多轴机械手的铰接式结构及包括这种结构的机械手 |
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| 申请号 | CN201310068229.4 | 申请日 | 2013-03-04 | 公开(公告)号 | CN103286774B | 公开(公告)日 | 2016-08-24 |
| 申请人 | 史陶比尔法万举; | 发明人 | 文森特·热拉; 乔尔·康拉德; 艾瑞克·撒莱特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种多轴机械手的铰接式结构，其包括： 支架 ；臂部和前臂；用于附接工具的轴(15)；控制滑动套筒(14A)的旋转的 致动器 ，滑动套筒(14A)可相对于前臂转动并且可以平移的方式地连接到前臂；控制 螺母 套筒(14B)的旋转的致动器，螺母套筒(14B)可相对于前臂转动并且以平移的方式连接到前臂；以及联接装置，该联接装置能够固定转动中的套筒(14A、14B)。该装置包括：联接 垫圈 (18)，该联接垫圈(18)设置在套筒(14A、14B)之间并且以转动的方式与来自滑动套筒(14A)和螺母套筒(14B)中的第一套筒连接。联接垫圈(18)在联接配置和操作配置之间是可轴向移动的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于多轴机械手的铰接式结构(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 多轴机械手的铰接式结构及包括这种结构的机械手技术领域[0001] 本发明涉及一种多轴机械手的铰接式结构(articulated structure)以及一种包括这种结构的多轴机械手。 背景技术[0002] 多轴机械手用于沿着接近于平面的轨迹快速地操作零件。这例如是拾起运行在传送带上的零件并且将该零件放置在扁平包装构件上的情况。 [0003] SCARA(选择顺应性装配机械手臂)类型的机械手是适于工作在水平面上的多轴机械手。常规地，SCARA机械手包括固定支架(frame)，固定支架可以例如放置在桌上。还提供了臂部，臂部可相对于支架移动，至少以转动的方式(尤其是围绕竖直轴线)移动。最后，机械手配备有构件(例如，凸缘)，构件能够接纳工具，工具例如是抓握(gripping)钳或抓握工具。接纳工具的构件安装在前臂上，前臂继而相对于臂部可转动地安装。此外，接纳工具的构件可相对于前臂转动。 [0004] 然而，这些机械手还应该能够在竖直面上移动。该竖直移动通常由例如在FR-A-2628170中所描述的线性轴承系统来执行。然后将用于接纳工具的构件安装在轴(shaft)上，轴的外表面包括螺旋凹槽和纵向凹槽。两个套筒(socket)借助于容纳在轴的凹槽内的滚珠安装在槽轴(grooved shaft)上，第一套筒或“螺母套筒”的内表面提供有螺旋凹槽，并且第二套筒或“滑动套筒”提供有纵向凹槽。这些套筒单独地转动，并且使槽轴以及因此还使接纳工具的构件能够轴向移动、转动或者进行组合的转动和平移运动。 [0006] 为了确保负载在失去电力情况下的竖直不动，已知的是为驱动套筒的电动机配备制动器。在失去电力时，该制动器使电动机的输出轴不动套筒。这些制动器通常是笨重的，在电动机被固定于运动部件时，对机械手的运动部件的惯性不利。因此，该解决方案不适用于机械手在高速下执行动作的应用。 [0007] 可替代地，EP-A-1852225提出了固定转动中的两个套筒以使槽轴制动。两个套筒设置在机械手的支架上。为了使槽轴制动，滑动地安装在槽轴上的电磁体和开缝环(slitted ring)设置在两个套筒的下方、槽轴的下半部分中。开缝环在一侧上并且侧面地接合在由两个环所形成的两部分轴承(two-part bearing)中，两个环中的一个环是静止的，并且另一个环是可移动的。