具有U形基座的关节臂式机器人

摘要

本发明涉及一种关节臂式机器人(10)，它包括基座(12)，在所述基座上围绕第一转动轴线(A)可摆动地设置的第一机器人臂(14)和在所述第一机器人臂(14)上围绕第二转动轴线(B)设置的第二机器人臂(16)，其中，所述第一转动轴线(A)和所述第二转动轴线(B)至少接近相互平行，以及用于使所述第一机器人臂(14)和所述第二机器人臂(16)围绕所述第一转动轴线(A)的运动的第一驱动电动机(24)，和用于使所述第二机器人臂(16)围绕所述第二转动轴线(B)的运动的第二驱动电动机(30)。为了在高定位精度的同时改善动态特性，所述基座(12)具有U形结构(19)，所述U形结构具有上腿(20)和下腿(22)，用于可摆动地支承所述第一机器人臂(14)，此外，所述第一驱动电动机(24)和所述第二驱动电动机(30)固定在所述基座(12)上，并且相对于第一机器人臂(14)一个接一个地设置，并且最终所述第一驱动电动机(24)导致围绕所述第一转动轴线(A)的无牵引工具的传动，而所述第二驱动电动机(30)通过具有在1∶1到30∶1范围内的传动比的牵引传动装置作用在所述第二机器人臂(16)上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种关节臂式机器人，其具有基座，在所述基座上围绕第一转动轴线可摆动地设置的第一机器人臂和在第一机器人臂上可围绕第二转动轴线摆动地设置的第二机器人臂，其中，第一转动轴线和第二转动轴线至少接近相互平行，并且，此外，所述关节臂式机器人具有用于使第一机器人臂和第二机器人臂围绕第一转动轴线运动的第一驱动电动机，和用于使第二机器人臂围绕第二转动轴运动的第二驱动电动机。例如在US 4392776和US 4557662中已知的这种类型的关节臂式机器人。

背景技术

如上所述的关节臂式机器人也称为SCARA机器人，并且用于使固定在第二机器人臂的自由端上的工具沿不同方向移动，以便因此执行确定的任务。在通常情况下，所述工具可以沿着升降轴线移动和/或围绕第三轴线定位。所述工具能够例如是夹钳或者吸头，以至于这样配备的关节臂式机器人可以装配例如具有电子元件的印刷电路板，可以将片剂放入吸塑包装中或者进行类似的工作。在这些任务中，在高定位精度的同时理想地希望极高的速度。常规的关节臂式机器人只能有条件地满足这个要求。

如果想要快速地来回移动小且轻的配件，那么目前经常使用所谓的Delta机器人，其具有三个或四个固定安装的旋转轴线，并且其中在上面设置有工具的工作平台借助于平行四边形导向装置空间引导。但是，这样的Delta机器人由于它的结构和它的由此得出的空间需求例如不能用于从侧面接合到压力机或者类似的装置中，以便抓住由该装置产生或处理的对象，并且移动到另一个位置上。

发明内容

因此，本发明基于的目的是，提供一种关节臂式机器人，其在高定位精度的同时允许比已知的关节臂式机器人更高的移动速度。

根据本发明，该目的基于开始所述类型的关节臂式机器人解决如下，使得所述关节臂式机器人的基座具有U形结构，所述U型结构具有上腿和下腿，用于可摆动地支承第一机器人臂，第一驱动电动机和第二驱动电动机固定在所述基座上，并且相对于第一机器人臂一个接一个地设置，此外，第一驱动电动机导致围绕第一转动轴线的无牵引工具的驱动，并且最终，第二驱动电动机通过具有在1∶1到30∶1的范围内的传动比的牵引传动作用在第二机器人臂上。

第一机器人臂的通过基座的U形结构实现的、叉形支承与通过第一驱动电动机造成的第一转动轴线的无牵引工具的驱动连接，导致第一机器人臂的高结构性刚性支承，并且导致它的围绕第一转动轴线的尽可能无缝的驱动，因此，所述第一机器人臂可非常快速地并且依然精确地移动。第一驱动电动机例如可构造为第一转动轴线的直接驱动，可选地，第一驱动电动机能与传动装置耦合，例如与所谓的谐波传动装置、行星齿轮传动装置或者偏心传动装置耦合。

