專利名稱：機器人手腕結構和機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人手腕結構和機器人。
背景技術：
日本專利No. 4099628公開了一種工業機器人，其中，末端執行器附接至設置在臂的末端處的手腕單元的末端，并且用于將動力、信號或材料供給到末端執行器的線纜布置成從臂延伸到末端執行器。在該工業機器人中，末端執行器通過中間構件固定至手腕單元。 中間構件包括第一凸緣，該第一凸緣直接附接至手腕單元；第二凸緣，該第二凸緣以與第一凸緣平行間隔開的關系布置并且直接附接至末端執行器；以及連接構件，該連接構件用于使第一凸緣和第二凸緣在與該第一凸緣和第二凸緣的旋轉軸線間隔開的位置處互相連接，使得在第一凸緣和第二凸緣之間可以保證用于線纜通過的空間。線纜與第一凸緣和第二凸緣的旋轉軸線交叉著延伸通過第一凸緣和第二凸緣之間的空間，第一凸緣和第二凸緣的旋轉軸線與手腕單元的末端軸同軸。

發明內容
本發明提供一種機器人手腕結構和機器人，該機器人手腕結構和機器人能夠減少它們與外圍設備的干涉。根據本發明的第一方面，提供一種機器人手腕結構，該機器人手腕結構包括第一腕臂，該第一腕臂能繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉； 中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束，該線纜束連接至固定于所述中間構件的末端執行器，所述線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣以及所述中間構件并且被從所述中間構件拉出以到達所述末端執行器。所述第二腕臂可以包括在沿著所述第三軸線的相反兩端處打開的中空部，所述腕凸緣可以包括具有孔的旋轉中央部，所述中間構件可以構造成限定布線路徑，該布線路徑的至少一端與所述腕凸緣的所述孔連通，所述線纜束可以沿著所述第一腕臂的側面延伸并且穿過所述中空部、所述孔以及所述布線路徑以到達所述末端執行器。所述中間構件可以包括固定部，該固定部設置有第一開口部并且固定至所述腕凸緣；以及末端執行器附接部，所述末端執行器附接至該末端執行器附接部，所述中間構件具有第二開口部，被引入所述第一開口部的所述線纜束通過所述第二開口部被拉出。被從所述中間構件拉出的所述線纜束可以由固定裝置固定就位，防止該中間構件與該線纜束接觸。所述第二腕臂可以包括電機，該電機設置有繞從所述第三軸線偏移的軸線旋轉的旋轉軸；以及中空旋轉主體，該中空旋轉主體借助所述電機繞所述第三軸線旋轉，所述中空旋轉主體構造成驅動所述腕凸緣，所述線纜束延伸通過所述中空旋轉主體。
所述第二腕臂還可以包括中空電機，該中空電機設置有繞所述第三軸線旋轉的中空軸并且構造成經由所述中空軸驅動所述腕凸緣，所述線纜束延伸通過所述中空電機的所述中空軸。根據本發明的第二方面，提供一種機器人，該機器人包括擺動臂；第一腕臂，該第一腕臂設置在所述擺動臂的末端部中并且構造成繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束， 該線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣和所述中間構件，所述線纜束被從所述中間構件拉出。根據本發明的第三方面，提供一種機器人，該機器人包括擺動臂；第一腕臂，該第一腕臂設置在所述擺動臂的末端部中并且構造成繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束， 該線纜束連接至固定于所述中間構件的末端執行器，所述線纜束延伸通過所述第二腕臂、 所述腕凸緣以及所述中間構件，所述線纜束被從所述中間構件拉出并且布置成到達所述末端執行器。通過這種構造，可以減少它們與外圍設備的干涉。