静止环固定于下游的套筒，而移动环用于由弹簧推动而抵靠静止环，使得开缝环被卡在轴承的两个环之间。在机械手的操作配置中，不需要使槽轴制动，电磁体逆着由弹簧所施加的回程力朝槽轴吸引移动环，从而使开缝环不受限制，这不能固定套筒。在制动配置中，电磁体不再被供电，并且弹簧推动轴承的移动环向后抵靠静止环，这使开缝环卡住并且使套筒固定以制动负载。在操作配置中，开缝环在槽轴上摩擦。开缝环因此具有不希望的定位不确定性和磨损风险，这尤其对非常快速的操作是不希望的。 发明内容[0009] 为此，本发明涉及一种用于多轴机械手的铰接式结构，该铰接式结构包括： [0010] 固定支架， [0011] 臂部，该臂部围绕第一轴线铰接在支架上， [0012] 第一电致动器，该第一电致动器控制臂部围绕第一轴线的旋转，[0013] 前臂，该前臂围绕平行于第一轴线的第二轴线铰接在臂部上， [0014] 第二电致动器，该第二电致动器控制前臂围绕第二轴线的旋转，[0015] 用于紧固工具的轴，该用于紧固工具的轴围绕平行于第一轴线和第二轴线的第三轴线铰接在前臂上， [0016] 第三电致动器，该第三电致动器控制滑动套筒的旋转， [0017] 第四电致动器，该第四电致动器控制螺母套筒的旋转。 [0018] 根据本发明， [0019] 该滑动套筒可围绕第三轴线相对于前臂转动，并且以相对于前臂平移的方式进行连接，所述滑动套筒具有轴向设置的接合构件，尤其是滚珠，接合构件能够与轴的至少一个纵向凹槽配合， [0020] 该螺母套筒可围绕第三轴线相对于前臂转动，并且以相对于前臂平移的方式进行连接，所述螺母套筒具有围绕运动轴线呈螺旋形设置的接合构件，尤其是滚珠，接合构件能够与设置在轴上的至少一个螺旋凹槽配合， [0021] 该铰接式结构还包括联接装置，该联接装置能够固定转动中的螺母套筒和滑动套筒，以及 [0022] 滑动套筒和螺母套筒设置在前臂的端部处。 [0023] 正如以下较详细说明的，尤其归因于联接装置，根据本发明的机械手尤其很好地适于学习操作，这些操作包括：手动地将接纳工具的构件移至所希望的位置，然后存储这种配置而不是对其进行编程。套筒设置在前臂的端部处，这些套筒的尺寸设置成仅驱动轴和工作负载。因此，这些套筒的惯性小并且不会对动态性能不利。仅轴、工具和工作负载可以在竖直方向上移动。由臂部和前臂所扫描出的体积不取决于工具的竖直位置。 [0024] 根据本发明的有利但可选的方面，考虑到任何技术上允许的结合，这样的机械手结构可以包含以下特征中的一个或多个特征： [0026] 在联接配置中，联接垫圈由于联接垫圈和第二套筒之间的附着力而被保持抵靠来自滑动套筒和螺母套筒中的第二套筒， [0027] 在操作配置中，轴沿运动轴线相对于前臂的平移和转动借助于第一电磁体是不受限制的，第一电磁体在被供电时朝第一套筒吸引联接垫圈，使第一套筒相对于第二套筒的转动不受限制。 [0028] 当电磁体被供电时，电磁体朝第一套筒吸引联接垫圈，从而在垫圈和第二套筒之间产生自由空间，使得第二套筒相对于螺母套筒自由地转动，从而允许操作机械手。当机械手被通电时，该配置可以被激活。 [0029] 有利地，联接装置此外还包括至少一个弹性构件。在联接配置中，联接垫圈借助于弹性构件而被保持抵靠第二套筒，弹性构件轴向地设置在第一套筒和联接垫圈之间并且推动联接垫圈抵靠第二套筒，并且在操作配置中，电磁体逆着由弹性构件所施加的回程力朝第一套筒吸引联接垫圈。 [0030] 当电磁体不再被供电时，弹性构件推动联接垫圈抵靠第二套筒，使得两个转动中的套筒由于垫圈和第一套筒之间的摩擦附着力而被固定。这种联接配置确保了由工具承载构件所支撑的负载的竖直不动。这样，当机械手用于快速地操作零件时，尤其在非常快速的情况下保证了机械手的安全性。 [0031] 可替代地，联接装置还包括第二电磁体。