以是致动器封装的一部分。例如该支撑构件被机械刚性地连接到第一致动器和第二致动器中的至少一个致动器，这意味着要么彼此直接接触地安装该支撑结构和该致动器，要么经由一个或多个其他组件以这样一种方式安装该支撑结构和该致动器，其中在该方式中两个组件相对于彼此的安装的机械硬度很高。

本发明提供进行具有高的操作器密度的安装的可能性，并且当机器人从例如传送带侧面工作时这是受欢迎的。该安装还使其容易安装并且交换机器人，并且将容易为了服务和维护而接近机器人。由于能够在工作空间外部移动机器人臂和平台，机器人的清洁和清洗将更容易，因为无需在例如传送带上方做这些事。

根据本发明的一个实施方式，将该中空部分安装到围绕该支撑构件的轴承上。这将给予该第三内臂部分使用高硬度轴承作为例如滚珠轴承的自由旋转。

根据本发明的一个实施方式，将传动单元机械地连接到该中空部分以利用第三致动器可旋转地驱动该中空部分。

根据本发明的一个实施方式，该传动单元包括由至少一个齿条连接到该第三致动器的驱动轴的齿轮圈。由于齿轮圈的相对大的直径，这是用于获得高的齿轮齿数比的一个简单的方式。

根据本发明的一个实施方式，将第三致动器机械地连接到该支撑构件。这将给出用于该致动器的紧凑的设计，由于利用大直径齿轮圈能够获得的齿轮齿数比，所以该设计将无需输出像其他致动器那么大的扭矩。

根据本发明的一个实施方式，该支撑构件的中心线与全部该内臂部分的该旋转轴平行。当不使用角度撕裂时，这还意味着该支撑构件与该致动器的全部驱动轴平行。这对致动器扭矩上的重力给予最低的影响。

根据本发明的一个实施方式，该臂中的至少两个臂具有包括被枢轴连接到各自的内臂部分和该平台的至少两个链接的外臂部分。

根据本发明的一个实施方式，全部三个臂具有包括被枢轴连接到各自的内臂部分和该平台的至少两个链接的外臂部分。这给出用于整个机器人的对称的链接结构。

根据本发明的一个实施方式，该臂中的一个臂具有包括被枢轴连接到各自的内臂部分和该平台的三个链接的外臂部分。这将使其有可能获得机器人的硬度的较小的变化。

附图说明

将通过本发明的不同实施方式的描述并且参考附图来更严密地解释本发明。

图1显示了根据本发明的第一实施方式的操作器。

图2显示了沿线A-A通过图1中所示的操作器的横截面。

图3显示了根据本发明的第二实施方式的操作器。

图4显示了根据本发明的第三实施方式的操作器。

图5显示了根据本发明的第四实施方式的操作器。

图6显示了根据本发明的第五实施方式的操作器。

图7示出了由紧密包装的多个前图中示出的根据本发明的实施方式的操作器覆盖的工作区域。

具体实施方式

用相似的附图标记指示附图中的相似的或对应的部分。

图1显示了根据本发明的工业机器人的操作器的一个实例。该工业机器人还包括用于控制操作器的移动的控制系统(在图中未显示)。该操作器包括被配置为携带腕关节和/或物体如工具或工作物件的可移动平台4。该操作器包括三个臂1-3。第一臂1被配置为主要在垂直方向中影响平台4并且包括可关于第一轴A1旋转的第一内臂部分1a，包括被枢轴连接到第一内臂部分1a和平台4的两个链接1b、1c的第一外臂部分以及用于致动第一臂1的第一致动器5。第二臂2被配置为在第一主水平方向中影响平台4并且包括可关于第二轴A2旋转的第二内臂部分2a，包括被枢轴连接到第二内臂部分2a和平台4的两个链接2b、2c的第二外臂部分以及用于致动第二臂2的第二致动器6。两个链接2b、2c被配置为平行并且具有相同的长度。

