多关节型机器人的制作方法

专利名称：多关节型机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多个通过角活动关节连接的臂的多关节型(articulated ) 机器人，更具体地说，涉及在很宽的水平区域内移动的多关节型机器人。
背景技术：
在车辆制造工厂中，工件通常在多个场所或加工单元之间传送时进行顺序加工。为了提高生产率，总是希望能够快速传送工件。所提及的传送工件的装置包括用于在加工单元之间传送工件的往复移 动的小车，和用于在小车和加工单元之间移送工件的装载机及卸载机(例如，参见日本专利公开文本No .4 - 009611)。该装置能够远距离移动工件。用多关节型机器人来传送工件的工序同样已在现有技术中公开(例如， 参见日本专利No.2785597，日本特许公开专利文本No.2006 - 123009，曰本 专利No.2726977，和日本特许公开专利文本No. 7 - 308876 )。所述用多关节 型机器人来传送工件的工序相对简单，因为可以用单个多关节型机器人来卸 载、传送及装载工件。如日本专利公开文本No.4-009611所公开的，使用小车、装载机和卸载 机来传送工件，因为必须把工件从装载机移送到小车以及同样从小车移送到 卸载机而未能快速地传送工件。同样由于必须^敝到同步工件的移送循环，因 此全面控制工序执行起来很复杂。此外，小车沿根据加工单元之间的距离而 固定安装的传送机架所提供的路径移动。因此，如果加工单元的布局有所变 化，则已经固定安装的传送机架就不再适用了。另外，由于这三个装置，即，小车、装载机和卸载机是必需的，从而它 们需要一个很大的安装空间，因此安装成本很高。曰本专利No. 2785597中所公开的多关节型机器人没有水平移动机构。当该多关节型机器人水平传送工件时，臂呈关节-向上姿势，因此需要一个很宽的垂直移动空间。日本特许公开专利公开文本No. 2006 - 123009、日本专利No.2726977和日本特许公开专利公开文本No.7 - 308876中所公开的多关节型机器人有 水平角度移动关节。但是，由于所公开的多关节型机器人同样有垂直角度移 动关节，由此所运送的工件和臂就不一定垂直移动，就如日本专利No. 2785597中所公开的多关节型机器人一样。如果传送工件的加工单元之间的距离很远，则多关节型机器人的臂需要 很长。但是，长臂容易产生由其自重和其所运送工件的重量而引起的过度翘 曲，从而在用该臂传送工件时降低了准确性。发明内容本发明的一个目的是提供一能够远距离移动工件的多关节型机器人，该 机器人不易在自重和其所传送的工件的重量下产生翘曲，并且能够高精度地 传送工件。根据本发明，多关节型机器人包括通过角活动关节连接的多个臂，所 述臂包括一可绕自身一点在水平方向转动角度的水平臂； 一具有与所述水平 臂的所述点同轴心的弧形支承构件，所述水平臂具有可滑动地支撑在所述支 承构件上的部分。由于弧形支承构件支撑水平臂，所述多个臂不易于在自重和其所传送的 工件的重量下产生翘曲。即使所述多个臂的总长很长，所述多关节型机器人 也可以远距离精确传送工件。所述支承构件可以包括一与水平臂的所述部分接合的轨道。所述轨道可 靠地支撑所述水平臂，并引导所述水平臂在其中作平滑的角运动。为进一步可靠地降低所述臂的任何翘曲度，所述水平臂部分可被支承构 件支承在比其中心部分更靠近远端的位置。如果所述水平臂部分可以滑动支撑在所述支承构件上，以便在90。到 180°范围内作角运动，则所述多关节型机器人有相当宽的工作范围。如果所述多关节型机器人进一步包括用于垂直移动所述支承构件的上 升和下降装置，则所述多关节型机器人可以轻易地往返于加工单元之间以移 送工件，并且可以毫无障碍地轻易移动所述工件。所述多个臂并未呈所谓的 关节-向上姿势垂直移动，因此可以有效地利用所述多个臂周围的空间。如果所述上升和下降装置具有平衡所述水平臂和所述支承构件重力的 重力平衡装置，则上升和降低所述臂和所述支承构件所需的功率被降低。所述上升和下降装置可以包括两个平行的上升和下降装置，该装置通过 改变所述上升和下降装置垂直移动所述支承构件的各个距离来倾斜所述支 承构件。所述多个臂包括一可水平角转动和/或扭转的第 一臂，并且除了所述第一 臂外的其它臂均可在水平方向转动角度。按照这个结构，由于所迷多个臂的 中心轴线并未垂直移动，因此可以有效地利用所述多个臂周围的空间。所述 扭矩可变动的第 一臂可根据工件的形状和倾角来固定工件。所述臂包括一第一臂，所述第一臂具有真空装置，用于吸取工件。所述 真空装置可以轻易地吸取工件并保持所述工件。所述臂可以包括第一臂，并且所述第一臂包括一在其上纵向延伸以可变 换角度地移动安装在所述第一臂的远端上的远端执行器的循环部件。所述循 环部件提供一安装在所述最前面臂的近端上的致动器，因此在所述最前面臂 上的任何惯性矩都足够小，从而使得所述第一臂可以稳定地操作。