在联接配置中，联接垫圈借助于第二电磁体而被保持抵靠第二套筒，第二电磁体在被供电时吸引联接垫圈抵靠第二套筒，并且在操作配置中，第二电磁体不被供电，并且第一电磁体在被供电时朝第一套筒吸引联接垫圈。 [0032] 电磁体安装在固定于第一套筒上的帽状物周围，帽状物和电磁体之间具有径向游隙。 [0033] 联接垫圈与第一套筒的转动固定(rotational securing)使用至少一个导向嵌条来实现，所述至少一个导向嵌条安装在形成于联接垫圈和第一套筒中的孔内。 [0034] 第一电致动器和第二电致动器相对于支架是静止的。 [0035] 第三电致动器固定在臂部上，并且第四电致动器固定在前臂上。可替代地，第四电致动器固定在臂部上，并且第三电致动器固定在前臂上。 [0036] 这些电致动器中的至少一个电致动器的旋转运动借助于皮带轮和皮带系统来传送。 [0037] 第一套筒由螺母套筒形成，并且第二套筒由滑动套筒形成。 [0039] 鉴于仅作为一示例并且结合附图所提供的根据本发明的多轴机械手的以下描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的其他优点将更清楚地显现，其中： [0040] 图1是根据本发明的多轴机械手的剖面(cutaway)透视图； [0041] 图2是图1中细节II(无罩)的局部俯视图； [0042] 图3、图4和图5分别是沿图2中III-III、IV-IV和V-V线的横截面图； [0043] 图6是图5中细节VI的较大比例视图； [0044] 图7是与图6相似的针对另一使用配置的视图。 具体实施方式[0046] 结构1被设计成沿在水平面内以及垂直于该平面延伸的轨迹朝各个位置移动工具2(仅在图1中概略地并且以混合线示出)。工具2可以例如是抓握工具或切割机。 [0047] 结构1包括支架10，支架10相对于结构1安装的位置是静止的。支架10形成用于围绕第一竖直轴线Z1铰接臂部11的轭(yoke)。 [0048] 第一致动器21安装在支架10上，第一致动器21由电转动齿轮减速器形成，第一致动器21的输出轴211与轴线Z1对齐并且与臂部11以转动的方式固定。致动器21因此驱动臂部11相对于支架10围绕轴线Z1。 [0049] 臂部11支撑前臂12，前臂12围绕平行于轴线Z1的第二轴线Z2(并且因此在所示出的示例中也是竖直的)相对于臂部11是铰接式的。第二致动器22安装在支架10中，第二致动器22由旋转电动机形成，旋转电动机的输出轴221提供有小齿轮。同步带32A安装在所述小齿轮和固定于轴42的齿轮轮周(toothed crown)42A之间，轴42安装在支架10内，与轴线Z1对齐，并且相对于支架10自由地转动。出于使图1清晰的考虑，支架10和臂部11中的轴42的铰接轴承未示出。致动器21和22放置在支架10内，它们是静止的并且有助于减小臂部11和前臂12的惯性，由于致动器21和22不影响它们的质量，这对用于要求非常快运动的应用的机械手的性能有利。 [0050] 另一同步带32B沿臂部11延伸。该带32B安装在固定于轴42上的小齿轮42B和与轴线Z2对齐的齿轮轮周52之间，并且与前臂12以转动的方式固定。致动器22因此驱动前臂12相对于臂部11围绕轴线Z2。 [0051] 前臂12在其与臂部11相对的端部处承载工具承载构件13，工具承载构件13包括围绕轴15所安装的两个套筒14A和14B，轴15是中空的，用于为工具而准备的电力电缆的可选通道，并且轴15与平行于轴线Z1和Z2的第三运动轴线Z3(并且因此在所示出的示例中也是竖直的)对齐。套筒14B安装在套筒14A的下方，并且套筒14A和14B彼此相距距离d，距离d严格大于零。轴15的下端部提供有用于固定工具2的凸缘16。 [0052] 套筒14A通过致动器23A来转动，致动器23A安装在臂部11上并且由电旋转式致动器形成，致动器23A的输出轴提供有小齿轮。