CN113015601A - 具有可旋转臂的机器人单元、特别是三角式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人单元(1)，其具有‑基座(2)，‑效应器单元(8)，‑至少两个连接臂(3)，用于连接基座和效应器单元(8)，和‑用于至少两个连接臂(3)中的每个的相应的基座马达(10)，用于相对基座移动相应的连接臂，其中‑至少两个连接臂(3)的相应的第一分臂(4)布置在基座(2)处，并且至少两个连接臂(3)的相应的第二分臂(5)布置在效应器单元(8)处，并且其中，‑相应的第一分臂(4)和相应的第二分臂(5)通过连接元件(13)可移动地相连。为了实现效应器单元(8)的更好的可移动性而提出，‑至少两个连接臂(3)各自具有枢转轴承(15)，其中枢转轴承(15)分别实现分臂(4、5)的至少一个组件(7)围绕平行于其延伸方向的旋转轴线(20)的旋转。

Description

具有可旋转臂的机器人单元、特别是三角式机器人

技术领域

本发明涉及机器人单元、特别是所谓的并联臂机器人或三角式(Delta)机器人。

背景技术

机器人单元用于各种活动，尤其用于工业规模。对于所谓的搬运任务，常用的是并联臂机器人或所谓的三角式机器人。处理任务有时也被称为“取放应用”。例如，为此在生产线上将组件放在工件上，或在包装时布置或堆放产品。

并联臂机器人之所以被称为并联，是因为在并联臂机器人的基座与效应器单元之间并联地布置有多个连接臂。在此，并联通常不意味着连接臂在几何上是平行的。并联反而表示如下特性，即连接臂分别布置在机器人单元的相同组件、即基座和效应器单元之间，尤其分别以同样的方式布置。这尤其被理解为与具有多个串联设置的臂的机器人的区别。

在效应器单元(也称为效应器)上可以设置适合于相应的任务的工具。特别是，效应器单元具有用于布置工具的相应的固定单元。

并联臂机器人可以特别有效地用于处理任务，因为其能够实现高速度，并且因此可以在单位时间内执行相对大数量的工作步骤(“取”)。

并联臂机器人的缺点是运动过程由于其结构被限制。

发明内容

本发明的目的是实现机器人单元的效应器单元的改善的可移动性。

根据本发明，该目的通过独立权利要求的内容来实现。具有有利的改进方案的有利设计方案是从属权利要求的内容。

本发明涉及一种机器人单元，其具有：

-基座

-效应器单元，

-用于将基座和效应器单元连接的至少两个连接臂，以及

-用于至少两个连接臂中的每一个的相应的基座马达，用于使相应的连接臂相对于基座运动，其中，

-至少两个连接臂的相应的第一分臂布置在基座处，并且至少两个连接臂的相应的第二分臂布置在效应器单元处，并且其中，

-相应的第一分臂和相应的第二分臂通过连接元件以可移动的方式彼此相连。

为了改善效应器单元的可移动性而提出，至少两个连接臂各自具有枢转轴承，其中，枢转轴承分别实现分臂的至少一个组件围绕旋转轴线的旋转，旋转轴线平行于枢转轴承的延伸方向地定向。

基座可以是机器人单元的一部分，该部分在机器人单元正常运行期间固定地布置在系统的上级组件上。基本提出，机器人单元通过使效应器单元相对于基座运动来执行工作步骤。在处理任务时例如提出，效应器单元在开始位置和目标位置之间的控制或移动被提供用于待移动的构件。可以在效应器单元上布置固定单元，该固定单元实现根据效应器单元布置工具。原则上，在此可以想到所有可能的工具，该工具例如用于材料加工(例如钻头)、时钟成形(例如3D打印机的挤压机)或材料移动(例如抓具)。为了处理任务，可以在效应器单元上布置用于材料运动的特定工具、特别是抓具。

基座和效应器单元之间的相对运动可以通过移动至少两个连接臂来控制或执行。特别是，通过相应的基座马达相对于基座来控制至少两个连接臂的运动或位置。换句话说，相应的基座马达设计用于定位或移动至少两个连接臂。通过定位或移动至少两个连接臂，相应的基座马达可以间接影响基座和效应器单元之间的相对位置。