另外，力 矩要足够小以防止所述臂弯曲。所述循环部件并不局限于用于产生循环运动 的部件，其同样可以是通过所述致动器往复运动的部件。所述臂可以包括与所述水平臂平行延伸的辅助臂，和分别连接到所述水 平臂和所述辅助臂远端的连接件，并且所述水平臂、所述辅助臂和所述连接 件共同组成并行链接机构。所述并行链接机构可以有效地进一步降低所述臂 由于自重和工件的重量所产生的任何翘曲。所述多关节型机器人可以进一步包括分别安装在所述水平臂和所述辅个臂的旋转式驱动源的尺寸相对较小，因此所述旋转式驱动源的布局可以有 很大的设计自由度。助臂的远端，所述臂进一步包括在相对于所述枢轴在其远端侧上连接到所 述连接件上的第二臂。因此，用于驱动第二臂的致动器可以不受所述水平臂 和所述辅助臂的枢轴的影响而根据布局自由放置。所述第二臂在贯穿于其中一个所述枢轴的线上连接到所述连接件上，该线与连接所述水平臂的所述枢轴和所述辅助臂的所述枢轴的连线垂直。因 此，第二臂由于自重和工件的总重量所引起的任何翘曲将会由于并行链接机 构的宽度而降低。6所述多个臂包括一连接在所述水平臂前面的臂，并且所述臂可以在连接至所述臂的近端的近端臂延伸的方向上具有一角度不可移动区域(angularly immovable range),并且与上述方向相反的方向上具有 一 角度移动区域 (angularly movable range)。在这种结构下，可以折叠所述臂以用于在很小的 空间中传送工件。下面通过结合示范性例子来图示本发明的优选实施例的附图来更好地 阐述本发明的上述和其它目的、特点和优势。


图1是根据本发明的一个实施例所述的多关节型机器人的透视图； 图2是根据本发明的该实施例所述的多关节型机器人的平面图； 图3是根据本发明的该实施例所述的多关节型机器人的剖面部分的侧面 视图；图5是多关节型机器人第三臂的水平剖面图； 图6是接合装置的不完全视图；图7是多关节型机器人的远端执行器设置在加工单元的工件上的平面图；图8是多关节型机器人把工件从一个加工单元传送到另一个加工单元 时的平面图；图9是已经把工件放置在另一个加工单元时的多关节型机器人的平面图；图10A是多关节型机器人处于从加工单元卸下工件的状态时的平面示 意图；图10B是从加工单元卸下工件状态下的远端伸出部和第一臂的正面示意图；图10C是从加工单元卸下工件状态下的远端伸出部和连接件的正面示 意图；图IOD是从加工单元卸下工件状态下的臂装置的正面示意图； 图11A是多关节型机器人处于把工件装载到另一个加工单元状态下的 平面示意图；图11B是把工件装载到另一个加工单元状态下的远端伸出部和第一臂正面示意图；图11C是把工件装载到另一个加工单元状态下的远端伸出部和连接件 的正面示意图；和图12是多关节型机器人的平面图，其中第一臂和辅助臂朝向前方，远 端伸出部向左或向右延伸。
具体实施方式
下面，参考图1到12来详细描述根据本发明的实施例所述的多关节型 机器人。在接下来的说明中，由旋转移动所产生的动态旋转力称为"惯性力 矩"，并且由重力或类似力向下所产生的静态旋转力称为"静力矩"或简单 地称为"力矩"，因此，这些力就可以彼此加以区分。如图1所示，根据本发明的实施例所述的多关节型机器人通常用10表 示，该机器人用于把工件W从一个加工单元12卸下，并将工件W装载到另 一个力口工单元14上。多关节型机器人10包括一对平行上升和下降装置16a、 16b， 一可由上 升和下降装置16a、 16b上升和下降的支承板(支承构件)18, —连接到支承板 18的臂装置20,和一设置在臂装置20远端的远端执行器59。多关节型机器 人10由一未显示的控制器控制上升和下降装置16a、 16b上升和下降支承板 18的距离以及臂装置20传送工件W的姿势。支承板18有一中心0，其前后方向用X轴方向表示，侧面方向用Y轴 方向表示，垂直方向用Z轴方向表示。沿X轴方向的距离和位置用X坐标如图2到4所示，上升和下降装置16a包括一上升和下降马达23, —借 助上升和下降马达23绕其自身轴线旋转的滚^^丝杠27, —旋入滚珠丝杠27 以用于在旋转的滚珠丝杠27上垂直移动的螺母24， 一用于垂直引导螺母24 的导轨25,和一用于驱动螺母24向上移动的汽缸(重力平衡装置)26。汽缸 26用于产生一力，以平衡臂装置20和支承板18所产生重力的二分之一。上升和下降装置16b在结构上类似于上升和下降装置16a。由于上升和 下降装置16b同样有一汽缸26,上升和下降装置16a、 16b共同平衡臂装置 20和支承板18的全部重力。因此，上升和下降臂装置20和支承板18所需的功率被降低。上升和下降装置16a通过一位于上升和下降装置16a下端的枢轴30a以 及一位于支承板18上端的水平滑轨32连接到支承板18上。上升和下降装 置16b通过一位于上升和下降装置16b下端的枢轴30b连接到支承板18上。 