致动器23A相对接近于轴线Z1放置，以便减小臂部11由双重使用系统所导致的惯性，双重使用系统能够通过将致动器23A固定在臂部11上来减小前臂12的惯性。同步带33A1安装在所述小齿轮和齿轮轮周43A之间，齿轮轮周43A安装在与轴线Z2对齐的轴43上，轴43相对于臂部11和前臂12自由地转动。出于使图1清晰的考虑，臂部11和前臂12中的轴43的铰接轴承未示出。轴43还配备有小齿轮43B，小齿轮43B与安装在所述小齿轮43B和套筒14A之间的同步带33A2紧密配合。致动器23A因此驱动套筒14A相对于前臂12围绕轴线Z3。 [0053] 套筒14B通过致动器23B来转动，致动器23B安装在前臂12上并且由电旋转式致动器形成，致动器23B的输出轴提供有小齿轮。致动器23B相对接近于轴线Z2放置，以便减小前臂12的惯性。同步带33B安装在所述小齿轮和套筒14B之间。致动器23B因此驱动套筒14B相对于前臂12围绕轴线Z3。 [0054] 套筒14A和14B分别使用致动器23A和23B相对于前臂12转动。 [0055] 为了减小它们的惯性，臂部11和前臂12由轻金属合金(例如，铝或镁合金)制成，或者由包含玻璃或碳纤维的复合材料制成。将要注意的是，结构1中使用皮带轮和皮带的传动系统比齿轮传动系统要轻，这有助于减小质量并且因此减小臂部11和前臂12的惯性。 [0056] 在图2中，用于工具承载构件13的保护罩113未示出。 [0057] 正如图5中更具体示出的，轴15在其外围表面内包含用于接合构件(特别是滚珠)的循环的螺旋凹槽15B和用于滚珠的循环的纵向凹槽15A(形成筋)。在这些图中，滚珠未示出。凹槽15A和15B在它们的交叉点处重叠。 [0058] 套筒14A包括内套筒141A，内套筒141A的内表面包含纵向凹槽。套筒141A安装在支撑齿轮轮周143A的皮带支撑物142A中，齿轮轮周143A与皮带33A2紧密配合。内套筒141A和皮带支撑物142A使用螺钉144A1和144A2相互固定并且一起形成套筒14A，套筒14A借助于滚珠安装在轴15上，这些滚珠设置在套筒141A的纵向凹槽中并且在轴15的纵向凹槽15A中循环。 [0059] 套筒14A(称为滑动套筒)因此沿轴线Z3相对于轴15可转动地进行连接，同时沿轴线Z3相对于轴15是可平移的。 [0060] 同样，套筒14B包括内套筒141B，内套筒141B的内表面包含螺旋凹槽。套筒141B安装在支撑齿轮轮周143B的皮带支撑物142B内，齿轮轮周143B与皮带33B2紧密配合。内套筒141B和皮带支撑物142B使用螺钉144B1和144B2相互固定并且一起形成套筒14B，套筒14B借助于滚珠安装在轴15上，这些滚珠设置在套筒141B的螺旋凹槽中并且在轴15的螺旋凹槽 15B中循环。 [0061] 套筒14B(称为螺母套筒)沿轴线Z3在组合的转动和平移运动中连接至轴15。 [0062] 各套筒14A和14B借助于滚珠轴承类型的支撑轴承131A和131B，能够围绕轴线Z3转动地安装在工具承载构件13的主体114中。主体114相对于前臂12是静止的。套筒14A和14B因此可以围绕轴线Z3相对于主体114彼此独立地转动。套筒14A和14B各自沿轴线Z3相对于主体114的平移被锁定。 [0063] 取决于各致动器23A和23B的启动或锁定，各套筒14A和14B被选择为相对于工具承载构件13的主体114转动或者被保持不动，这使得轴15能够轴向地移动或者执行包括围绕轴线Z3的转动运动分量和沿轴线Z3的平移运动分量的组合运动。 [0064] 更具体地，如果希望向轴15传递(impart)纯粹的平移运动，仅螺母套筒14B的致动器23B被启动，以便使螺母套筒14B转动，另一致动器23A被锁定在原处。