至少两个连接臂各自具有第一分臂和第二分臂。至少两个连接臂还可以具有另外的分臂。连接臂可以可选地仅由第一分臂和第二分臂构成。第二分臂可以分别通过相应的旋转轴承布置在效应器单元上。相应的旋转轴承能够分别具有刚好两个自由度。第一分臂可以分别通过相应的旋转轴承布置在基座上。相应的旋转轴承可以分别具有刚好一个自由度。相应的连接臂的第一分臂和第二分臂分别通过连接元件彼此连接。连接元件可以是相应的部件或者相应的旋转轴承。连接元件在此可以分别具有刚好一个或者优选具有刚好两个自由度。

通过相应的枢转轴承，分臂可分别围绕所谓的旋转轴线至少部分地旋转。例如，枢转轴承允许相应的分臂在其内部旋转。例如，枢转轴承使相应的第一分臂或相应的第二分臂旋转。效应器单元的旋转运动可以通过枢转轴承或各个分臂的旋转来实现。例如，效应器单元可以通过所有分臂的相应旋转运动而相对于基座倾斜或偏斜。这使效应器单元相对于基座的可移动性得以改善。

机器人单元的所有连接臂可以是相同类型的。换句话说，机器人单元的所有连接臂可以具有相同的技术构造。在这种情况下，特别地，不同连接臂之间的唯一区别是它们在基座和效应器单元处的定位。例如，连接臂分别相对于基座以恒定角度布置。在三个连接臂的情况下，这些连接臂分别例如在基座处以120°环绕布置。

根据另一个改进方案提出，第一分臂能经由相应的旋转轴承旋转地布置在基座处。换句话说，第一分臂能旋转地布置在基座处。例如，由于旋转轴承，相应的分臂可以相对于基座具有刚好一个相应的自由度。以这种方式，可以实现对机器人单元的有利控制。

根据一个改进方案提出，至少两个连接臂的相应一个连接臂的第一分臂和第二分臂能够通过相应的连接元件尤其仅相对彼此进行枢转。换句话说，相应的连接臂的第一分臂和第二分臂仅能相对彼此旋转。因此，可以通过相应的连接元件防止平移的相对运动。特别是，相应的连接臂的第一分臂和第二分臂可仅相对于刚好一个自由度或相对于刚好两个自由度相对彼此枢转。刚好两个自由度可以分别是相对于刚好两个独立空间角的相对旋转。以这种方式实现机器人单元的特别有利的可移动性。

根据一个改进方案提出，至少两个连接臂各自具有至少一个臂马达，该臂马达用于实施至少一个组件的旋转。臂马达可以布置在相应的连接臂处。机器人单元的相应的自由度可以通过臂马达来驱动。特别地，由臂马达驱动相应的分臂的至少一个组件的旋转。通过这种方式，可以通过枢转轴承控制新获得的自由度。

根据另一个改进方案提出，臂马达布置在相应的第一分臂或第二分臂的内部。换句话说，相应的连接臂的臂马达可以被相应的连接臂的第一分臂或第二分臂完全或部分地包围。为此，相应的分臂例如可以具有空腔，在该空腔中布置有相应的臂马达。以此方式，臂马达能以特别节省空间和可靠的方式布置在机器人单元处。另外，这种布置方式允许将连接臂的惯性力矩保持得很小，这有利于机器人单元的工作速度。

根据不同的设计方案可以提出，第一分臂和/或第二分臂自转。

相应示例性地提出，第一分臂各自分为两个部件，并且枢转轴承相应将一个部件相对于另一部件的旋转实现为分臂的组件的旋转。例如，第一部件可以借助于相应的分臂的相应的旋转轴承固定在基座处。

可选地或附加地提出，第二分臂各自分为两个部件，并且枢转轴承相应将一个部件相对于另一部件的旋转实现为分臂的组件的旋转。例如，第一部件通过相应的连接元件布置在第一分臂处，并且第二部件能够通过枢转轴承相对于第一部件可旋转地支承。

在上述设计方案中，部件之一表示相应的分臂的组件，组件的旋转通过相应的枢转轴承实现。特别地，第一/第二分臂各自分为两个相应的部件。在第一/第二分臂中的每一个中，相应的枢转轴承实现一个部件相对于另一部件的旋转。相应的两个部件例如仅通过枢转轴承相互连接。例如，一个部件能旋转地支承在枢转轴承中，该枢转轴承固定地布置在另一部件处。

根据一个改进方案提出，臂马达各自布置在第一部件处并经由轴沿着相应的分臂的延伸方向与第二部件连接。换句话说，分臂的相应的臂马达可以布置在第一部件处。特别地，相应的臂马达布置在第一部件的背离第二部件的一侧上。然后可以将相应的轴从臂马达或从背离第二部件的一侧引导到第二部件。以这种方式，可以确保臂马达的位置尽可能靠近基座，从而减小了惯性力矩。