当上升和下降装置16a、 16b分别使支承板18上升和下降不同的距离时，上 升和下降装置16a的下端沿水平滑轨32水平移动，从而使支承板18和臂装 置20如箭头T所指(参见图4 )绕枢轴30b倾斜。支承板18从平面上看为一约180。的扇形(参见图2)。如图4所示，支承 板18包括两个平行的上下翼片36a、 36b,相互连接上下翼片36a、 36b的多 个加强筋38，安装在下翼片36b底面上的弧形轨道40，和通过附设于下翼 片36b底面的对应端的柱42而安装在下翼片底面上的油盘44。上下翼片36a、 36b内设多个用于减小重量的多孔46。油盘44包括一带有向上敞开的凹形横截面形状的弧形板。油盘44用于 防止油脂或类似物从后面将要描述的接合装置100中流出。弧形轨道40支撑后面将要描述的第一臂50的接合装置100(参见图6 )， 并且被安装在支承板18靠近其弧形圓周边缘的一侧上。弧形轨道40需要一 个很宽的角度以给第一臂50提供一个很宽的操作角度。例如，弧形轨道40 绕中心0的角度可以设置成90。或更大。在横向方向(Y轴方向)上移动工件W时，弧形轨道40的最大角度为180° 通常是足够的。对于多关节型机器人10来说，设置弧形轨道40和油盘44 绕中心0的角度约为180°。弧形轨道40绕中心O有一半径Rl (参见图IOA)，该半径稍小于第一 臂50的内轴长度R2 (参见图7和IOA)。优选地，R1为长度R2的至少二分 之一，因此，弧形轨道40在远端和第一臂50的中间点之间的位置处支撑第 一臂50，并且该半径尽可能接近长度R2。如图3所示，上升和下降装置16a、 16b在箭头XI所指的中心O的前 方位置上支撑支承板18,如侧视图所示。臂装置20有位于中心O前方的重 心G。重心G与上升和下降装置16a、 16b支撑支承板18的位置处的水平地 隔开一距离，该距离为一个很小的距离L0。因此，臂装置20的质量D0产 生了一小力矩MO ( = L0xD0),从而避免在上升和下降装置Ma、 16b上施 加过大的力。当关节式机器人10传送工件W时，并不把工件W移动得过于向前，而是保持一个小的X坐标。因此，重心G的X坐标保持为很小，这同样避免了在上升和下降装置16a、 16b上施加过大的力。臂装置20是一通过角移动关节连接的关节机械手(articulated robot)。 具体地说，臂装置20包括第一臂(水平臂)50、连接件52、第二臂54和第三 臂56，按照从近端向远端的顺序命名。臂装置20包括一沿与第一臂50平行 的方向延伸的辅助臂58。第一臂50和辅助臂58有可角度移动地连接到连接 件52的各自的远端。如图2所示，第一臂50沿箭头XI所示的方向在170。角度范围内可机 械地转动ei角。第二臂54沿着枢轴52a的延伸方向在350。的角度范围内可 机械地转动02角，连接件52和第二臂54可通过枢轴52a在朝向枢轴50a 的方向上转动角度，彼此连接在一起，第一臂50的远端可通过枢轴50a转 动角度连接到连接件52。第三臂56沿着枢轴54a的延伸方向可在350°的角 度范围内机械地转动e3角，第三臂56的远端可通过枢轴54a转动角度，在 朝向枢轴52a的方向上连接到第二臂54。角移动轴的角度范围在机械上很难设置成360。或更大，并且角移动轴有 一个角度不可移动区域。在通用多关节型机器人上，臂的角度不可移动区域 设置成朝向臂装置的近端，从而允许臂向臂装置的远端延伸，以给臂装置提 供一个更宽的角度移动范围。对于多关节型机器人10来说，连接到第一臂50的前方的第二臂54和第三臂56,其在连接至所述第二和第三臂的近端的各自臂延伸的各自方向上具有其各自的角度不可移动区域，以及在所述方向的相反方向上的角度移动区域。换句话说，不同于通用多关节型机器人，第二臂54和第三臂56有朝 向连接至其近端的臂装置的远端设置的各自的角度不可移动区域，和朝向如此连接的臂的近端设置的各自的角度移动区域。设置多关节型机器人10的角度移动和角度不可移动区域，使得臂可以 按照图8所示折叠在一起，以便在一个小的空间内传送工件W。但是，为了图示的目的，第二臂54和第三臂56图示或例示为能够朝向 臂装置远端延伸。第一臂50、连接件52、第二臂54、第三臂56以及辅助臂58可以由铝 (包括铝合金)、不锈钢、钢等等制成。第一臂50、连接件52、第二臂54、 第三臂56以及辅助臂58可以为箱状结构或块状结构，而且可以为铸造成型或模塑成型。第一臂50和辅助臂58在形状上彼此类似，并且有相同的内轴长度R2。 第一臂50、辅助臂58和连接件52共同组成并行链接机构。用于吸取工件 W的远端执行器59安装在第三臂56的远端。第一臂50的近端可枢转地支撑在支承板18的中心O上，并且其角运动 可由马达(旋转驱动源)60a驱动。辅助臂58的近端可枢转地支撑在支承板18 的右端面上(如图2的平面图所示)，并且其角运动可由马达(旋转驱动源)60b 驱动。由于并行链接机构是由这两个马达60a、 60b所驱动，因此每个马达 60a、 60b的尺寸可以很小，并且其布局的设计可以有更大的自由度。马达 60a、 60b及其他后面部分将要描述的马达可以与各自的减速器，比如齿轮相 连。