從結合附圖給出的下列優選實施方式的描述中將清楚本發明的目的和特征，其中圖IA至IC分別是根據本發明的一個實施方式的機器人的側視圖、平面圖以及前視圖；圖2是機器人的結構視圖；圖3A至3C分別是示出機器人的手腕單元的內部結構的側視圖、平面圖以及前視圖；圖4A是描繪機器人的中間構件的立體圖；圖4B是用于說明形成在機器人的中間構件中的第二開口部的視圖；以及圖4C是描繪機器人的中間構件的另一個實施例的立體圖。
具體實施例方式為了理解本發明，現在將參照形成發明的一部分的附圖描述本發明的一個實施方式。在相應的附圖中，有時存在與描述無關的那些部分未被示出的情況。參看圖IA至1C，根據本發明的一個實施方式的點焊機器人10(機器人的一個實施例)包括基座12、旋轉單元14、下臂16、上臂18以及手腕單元20。點焊機器人10還包括設置在手腕單元20的末端處的點焊槍(末端執行器的一個實施例)22，并且能執行點焊作業。點焊機器人10例如是六軸工業機器人(具有關節軸Jl至J6)。
關節軸Jl布置成和供安裝點焊機器人10的安裝面相交。關節軸J2布置成大體上平行于安裝面。關節軸J3布置成大體上平行于關節軸J2。關節軸J4(第一軸線的一個實施例)布置成與關節軸Jl相交。本文所用的術語“相交”可以不是嚴格意義上的相交。 換言之，術語“相交”旨在意味著在設計和制造中的誤差許可的情況下的“大體上相交”(該定義在下列描述中同樣適用)。關節軸J5(第二軸線的一個實施例)布置成與關節軸J4相交。關節軸J6(第三軸線的一個實施例)布置成與關節軸J4相交。關節軸J6不與關節軸 J5相交并且當在側視圖或平面圖(見圖IA和圖1B)中觀看點焊機器人10時關節軸J6偏移距離D。換言之，關節軸J5和J6相對于彼此處于偏斜位置。基座12固定至用于安裝點焊機器人10的安裝面。旋轉單元14可旋轉地設置在基座12上并且能繞關節軸Jl (旋轉軸)旋轉。旋轉單元14由第一伺服電機SMl驅動(見圖 1C)。下臂16具有基端部，該基端部支撐在旋轉單元14上以能繞關節軸J2旋轉。因此， 下臂16能沿前后方向(圖IA中的左右方向)擺動。下臂16由第二伺服電機SM2驅動。上臂18具有基端部，該基座端部支撐在下臂16的末端部上以能繞關節軸J3旋轉。因此，上臂18能沿上下方向擺動。上臂18由第三伺服電機SM3驅動(見圖2)。手腕單元20附接至上臂18的末端部。稍后將詳細描述手腕單元20。在點焊機器人10中布置包括第一線纜束2 和第二線纜束2 的線纜束單元25。 第一線纜束2 通過用Zipper Tube (注冊商標)捆扎例如連接至用于驅動上臂18和手腕單元20的第四伺服電機SM4和第五伺服電機SM5的電纜以及連接至第四伺服電機SM4和第五伺服電機SM5的編碼器的電源線和信號線而構成。第二線纜束2 連接至點焊槍22 和第六伺服電機SM6并且通過將例如多個電線等等捆扎在一起而構成。例如，第二線纜束 2 可以通過將下列部件捆扎在一起而構成連接至點焊槍22的電源線(包括地線的三根電源線)；用于冷卻點焊槍22的軟管(總共四個軟管)；連接至用于加壓點焊槍22的電極的伺服電機(未示出)的電源線和連接至該伺服電機的編碼器的信號線；以及連接至第六伺服電機SM6的電源線和連接至該第六伺服電機的編碼器的信號線。第一線纜束2 和第二線纜束2 通過形成在基座12的后部中的連接口 30 (見圖1A)延伸到基座12中并且通過旋轉單元14被拉出。第一線纜束2 在下臂16的側面上與第二線纜束2 分離。