所述螺母套筒14B(将回想起其沿轴线Z3的平移被锁定)的转动运动随后导致轴15沿轴线Z3的平移。此外，如果希望向轴15传递纯粹的转动运动，两个套筒14A和14B将以相同的转动速度在相同的转动方向上被驱动。 [0065] 最后，如果希望向轴15传递组合的平移和转动运动，将仅启动滑动套筒14A的致动器23A或者以不同的转动速度驱动套筒15A和15B。从该观点来看，取决于希望向轴15传递的运动的性质，还能够以相反的转动方向驱动致动器23A和23B。 [0066] 如果电力被切断，则致动器23A和23B的输出轴自由地转动，并且工具2(或者更通常地为由凸缘16所支撑的负载)借助重力被向下驱动。然后，轴15趋向于以组合的平移和转动运动下降，这对操作者的安全和设备的保护不利。为了阻止这种现象，工具承载构件13包括：在机械手失去电力，特别是用于致动器23A和23B的电源被切断时，用于锁定轴15的向下平移的装置。 [0067] 该装置由电磁体17组成，电磁体17相对于工具承载构件13的主体114是静止的，并且沿轴线Z3放置在套筒14A和14B之间。电磁体17安装在具有纵向端部的凸缘环171中，该纵向端部以垂直于轴线Z3的方向抵靠主体114的表面。电磁体17和凸缘环171设置在安装于主体114内部的外环172中。电磁体17、凸缘环171和外环172共轴并且以轴线Z3为中心。 [0068] 特别如图4中所示的，以轴线Z3为中心的整体环形帽状物20使用两个螺钉20A和20B固定在螺母套筒14B的上端部周围。帽状物20包含用于轴15的中央通道，并且设置在凸缘环171的内部圆柱形容积(inner cylindrical volume)中。 [0069] 联接垫圈18(设置在外环172的内部圆柱形容积中并且能够围绕轴15相对于主体114沿轴线Z3自由地平移)安装在套筒14A与14B之间和电磁体17上方。如图6中所示，一方面，在联接垫圈18的外圆周表面和外环172的内圆周表面之间存在微小的径向游隙J1，另一方面，在帽状物20的外圆周表面和凸缘环171的内圆周表面之间存在微小的径向游隙J2，以便防止在这些元件的相对转动运动期间的摩擦。 [0070] 联接垫圈18沿轴线Z3设置在帽状物20和滑动套筒14A之间。D表示沿轴线Z3在帽状物20和滑动套筒14A之间所测得的最小距离。E表示平行于轴线Z3在联接垫圈18位于最小距离D处的部分所测得的联接垫圈18的厚度。距离D比厚度E稍大，使得联接垫圈18能够沿轴线Z3在帽状物20和滑动套筒14A之间平移。 [0071] 压缩弹簧类型的弹性构件19A和19B轴向地设置在螺母套筒14B的皮带支撑物142B和联接垫圈18之间并且与它们相接触。穿通帽状物20，以为弹簧19A和19B留出通道。由弹簧19A和19B施加在联接垫圈18上的回程力F趋于相对于螺母套筒14B向后向上推动联接垫圈 18，抵靠滑动套筒14A的皮带支撑物142A。 [0072] 如图3中所示，平行于轴线Z3的导向嵌条(guide slug)143B1和143B2各自牢固地安装在皮带支撑物142B中所形成的孔142B1和142B2内，并且导向嵌条143B1和143B2各自在帽状物20和联接垫圈18中所形成的孔18B1、20B1或者18B2、20B2内滑动。当允许联接垫圈18相对于螺母套筒14B和帽状物20平移时，导向嵌条143B1和143B2将转动中的联接垫圈18与螺母套筒14B和帽状物20固定。 [0073] 螺母套筒14B、导向嵌条143B1和143B2、帽状物20和联接垫圈18因此彼此形成一体，并且尤其归因于轴承131B和径向游隙J1与J2，它们可以围绕轴线Z3一起自由地并且相对于主体114没有摩擦地转动。 [0075] 操作如下：在机械手的操作配置(如图6所示)中，电磁体17的线圈被供电。