第一臂50和辅助臂58设置在支承板18的下面，马达60a、 60b安装在 支承板18的上面并向上突起。连接件52基本上为L型，其包括一通过枢轴50a使其远端角度可转动 地连接到第一臂50远端的较短的部分，和一通过枢轴58a使其远端角度可 转动地连接到辅助臂58的较长的部件。第二臂54的近端通过枢轴52a可角度转动地支撑在L型连接件52的中 间角上，并且其角运动可由马达(旋转驱动源)62驱动。第二臂54设置在 连接件52的下面，马达62安装在连接件52的上面并向上突起。把第二臂54连接到连接件52上，使其相对于第一臂50的枢轴50a和 辅助臂58的枢轴58a在臂装置20的远端一侧。因此，驱动第二臂54的马 达62可以根据布局自由放置，而不受第一臂50的枢轴50a和辅助臂58的 枢轴58a的影响。从连接件52向上突起的马达62不受第三臂56的物理干 涉。第二臂54在线Lp上连接到连接件52，该线沿L型关节52的较短部分 贯穿枢轴50a并且与连接第一臂50的枢轴50a和辅助臂58的枢轴58a的连 线垂直。并行链接机构的宽度E降低了第二臂54由于自重和工件W的总重 量H(参见图IOA)所产生的任何翘曲。每个第一臂50、第二臂54和连接件52都具有在其内设有加强筋的箱状 结构。因此，第一臂50、第二臂54和连接件52都是轻便而稳固的。如图3和4所示，第三臂56包括一短的近端部件56a和一从近端部件56a水平延伸的伸出部件56b。近端部件56a角度可转动地支撑在第二臂54 的远端，并且其角运动可由马达(旋转驱动源)64驱动。近端部件56a设置在 第二臂54的下面，马达64安装在第二臂54的上面并向上突起。由于驱动第三臂56和远端执行器59的马达64是轻型的，因此马达64 的尺寸可以很小，并且不会与第一臂50、辅助臂58和连接件52的底面产生 物理干涉。伸出部件56b角度可转动地安装在近端部件56a上，并且借助马达66 进行扭矩旋转。伸出部件56b从近端部件56a的端面延伸。马达66安装在 与伸出部件56b乂人近端部件56a延伸的端面相反的表面上。马达66与伸出 部件56b同轴安装。如图3所示，第一臂50、第二臂54、连接件52和辅助臂58是角度可 移动的或水平可移动的。第三臂56借助马达66扭转。换句话说，在臂装置20中，在最前面端面上的连接是水平角度可移动 和扭矩可移动的，而除在最前面端面的连接之外的连接则是水平角度可移动 的。在这种结构中，由于臂50、 54、 56、连接件52和辅助臂58的中心轴 线不是垂直移动的，因此臂装置20与，例如，另一个上部装置67 (参见图 3 )是没有物理干涉的，从而可以通过这种上部装置67来有效地利用空间。如图4和5所示，第三臂56有一连接了一角度可移动的远端执行器59 的安装在其远端的轴70， 一用于驱动远端执行器59的马达72， 一在伸出部 件56b上纵向延伸并用于从马达72到轴70传递旋转运动的链条(循环部件) 74,和一安放在伸出部件56b中的压缩空气加压机构76。马达72安装在伸 出部件56b靠近近端的顶面上。由于远端执行器59是轻型的，因此马达72 的尺寸可以很小，并且与第二臂54的底面不会产生物理干涉。链条74与安装在马达72的可旋转轴上的从动链轮78保持啮合。链条 74同样与安装在与远端执行器59耦合的轴70上的从动链轮80保持啮合。 因此，当马达72被激励时，远端执行器59绕轴70转动。链条74的张力通 过相对于链条74设置的多个张紧装置82来调整。使用链条74来借助马达72的功率来驱动远端执行器59,就可以使马达 72安装在第三臂56的近端上。因此，第三臂56的惯性力矩被降低以用于稳 定其上的运动。第三臂56的静力矩同样被减小以降低臂装置20的臂上的任 何翘曲。伸出部件56b具有一薄的箱状结构以用于在其中安放链条74，并且该结 构是轻质而非常稳固的。压缩空气加压机构76设置在靠近马达72的位置处。远端执行器59包括多个管相互连接而形成的用于吸取大面积工件W的 网格图形，和在管底面上的多个(例如，八个)真空吸头84。真空吸头84 被由压缩空气加压机构76独立地控制。如果工件W的尺寸很小，则只有那 些位于远端执行器59的中心区的真空吸头84通过压缩空气加压机构76的 操作来吸取工件W。如果工件W的尺寸很大，则全部真空吸头84通过压缩 空气加压机构76的操作来吸取工件W。真空吸头84通过压缩空气加压机构 76连接到吸力装置，比如真空泵、射流泵等等。远端执行器59可以用另外 的根据工件W的形状而有不同形状的远端执行器来代替。下面将参考图6来描述第一臂50被支撑在支承板18上的结构。接合装置IOO通过设置在第一臂50的顶面上的弧形轨道40而被支撑在 支承板18上。