专利名称：机器人手腕的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人手腕，并且涉及一种设置有所述机器人手腕的 工业机器人或者其他操纵器或自动机器。本发明^艮好地适于涂敷涂层，例 如对机动车进行喷涂。
背景技术：
名称为"Robot Wrist"的DE 3431033和US 4,690,012描述了 一种与 工业机器人结合使用的机器人手腕。工业机器人用来快速地和准确地执行 广泛的工业和/或商业任务。在许多应用场合，例如在焊接汽车车体或对机
动车进行涂漆时，机器人必须(有时在受限的空间中)操作例如电弧焊嘴、漆喷涂器或夹持器等工具，并且对其进行精确定位和定向。US 4,6卯,012 描述一种包括三个独立的可旋转手腕部分的机器人手腕。第一部分附连到
机器人臂部并绕第一轴线旋转；第二手腕部分可旋转地附连到第一部分并 设置有小齿轮，以绕第二旋转轴线旋转第二齿轮部分；类似地，第三手腕 部分设置成可旋转地安装在第二部分上并可绕第三旋转轴线进行驱动。
整个手腕部分形成为使得封闭手腕部分内部的中空空间以允许在手 腕内部定位其他装置。特别地，手腕的中空内部包*护软管或其它管道， 缆线、电线、管子或较小软管穿过此保护软管或其它管道设置，以将电力、 压缩空气或液压动力供应到一个或多个由机器人^作的工具上，和/或将控 制信号或传感器数据发送到工具上和/或自所述工具接收所述控制信号或传感器数据。名称为"Robot Member"且转让给ABB的WO 2004/082898 描述了一种具有两个或三个手腕部分的中空手腕。如同US 4,690,012，所 述中空手腕设置有齿轮，所述齿轮设置成驱动或旋转附连到手腕端部的工 具，不管中空手腕是否处于直线位置、弯曲位置或是正在一个位置和另一 位置之间移动。
名称为"Robot Wrist with Hose Drive for Rotating a Supply Hose, and Associated Process"且转让给Dtirr Systems GmbH的EP1 632 320描述了 一种具有三个部分和内保护软管的中空手腕。示出在图2a-c中的手部12、13、 14包括齿轮，以驱动手部和工具凸缘ll，即夹持漆涂敷器的部分。工 具凸缘11描述成由输入端的驱动轴25的旋转进行驱动，所述旋转经由外 齿轮26、 27和斜齿轮对28-29、 30-31、 32-33传递到输出端的工具凸缘11。
发明内容
依据本发明的第一方面，提供一种用于工业机器人或操纵器的改进的 机器人手腕，该机器人手腕包括多个彼此串接布置的可旋转部分，至少包 括第一手腕部分和第二手腕部分，其中，每一手腕部分i殳置有一个或多个 齿轮元件，以驱动任一所述手腕部分相对于所述另一手腕部分进行所述旋 转移动，另外，所述机器人手腕i殳置有用于安装附连到第二或第三或其他 远端手腕部分上的涂敷器或其他工具的工具凸缘，其中，所述机器人手腕 设置有柔性驱动元件，用于将动力自位于所述手腕的第一部分的附近的输 入驱动装置传递到附连到所述远端手腕部分的远端部的工具凸缘或其他 工具装置，所述柔性驱动元件包括至少一个柔性部分。
依据本发明的一个实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述柔性驱动元件包括至少一个在所述机器人手腕的内 部设置为内软管的柔性部分。
依据本发明的一个实施方式，提供一种具有改进的机器人手腕的工业 机器人或操纵器，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述柔性驱动元件包括至少一个设置在所述机器人手腕 的内部的柔性内软管。
依据本发明的另一实施方式，提供一种具有改进的机器人手腕的工业 机器人或操纵器，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的单件 式驱动元件，其中，所述单件式驱动元件包括至少一个设置在所述机器人 手腕的内部的柔性部分。
依据本发明的另一实施方式，提供一种具有改进的机器人手腕的工业 机器人或操纵器，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性驱动元件，其中，所述至少一个柔性部分设置成沿垂直于所述柔性驱动元件的旋转轴线的方向具有柔性。
依据本发明的又一实施方式，提供一种具有改进的机器人手腕的工业 机器人或操纵器，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到位于远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述至少一个柔性部分包括两个或多个联结在一起的部 分。
