技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
工业机器人，其具有工具
法兰以及
传感器装置，所述工具法兰位于机器人的外臂的端部，并且具有用于将工具固定于其上的装置；所述传感器装置适于感测施加在固定于所述工具法兰的工具上的
力和/或转矩。
背景技术
[0002] 本发明包括所有类型的具有工具法兰的工业机器人。工具法兰——也叫做工具连接装置——优选地但不是必须地能够相对于所述机器人臂部绕着所述工具法兰的中
心轴线转动。
[0003] 这样的工业机器人的轴的数量通常是六个以使固定于所述工具法兰上的工具获得最大运动
自由度。然而，本发明还包括少于六个轴的工业机器人——比如只有四个轴，这取决于想要由机器人进行的工作。具有六个轴的这种常规的机器人以示例性的方式示意性地显示在
附图1中，其中，六个轴分别以附图标记1-6标示。相应地，在这种情形中，轴6是使工具法兰绕其中心轴线转动的那个轴。
[0004] 附图2显示了工具7(比如图1所示的
铣刀)通常由螺拴9形式的固定装置以及工具法兰中的
螺纹孔10直接固定于所述工具法兰8。
[0005] 然而，有时需要测量施加在固定于所述工具法兰的工具上的力和/或转矩，以确保获得工具进行良好处理所需的力。例如，这种机器人应用场合通常是
电子和
家用电器领域内的不同类型的组装工作，例如龙头和
涡轮叶片的
抛光、
研磨，例如
汽车和航空器工业领域中的
铣削(这里还用于保护工具)、清洗和搅拌磨擦
焊接。传感器装置还可以用于测量例如在对安装之后的弹性状况进行检查的过程中的力。
[0006] 传感器装置的第三种可能应用是用于保护被工具处理的目标物和/或工具本身。尤其是当机器人所处理的目标物其所受到的力和/或转矩必须保持在较低
水平的场合，但不排除其他场合。例如，工业机器人可以通过其工具基本上不向组件施加任何力——例如当组装汽车的变速 箱时不向诸如
齿轮之类的组件施加任何力。在这种情形下，工业机器人必须设有前面所提到的传感器装置。
[0007] 图3显示了迄今为止如何在工业机器人上设置传感器装置。传感器装置11固定到工具法兰8上，然后工具7固定到传感器装置上。这样，传感器装置形成工具法兰和工具之间的中间部分，从而增加了工具施加在机器人的外臂端部的部件上的转矩——例如主要是增加了相对于图1中所示的机器人的所述第五个轴的转矩。从而，传感器装置感测施加在工具法兰上、进而间接施加在固定于所述工具法兰的工具上的力和/或转矩；在该
说明书中，施加在工具法兰上的力和/或转矩与施加在固定于所述工具法兰的工具上的力和/或转矩被解释成是相同的。由于在传感器装置的两侧都必须设置转接盘以便能够分别与工具的固定构件12和工具法兰固定，所以工具法兰和工具之间增加的距离甚至可能比传感器装置的厚度大。这种所谓的“附加偏移”使机器人部件的
应力增加，这对工具的运动
精度是有害的并且可能由此减小机器人的工作承载能力。由于可能需要较大的机器人，所以这—点可能导致成本增加。对于最坏的情形，这样的传感器装置可能使机器人的应用实际上不适当或者不可能。此外，这种传感器装置非常的昂贵并且构成了工业机器人成本的相当大的一部分，这部分成本与机器人的其余结构部件(机械手)的成本相当。 发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种减少了现有机器人的上述缺点的、如最开始所述的工业机器人。
[0009] 根据本发明，上述目的通过提供如下一种工业机器人实现，其中，所述传感器装置设置在机器人结构内并位于所述工具法兰区域。这意味着可以消除或者减少由于给机器人设置所述传感器装置而产生的所述“附加偏移”，从而机器人的工作承载能力基本上可以保持与没有所述传感器装置的机器人相同的水平，所以不必为了以预定的精确度处理给定
载荷而使用较大的机器人。此外，因为可以以比迄今为止所使用的分立的传感器装置(图3)低得多的成本提供设置在机器人的结构内的传感器装置，所以不需要昂贵的传感器装置。 [0010] 依照本发明的一种实施方式，所述传感器装置包括一个或多个设置 在工具法兰内的传感器构件，这构成了实现本发明的一种非常有利的方式，其对机器人的构造影响非常小。
[0011] 依照本发明的另一实施方式，所述传感器装置包括布置在与工具法兰刚性连接的
支架上的一个或多个传感器构件。所述传感器构件的这种可替代的布置在特定场合可以进一步减小传感器装置的布置对机器人构造的影响。所述支架可以是与工具法兰一体成型的轴销或类似构件。这两个实施方式可以很好地组合，从而传感器装置可以既设置在工具法兰内又布置在所述支架上。
[0012] 依照本发明的另一实施方式，所述传感器装置包括固定于所述工具法兰或与所述工具法兰刚性连接的部件上的至少一个