接合装置100包括两个设置在第一臂50的顶面上的滑块102， 一固定在滑块102各自顶面上的平板104和两个设置在平板104顶面上的导 轨106。平板104有一中心孔以使其本身轻便。导轨106有各自的保持器以 在其中提供各自的循环路径，和沿着每个循环路径系列设置的多个滚珠。滚 珠固定在与弧形轨道40接合的辊子中。因此，当滚珠辊子沿保持器的循环 路径时，导轨106可以沿弧形轨道40平滑地滑动。注油嘴107设置在导轨106的侧面上，用于给滚珠和弧形轨道40的滑 动面提供油脂，从而润滑滚珠和滑动面并使其免受腐蚀。导轨106彼此平行设置，并与弧形轨道40相接合，以便使其中的滑动 变得平滑，从而使得第一臂50能够平滑地进行角度移动。弧形轨道40有一 对限定在其各自的相对侧的凹槽40a,并且导轨106上有与凹槽40a相接合 的顶106a。由于顶106a接合于凹槽40a中，第一臂50和接合装置100被支 承板18所悬挂并支撑。但是，第一臂50可以支撑在一较低部件上，而不是悬挂于支承板18。贯穿缺口 108被水平限定在102之间，垂直限定在第一臂50和平板104 之间。油盘44贯穿于贯穿缺口 108中。油盘44支撑于两个辊子单元110上， 该辊子单元设置在油盘44下面的第一臂50各自相对的表面上。辊子单元 110与油盘44相对辊子单元IIO移动的方向一致。虽然图6中只显示了辊子 单元110中的一个，辊子单元110实际上是对称形状的，从而，另一辊子单元110未示出。下面将要描述关节式机器人IO把工件W从加工单元12传送到加工单元 14的工序。假设加工单元12在左边位置，加工单元14在右边位置，加工单元12、 14彼此间隔的距离基本上与多关节型机器人10传送距离的最大值相同，并 且支承板18的中心O位于加工单元12、 14的中间。首先，如图7所示，移动臂装置20使远端执行器59位于加工单元12 中的工件W上面。特别地，第一臂50和辅助58顺时针转动角度，直到接 合装置100到达靠近弧形轨道40左端的位置处，并且第二臂54和第三臂56 延伸到左边。转动远端执行器59使其与工件W的形状和倾角相匹配。具体 地说，根据工件W的形状和倾角通过马达72来弯曲第三臂56。必要时，可 以改变上升和下降装置16a、 16b的高度来倾斜支承板18和臂装置20,如箭 头T所示(参见图4 )。然后，上升和下降装置16a， 16b相互同步运转来下降支承板18和臂装 置20以使远端执行器59朝向或与工件W的顶面邻接。然后，压缩空气加压机构76抽空一部分或全部真空吸头84，从而在吸 力的作用下吸取工件W。之后，上升和下降装置16a, 16b再次相互同步运 转来上升支承板18和臂装置20，以便从加工单元12卸下工件W。如图8所示，当多关节型机器人IO从加工单元12到加工单元14传送 工件时，臂装置20的臂协同运转，以使工件W按照从加工单元12到加工 单元14之间的基本上最短距离来移动。特别地，第一臂50和辅助臂58逆 时针转动角度，弯曲第二臂54和第三臂56并收回适当的角度。驱动远端执行器59使其与臂装置20的操作同步，从而使工件W基本 上保持在恒定的状态。如果第二臂54和第三臂56都如虚线所示向前延伸，则即使工件W基 本上保持在恒定的位置上，由于工件W沿弧形路径移动，臂装置20将产生 惯性力矩并因此变得不稳定。此外，由于工件W向前突出超过了传送临界 线150，多关节型机器人IO将需要很宽的空间来传送工件W。此外，当第二 臂54、第三臂56和工件W从第一臂50、辅助臂58和支承板18向前突出很 多时，该臂装置20将产生很大的惯性力矩和很大的静力矩，从而导致第一 臂50、辅助臂58和支承板18的翘曲。即使第二臂54和第三臂56如虚线所示向前突出，其仍然可以使工件W 的位置和路径保持与第二臂54和第三臂56收回时同样的位置，从而使工件 W保持在传送临界线150之内。但是，当第二臂54和第三臂56从第一臂 50和辅助臂58向前突出很多时，臂装置20将产生一定的惯性矩和一定的静 力矩，从而引起第一臂50、辅助臂58和支承板18的翘曲。根据本发明，如图8实线所示，折叠臂装置20并在不向前突出的情况 下传送工件W。因此，可以有效利用关节式机器人10前面的空间，并且对 第一臂50、辅助臂58和支承板18施加一小的惯性矩和小的静力矩。折叠并向后收回第二臂54和第三臂56时，工件W沿一直线轨迹传送 并且不会转向一弧形轨迹。因此，工件W不易产生惯性矩。第二臂54和第 三臂56同样不会转向弧形轨迹，因此也不易产生惯性矩。当工件W保持在恒定位置传送时，工件W不会绕自身的轴线旋转，因此 也就更不易产生惯性矩。如此也就可以稳定地传送工件W。折叠并向后收回第二臂54和第三臂56时，可以有效地利用关节式机器 人IO前面的空间。由于第二臂54和第三臂56不必向前突出，在第一臂50、 辅助臂58和支承板18上的任何惯性矩和静力矩都很小，因此第一臂50、辅 助臂58和支承板18的应力减小。