通过将两个驱动电动机相对于第一机器人臂一个接一个地设置在基座上，一方面使关节臂式机器人的移动的质量最小化，并且另一方面实现大的工作空间或工作角，因为，第二驱动电动机设置在第一机器人臂的死区中，即在机器人臂总归扫不到的区域中。优选使用两个相同的电动机作为驱动电动机。这简化了备用件存储，并且使电动机的购置价格降低。

第二机器人臂的驱动借助于第二驱动电动机通过具有在1∶1到30∶1的范围内的传动比的牵引传动导致同样降低机器人的可移动的质量，因为，用于第二转动轴线的驱动电动机位于不可移动的基座上，并且所述牵引传动装置本身相对轻，并且此外，由于第一转动轴线的刚性支承和尽可能无缝的驱动，允许第二机器人臂的移动的高动力与尽管牵引传动的良好的可调节性连接。所述牵引传动的传动比的值优选在4∶1和18∶1之间，特别优选的是在6∶1和12∶1的传动比范围内，并且特别是至少接近8∶1的牵引传动的传动比作为非常优选地生产。作为牵引工具可以考虑例如链条、皮带、特别是齿形皮带、但是也可以考虑绳索或者带、特别是钢带。不同的牵引工具也可以结合使用。特别优选的是，所述牵引传动装置实施为两级的齿形皮带传动装置。

当第一驱动电动机与传动装置耦合时，然后该组件优选构造为电动机-传动装置单元，其设置为定中心于第一转动轴线。所述传动装置优选为偏心传动装置或行星齿轮传动装置，但是也可以是谐波传动装置。特别优选的是使用所谓的环形传动装置，其示出具有特殊轮齿的偏心传动装置。这样的环形传动装置具有输入侧小的惯性矩，这对第一转动轴线的驱动的动力是有利的。

与耦联于第一驱动电动机的传动装置的精确的类型无关，最终优选在20∶1到80∶1范围内的传动比，特别优选在30∶1到60∶1的传动比范围内，其中，至少接近40∶1的传动比做为非常优选地生产。与用于牵引传动装置的已提及的传动比区域连接，因此可使用相对小、快速转动的驱动电动机，其有助于根据本发明的关节臂式机器人的高动力和好的定位精度。在这个关联中合适的驱动电动机具有在2.5Nm到10Nm范围内的额定转矩，优选为约5Nm，并且具有约2至3＊10^-4kgm²的惯性矩。

在根据本发明的关节臂式机器人的优选的实施形式中，电动机-传动装置单元以结构有利的方式在U形结构的上腿上外部法兰连接，并且所述传动装置节省空间地延伸到U形结构中。在这样的实施形式中，所述传动装置优选同时作为第一机器人臂的上部的固定轴承。这额外节省了空间，并且提高了第一转动轴线的驱动的刚性。

特别优选的是，不仅第一机器人臂的上轴承构成为固定轴承，而且第一机器人臂的下轴承也构成为固定轴承，其中，下轴承是轴向预紧的固定轴承。以这种方式既在轴向方向上，也在径向方向上获得几乎完全无缝。根据优选的实施形式，下方的固定轴承轴向远离上部的固定轴承预紧，特别是通过轴承内环的轴向的力加载。因此得出第一机器人臂的上轴承的卸载。第一机器人臂的下轴承实施为固定轴承提供了可能性，在优选的实施形式中，在安装第一机器人臂时，设置有具有径向补偿可能性的下方的固定轴承。特别是在安装第一机器人臂时，下轴承的轴承支架可径向略微移动，以至于所述轴承支架和因此下轴承可共同与同时可以是传动轴承的上轴承对齐。因此，在结果中包括在已装配状态中很高的轴承钢性和无缝性，这有助于所希望的高定位精度。

在根据本发明的关节臂式机器人的优选实施形式中，所述牵引传动装置通过U形结构的下腿延伸。这一方面节省空间，并且另一方面可实现，在第一机器人臂的下腿中设置对两级牵引传动装置的第一级的支承。

因为根据本发明的关节臂式机器人的第一转动轴线的支承是非常坚固且无缝的，第一驱动电动机和第二驱动电动机的调节能够以简单的方式基于各电动机位置进行。在第二转动轴线的驱动中，由牵引传动装置限制的弹性能够调节控制技术地良好地模型化，并且因此不产生干扰效果。在第二机器人臂或固定在其上的工具与硬物碰撞的情况下，弹性减轻在第二转动轴线的驱动中不希望的负载，并且因此降低机器人、工具和/或工件损坏的危险。如要求更高的定位精度，那么可以在第二转动轴线上附加存在位置传感器、例如编码器。