张力计。相对于目前为止使用的传感器装置，使用张力计来感测施加在固定于工具法兰上的工具上的力和/或转矩在保持高度可靠性的同时显著地节省了成本。这里定义的“张力计”涵盖所有类型的适于通过本体的膨胀或拉伸而测量力的元件，比如金属丝应变计、
半导体传感器、
电阻传感器和压阻传感器或类似元件。 [0013] 依照本发明的另一实施方式，所述传感器装置包括多个传感器构件以感测多个自由度的力和/或转矩。这样，通过适当地选择所述张力计的数量，可以获得能传递所述工业机器人的期望应用场合所需程度的信息的传感器装置；在本发明的另一实施方式中，所述传感器装置包括六个传感器构件以感测并随后估算三个自由度的力以及三个自由度的转矩，从而，可以获得关于作用在工具法兰上、进而作用在所述工具上的所有力和转矩的信息，从而能够使工具的操作以及工具所处理的目标物达到最大精确度。 [0014] 依照本发明的另一实施方式，所述工具法兰包括环体，所述环体设有所述工具固定装置并通过近似刚性的
辐条连接到内毂，所述内毂固定于与所述臂部相连的支架，并且，所述传感器装置包括布置在一个或多个所述辐条上的一个或多个传感器构件。这构成了一种将所述传感器装置设置在工具法兰内的简单方法。施加在固定于工具法兰上的工具上的力和转矩将会影响辐条，进而影响传感器构件，从而那附近的信息可以被传递到机器人的控制机器人运动的单元。当然，辐条必须在环体和毂之间提供刚性连接，这种刚性连接使得工具的操作精度不会由此降低，但仍然允许张力计被施加于工具的、低于可接受水平的力和转矩影响。
[0015] 依照本发明的另一实施方式，所述传感器装置包括呈张力计形式的至少一个传感器构件，其被拉伸或被压缩时
电阻率改变。依照又一实施方式，所述传感器装置包括至少一个呈压阻元件形式的传感器构件。采用这样的传感器构件能在可靠测量所述力和转矩的同时将传感器装置的成本保持在极具吸引力的低水平。
[0016] 依照本发明的另一实施方式，机器人包括设置在所述工具法兰内的印刷
电路板，并且，所述传感器装置的传感器构件连接到所述印刷
电路板，以向控制所述机器人操作的单元传递测量
信号。这种印刷电路板可以容易地被设置于工具法兰内以便于所述控制单元和传感器装置之间的通讯。
[0017] 相应地，本发明还涉及一种方法和一种用途。
[0018] 本发明的优点和其它有利特征通过以下描述而体现出来。
[0019] 附图说明
[0020] 以下将参照附图对本发明的作为示例的实施方式进行详细描述，其中： [0021] 图1是可以应用本发明的现有工业机器人的简化立体图，
[0022] 图2是示出了现有工业机器人的工具法兰和连接于工具法兰上的部件的简化视图，
[0023] 图3是与图2类似的视图，其示出了
现有技术的机器人的工具法兰上的传感器装置的布置，
[0024] 图4是与图2类似的部分剖视图，其示出了依照本发明第一实施方式的工业机器人的工具法兰的区域，
[0025] 图5是与图4类似的视图，其示出了依照本发明第二实施方式的工业机器人的工具法兰区域，
[0026] 图6是沿图5中VI-VI线的部分剖视图，
[0027] 图7是与图5类似的视图，其示出了依照本发明第三实施方式的工 业机器人的工具法兰区域，
[0028] 图8是与图5类似的视图，其示出了依照本发明第四实施方式的工业机器人的工具法兰区域，以及
[0029] 图9是与图5类似的视图，其示出了依照本发明第五实施方式的工业机器人的工具法兰区域。
具体实施方式
[0030] 图4示意性地示出了依照本发明第一优选实施方式的工业机器人的工具法兰的区域。工具法兰8与轴销形式的支架13是一个整体，支架13可以与限定了图1所示机器人上的轴线5的叉状部件连接。带有支架13的工具法兰的形状可以与相应的没有传感器装置的机器人的工具法兰大致相同。传感器装置包括张力计形式的传感器构件14、15，传感器构件14、15设置在支架13上，并且适于感测施加于支架13的力和/或转矩，并由此感测施加于工具法兰8和工具7的力和/或转矩。例如，这些张力计可以是当拉伸或压缩时电阻率发生改变的
硅应变计，或者是压阻元件形式的传感器构件。例如，图中所示的传感器构件14、15可以适于测量特定方向上的力，所述特定方向上的力能够计算比如按箭头x方向作用在工具上的力以及按箭头y方向作用的转矩。可以在支架13上应用比图示更多的传感器构件。
[0031] 传感器构件连接电子装置16，所述电子装置16形成传感器构件和
输出信号与控制机器人操作的单元19之间的
接口。该电子装置可以布置在设于工具法兰内的印刷电路板上。印刷电路板和传感器构件可以埋入保护塑料层17内。线缆18连接至电子装置以将测量结果从传感器构件传递到示意性表示的、用于控制机器人操作的控制单元19。必要时，还可以通过所述线缆18向传感器装置提供