第一線纜束2 被引入上臂18并且被連接至第四伺服電機SM4和第五伺服電機SM5以及它們的編碼器。換言之，第二線纜束2 在下臂16的側面上與第一線纜束2 分離并且被引入上臂18的線纜束導向部35中。在這點上，線纜束導向部35保持第二線纜束2 在其內部處于松弛狀態，因此能引導第二線纜束25b隨著手腕單元20繞關節軸J4的旋轉一起移動。第二線纜束2 從線纜束導向部35出來并且沿著上臂18的側面延伸。然后，第二線纜束2 被從手腕單元20的側面引入手腕單元20并且被連接至點焊槍22。接下來，將詳細描述手腕單元20。如圖3AJB和3C所示，手腕單元20至少包括第一腕臂40a、第二腕臂40b、腕凸緣 42以及中間構件44。第一腕臂40a設置在上臂18的末端部中并且能繞關節軸J4旋轉。更具體地，第一腕臂40a經由延伸通過上臂18的中空第一驅動軸50a由第四伺服電機SM4驅動。
第二腕臂40b設置在第一腕臂40a的末端部中并且能繞大體上平行于關節軸J3 的關節軸J5旋轉(擺動)。第二腕臂40b經由延伸通過第一驅動軸50a的中空部的第二驅動軸50b由第五伺服電機SM5驅動。第六伺服電機SM6設置在第二腕臂40b中。該第六伺服電機SM6具有與關節軸J6 平行并且從該關節軸J6偏移的旋轉軸。如圖IB所示，當在平面圖中觀看時第六伺服電機 SM6設置在關節軸J4的與第二線纜束2 相反的一側(即，第二腕臂40b的一側)。參看圖3C，滑輪60附接至第六伺服電機SM6的旋轉軸。滑輪60的旋轉經由正時皮帶62被傳遞到中空旋轉主體65，該旋轉主體65能繞關節軸J6旋轉。旋轉主體65的旋轉經由齒輪63被傳遞到中空減速器67的輸入軸67a。由旋轉主體65的中空部和減速器67的中空部在第二腕臂40b中限定腕臂孔部 64，該腕臂孔部64沿著關節軸J6延伸并且在其相反兩端處打開。腕凸緣42是例如設置在第二腕臂40b的末端部中的盤形構件。腕凸緣42在其旋轉中央部中形成有孔68。腕凸緣42固定至減速器67的輸出軸并且能繞關節軸J6旋轉。 減速器67是例如RV減速器。因為腕凸緣42由設置在第二腕臂40b中的第六伺服電機SM6 驅動，所以本機器人與傳統機器人相比結構簡單且非常可靠，在傳統機器人中關節軸J4至 J6由延伸通過上臂的同心三軸線的軸驅動。延伸通過腕臂孔部64的中空軸66的一端固定至腕凸緣42的旋轉中央部。因此， 腕凸緣42和中空軸66隨著第六伺服電機SM6的旋轉一起旋轉。中間構件44固定至腕凸緣42。如圖3C和4A所示，布線路徑被限定在中間構件44 中，該布線路徑在一端打開以與腕凸緣42的孔68連通并且在另一端沿與關節軸J6的方向不同的方向打開。第二線纜束2 能延伸通過布線路徑。更具體地，中間構件44包括固定部72，該固定部72固定至腕凸緣42并且設有第一開口部70a ；和末端執行器附接部74， 點焊槍22附接至該末端執行器附接部74。固定部72和末端執行器附接部74借助連接部 76互相連接。中間構件44具有第二開口部70b，引入第一開口部70a的第二線纜束2 通過該第二開口部70b被拉出到外面。第二開口部70b如圖4A所示優選地形成在連接部76 中但不是必需形成在連接部76中。另選地，如圖4B所示，除了形成在連接部76中的開口部之外的開口部70c可以用作第二開口部。如圖4C所示，除了第一開口部70a和第二開口部70b以外，中間構件44可以不具有開口。中間構件44可以具有任何形狀，例如如圖4C 所示的立方體形狀。在中間構件44中，固定部72的面向腕凸緣42的表面不必總是平行于末端執行器附接部74的供附接點焊槍22的表面。限定在中間構件44中的布線路徑的至少一端需要被打開以與腕凸緣42的孔68 連通。