优选第一驱动电动机和第二驱动电动机在基座上设置为，使得它们凸出于基座的同一侧。两个驱动电动机凸出于基座的同一侧导致关节臂式机器人的紧凑的、相对扁平的结构，并且因此导致空间需求降低。

附图说明

本发明概括地提供具有高动力和定位精度的非常快速的关节臂式机器人，所述关节臂式机器人由于它的紧凑的结构类型可非常多样地使用在不同的工业生产过程中。下面借助于所附示意图详细解释根据本发明的关节臂式机器人的实施例。附图中：

图1示出根据本发明的关节臂式机器人的实施例的立体图；

图2示出图1中的关节臂式机器人的中段的放大的剖视图；和

图3示出第一机器人臂的可转动的支承的下部区域的再次放大的剖视图。

具体实施方式

在图1中示出通常以10标识的关节臂式机器人的立体视图，所述关节臂式机器人具有基座12、在基座上围绕第一转动轴线A可转动地设置的第一机器人臂14以及在第一机器人臂14上围绕第二转动轴线B可转动地设置的第二机器人臂16。在第二机器人臂16的前方的自由端上存在用于模块化安装在这里未示出的工具的接口18，所述工具可以是例如夹钳或吸头，并且它能够围绕第三转动轴线摆动和/或沿着升降轴线移动。

在示出的实施例中，第一转动轴线A和第二转动轴线B相互平行地延伸。由于与人的手臂类似，所述第一机器人臂14也称为上臂，并且所述第二机器人臂16称为下臂。

关节臂式机器人10例如固定在壁上或支承架(未示出)上所借助的基座12，具有整体U形结构19，包括上腿20和下腿22，所述U形结构在两个腿之间容纳用于围绕轴线A转动的第一机器人臂14的末端。在机器人臂14的相对置的另一端上安装用于围绕轴线B转动的第二机器人臂16。

第一驱动电动机24用于使两个机器人臂14、16围绕第一转动轴线A移动，所述驱动电动机优选是伺服电动机，并且其在基座12的上腿20的上侧上与第一转动轴同心地固定为，使得它的外壳26沿着轴线A向上凸出于基座12。

如在图2中可更好地看到，在示出的实施例中，第一驱动电动机24与传动装置连锁，以形成电动机-传动装置单元，所述电动机-传动装置单元设置为与第一转动轴A同心。在示出的实施例中，所述传动装置28是所谓的环形传动装置，即具有特有的轮齿的偏心传动装置。环形传动装置的特点在于高刚性和在输入端具有小的惯性矩。如图示，所述环形传动装置28安置在基座12的上腿20的结构高度上，并且因此节省空间，其中，传动装置28的没有进一步示出的构成固定轴承的转动支承同时形成第一机器人臂14的上部的支承。

在实施例中使用的环形传动装置具有40∶1的传动比，在这里未示出的其它实施形式中，该传动比可位于20∶1到80∶1的范围内。

第二驱动电动机30用于使第二机器人臂16围绕第二转动轴线B移动，该驱动电动机同样优选是伺服电动机，并且其在第一机器人臂14的方面在第一驱动电动机的后面固定在基座12的下腿22中，它的外壳32沿如电动机外壳26的相同方向，即平行于第一转动轴线A，向上延伸，其中，它的自由端在上腿20中穿过孔34凸出。换言之，所述第二驱动电动机30在不被两个机器人臂14、16扫过的区域中设置在第一驱动电动机24的后面，所述区域因此也称为死区。第二驱动电动机30的这个定位与向同一侧凸出的电动机外壳26和32一起导致在基座12的区域中的紧凑的结构，并且此外，几乎不限制机器人臂14、16的移动性。在示出的实施例中，两个驱动电动机24、30是具有2.4＊10^-4kgm²的惯性力矩和5Nm的额定力矩的两个相同的电动机。