电能。
[0032] 图5和图6示出了依照本发明第二实施方式的工业机器人的工具法兰的区域。该实施方式中的工具法兰8相对于常规的工具法兰稍微进行了改进，改进之处在于其具有：外环体20，外环体20设有
螺纹孔10形式的工具固定装置；内毂21，内毂21形成工具法兰的、如图4所示实施方式中的轴销形式的所述支架；以及近似刚性的辐条22，辐条22将内毂和外环体相互连接。传感器构件23-28布置在辐条上以感测施加 在固定于工具法兰8的工具7上的力和转矩。传感器构件是绕着工具法兰的中心轴线间隔120°
角布置的成对的应变计，并且每对应变计中的传感器彼此垂直布置。这样，传感器构件可以感测力以便确定三个自由度的力和三个自由度的转矩，从而可以确定施加于工具/工具法兰上的所有的力和转矩。在这里，如图4所示的实施方式那样，辐条和传感器构件连同电子装置16一起都被埋入保护塑料层17中。辐条之外的其他“可
变形的”部分——诸如类似隔膜的变形区——也可以被用作测量力和/或转矩的张力计。
[0033] 图7示出了依照本发明第三实施方式的工业机器人的工具法兰的区域。该实施方式与图5实施方式的不同之处主要在于，其采用了过载保护以确保辐条的变形不会超出预定水平。这通过布置优选为三个或更多个绕着轴30均匀分布的、径向延伸的销29来保证。这些销布置成相对于固定到工具法兰8上的环体32具有游隙31。环体32也布置成相对于轴30具有
径向游隙33。游隙31、33限定了设有辐条的工具法兰被允许的最大变形。辐条
22相对于毂21小得多的截面面积使得毂21的变形与辐条的变形相比可以忽略。 [0034] 图8示出了依照本发明第四实施方式的工业机器人的工具法兰8的区域，其中，传感器构件23-28(图中只能看见其中一部分)布置于特别设计的轴34上。该轴包括六个所谓的“传动
连杆”35，所述
传动连杆将工具法兰8的支架和轴本身相互连接。传感器构件布置在这些传动连杆上并且通过线36连接到线缆37，线缆37在轴34内延伸到机器人的所述控制单元。设置护套38以保护该连杆装置。
[0035] 图9示出了依照本发明第五实施方式的工业机器人的工具法兰8的区域。此时，承载工具法兰8的轴39刚性地连接到工具法兰。在该轴的
轴承套40内，六个传感器构件成对地间隔120°角布置以测量轴承套的变形，并由此确定作用在轴39上的力和/或转矩，进而确定作用在工具上的的力和/或转矩。
[0036] 图8和图9示出“传感器装置设置在机器人的结构内并位于工具法兰区域”这种表述中的“区域”应当被解释成还包括在承载工具法兰的轴的端部
位置设置传感器构件的区域。
[0037] 因此，依照本发明获得了可用于需要力和/或转矩传感器的场合的工 业机器人，并且与现有的那些机器人相比节省了相当多的成本。从而，这种类型的机器人可以非常好地应用在电子、汽车工业以及家用电器领域中执行组装工作。该类型的机器人还可以被用于例如对龙头和涡轮叶片进行铣削和清洗工作。还可以用于各种不同类型的铣削和清洗工作。此外，例如汽车工业和航空工业中的搅拌摩擦焊也是可能的应用场合。 [0038] 在前面讨论变速箱的组装时已经提到一种应用的示例，其中很重要的一点是要避免目标物被施加有害的力和/或转矩。当使用这种类型的工业机器人执行铣削操作时，比如当在被加工
工件上遇到毛刺时，可能希望通过限制施加在工具上的力和/或转矩而防止工具本身损坏。
[0039] 当然，本发明并不局限于上述的实施方式；在不脱离由所附
权利要求书限定的本发明主旨的情况下，许多可能变化方式对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的。 [0040] 传感器构件的数量及其位置可以与图中所示的不同——只要它们设置在机器人结构内并位于工具法兰区域。“设置在机器人结构内”是指传感器装置位于所述结构内部，而没有通过布置在工具法兰和工具之间或者是布置于工具法兰的外部而位于该结构的外部。传感器构件还可以包括基于半导体元件的电容变化的张力计。
[0041] 应当指出，“工具法兰”应当解释为工具连接装置，其可以具有多种不同形状，其并非一定要具有圆形截面。权利要求和以上描述中使用的“环体”还包括除了圆形以外的其它形状，比如各种不同类型的多边形，例如矩形。
[0042] “布置在所述辐条上”当然还包括将传感器构件部分地或完全地埋入所述辐条内的情况。
[0043] 通过测量驱动工具法兰的
电动机中的
电流并由此测量电动机转矩，也能够估算连接工具法兰的机器人臂部上的转矩。
[0044] 权利要求和说明书中使用的“刚性连接”不排除将这样连接的构件拆开的可能性。 [0045] 上面所述的其它实施方式中也可以设置如图4和图5所示的电子装置。