具体地，由电磁体17所产生的磁场的流线(flow line)在由电磁体17的线圈、凸缘环171、游隙J2、帽状物20、联接垫圈18、游隙J1、外环172和电磁体17的线圈所相继形成的回路中循环。 [0076] 然后，联接垫圈18由于电磁体所产生的磁场而朝电磁体17和螺母套筒14B被吸引，并且因此抵靠帽状物20。这样，沿轴线Z3所测得的功能游隙(functional play)J3出现在联接垫圈18和滑动套筒14A之间。套筒14A和14B因此未机械地相互连接，这使得它们能够根据来自致动器23A和23B的指令相互独立地转动。机械手的这种操作配置在使用期间被默认地启动，以便任由轴15自由的运动。它对应于机械手的一状态，在该状态下，机械手能够执行一整套程序化的运动或者响应(例如，从控制终端所下发的)单独的运动指令。 [0077] 在联接配置(如图7所示)中，电磁体17的线圈不再被供电，并且弹簧19A和19B向后向上推动联接垫圈18，使联接垫圈18与滑动套筒14A相接触。由于滑动套筒14A和由联接垫圈18、帽状物20及螺母套筒14B所形成的组件之间的摩擦附着力，套筒14A和14B随后以转动和平移的方式互相连接。归因于轴15与套筒14A和14B的组装，轴15可以不再借助于在凹槽15A和15B中循环的滚珠沿轴线Z3相对于套筒14A和14B平移。 [0078] 因此，在联接配置中，工具2的质量和更具体为固定于轴15的负载不会借助重力被向下驱动，这使机械手和负载安全。 [0079] 考虑到在联接配置中，由于臂部11、前臂12以及由套筒14A和14B及轴15所形成的组件可以各自地围绕轴线Z1、Z2和Z3转动，套筒14A和14B相对于工具承载构件13的主体114的转动是自由的，因此对于机械手结构1而言执行学习操作是可能的。此外，尤其是因为对于操作者而言不需要支撑轴15来抵抗引力拉动，因此，轴15的平移被锁定的情况是有利的。 [0080] 因为联接位置在失去电力时被自动地激活，因此电磁体17具有单效(single effect)，这对于安全性目的而言是有利的。由于电磁体17的反应时间非常短并且联接垫圈18的运动非常快(考虑到游隙J3的值小)，因此如果失去电力，则机械手结构1迅速使轴15的竖直运动停止。 [0081] 由于联接垫圈18确保了轴15的联接，因此致动器23A和23B不需要配备有制动器。联接垫圈18是致力于联接的唯一可移动的零件，这使得考虑具有小尺寸的电磁体成为可能。那么，重量分配(weight breakdown)相对于包含具有制动器的致动器23A和23B的已知可替代的解决方案是有利的。归因于本发明，臂部、前臂12和工具承载构件13的惯性被减小。 [0082] 可替代地，螺母套筒14B位于滑动套筒14A的上方。联接垫圈18可以平移的方式连接到滑动套筒14A，而不是组装到螺母套筒14B。 [0083] 在所示出的示例中，当电磁体17不再被供电时，联接垫圈18与滑动套筒14A的皮带支撑物142A接触。但是可替代地，联接垫圈18可以与内套筒141B接触。通过颠倒联接系统，这种接触还可以发生在螺母套筒14B处。 [0084] 所述的示例实现了对抗由弹性构件所施加的回程力的单效电磁体。可替代地，联接垫圈18的维护可能由与电磁体17对称放置的附加电磁体的影响造成，该附加电磁体复制了这种结构。如果这样，在联接配置中，联接垫圈18使用在被供电时吸引联接垫圈18抵靠滑动套筒14A的附加电磁体，以被保持抵靠滑动套筒14A。在操作配置中，附加电磁体不再被供电，并且第一电磁体17在被供电时朝螺母套筒14B吸引联接垫圈18，以便使联接垫圈18与滑动套筒14A分离。 [0085] 可替代地，套筒14A和14B的导向滚珠由其他接合构件(尤其为滚轴或滚筒)所代替。 [0086] 在本发明的情况下，各种替代选择的特征可以至少部分地互相组合。 |
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