第三臂3被配置为在第二主水平方向中影响平台4。第三臂3包括可关于第三轴A3旋转的第三内臂部分3a，包括被枢轴连接到第三内臂部分3a和平台4的两个链接3b、3c的第三外臂部分以及用于致动第三臂的第三致动器7。致动器5-7中的每一个包括驱动轴10、11、12。在图1中所示的实施方式中，垂直并且平行地配置全部三个驱动轴。驱动轴12实际上仅仅是具有小齿轮以向齿轮圈20传动扭矩并且使用锥齿轮设计的轴。轴12不必与致动器轴10和11平行。然而，齿轮圈20的旋转轴并且因此第三内臂部分3a的第三旋转轴必须一直与致动器轴10和11平行，或者在通常情况中，全部内臂部分1a、2a和3a的旋转轴必须平行。驱动轴10和11和驱动传动12、20被配置为在垂直方向中在三个不同水平高度上支撑该内臂部分。该第一和第二驱动轴被配置为同轴的，但是它们也可以在水平方向中被安装为具有偏移量。第一致动器被配置在第二致动器之上。该第三轴被配置为在水平方向中与该第一和第二驱动轴错位。全部三个臂具有外臂部分，该外臂部分包括被枢轴连接到各自的内臂部分和平台的两个链接。

第二内臂部分2a在驱动轴10和11的方向中相对第三内臂部分3a错位，以允许第三内臂部分3a在第二内臂部分2a下面经过，如图中所示，并且因此增加机器人的工作空间。

致动器5、6、7中的每一个包括马达和包括输出驱动轴的齿轮箱。应该注意到，第三致动器7的齿轮齿数比不需要像用于其它致动器5和6的齿轮齿数比一样高，因为齿轮圈20用于获得具有高的齿轮齿数比的齿轮。将第一内壁部分1a和第二内臂部分2a直接安装到具有由马达驱动的齿轮箱的致动器5、6的输出轴上。将第一内壁部分1a依附到在第一致动器5的马达和齿轮上面延伸的第一输出轴10的一部分。将第二内臂部分2a依附到在第二致动器6的马达和齿轮下面延伸的第二输出轴11的一部分。将第三内臂部分3a依附到中空部分14，其中经由小直径的小齿轮和大直径的齿轮圈20将中空部分14可操作地连接到第三输出轴12，并且中空部分14被配置为可以借助轴承15关于支撑构件16旋转。第三输出轴12支撑用于驱动齿轮圈并且在第三致动器7上面延伸的小齿轮。如果致动器7被安装在支撑构件16内部并且在该支撑构件中存在孔，其中马达轴上的齿轮可以经过该孔碰到齿轮圈，其中该齿轮圈在该圈的内部具有齿轮齿，则致动器7可以使它的轴7向上或向下指向。

图2显示了沿线条A-A通过图1中所示的操作器的横截面，其中，用于第三内臂部分3a的中空部分14位于其中。将第三内臂部分3a的一个末端连接到中空部分14，并且将第三内臂部分3a的另一个末端连接到第三外臂部分3b-c。操作器包括延伸经过中空部分14的圆柱形支撑构件16。中空部分14被设计为允许支撑构件16延伸经过中空部分。在该实施方式，中空部分14是环形的。第一致动器5和第二致动器6经由附件18被刚性地连接到支撑构件16。第三致动器7被刚性地连接到支撑构件16但是还可以位于直接在地面上的独立的台上。支撑构件16的中心线22与全部内臂部分1a、2a和3a的旋转轴平行。第三内臂部分3a被配置为借助轴承15关于支撑构件16旋转。该轴承可以如图2中位于中空部分与支撑构件16之间的中空部分14内部，或者被配置在该中空部分上面或下面。还有可能使一个轴承在中空部分下面并且一个轴承在中空部分上面。当轴承未被安装在中空部分内部时，可以减小该中空部分的直径。

包括齿轮圈20的传动装置和轴12上的小齿轮可旋转地将中空部分14连接到第三致动器7。在图1中齿轮圈上的齿轮向外指向，但是其也可以具有向内指向的齿轮或者具有带角度齿轮圈。小齿轮将被适配于所使用的技术方案。

在根据图1和2的本发明的实施方式中，圆柱形台柱16借助安装盘24竖立在地面上。台柱16是中空的以包括电缆和软管，并且附件18用于将伺服致动器5、6安装到该台柱上，同时附件18将伺服致动器5、6彼此连接。当然，可以用不同的方式做出伺服致动器5、6在台柱16上的安装。