第二驱动电动机30通过在这里实施为齿带传动装置的两级式牵引传动装置将它的传动力矩传递到第二机器人臂16上。这个齿带传动装置的第一级由第二驱动电动机30的未示出的传动小齿轮、第一齿带36和第一齿盘38组成，所述第一齿盘38在基座12的下腿22中安置为与第一转动轴线A同心。因此齿带传动装置的整个第一级容纳在基座12的下腿22中。在示出的示例中，齿带传动装置的第一级具有将近5∶1的传动比。

参见图3，现在详细解释第一机器人臂14和第一齿盘38的下方的支承。轴承支架40借助多个螺钉42固定在第一机器人臂14上，该轴承支架的任务下文将更详细解释。球轴承46的内环44径向支撑于所述轴承支架40，此外，属于所述球轴承的外环48借助它的外周面径向支承在张紧环50上，所述张紧环借助螺钉52固定在基座12的下腿22上。

包围轴承支架40并且在图3中在上部支承在第一机器人臂14上的、有弹性的波形环54轴向压到球轴承46的内环44上，以至于所述球轴承46轴向远离已提及的通过传动轴承形成的上部的固定轴承预紧。在此，相应地不同于正常的行动，用于形成第一机器人臂14的第二轴承的球轴承46同样是固定轴承。

轴承支架40通常构成为空心圆柱体，并且在它的内圆周上借助于两个球轴承56和58支承轴60，在所述轴的底侧上借助于螺钉62固定第一齿盘38，并且在所述轴的上侧上借助于同一螺钉62固定小齿轮64，所述小齿轮与转动轴线A同心地容纳在第一机器人臂14中。

在装配关节臂式机器人10时，第一齿盘38、轴60和小齿轮64借助于螺钉62互相固定，并且与两个球轴承56和58、轴承支架40和球轴承46共同作为预安装组件从下部插入在基座12的下腿22中，并且继续插入在第一机器人臂14中。这个预安装的单元借助于张紧环50和螺钉52固定在基座12的下腿22中。所述螺钉42首先还不拧紧，而是给轴承支架40机会，使其在径向相对于第一机器人臂14的方面和因此也相对于上部的固定轴承居中。然后螺钉42才被拧紧，并且因此获得第一机器人臂14的轴向和径向几乎无缝的支承，其中，此外所说明的下部的固定轴承的轴向预紧导致上部的固定轴承的卸载。

所述小齿轮64是齿带传动装置的第二级的部分，并且借助于第二齿带66将它的转动传递到第二齿盘68上，所述齿盘同样位于第一机器人臂14中，但是设置为与第二转动轴线B同心。向第二齿盘68的下方延伸的支承凸出部70直接固定在第二机器人臂16上，并且通过球轴承72可转动地支承在第一机器人臂14上。

齿带传动装置的第二级具有接近1∶2的传动比，以至于在观察的实施例中对于整个齿带传动装置得出约为8∶1的传动比。两个齿带36、66通过没有进一步解释的常规的装置保持张紧。

第一转动轴线A的借助于第一驱动电动机24和与后者耦合的传动装置28的所示的无牵引工具的驱动与第一机器人臂14的通过基座12提供的叉形支承的一起，导致第一机器人臂的非常坚固和无缝的驱动，这个驱动以高动力和定位精度实现。在第二机器人臂16的驱动中由于齿带传动装置包含的固有的弹性，因此在调节控制技术上不造成干扰。在示出的实施例中，两个转动轴线A和B相互耦联，即当第一驱动电动机24导致第一机器人臂14的转动时，作为这个转动运动的后果，第二机器人臂16也或多或少地围绕第二转动轴线B转动。但是，这个耦联可以通过机器人臂14和16的要求的运动的适宜的编程甚至作为优点利用，以实现希望的运动，因为第一机器人臂14和第二机器人臂16的希望的转动在理想情况下同样朝希望的位置的方向摆动。

安装在存在于第二机器人臂16的自由端上的接口18上的工具的电子信号，通过在第二机器人臂16中的线路74，并且通过中间空心的第二齿盘68进入第一机器人臂14中，并且在上方从该第一机器人臂导出。然后，从现在起更强地被包住的线路74从上方继续导到第一机器人臂14上，并且在第一机器人臂14的支承的附近向下穿过同一机器人臂导到基座12的下腿22的下部。在那里，所述线路74与转动轴线A同心地导入下腿22中，更精确地说导入位于第一齿盘38的中心的空腔中，以便能够从那里连接到控制元件(未示出)上。