依据本发明的一个替代性实施方式，提供一种具有改进的机器人手腕的工业机器人或操纵器，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕 的近端部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性驱动元件，其中，所述两个或多个部分通过铰链或枢轴装置联结在 一起。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，两个或多个部分中的至少一个部分联结在一起，并且至 少一个部分设置成抵靠位于所述中空手腕的内部的导向部分和/或支撑件 和/或轴承。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，两个或多个部分中的至少一个部分联结在一^^从而形成 内保护软管，或者，在单件式柔性元件的情形下，所述至少一个部分没置为内软管或内保护软管。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性驱动元件，其中，传感器设置在机器人手腕之上或之中，以测量根据工具凸缘和/或输入驱动装置的移动的参数:。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，传感器设置在机器人手腕之上或之中，并且所述传感器 设置成放置且附连到支撑所述柔性元件的导向件或轴承上。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述柔性驱动元件的一部分设置为包括绝缘材料的内软
管，所述绝缘材料的介电强度在20-100kV之间。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述柔性驱动元件的一部分i殳置为内软管，并且设置为 内软管的所述柔性驱动元件的外侧和/或内侧表面设置有导体或半导体材 料，以避免电荷的积聚。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述改进的机器人手腕包括两个所述手腕部分。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于工业机器人或操纵器的改 进的机器人手腕，所述机器人手腕包括用于将动力自位于所述手腕的近端 部的输入驱动装置传递到作为远端部的工具凸缘或其他工具装置的柔性 驱动元件，其中，所述改进的机器人手腕包括三个所述手腕部分。
依据本发明的另一方面，提供一种用于操作具有机器人手腕的工业机 器人或操纵器的方法，所a器人手腕包括多个彼此串接布置的可旋转部 分，至少包括第一手腕部分和第二手腕部分，其中，每一手腕部分i殳置有 一个或多个齿轮元件，以驱动任一所述手腕部分相对于所述另 一手腕部分 进行所述旋转移动，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器或其他 工具且附连到第二或第三腕部部分上的工具凸缘，所述方法进一步包括 生成用以驱动所述工具凸缘的控制信号；将控制信号施加到设置成经由作 为动力传送元件的输入驱动装置驱动柔性驱动元件的驱动马达上，以根据控制信号而移动所述工具凸缘。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于操作具有机器人手腕的工 业机器人或操纵器的方法，所述机器人手腕包括多个彼此串接布置的可旋 转部分，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器或其他工具且附连 到第二或第三腕部部分上的工具凸缘，所述方法包括生成用以驱动所述工 具凸缘的控制信号，以及将控制信号施加到"&置成驱动柔性驱动元件的驱 动马达上，其中，所述方法进一步包括将补偿值施加到驱动马达的控制信 号上。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于操作具有机器人手腕的工 业机器人或操纵器的方法，所述机器人手腕包括多个彼此串接布置的可旋 转部分，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器或其他工具且附连 到第二或第三腕部部分上的工具凸缘，所述方法包括生成用以驱动所述工 具凸缘的控制信号，以及将控制信号施加到设置成驱动柔性驱动元件的驱 动马达上，其中，所述方法进一步包括基于单件式驱动元件的至少一个机 械特性的模型计算出用于单件式驱动元件的补偿值。
依据本发明的另一实施方式，提供一种用于操作具有机器人手腕的工 业机器人或操纵器的方法，所述机器人手腕包括多个彼此串接布置的可旋 转部分，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器或其他工具且附连 到第二或第三腕部部分上的工具凸缘，所述方法包括生成用以驱动所述工 具凸缘的控制信号，以及将控制信号施加到设置成驱动柔性驱动元件的驱 动马达上，其中，所述方法进一步包括根据反馈自设置在机器人手腕之上 或之中的传感器的工具凸缘的移动的检测值计算出用于单件式驱动元件 的补偿值。
依据本发明的另一方面，提供一种包括机器人控制单元和至少一个具 有改进的机器人手腕的工业机器人或操纵器的系统，所述机器人手腕包括 多个彼此串接布置的可旋转部分，其中，所述机器人手腕设置有用于安装 涂敷器或其他工具且附连到第二或第三手腕部分上的工具凸缘，所述系统 的特征在于，所述至少 一个机器人的所述机器人手腕设置有包括至少 一个 柔性部分的柔性驱动部分，以将动力自位于所述手腕的第一部分的附近的 输入驱动装置传递到设置在机器人手腕的远端部的工具凸缘上。