以这样一种方式安装第三内臂部分3a，其中在该方式中第三内臂部分3a可以在第二内臂部分2a下面经过。第二臂2可以自由旋转，直到它击中台柱16的位于中空部分14与安装附件18之间的部分为止。为了增加工作空间，可以将台柱16制造得更窄，其中，第二内臂部分2a与该台柱重合。在图1中，还显示如何彼此靠近地安装链接1b-c的上接头以便当在相对于工作空间的中心的径向方向中移动平台时降低平台的旋转。当从第一内壁部分1a向第二内臂部分2a移动链接1c时也可以使用该致动器安装，见图3。

图3显示根据本发明的第二实施方式的操作器。该操作器与图1中所示的操作器的不同之处在于第一外臂部分仅包括被接头枢轴连接到第一内臂部分1a和平台4的一个链接1b，并且在于第二外臂部分包括被枢轴连接到第二内臂部分2a和平台4的三个链接2b-d。在这里由链接2d限制平台4的偏转角。在图1中，由链接1b和1c的对限制偏转角。并且在这里，通过靠近用于将链接2b-c与第二内臂部分2a连接的接头2e-f之间的线安装接头2g，可以降低当平台在径向方向中移动时的平台旋转。从上面和侧面看来，链接2d不与平行链接2b-c平行。当在工作空间中移动平台时，这将降低平台的偏转变化。

图4显示根据本发明的第三实施方式的操作器。图4中显示的该操作器与图1中所示的操作器的不同之处在于第三臂被配置为主要在垂直方向中影响平台4并且第一臂1被配置为在主水平方向中影响平台4。此外，在水平方向中错位排列第一致动器5和第二致动器6。将支撑构件16连接到顶梁28。将第一致动器5和第二致动器6经由支撑元件30刚性地连接到支撑构件16。将第三致动器7刚性地连接到支撑构件16。将第三内臂部分3a安装到由具有驱动轴12的第三致动器7驱动的中空部分14，其中驱动轴12按照与图1中相同的方式接合齿轮圈20的齿轮齿。这样，与图1和3中的地面上安装的相同的机器人结构也可以被安装到工作空间上面的屋顶中，在工作空间周围的全部空间必须可接近的一些应用中，这是必要的。

图5显示根据本发明的第四实施方式的操作器。当致动器被直接安装到依赖于垂直应用的支撑结构上时，这可用于增加工作空间。图5中所示的实施方式的支撑结构包括垂直设置的支撑梁40、在其上安装第二致动器6的第一保持设备42、在其上安装第一致动器5的第二保持设备44以及被配置为在轴12的方向中将第三内臂部分3a与第二内臂部分2a错位的隔离段45。将第三致动器7刚性地连接到隔离段45。该支撑结构还包括被配置为刚性地支撑第一致动器5的支撑构件48。支撑构件48的一个末端依附到第一保持设备42并且另一个末端被依附到第二保持设备44。经由第二保持设备44将第一致动器5刚性地连接到支撑构件48。支撑构件48的中心线与内臂部分1a、2a和3a的旋转轴平行。将第三内臂部分3a机械地连接到中空部分46，中空部分46包括通孔以接收支撑构件48。该支撑构件延伸经过中空部分46。

图1-4中所示的用于致动第三内臂部分3a的配置现在用于获得仅用于致动器5的支撑构件。因此，支撑构件48对应于图1-4中的支撑构件16。在齿轮圈58下面，支撑构件48具有较大的直径。将第三内臂部分3a安装到与图2中的中空部分14相对应的中空部分46上。然而，在这里将轴承57安装在中空部分46下面。对于图1-4，致动器7经由齿轮圈58和轴12上的小齿轮驱动中空部分46。将致动器安装到齿轮圈58下面的隔离段45上。

图6显示根据本发明的第五实施方式的操作器。在这里显示出还有可能使用第三致动器7与中空部分之间的带传动，这将是更便宜的方案但是具有较小的传动刚度。操作器包括保持设备54和用于定位保持设备54的台柱52。该操作器包括被安装到保持设备54上的第一致动器5、第二致动器6和第三致动器7。第一致动器5包括第一驱动轴10、第二致动器6包括第二驱动轴11并且第三致动器7包括借助皮带61可操作地连接到中空轴62的第三驱动轴12。将第一致动器5安装在中空轴62内部。