在此尤其可以提出，轴分别穿过第一部件，尤其穿过相应的第一部件的通道。为此，第一部件例如形成用于相应的轴的通道。例如，可以使相应的轴从臂马达或从第一部件的背离第二部件的一侧穿过通道引导到第二部件。这样，可以实现特别紧凑的设计。

根据一个改进方案提出，枢转轴承各自由两个部件之一形成。换句话说，分臂之一的相应的枢转轴承可以由相应的第一部件形成。相应的枢转轴承尤其由第一部件的相应通道形成。这还能实现更紧凑的设计。

根据一个改进方案提出，枢转轴承的相应的旋转轴线相应与相应的分臂的部件的主延伸方向平行地定向。通常，分臂的至少一个组件的相应旋转可以平行于延伸方向地运行。特别地，枢转轴承的旋转轴线或部件的旋转平行于第一和/或第二部件。通过这种方式获得机器人单元的特别紧凑的几何结构。

根据一个改进方案提出，分臂中的相应分臂的部件通过枢转轴承以平角(180°)连接。这尤其适用于相应的分臂的部件的相应的主延伸方向。相应的分臂的第一部件和第二部件可以尤其相对于各自的方向彼此平行地延伸。此外，第二部件可以直接连接到第一部件。换句话说，第二部件可以是第一部件的线性延伸。如上所述，第二部件可以至少部分地被第一部件包围。在这种情况下，第一部件可以形成第二部件的枢转轴承。由此，还能实现更紧凑的设计。

根据一个改进方案，机器人单元具有控制单元，该控制单元设计用于控制相应的第一分臂的或相应的第二分臂的旋转，从而改变基座和效应器单元之间的角度。例如，为此目的设有控制单元，以控制臂马达和/或基座马达。通过控制臂马达和/或基座马达，可以引起连接臂的相应运动。效应器单元的相应运动是由连接臂围绕它的运动引起的。以这种方式，可以通过控制单元改变效应器单元相对于基座的位置。例如，效应器单元可以相对于基座倾斜。

根据一个改进方案提出，机器人单元具有刚好三个连接臂。特别地，三个连接臂以相同的方式设计。三个连接臂可以对应于上述至少两个连接臂。三个连接臂可分别以120°的角距布置在基座处。三个连接臂以被证明是机器人单元特别成功的折衷方案。

根据一个改进方案提出，机器人单元具有刚好六个驱动的或电动的自由度。当机器人单元刚好具有三个连接臂时，这尤其有利。因此可以在三个连接臂的三个臂马达和三个基座马达之间分配六个驱动自由度。这样，可以特别有利地驱控三个连接臂。

附图说明

结合实施例的以下联系附图更详细说明的描述，本发明的上述特性、特征和优点及其实现方式和方法变得更加明白易懂。该描述不将本发明限制于这些实施例。在不同的图中，相同的组件具有相同的附图标记。这些附图通常不按比例绘制。

在此示出：

图1示出了机器人单元的第一设计方案的示意性立体图；

图2示出了机器人单元的第一设计方案的分臂的示意性分解图；

图3示出了关于机器人单元的第一设计方案的旋转轴线的示意性视图；

图4示出了关于机器人单元的第一设计方案的效应器单元的自由度的示意性视图；

图5示出了机器人单元的第二设计方案的示意性立体图；

图6示出了机器人单元的第二设计方案的分臂的示意性分解图；

图7示出了关于机器人单元的第二设计方案的旋转轴线的示意性视图；以及

图8示出了关于机器人单元的第二设计方案的效应器单元的自由度的示意性视图。

具体实施方式

在图1、图3和图4以及图5、图7和图8中，在不同的设计方案中示出了机器人单元1。机器人单元1具有基座2，在基座上布置了三个连接臂3。连接臂3分别以120°环绕地布置在基座2上。连接臂3各自具有第一分臂4和第二分臂5。第一分臂4通过相应的旋转轴承12能旋转地安装在基座2上。每个连接臂3的第一分臂4和第二分臂5通过相应的连接元件13彼此连接。第二分臂5通过相应的旋转轴承14能旋转地安装在效应器单元8上。由于连接臂3分别以同样方式布置在基座2和效应器单元8之间，因此机器人单元1也被称为并联臂机器人或所谓的三角式机器人。效应器单元8、也称为效应器具有未在图中详细示出的工具载体，借助该工具载体可以在效应器单元8上布置工具、特别是抓具。