在本发明的第一方面，中空的机器人手腕设置有多个彼此串接布置的可旋转部分，至少包括设置成用以安装到机器人臂部或自动机器上、使得 第一手腕部分能够绕第一轴线进行旋转移动的第一手腕部分，以及以轴颈 连接在第一手腕部分中的第二手腕部分，其中，每一所述手腕部分设置有 一个或多个齿轮元件，以驱动任一所述手腕部分相对于所述另 一手腕部分 进行所述旋转移动，并且设置第六轴线，所述第六轴线由通过柔性驱动元 件而自输入齿轮传递到第六轴线的动力驱动，所述柔性驱动元件可"^殳置为 内软管。
本发明的主要优点在于，所述改进的机器人手腕具有用于将动力传递 到第六轴线上的筒化装置，工具夹具绕该轴线设置，漆涂敷器(或其他工 具)则可安装到所述工具夹具上。替代需要六个或多达六个齿轮以将动力 自位于所述手腕的一个端部的输入装置传递到位于所述手腕的另 一端部 (远端部)的工具凸缘的是，将单件式内软管设置为位于工具和机器人手 腕的驱动输入装置之间的动力传送元件，其中所述工具位于机器人手腕的 远端部的第六轴线或工具凸缘上。
因而，与例如WO 2004/082898中的现有技术的构造比较，本发明的 一个方面使得能够从构造中省略多达六个齿轮部件，因而极大地减少中空 手腕的重量和惯量。重量和惯量的减少特别重要，因为中空手腕安M机 器人臂部或皿器的远端部。作用在臂部的端部处的中空手腕的重量和惯 量将大的力施加在机器人结构上。手腕的重量和惯量一定程度地确定了操 作安装中空手腕的机器人臂部所需的臂部、马达、齿轮箱等的尺寸。替代 性地，具有大致较小重量的中空手腕当安装在机器人上以代替上述类型的 较重手腕时，提供改进的移动灵活性和性能。
同时，位于中空手腕内部的中空空间的尺寸也有利地增大。内径可在 若干部位增大。这一点使得同时作为保护软管且通常包含用于漆流体、工 艺空气、可能的溶剂、可能的控制缆线等的工艺管线的内软管能够具有增 大的直径。由此，较大的内软管提供用于更多工艺管线或者用于具有较大 直径的管线的空间，这种工艺管线例如是使用其他方法更加容易进行清洗 或清洁的管线。
与现有技术比较，在手腕内部不存在用以将动力传送到工具凸缘上的 齿轮系的情况下，还能具有位于改进的机器人手腕的内部、以使保护软管 (或其他内软管或导管)进行弯曲或挠曲的相对较多的自由空间。更加自 由、受较少约束的弯曲和挠曲导致保护软管以及位于所述保护软管内部的缆线、管线或其他软管的磨损得以减少。这是一个优点，不仅减少缆线和 动力供应线等的磨损和损坏，而且还在机器人特征和功能的选择和数量方 面为机器人的设计和操作人员提供更大自由。设置为柔性驱动元件的保护
软管的弯曲角度可达140度，在臂部3上的旋转或工作包络空间可达360 度，并且在位于内软管内部的缆线或其他管线设置成旋转超过360度时则 能旋转大于360度。因而，依据本发明的一个方面的中空手腕设置有柔性 驱动元件而非现有技术(例如WO 2004/082898或US 4,6卯,012)中的基 于齿轮的驱动系，以旋转或以其他方式驱动附连到手腕的端部上的工具。 可驱动或旋转工具，不管中空手腕处于直线位置、或弯曲位置、或正在一 个位置和另一位置之间移动。
此类机器人手腕的优点在于，其紧凑形状和大的弯曲角度意味着机器
人能够到达密封的地方或局部封闭的空间，例如到达汽车车体的中空部分 或车厢部分以对表面或接缝等进行涂漆或处理。本发明中改进的功能性使
得机器人能够到达具有现有技术的手腕的机器人非常难以到达的空间。本 发明中的直线型中空通道、紧凑形状和改进的功能增加了能够由工业机器 人或操纵器以节约成本的方式执行的操作的数量和范围。
将动力传送到工具凸缘的柔性装置(在优选实施方式中形成为包括内 保护软管)的独特设计和设置提供了重量非常轻并且紧凑的手腕设计。在 不存在六个齿轮部分或多达六个齿轮部分的情况下，内空腔尺寸增大的另 一优点在于内软管更加自由地弯曲。这一点进而意味着保护软管磨损得以 降低，特别地，保护软管内部的磨损，所述保护软管所包含的软管、管线 和缆线等的磨损得以降低。内保护软管还可包括具有极其小的摩擦系数的 有利的材料，以进一步减少位于保护软管内部的缆线、软管的磨损。
内孔道或空腔的尺寸的增大非常有利，因为例如用在涂敷应用场合或 任何其他表面处理应用场合中的机器人可具有大概20根安装在保护软管 或管道的内部的不同管线。这些管线例如用于供应不同的漆、不同颜色、 冲洗管线、防腐流体、脱脂流体、溶剂管线、空气管线、电力线、电子数 据接线等的管线。类似地，用于进行焊接的机器人可具有用于保护气体、 冲洗材料、焊剂、助熔大气、焊接送丝等等的管线。臂部内部可加以利用 的中空空间的增大和空间的对称形状使得包括在保护软管内部的管线、软 管和缆线具有较长的使用寿命，从而提高可靠性以及生产的正常运行时 间。
当用作传动元件时，柔性内保护软管的;N^特性与传统的六个齿轮的 齿轮系相比可具有较小的响应于沿一个或多个方向的加速度的扭转刚度。 这一点可按在下文进行详细描述的至少两种方式进行补偿。