传送工件W时，臂装置20、远端执行器59和工件W只是水平移动，而 并不垂直移动。因此，除了臂装置20、远端执行器59和工件在其中移动所 需的空间之外的所有空间都是可以随意使用并有效利用的。传送工件W时，由于连接件52、第一臂50和辅助臂58共同组成并行 链接机构，因此可以机械地使这些臂保持在恒定位置，并且可以轻易地控制 它们。如图9所示，连续操作臂装置20来传送工件W，直到把工件W放置在 加工单元14中。具体地说，逆时针转动第一臂50和辅助臂58的角度，直 到接合装置100到达靠近弧形轨道40的右端位置，并且第二臂54和第三臂 56伸至右侧。转动远端执行器59，使工件W的朝向与加工单元的朝向一致。 根据加工单元14的安装表面的倾角，借助马达72扭转第三臂56。必要时， 可以改变上升和下降装置16a、 16b的高度以便按箭头T的方向(参见图4) 来倾斜支承板18和臂装置20。之后，同步操作上升和下降装置16a、 16b,以下降支承板18和臂装置1520。然后，停用真空吸头84使工件W在加工单元14上松开，从而4巴工件W 完全卸在加工单元14中。之后，操作上升和下降装置16a、 16b，把臂装置 20上升到一适当的高度，并把臂装置20移动至一预定的等待位置。在图7和8所示的位置中，第二臂54和第三臂56看上去从第一臂50、 辅助臂58和支承板18上突出很多，因此，会产生了一很大的力矩从而引起 了自身的翘曲。但是，在该多关节型机器人10中，支承板18支撑第一臂50 的结构及并行链接^/L构中包括辅助臂58和连接件52,这些都有效地避免了 力矩的产生以及由此引起的翘曲。下面，将详细解释支承板18支撑第一臂 50的结构和并行链接机构能够有效地避免力矩的产生以及由此引起的翘曲 的原因。图IOA与图IOB到IOD相比，示意出了工件W/人加工单元12上卸下来 的方式。在图10A中，第一臂50正好伸向左侧。第一臂50和辅助臂58 通过各自的关节P1、 P2连接到连接件52,接合装置100位于P3位置处。 连接件52通过关节P4连接到第二臂54,第二臂54通过关节P5连接到第 三臂56。第三臂56的轴70位于P6位置，辅助臂58绕中心P7可角度转动。 第二臂54、第三臂56、远端执行器59和工件W—起被称为远端延伸部160。关节Pl、以及表示并行链接机构的水平宽度的P2间的距离，或中心0 与中心P7之间的距离，由E、臂装置20的重心G和臂装置20的总质量H 表示。为了简洁起见，重心G和总质量H中包括了工件W和远端执行器59。图10B示意说明了包括第一臂50和所例示的远端延伸部160的多关节 型机器人IO朝向左边时的情形。从图IOB中可以看出，臂装置20的近端位 于中心O上，作用于臂装置20的力矩M1可以用Ll xH的乘积表示，其中， Ll为中心O到重心G的距离，H为总质量。力矩Ml作用于中心O时，容 易使臂装置20按虚线方向产生很大的翘曲。但是，在多关节型机器人10中， 由于第一臂50通过接合装置100在P3位置被支撑在支承板18上，此时， 实际上用L2x(H-Hl)的乘积来表示力矩Ml，即，用位置P3到重心G的距 离L2 (也就是说，L1-R1)和总质量H与第一臂50的质量Hl的差值的乘积 来表示Ml，并把Ml施加到位置P3上。因此，从转轴到重心G的距离L2小于距离Ll,在没有接合装置100时， 小一个半径R1的值，同时其所涉及的质量用H-H1表示。这样就降低了力 矩Ml的值，同时施加在臂装置20上的应力也被降低。由于第一臂50被支撑在两个位置上，即中心0和位置P3上，这两个位 置彼此间隔开，如果第一臂50具有足够高的刚性，则第一臂50远端上的关 节Pl就可以更稳定地安装。如果把远端伸出部160和第一臂50看作一单个的横梁，则该横梁被支 撑在两个位置上，即，中心0和位置P3，而且该横梁由于中心O所产生用 于抵消力矩Ml的反作用力Fl而保持稳定。在图10B所示的例子中，反作 用力Fl表示为F1 = M1/R1。实际上，由于稍后将要描述的反作用力F2与反 作用力Fl共同作用，因此反作用力Fl的值远小于M1/R1。从上述分析可以理解到，半径R1的值应该尽可能接近中心O和关节Pl 之间的长度R2。虽然很难在设计条件下使半径Rl和长度R2相等，但是， 半径Rl应该为长度R2的二分之一或者更大，或者更优选为长度R2的3/4 或更大，以便实现上述优势。第一臂50通过接合装置100被支撑在支承板18上，这种结构所具有的 优势不仅在于远端伸出部160延伸至左侧，更在于传送工件W时，远端伸出 部160 4安图8所示虛线方向向前延伸。图10C示意说明了包括连接件52和所例示的远端伸出部160的多关节 型机器人IO朝向左边时的情形。如图10C所示，本实施例中所作用的力矩 M2表示为L3x(H-H2)，即从关节P1(P4)到重心G的距离L3和总质量H 与连接件52的质量H2的差之间的乘积，并且施加该力矩M2于关节Pl (P4) 上。