布線路徑的另一端可以任意地朝外面打開，使得第二線纜束25b能被拉出到外面。參看圖3B，從上臂18的線纜束導向部35延伸的第二線纜束25b由固定裝置80a 和80b固定就位。當在平面圖中觀看時，第二線纜束2 沿著第一腕臂40a和第二腕臂40b 的側面布置(見圖3B)。第二線纜束2 被引入中空軸66并且延伸通過中間構件44的第一開口部70a。然后，第二線纜束2 通過中間構件44的第二開口部70b被拉出到外面并且被連接至點焊槍22的連接口 82 (見圖1A)。因為第二線纜束2 延伸通過第二腕臂40b、 腕凸緣42和中間構件44 (即，通過腕臂孔部64、孔68以及布線路徑)，所以可以減少第二線纜束2 與外圍設備干涉的可能性。
參看圖3C，中間構件44設置有固定裝置86。第二線纜束2 在正好位于第二開口部70b外面的位置處由固定裝置86固定就位。另選地，固定裝置86可以設置在中間構件44內或點焊槍22中。僅必要的是，當腕凸緣42繞關節軸J6旋轉時，固定裝置86能阻止第二線纜束2 與中間構件44(尤其是，第二開口部70b周圍的區域)接觸。雖然附圖中未示出，但是連接至第六伺服電機SM6的線纜88a和連接至該第六伺服電機的編碼器的線纜88b (見圖3A和3B)被在固定至第二腕臂40b的固定裝置80b和中空軸66的上端部之間從第二線纜束2 拉出。在根據本實施方式的點焊機器人10中，第一線纜束2 和第二線纜束2 如上所述布置。第二線纜束2 主要由線纜束導向部35引導。手腕單元20總體上能繞關節軸J4 旋轉。第二線纜束2 在固定裝置80a和80b之間彎曲，從而允許第二腕臂40b繞關節軸 J5旋轉。第二線纜束2 在中空軸66和中間構件44內扭曲，由此點焊槍22能繞關節軸 J6旋轉。根據本實施方式，當點焊槍22繞關節軸J6旋轉時，第二線纜束2 的在中間構件 44和點焊槍22的連接口 82之間延伸的部分隨點焊槍22和中間構件44 一起旋轉。這有助于阻止第二線纜束2 與點焊機器人10的手腕單元20或中間構件44干涉。這消除了大至足以斷開第二線纜束25b的負荷被施加于該第二線纜束25b的可能性。另外，關節軸J5和J6相對于彼此處于偏斜位置。因此，與關節軸J5和J6彼此相交的情況相比，當第二腕臂40b繞關節軸J5旋轉時，阻止了第二線纜束25b與上臂18 (或第一腕臂40a)干涉。這有助于增大第二腕臂40b繞關節軸J5的操作范圍。本發明不限于前述實施方式，而是在不脫離發明的范圍和精神的情況下可以被修改。例如，前述實施方式和其修改可以部分或全部地組合。這些組合應被解釋為落在本發明的范圍內。雖然點焊機器人10已經被視為前述實施方式中的一實施例，但是本發明不限于點焊機器人10而是可以應用于弧焊機器人、涂漆機器人、密封機器人、磨削機器人、操作機器人以及其它機器人。換言之，末端執行器可以是氣焊槍、噴涂槍、密封噴嘴、磨削工具或機械手。第二線纜束2 可以是管道線纜、油漆供應軟管、密封劑供應軟管、用于氣動驅動工具的空氣軟管，用于電力工具的電力線或其組合。在前述實施方式中，第二腕臂40b的中空軸66固定至腕凸緣42并且通過正時皮帶62由第六伺服電機SM6驅動，該第六伺服電機SM6的旋轉軸從關節軸J6偏移。另選地， 腕凸緣42可以由中空電機直接驅動，該中空電機具有繞關節軸J6旋轉的中空軸。換言之， 腕凸緣42可以固定至中空電機的中空軸的一端并且由該中空電機驅動。在該情況下，第二線纜束25b延伸通過中空電機的中空軸。
權利要求