在另一实施方式中，柔性驱动元件可由两个或多个联结在一起的部分 构成，所述两个部分中至少一个部分具有柔性。因而第一和第二保护软管 可联接在一起并且如同单件式柔性驱动元件一样进行操作。两个保护软管 可刚性联结、柔性联结或者通过活动连杆或4^链或某些类型的枢轴进行联 结。具有一个或多于一个的柔性部分的柔性驱动元件还可设置在中空手腕 的内部，并且通过位于中空手腕内部的导向件或轴承部分地支撑或固定在 位。
依据本发明的另一方面，描述一种用于控制具有改进的机器人手腕的 工业机器人的操作的方法，所^器人手腕包括用于在手腕的输入装置和 输出元件、工具或工具凸缘之间传递动力的柔性驱动元件，所述方法包括 生成用以驱动所述工具凸缘的控制信号，通过将控制信号施加到设置成经 由作为动力传送元件的输入驱动装置驱动柔性驱动元件的驱动马达上，从 而根据控制信号而移动所述工具凸缘。
在本发明的方法的优选实施方式中，所述方法可通过计算装置而得以 执行或控制，所述计算装置包括一个或多个微处理器单元或计算机。控制 单元包括用于存储一个或多个用于执行所述改进的方法、以控制改进的中 空手腕的操作的计算M序的存储装置。优选地，所述计算机程序包含用 于处理器、以执行上述且将在下文进行更加详细描述的所述方法的指令。
通过参阅以下的详细描述同时结合附图，可更加彻底地理解本发明的方法和系统，所述附图为
图l示出依据本发明第一方面的一个实施方式的改进的机器人手腕的 剖面图2示出依据现有技术的处于直线位置的机器人手腕的剖面图3a-c示出依据本发明另一方面的一种或多种方法的示意性流程图4示出依据现有技术的处于直线位置的机器人手腕的外部的3D视图5示出包括设置有依据本发明的一个实施方式的机器人手腕的机器 人的系统的示意图6示出依据本发明的另一实施方式的改进的机器人手腕的示意性剖 面图，其中所述机器人手腕具有包括两个部分的柔性驱动元件。
具体实施例方式
图1示出本发明第一方面的一个实施方式的剖面图。图2示出WO 2004/082898中的现有技术机器人手腕的类似剖面图，在开始对本发明所 揭示的特征进行描述之前，将首先对所述现有技^器人手腕进行描述。 代表现有技术的图2示出一种由三个主要手腕部分构成的机器人手腕。在 代表现有技术的图4中可看到手腕的外部3D视图。图2中，在最接近机 器人臂部的端部P (近端部)处，看到第一手腕部分1连接到第二手腕部 分2,所述第二手腕部分2进而连接到第三手腕部分3。在离机器人最远的 端部D (远端部)处设置有工具夹具7，所述工具夹具7安装在轴承中并 且附连到第三手腕部分3。
在现有技术机器人手腕中，用以旋转工具夹具7的动力通过齿轮系部 件自近端部P传送到远端部D。图2中， 一部分齿轮系部件的剖面以黑色 实线示出。因而，在近端部P处，该图示出与位于第二部分2中的较大齿 圏lg啮合的输入轴8',所述较大齿圏lg进而与同样设置于第二手腕部分 2内的第二齿圏2g啮合或配合。于是，来自第二齿圏2g的驱动被传递到 位于第三手腕部分3的驱动部件9,该部件9连接到远端部D处的工具夹 具7。因而，在现有技术的直线型机器人手腕中，使用具有至少4个齿轮 部件的齿轮系进行动力传递，或者，在某些设计方案中所使用的部件多达 6个。
图1示出依据本发明实施方式的机器人手腕的剖面图。所示出的手腕 处于直线位置并且还示出包括内软管4。图l还示出以轴颈连接到第一 手腕部分1内且位于近端部P处的输入轴8;连接到手腕部分1以及连接 到第三手腕部分3的第二手腕部分2。工具夹具7以轴颈连接到第三手腕 部分3内。在本发明的机器人手腕中，用以旋转工具夹具7的M动力可 通过柔性部件4自近端部P传送到远端部D。
优选地，将内软管4或内保护软管设置为柔性驱动元件，并且将其设 置为将旋转动力自位于最靠近机器人臂部的近端部的输入轴传递到远端 部的工具夹具的大致单个的驱动元件。柔性内软管或内保护软管通过连接
到输入轴8、在工具夹具7处设置有合适的啮合或锁定套环或其他装置而 使得驱动轴的旋转能够转换成工具夹具的旋转而可用作提供驱动装置的 单个部件。工业机器人的各个不同轴线的设置示出在图5中，并在下文进 行详细描述。
设置为用于将动力传递到位于轴线6上的工具夹具7的柔性驱动元件 的柔性内软管4还可起到保护软管的作用，并且包括若干工艺管线、软管、 缆线及类似物。经常发现在位于保护软管内部的软管、工艺管线、缆线等 会一定程度地发生磨损。然而，在本发明的改进的机器人手腕中可加以利 用的额外内部空间提供了具有增大内径的内軟管。
当同时起到内保护软管作用的柔性驱动元件4用作传动元件时，与传 统齿轮系相比，其扭矩特征可根据工具夹具和操作速度和/或加速度呈现更 小的响应于沿扭转方向的加速度的刚度。这一点可按至少两种方式进行补 偿。
可在机器人控制单元(或其他控制单元、或机器人的控制器、或机器 人马达驱动控制器)内生成基于模型的校正，并且接着可将根据目标速度 和/或加速度以及通过模型计算的校正施加到马达驱动轴线6的控制信号。 模型用来计算和预测柔性驱动元件响应于扭矩输入或其他作用于驱动元 件上的施力而将如何移动。所i^型基于所述内保护软管的至少一个机械 特性。图3a以简化模式示出用于所述方法的流程图。该流程图包括以下模 块
31生成用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号；