将中空轴62同心地安装在皮带轮63上，将皮带轮63进而同心地安装在轴承64上，使其能够相对于保持设备54旋转第三内臂部分3a。致动器的输出轴具有较小的皮带轮并且将皮带61安装在两个皮带轮60和63之间。也可以在图1-5中所示的操作器配置中实施用于第三臂3的具有皮带驱动中空部分的配置。对于该实施的特别之处在于中空部分内部的支撑构件是第一致动器5的封装。该方案难以应用在图1、3和4中所示的操作器配置中。在中空轴62内部具有第一致动器5的优点在于致动器装配件将比图5更紧凑。

图7示出了由多个紧密包装的图1-6中所示的实施方式的操作器覆盖的工作区域。在图7中，仅显示了操作器的致动器100。该操作器意图在传送带102上执行拾取与放置操作。如从图7中可以看出的，操作器102的工作空间101是重叠的。这实现高容量。此外，可以看出，工作空间远远延伸到传送带外面从而助于清洁、维护和工具交换。

Claims

1.一种工业机器人，包括用于空间中的物体的移动的操作器，其中，所述操作器包括：

-可移动平台(4)，被配置为携带所述物体；

-第一臂(1)，被配置为在第一方向中影响所述平台并且包括可关于第一轴(A1)旋转的第一内臂部分(1a)、被枢轴地连接到所述第一内臂部分和所述平台的第一外臂部分(1b；1b-c)以及用于致动所述第一臂的第一致动器(5)；

-第二臂(2)，被配置为在第二方向中影响所述平台并且包括可关于第二轴(A2)旋转的第二内臂部分(2a)、被枢轴地连接到所述第二内臂部分和所述平台的第二外臂部分(2b-c；2b-d)以及用于致动所述第二臂的第二致动器(6)；

-第三臂(3)，被配置为在第三方向中影响所述平台并且包括可关于第三轴(A3)旋转的第三内臂部分(3a)、被枢轴地连接到所述第三内臂部分和所述平台的第三外臂部分(3b-c)以及用于致动所述第三臂的第三致动器(7)，其中，所述内臂部分(1a，2a，3a)的所述旋转轴是平行的，其特征在于：所述操作器包括被连接到所述第三内臂部分(3a)的中空部分(14；46；62)，以及经过所述中空部分延伸并且被配置为刚性地支撑所述第一致动器(5)和第二致动器(6)中的至少一个致动器的支撑构件(16；48)，并且所述第三内臂部分被配置为可关于所述支撑构件旋转。

2.如权利要求1所述的机器人，其中，所述中空部分被安装到围绕所述支撑构件的至少一个轴承(15；57；64)上。

3.如权利要求1或2所述的机器人，其中，传动单元(20；58；63；61)被机械地连接到所述中空部分以利用所述第三致动器(7)可旋转地驱动所述中空部分(14；46；62)。

4.如权利要求3所述的机器人，其中，所述传动单元(20；58)包括由至少一个小齿轮连接到所述第三致动器(7)的驱动轴(12)的齿轮圈。

5.如任意一个前述权利要求所述的机器人，其中，所述第三致动器(7)被机械地连接到所述支撑构件。

6.如任意一个前述权利要求所述的机器人，其中，所述支撑构件(16；48)的中心线(22)与全部所述内臂部分(1a；2a；3a)的所述旋转轴平行。

7.如任意一个前述权利要求所述的机器人，其中，所述臂中的至少两个臂具有包括被枢轴连接到所述各自的内臂部分(1a，2a，3a)和所述平台(4)的至少两个链接(1b-c，2b-d，3b-c)的外臂部分。

8.如任意一个前述权利要求所述的机器人，其中，全部所述三个臂(1，2，3)具有包括被枢轴连接到所述各自的内臂部分和所述平台的至少两个链接(1b-c，2b-d，3b-c)的外臂部分。

9.如任意一个前述权利要求所述的机器人，其中，所述臂中的一个臂具有包括被枢轴连接到所述各自的内臂部分(2a)和所述平台的三个链接(2b-d)的外臂部分。