1.一種機器人手腕結構，該機器人手腕結構包括第一腕臂，該第一腕臂能繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束，該線纜束連接至固定于所述中間構件的末端執行器，該線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣以及所述中間構件并且被從所述中間構件拉出以到達所述末端執行ο
2.根據權利要求1所述的機器人手腕結構，其中，所述第二腕臂包括中空部，該中空部在沿著所述第三軸線的相反兩端處打開，所述腕凸緣包括具有孔的旋轉中央部，所述中間構件構造成限定布線路徑，該布線路徑的至少一端與所述腕凸緣的所述孔連通，所述線纜束沿著所述第一腕臂的側面延伸并且穿過所述中空部、所述孔以及所述布線路徑以到達所述末端執行器。
3.根據權利要求1所述的機器人手腕結構，其中，所述中間構件包括固定部，該固定部設置有第一開口部并且固定至所述腕凸緣；以及末端執行器附接部，所述末端執行器附接至該末端執行器附接部，所述中間構件具有第二開口部，引入所述第一開口部的所述線纜束通過所述第二開口部被拉出。
4.根據權利要求3所述的機器人手腕結構，其中，從所述中間構件拉出的所述線纜束由固定裝置固定就位，防止該中間構件與該線纜束接觸。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的機器人手腕結構，其中，所述第二腕臂包括 電機，該電機設置有繞從所述第三軸線偏移的軸線旋轉的旋轉軸；以及中空旋轉主體，該中空旋轉主體借助所述電機繞所述第三軸線旋轉，所述中空旋轉主體構造成驅動所述腕凸緣，所述線纜束延伸通過所述中空旋轉主體。
6.根據權利要求1至4中的任一項所述的機器人手腕結構，其中，所述第二腕臂還包括中空電機，該中空電機設置有繞所述第三軸線旋轉的中空軸并且構造成經由所述中空軸驅動所述腕凸緣，所述線纜束延伸通過所述中空電機的所述中空軸。
7.一種機器人，該機器人包括擺動臂；第一腕臂，該第一腕臂設置在所述擺動臂的末端部中并且構造成繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束，該線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣和所述中間構件，所述線纜束被從所述中間構件拉出。
8.一種機器人，該機器人包括擺動臂；第一腕臂，該第一腕臂設置在所述擺動臂的末端部中并且構造成繞第一軸線旋轉； 第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束，該線纜束連接至固定于所述中間構件的末端執行器，所述線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣和所述中間構件，所述線纜束被從所述中間構件拉出以到達所述末端執行器。
全文摘要
本發明涉及一種機器人手腕結構和機器人。所述機器人手腕結構包括第一腕臂，該第一腕臂能繞第一軸線旋轉；第二腕臂，該第二腕臂設置在所述第一腕臂的末端部中并且構造成繞大體上與所述第一軸線相交的第二軸線擺動；腕凸緣，該腕凸緣設置在所述第二腕臂的末端部中并且構造成繞相對于所述第二軸線處于偏斜位置的第三軸線旋轉；中間構件，該中間構件固定至所述腕凸緣；以及線纜束，該線纜束連接至固定于所述中間構件的末端執行器。所述線纜束延伸通過所述第二腕臂、所述腕凸緣以及所述中間構件并且被從所述中間構件拉出以到達所述末端執行器。
文檔編號B25J19/00GK102463571SQ201110343679
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月3日 優先權日2010年11月4日
發明者一番瀬敦, 真田孝史, 蒲原圭 申請人:株式會社安川電機