35将补偿值施加到用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号。
图3b包括以下模块
31生成用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号；
34由模型计算出用于工具凸缘的马达的驱动信号的补偿值;这是基于 驱动控制信号的校正的模型；
35'将补偿值施加到用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号；已经由模 型计算出该校正。
替代地或附加地，可对偏离预期操作的偏差进行测量，并且可由测量
的偏差计算校正或补偿值。例如，可^:置传感器以测量柔性驱动元件4或 驱动系中另 一部件的速度或位置，所述另 一部件例如工具凸缘7或输入轴
8。位置和/或速度的测量数值可与目标值进行比较，并且可生成校正值从 而为工具夹具的移动提供^Jt控制。才艮据应用场合,所述^J绩测量lt值可 适于提供前馈控制功能，以适应马达控制目标信号。
图3c示出所述方法的简化模式，并包括以下模块
31生成用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号；
32接收来自工具凸缘传感器的速度和/或位置信号；(传感器可设置在 机器人手腕的另一部分之上或之中)；
33将来自传感器的速度和/或位置信号与目标值进行比较；
34由模型计算用于工具凸缘的马达的驱动信号的补偿值;基于驱动控 制信号的校正进行测量；
35"将补偿值施加到用于工具凸缘的驱动马达的驱动信号；已经由模 型计算出该校正。
工业机器人通常设置有一个或多个控制单元。例如，专用或中央控制 单元经常用来控制单个机器人，尽管某些机器人控制器可同时控制若干机 器人。另外，机器人还可具有一个或多个分布或局域控制单元，其控制在 涂漆室或工作区域或机器人室中的特定轴线或工具或固定装置等。图5示 出包括至少一个设置有依据本发明实施方式的机器人手腕的工业机器人 的简单系统的示意图。该图示出设置成绕第一轴线Al旋转的机器人，所 述机器人具有绕第二轴线A2、第三轴线A3和第四轴线A4联结的臂部。 机器人手腕10形成笫五轴线A5。设置有附连到机器人手腕10的工具或工 具夹具7，并且涂敷器11或其他工具能够绕在图中示出的第六轴线A6旋 转。该图还以示意性方式示出机器人可连接到机器人控制单元20，所述控 制单元20可连接到某些类型的数据网络22。机器人可在工件25上执行涂 漆、涂敷或其他操作。
在其他实施方式中，可使用基于模型、基于测量数值、反馈和/或前馈 控制方法的组合。优选地，校正或补偿值通过在处理器、计算机或包括计 算机功能性的电子部件中运行的程序或计算机程序进行计算。处理器可局部地设置于机器人手腕或臂部中，或者可设置于分布式机器人控制单元或 中央机器人控制单元中。
控制单元包括用于存储一个或多个程序的存储装置，所述程序用于执 行所述改进的方法，所述改进的方法用于控制机械压力装置的操作。存储 装置可包括非易失性磁存储装置，例如但不限于光或磁光存储装置、闪存、 硬盘驱动器中的任一种。数据库或其一部分可存储在计算机可读的存储装 置中，并且包含可由上述计算机程序访问的数据。特别地，数据库可包含 记录下来的关于#值、设定点、公式和/或其他技术数据的数字、事实和 数据，这些参数值、设定点、公式和/或其他技术数据由经验生成、自服务 数据或测试结果提取、通过例如其他模拟手段而计算或获得，所述数据旨 在用于进行计算以执行所述方法，从而确定用于所述工具的驱动信号的补 偿值的测量值、最佳估算数值或模型化值。存储装置可设置为至少部分地能够重写，例如设置为闪存或FGPA装置，从而允许例如对装置信息、参 数值、设定点值或计算机程序的编码进行更新。
如上所述，内保护软管可包含多根电线、软管和缆线，可能总共有20 根或更多。通过在常规操作之前将软管和缆线以预定式样设置在机器人手 腕的内保护软管中，可使包含在内软管中的不同软管和缆线的延伸或过度 延伸达到最小。在常规操作过程中，当机器人手腕旋转和弯曲时，例如通过目对于手腕部分的计划的旋转方向和度数施加预定的扭曲，能够补偿各 个软管和缆线在长度上的变化。例如，当软管和/或缆线安W机器人手腕 的内部时，可将扭曲达180度或更大的扭曲的电线形式应用到至少一些软 管和/或缆线。
另外，釆用内保护软管形式的柔性驱动元件的内部或者内软管的内表 面可包括低摩擦层，包括例如含氟聚合物或其他低摩擦材料的材料。软管 的结构可包括单相塑料材料或分层塑料材料。可使用弹性体、其他聚合或 复合材料。塑料材料可部分地包括含氟聚合物，例如通常标以商标名Teflon (DuPont公司的商标)的塑性聚四氟乙烯(PTEE)，或处于混合物、共 聚物、复合物或分层结构形式的其他含氟聚合物。例如含氟聚合物的减擦 材料的使用极大地减少保护软管的内侧和所述保护软管所包含的电线、缆 线、软管等之间的任何摩擦。在内软管的外侧和/或内侧，可设置导体或半 导体材料或层，以减少在软管上积聚的电压。当位于内软管内部的工艺管 线包*持在应用点的高电压下的漆或其他流体时，例如当采用静电式漆涂敷器、钟式涂敷器或喷漆枪时，这种是必需的。