图4中的第一分臂分别是直接布置在基座2上的分臂。第二分臂5是进一步从基座2移除的分臂。因此，分臂5布置在第一分臂4和效应器单元8之间。

多个第一分臂4相对于基座2分别参照刚好一个旋转轴线21可旋转或可枢转地支承。换句话说，分臂4只能在相应的平面中并且绕相应的旋转轴承12旋转运动。换句话说，对于每个分臂4，相对于六个自由度(三个平移、三个旋转)的基部2，除了一个旋转自由度之外的所有旋转自由度都被相应的旋转轴承12锁定。

多个第二分臂5相对于同一连接臂3的相应的第一分臂4分别相对于刚好两个旋转轴线可旋转或可枢转地支承。换句话说，第二分臂5相对于相应的分臂4的运动只能沿着相应的球面并且只能围绕相应的连接元件13旋转。换句话说，对于每个第二分臂5，相对于六个自由度(三个平移、三个旋转)的相应的分臂4，除了两个旋转自由度之外的其余所有自由度都被相应的连接元件13锁定。

第二分臂5通过相应的旋转轴承14布置在效应器单元8上。第二分臂5相对于效应器单元8分别相对于刚好两个旋转轴线可旋转或可枢转地支承。换句话说，第二分臂5相对于效应器单元8的运动只能沿着相应的球面并且只能围绕相应的旋转轴承14旋转。换句话说，对于每个第二分臂5，相对于六个自由度(三个平移、三个旋转)的效应器单元8，除了两个旋转自由度之外的其余的所有自由度都被相应的连接元件13锁定。

通过连接臂3的相应移动，可以使效应器单元8运动。为此，机器人单元1具有用于每个连接臂3的相应的基座马达10。在本实施例中，基座马达10布置在基座上。相应的基座马达10使连接臂3或分臂4能够相对于相应的旋转轴线21运动。旋转轴线21在图3和图7中示出。

另外，在机器人单元1的两个实施例中，分臂4、5中的各个分臂自身都可旋转。为此，相应的连接臂3的分臂4、5之一具有相应的枢转轴承15。

根据图1至图4中的第一实施例，每个连接臂3的第二分臂5被分为两个部件6、7。首先将讨论该实施例，这种第二分臂5在图2中以示意性分解图示出。第一部件6具有连接元件13的一部分，用于连接到相应的第一分臂4。第二部件7具有旋转轴承14的一部分，用于连接至效应器单元8。换句话说，第一部件6在组装状态下布置在第一分臂4上。相反，第二部件7在组装状态下布置在效应器单元8上。

在当前情况下，第一部件6形成枢转轴承15。第一部件6是部分地中空的。这导致在第一部件6的中间形成通道。第二部件7部分地插入该通道中。从而通过该通道提供枢转轴承15。轴16通过该通道被引导穿过第一部件6。轴16将臂马达11连接到第二部件7。臂马达11布置在第一部件6的背离第二部件7的一侧。换句话说，臂马达11和第二部件7基本上通过第一部件6彼此间隔开。

枢转轴承15为每个连接臂3提供了另外的自由度。这些自由度由相应的臂马达11控制或驱动。每个枢转轴承15提供沿旋转轴线20的旋转自由度(见图3)。第一部件6和第二部件7相对彼此的平移运动可以由枢转轴承15来抑制。绕旋转轴线20的旋转由布置在第一部件6上的相应的臂马达11控制或驱动。

根据图5至图8中的第二实施例，每个连接臂3的第一分臂4被分为两个部件6、7。下面将讨论该实施例：这种第一分臂4在图6中以示意性分解图示出。第一部件6包括用于连接至基座2的旋转轴承12的一部分。第二部件7具有连接元件13的一部分，用于连接到相应连接臂3的相应第二分臂5。换句话说，第一部件6在组装状态下布置在基座2上。相反，第二部件7在组装状态下布置在连接元件13或第二分臂5上。

在当前情况下，第一部件6形成枢转轴承15。第一部件6是部分中空的。这导致在第一部件6的中心形成通道22。第二部件7被部分地插入到该通道22中。因此，通过该通道22提供枢转轴承15。另外，在该通道22中还布置有臂马达11。臂马达11可以直接布置在第二部件7上。例如，臂马达11经由轴16连接至第二部件7。