作为驱动元件的内软管的结构可包括至少两相并且包括直径不同的 加强元件，例如金属环或塑料环。在替代性实施方式中，与结合有不连续 环的塑料软管形成对比，所述金属环可设置为朝向模制成波紋形式的塑料 软管的外侧设置或者绕着所述塑料软管的外侧设置的电线的连续螺旋。电 线环或螺旋也可由塑料层覆盖。
在另一实施方式中，柔性驱动元件可由联结在一起的两个部分构成。 因而，第 一和第二保护软管例如可彼此联结或联接在一起并且可如同单件 式柔性驱动元件一样进行操作。
图6示意性示出处于直线位置的机器人手腕10的剖面图。所示出的 机器人手腕具有三个部分1-3并具有包括联结在一起的两个内保护软管的 柔性驱动元件。图中示出近端部P处的第一手腕部分1、位于中间的第二 手腕部分2以及远端部D处的第三手腕部分3。在该实施方式中，内软管 设置为通过第三中空部分12而彼此联结的第一软管 一和第二软管42。联 结部分12设置有轴承13并具有支撑或导向部分14。原理是，柔性驱动元 件可由多于一个的部分形成，并且还可由多于一个的柔性部分A、 42形成。 或者换一种方式，柔性元件包括至少一个柔性部分，例如^或42。替代或 附加地，柔性驱动元件可由导向件14支撑，或者i殳置有某些类型的轴承 13。所述轴承可以是滚珠轴承、滚柱轴承、滑动轴承或其他类型。
两个保护软管可通过活动连杆或铰链或某些类型的枢轴联结。单件保 护软管、或两个保护软管或类似物可联接在一起，以形成大致为单件的柔 性驱动元件。在图示的例子中，具有两个柔性部分的柔性驱动元件可由联 结在一起的两个或多个软管形成。具有两个或多个部分的柔性驱动元件可 使用大致刚性的联结件或通过接头进行联结，所述接头设置成用于运动， 例如用于两个部分中的一个或多个部分相对于其他部分进行枢转或转动。 由导向件和/或轴承支撑的柔性驱动元件的优点在于，如此设置的软管提供 了一种柔性驱动元件，所述柔性驱动元件与在整个传动距离上未受支撑的 柔性元件相比较具有更大的扭转刚度。
在另一实施方式中，对于仅需要有限工作包络空间的操作，中空的手 腕可设置有两个串接布置的手腕部分，从而其所提供的工作暴露空间为通 常由设置有三个手腕部分的中空手腕所提供的工作包络空间的大约70 % 。
可对所揭示的技术方案进行若干变化和修改，并且本发明的实施方式 还可用来涂敷不同类型的漆、双组分漆、底层涂层、底漆等等。类似地， 上述4支术方案还可适于涂敷或喷涂其他物质，例如保护涂层、密封剂，以 进行密封、胶合、涂蜡、上热蜡(在空腔中)以及喷涂防腐材料。可通过 一个或多个计算机程序监督、控制或执行本发明的方法。代替漆或涂层涂 敷器，具有依据本发明实施方式的改进的手腕的工业机器人可用来操作另 一类型的工具，例如焊接工具、钎焊工具、夹持器或其他适用于机器人的 工具。具有改进的中空手腕的工业机器人可用来执行以下组中的任何操作铆接、修补、板的折叠、切割、板的弯曲、板的巻边、夹持物体、操 纵物体、堆叠、拾取和放置。
在该描述中，描述了具有五条轴线和第六工具轴线的工业机器人；然 而，本发明的使用并未局限于具有特定轴线数量的工业机器人。应注意， 尽管上文描述了本发明的示例性实施方式，但是可对所揭示的技术方案进 行若干改变和修改，而不会偏离限定于所附权利要求中的本发明的范围。
权利要求
1.一种具有机器人手腕的工业机器人或操纵器，所述机器人手腕包括多个彼此串接布置的能够旋转的部分，至少包括第一手腕部分(1)和第二手腕部分(2)，其中，每一手腕部分设置有一个或多个齿轮元件，以驱动任一所述手腕部分相对于所述另一手腕部分进行所述旋转移动，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器(11)或其他工具且附连到第二手腕部分(2)或第三手腕部分(3)或其他远端手腕部分上的工具凸缘(7)，其特征在于，所述机器人手腕(10)设置有柔性驱动元件(4)，所述柔性驱动元件(4)包括至少一个柔性部分，并且用于将动力自位于所述手腕的第一部分(1)的附近的输入驱动装置(8)传递到附连到所述远端手腕部分的远端部上的工具凸缘(7)或其他装置。
2.根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元件(4) 包括至少 一个设置在所述机器人手腕的内部的柔性内软管。
3.根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述至少一个柔性部分 沿垂直于所述柔性驱动元件的旋转轴线的方向具有柔性。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述至少一个柔性部分 包括两个或多个联结在一起的部分(4p 42)。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述两个或多个部分通 过铰链或枢轴装置联结在一起。
6. 根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述两个或多个联 结在一起的部分中的至少一个部分设置成抵靠位于所述中空手腕中的导 向部分(14 )或轴承(13 )。