枢转轴承15为每个连接臂3提供了另外的自由度。这些自由度由相应的臂马达11控制或驱动。每个枢转轴承15提供沿旋转轴线20的旋转自由度(见图7)。第一部件6和第二部件7相对彼此的平移运动可以通过枢转轴承15来抑制。绕旋转轴线20的旋转由布置在第一部件6上的相应的臂马达11控制或驱动。

在图4和图8中示出了效应器单元8的相应的自由度x、y、z、α、β、γ。这些在实施例之间仅轻微地不同。沿着旋转轴线20和21的六个自由度使效应器单元8能够沿着所有六个可能的自由度x、y、z、α、β、γ(三个平移、三个旋转)移动。对臂马达11和基座马达10的适当控制使效应器单元8能够沿着所有六个自由度x、y、z、α、β、γ移动。机器人单元1可以具有设置用于这种控制的控制单元19。

对于未明确说明但有意义的情况，并且在本发明的范畴内，各个实施例、各个方面或其特征可以在不脱离本发明的范围的情况下相互组合或替换。对于可转移的情况，参照一个实施例描述的本发明的优点即使不明确提及也适用于其他实施例。

参考标号列表

1 机器人单元

2 基座

3 连接臂

4 分臂

5 分臂

6 部件

7 部件

8 效应器单元

10 基座马达

11 臂马达

12 旋转轴承

13 连接件

14 旋转轴承

15 枢转轴承

16 轴

19 控制单元

20 旋转轴线

21 旋转轴线

22 通道

x、y、z、α、β、γ 自由度。

Claims (15)

1.一种机器人单元(1)，具有：

-基座(2)，

-效应器单元(8)，

-至少两个连接臂(3)，所述连接臂用于将所述基座和所述效应器单元(8)连接，和

-相应的基座马达(10)，所述基座马达用于至少两个所述连接臂(3)中的每一个，以使相应的所述连接臂相对于所述基座移动，其中，

-至少两个所述连接臂(3)的相应的第一分臂(4)布置在所述基座(2)处，并且至少两个所述连接臂(3)的相应的第二分臂(5)布置在所述效应器单元(8)处，并且其中，

-相应的所述第一分臂(4)和相应的所述第二分臂(5)通过连接元件(13)以可移动的方式彼此相连，

其特征在于，

-至少两个所述连接臂(3)各自具有枢转轴承(15)，其中，所述枢转轴承(15)分别实现分臂(4、5)的至少一个组件(7)围绕旋转轴线(20)的旋转，所述旋转轴线平行于所述枢转轴承的延伸方向地定向。

2.根据权利要求1所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述第一分臂(4)经由相应的旋转轴承(12)能旋转地布置在所述基座(2)处。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，至少两个所述连接臂(3)的相应一个连接臂的所述第一分臂和所述第二分臂(4、5)能够通过相应的所述连接元件(13)尤其仅相对彼此进行枢转。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，至少两个所述连接臂(3)各自具有至少一个臂马达(11)，所述臂马达用于实施至少一个所述组件(7)的旋转。

5.根据权利要求4所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述臂马达(11)布置在相应的所述第一分臂或所述第二分臂(4、5)的内部。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述第一分臂(4)各自分为两个部件(6、7)，并且所述枢转轴承(15)相应将一个部件(7)相对于另一部件(6)的旋转实现为分臂(4)的组件(7)的旋转。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述第二分臂(5)各自分为两个部件(6、7)，并且所述枢转轴承(15)相应将一个部件(7)相对于另一部件(6)的旋转实现为分臂(5)的组件(7)的旋转。

8.根据权利要求4和权利要求6或7所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述臂马达(11)各自布置在第一部件(6)处并经由轴沿着相应的分臂(4、5)的延伸方向与第二部件(7)连接。

9.根据权利要求8所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述轴(16)分别穿过第一部件(6)，尤其穿过相应的第一部件(6)的通道(22)。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述枢转轴承(15)各自由两个所述部件(6、7)之一形成。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述枢转轴承的相应的旋转轴线(20)相应与相应的分臂(4、5)的所述部件(6、7)的主延伸方向平行地定向。

12.根据权利要求6至11中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，相应的分臂(4、5)的所述部件(6、7)通过所述枢转轴承(15)以平角(180°)连接。

13.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，设有控制单元(19)，所述控制单元设计用于控制相应的所述第一分臂(4)的旋转或相应的所述第二分臂(5)的旋转，从而改变所述基座(2)与所述效应器单元(8)之间的角度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述机器人单元(1)具有刚好三个连接臂(3)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述机器人单元(1)具有刚好六个驱动自由度(20、21)。

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