7. 根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元件装备有将柔性驱动元件的第一端部连接到位于所述手腕的第一部分(1 )的附近的输入驱动装置(8 )的驱动装置，以及用于将柔性驱动元件的第二端 部附连到位于所述手腕的远端部的工具凸缘(7)上的装置。
8. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元件(4) 设置为内软管或内保护软管。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述两个或多个联结在 一起的部分中的至少 一个部分形成内保护软管。
10. 根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述设置为穿过 手腕部分(1-2、 1-3)的内部的内软管的柔性驱动元件(4)在i殳置于弯曲 位置和直线位置中的每一个位置时具有相同的总长度。
11.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元 件(4)包括设置成包围住多个工艺管线的内软管，所述工艺管线的形式为 设置在所述内软管内部的软管和/或缆线，其中所述内软管位于所述手腕部 分(1、 2、 3)的内部。
12.根据权利要求ll所述的装置，其特征在于，所述多个软管和/或缆 线在内软管的内部扭曲成预定的程度，并且包括下列清单中的任一种包 含工艺材料的软管、包含空气或另一种气体的软管、控制电线、进给杆、 液压软管、用于数据传送和/或控制信号的缆线。
13. 根据权利要求1或9所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元 件(4)为中空并且具有大致呈管状的形状。
14. 根据权利要求1或9所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元 件(4)为中空并且至少部分地具有圆形截面。
15. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当从垂直于柔性驱动 元件的长轴线的方向观察时，所述柔性驱动元件具有呈波故状的截面的壁部。
16. 根据权利要求9-16中任一项所述的装置，其特征在于，所述柔性 驱动元件设置有截面，其至少部分地包括一个或多个具有圆形截面的部 分，并且两个或多个部分具有至少两个直径不同的截面。
17. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，传感器设置在机器人 手腕之上或之中，以测量根据工具凸缘(7)和/或输入驱动装置(8)的移 动的参数。
18. 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述传感器设置在机 器人手腕之上或之中，并JbNl对于支撑所述柔性元件的导向件或轴承(13、 14)放置。
19. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元件设 置为内软管，并且包括具有在20-100kV之间的介电强度的绝缘材料。
20. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置为内软管的所述 柔性驱动元件的外侧和/或表面设置有导体或半导体材料，以避免电荷的积聚。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性驱动元件设 置为内软管并且由结合有至少一个加强元件的聚合材料制成。
22.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述加强元件包括螺 旋杆、螺旋带或螺旋线中的任一种。
23.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，设置为内软管的 所述柔性驱动元件包括含氟聚合物或含氟聚合物层。
24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空手腕包括两 个彼此串接布置的能够旋转的部分，包括第一手腕部分(1)和第二手腕部 分(2)，其中，工具凸缘(7)或工具能设置在第二手腕部分上。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空手腕包括至 少三个彼此串接布置的能够旋转的部分，包括第一手腕部分(l)、第二手 腕部分(2)和第三手腕部分(3)。
26. —种用于操作具有机器人手腕的工业机器人或操纵器的方法，所 述机器人手腕包括多个彼此串接布置的能够旋转的部分，至少包括第一手 腕部分(1)和第二手腕部分(2 )，其中，每一手腕部分没置有一个或多个 齿轮元件，以驱动任一所述手腕部分相对于所述另 一手腕部分进行所述旋 转移动，其中，所述机器人手腕设置有用于安装涂敷器(11)或其他工具 且附连到第二或第三手腕部分(3)上的工具凸缘(7)，其特征在于，生成 用以驱动所述工具凸缘的控制信号(31 )，将控制信号施加到设置成经由作 为动力传送元件的输入驱动装置(8)驱动柔性驱动元件(4)的驱动马达 上，以根据控制信号而移动所述工具凸缘。
27. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将补偿值(35)施加 到驱动马达的控制信号上。
28. 根据权利要求27所述的方法，其特征在于，基于单件式驱动元件 的至少一个机械特性的模型，计算出用于柔性驱动元件的补偿值。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，根据反馈自设置在机 器人手腕之上或之中的传感器的工具凸缘的移动的检测值计算出用于柔 性驱动元件的补偿值。
30.根据权利要求28和29所述的方法，其特征在于，基于下列方式 中的任一种计算出用于柔性驱动元件的补偿值所述内保护软管的至少一 个机械特性的模型；反馈自设置在机器人手腕之上或之中的传感器的工具 凸缘的移动的检测值。
31. 根据权利要求29或30所述的方法，其特征在于，生成用于旋转 相对于彼此连接到手部(1、 2、 3)的驱动装置的控制信号，以使轴线(5) 弯曲，从而安装在轴线(6 )上的工具或涂敷器的中心线相对于绕轴线(4 ) 设置的第三臂部处于直至约140度的角度。
32. 根据权利要求31所述的方法，其特征在于，生成用于旋转驱动装 置的控制信号，从而安装在轴线(6)上的工具或涂敷器根据一个或多个设 置在内软管内部的工艺管线的特性而在旋转程度和方向上受到限制。
33. —种包括机器人控制单元(20)和至少一个具有机器人手腕的工 业机器人或操纵器的系统，所a器人手腕包括多个彼此串摔布置的能够 旋转部分，至少包括第一手腕部分(1)和第二手腕部分(2)，其中，每一 手腕部分没置有一个或多个齿轮元件，以驱动任一所迷手腕部分相对于所 述另一手腕部分进行所述旋转移动，其中，所述机器人手腕设置有用于安 装涂敷器(11 )或其他工具且附连到第二或第三手腕部分上的工具凸缘(7 )， 其特征在于，所述至少一个机器人的所述机器人手腕(10)设置有柔性驱 动元件(4 ),所述柔性驱动元件(4 )用于将动力自位于所述手腕的第一部 分的附近的输入驱动装置(8)传递到设置在所述机器人手腕的远端部的工 具凸缘(7)上。
34. 根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述机器人手腕的所 述柔性驱动元件(4)设置成包括位于所述机器人手腕内部的内软管。
35. 根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述柔性驱动元件装配有将单件式驱动元件的第一端部连接到位于所述手腕的第一部分(1)的 附近的输入驱动轴(8)上的驱动装置，以及用于将单件式驱动元件的第二 端部附连到位于所述手腕的远端部的工具凸缘(7)上的装置。
36. 根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述控制单元(20) 或连接到所述控制单元(20)上的另一控制单元i殳置有一个或多个用以生 成用于所述柔性驱动元件的补偿信号的装置，以将补偿信号施加到所述至 少一个机器人的轴线驱动马达的控制信号。
37. 根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述控制单元(20) 或连接到所述控制单元(20)上的另一控制单元设置有一个或多个存储计 算机程序的存储装置，所述计算机程序当被读到计算机或处理器中时，将 导致所述计算机或处理器执行依据权利要求26-32中的任一项所述的步骤 的方法。
38. —种计算机程序，所述计算机程序当被读入到计算机或处理器中 时，将导致所述计算机或处理器执行依据权利要求26-32中的任一项所述 的步骤的方法。
39. —种计算机可读介质，包括计算机程序，所述计算机程序当被读 入到计算机或处理器中时，将导致所述计算机或处理器执行依据权利要求 26-32中的任一项所述的步骤的方法。
40. 设置有依据权利要求1-25中的任一项所述的机器人手腕的工业机 器人的使用，以利用工业机器人进行内或外表面处理操作或涂,作。
41. 包括至少一个设置有依据权利要求1-25中的任一项所述的机器人 手腕的工业机器人的系统的使用，用于执行下列组中的任一操作焊接、 拾取和/或包装、机器维护、焊接、铆接、修补、板的折叠、切割、板的弯 曲、板的巻边、夹持物体、操纵物体、堆叠、拾取和放置。
全文摘要
一种机器人手腕，所述机器人手腕具有多个彼此串接布置的能够旋转的部分，并且设置成安装在机器人臂部或自动机器上，使得第一手腕部分(1)能够绕第一轴线进行旋转移动，并且第二手腕部分以轴颈连接在第二手腕部分中。用于第六轴线、工具或凸缘(7)的旋转驱动通过柔性驱动元件自位于第一手腕部分的附近的输入驱动装置传递到位于机器人臂部的远端部的工具凸缘。优选地，机器人手腕可包括内保护软管。柔性驱动元件可设置为内软管。
文档编号B25J17/00GK101200068SQ20071019861
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者阿努尔夫·克罗格达尔 申请人:Abb股份有限公司