如上所述，关节Pl安装得很稳定。如果臂装置20不是通过关节P2来 支撑，则远端伸出部160将只需要关节Pl (和关节P4)来支撑。施加力矩 M2容易使臂装置20按虛线方向产生很大的翘曲。但是，在多关节型机器人 10中，如果把连接件52和远端伸出部160看作一单个的横梁，则该横梁被 支撑在两个位置上，即，关节Pl (和关节P4)和关节P2，而且该横梁由于关 节P2所产生的用于抵消力矩M2的反作用力F2而保持稳定。在图IOC所 示的例子中，反作用力F2表示为F2=M2/E。实际上，由于上述的反作用力 Fl与反作用力F2共同作用，因此反作用力F2的值远小于M2/E。为了更易于理解本发明，图IOB和10C中所描述的臂装置20是不同的。 但是，图10D所示的组合实施例可以用于臂装置20。在图IOD所示例子中， 合成力矩Ma作用于位置P3上，并在中心O处被反作用力Fl所抵消，在关节P2处被反作用力F2所抵消，从而稳定了臂装置20。图IIA与图IIB和IIC相比，示意出了工件W^Mv加工单元14上卸下来 的方式。在图11A中，第一臂50正好向右延伸。图11B示意说明了包括第一臂50和所例示的远端延伸部分160的多关 节型机器人10朝向右侧时的情形。图11B所示的第一臂50和远端伸出部 160是图IOB所示的水平逆转图。从图IIB中很容易看出，第一臂50通过 接合装置100支撑于支承板18上，这种结构的优势同样可以从图11B所示 的例子中得到。图11C示意说明了包括连接件52和所例示的远端伸出部160的多关节 型机器人IO朝向右侧时的情形。如图11C所示，本实施例中所作用的力矩 M3表示为L4x(H-H2)，即从关节P1(P4)到重心G的距离L4和总质量H 与连接件52的质量H2的差之间的乘积，并且施加该力矩M3于关节Pl (P4)上。如果臂装置20不是通过关节P2支撑，则远端伸出部160将只需要关节 Pl (和关节P4)来支撑。施加力矩M3容易使臂装置20按虚线方向产生很 大的翘曲。但是，在多关节型机器人10中，如果把远端伸出部160和连接 件52看作一个横梁，则该横梁被支撑在两个位置上，即，通过关节P1 (和 关节P4)和关节P2，而且该横梁由于关节P2所产生的用于抵消力矩M3的 反作用力F3而保持稳定。在图11C所示的例子中，反作用力F3表示为 F3=M3/E。实际上，由于上述反作用力F1与反作用力F3共同作用，因此反 作用力F3的值远小于M3/E。当远端伸出部16按图10C和11C所示伸向左边或右边时，用关节P2 来支撑连接件52所具有的优势更明显，其足以使工件W从加工单元12上 稳定地卸下来并稳定地装入右侧的加工单元14中。不管第一臂50和辅助臂 58的角坐标如何，都能实现上述优势。例如，即使第一臂50和辅助臂58 朝向前方，当远端伸出部160伸向左侧或右侧时，同样具有上述优势。根据当前实施例所述的多关节型机器人10,如上所述，弧形轨道40支 撑第一臂50的水平角运动，以减少臂装置20由于自重和其上所传送的工件 W的重力而产生的翘曲。即使臂装置20的总长很长，多关节型机器人10也 可以远距离精确传送工件W。由于弧形轨道40所支撑的第一臂50靠近臂装置20的近端，因此，可以确实P务低臂装置20的任何翘曲。第一臂50、平行于第一臂的辅助臂58、连接到第一臂50远端的连接件 52和辅助臂58共同组成并行链接机构。当并行链接机构基本上与连接件52 (Y轴方向)的延伸方向相同时，可以有效地支撑远端伸出部160，因此臂 装置20的任何旋转和翘曲都将被进一步减少。由于可以通过单个多关节型机器人10在加工单元12和加工单元14之 间传送工件W,因此可以经济地构造整个多关节型机器人系统，同时该系统 只占一个更小的安装空间。该多关节型机器人10可以快速传送工件W，而 不必往返于小车来移送工件W。由于工件W不需要从小车移送，因此该多 关节型机器人10不需要与小车同步操作，从而可以通过一个简单的控制过 程来控制。可以基于程序来改变臂装置20的位置，从而柔性改变所传送的 工件W的距离和位置。该多关节型机器人IO适用于加工单元12、 14变化的 场合。传送工件W时，该臂装置20基本上沿水平面移动，并不以所谓的关节 向上姿势垂直移动。因此，该多关节型机器人10只需要很小的空间来移动 臂装置20。由于该多关节型机器人10带有上升和下降装置16a、 16b来总体上升和 下降支承板18和臂装置20，因此，该多关节型机器人IO可以轻易地往返于 加工单元12、 14来移送工件W,并且可以无障碍地轻易移动工件W。由于 该臂装置20并未呈所谓的关节-向上姿势垂直移动，因此可以有效地利用臂 装置20周围的空间。第二臂54在线Lp上连接到连接件52,其中该线Lp垂直于第一臂50 远端枢轴与辅助臂58的连线。并行链接机构的宽度E降低了第二臂54由于 自重和工件W的总重量所产生的任何翘曲。虽然已经图示并详细描述了本发明的优选实施例，但是，可以理解的是， 由此所做的各种变化和修改并未脱离所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种多关节型机器人，包括通过角活动关节连接的多个臂；所述多个臂包括一可绕自身的一点在水平方向转动角度的水平臂(50)；和一具有与所述水平臂(50)的所述点同轴心的弧形的支承构件(18)，所述水平臂(50)的一部分可滑动地支撑在所述支承构件(18)上。
2. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述支承构件U8)包 括一与所述水平臂(50)的所述部分接合的轨道(40)。
3. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述水平臂(50)的所 述部分在该水平臂的远端和中心之间的位置处被所述支承构件(18)支承。
4. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述水平臂(50)的所 述部分可滑动地支撑在所述支承构件(18)上，以便在90。到180。范围内作 角运动。
5. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，还包括用于垂直移动 所述支承构件(18)的上升和下降装置(16a、 16b)。
6. 如权利要求5所述的多关节型机器人，其中，所述上升和下降装置 (16a、 16b)具有重力平衡装置(26),用于平衡所述水平臂(50)和所述支承 构件(18)的重力。
7. 如权利要求5所述的多关节型机器人，其中，所述上升和下降装置 (16a、 16b)包括两个平行的上升和下降装置(16a、 16b)，该装置通过改变所述上升和下降装置(16a、 16b)垂直移动所述支承构件(18)的各个距离 来倾斜所述支承构件(18)。
8. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述多个臂包括一可水 平角转动和/或扭转的第一臂，并且除了所述第一臂外的其它臂均可在水平方 向转动角度。
9. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述臂包括第一臂，所 述第一臂具有用于吸取工件(W)的真空装置(84)。
10. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述臂包括第一臂，且 其中，所述第一臂包括一在其上纵向延伸的用于使安装在所述第一臂的远端上的所述远端执行器(59)变化角度地移动的循环部件(74)。
11. 如权利要求5所述的多关节型机器人，其中，所述上升和下降装置 (16a、 16b)设置在所述支承构件(18)的上面并连接到所述支承构件上，所 述水平臂(50 )设置在所述支承构件(18 )的下面并连接到所述支承构件上。
12. 如权利要求11所述的多关节型机器人，其中，所述上升和下降装置 (16a、 16b)在所述水平臂(50)连接到所述支承构件(18)的位置的前方连 接到所述支承构件(18)上，如侧视图所示。
13. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述多个臂包括 与所述水平臂(50)平行延伸的辅助臂(58);和 分别连接到所述水平臂(50 )和所述辅助臂(58 )的远端上的连接件(52 ); 所述水平臂(50)、所述辅助臂(58)和所述连接件(52)共同组成并行链接机构。
14. 如权利要求13所述的多关节型机器人，其中，还包括 分别安装在所述水平臂(50)和所述辅助臂(58)上的用于可变化角度地移动所述并行链接机构的旋转式驱动源。
15. 如权利要求13所述的多关节型机器人，其中，所述连接件(52)通 过其上的各个枢轴分别连接到所述水平臂(50)和所述辅助臂(58)的远端 上，所述多个臂进一步包括在相对于所述枢轴位于远端一侧上连接到所述连接件(52)上的第二臂 (54)。
16. 如权利要求15所述的多关节型机器人，其中，所述第二臂(54)在 沿其中一个所述枢轴延伸的线上连接到所述连接件(52)上，该线与连接所述水平臂(50)的枢轴和所述辅助臂(58)的枢轴的连线垂直。
17. 如权利要求1所述的多关节型机器人，其中，所述多个臂包括一连接 在所述水平臂(50)前面的臂，并且，所述臂在连接至所述臂的近端的近端 臂延伸的方向上具有角度不可移动区域，并且在所述方向的相反方向上具有 角度可移动的区域。
全文摘要
本发明涉及一种多关节型机器人(10)包括可水平角度移动的第一臂(50)，与第一臂(50)角度移动中心同轴心的扇形支承板(18)，与第一臂(50)平行的辅助臂(58)，和分别连接到第一臂(50)和辅助臂(58)远端上的连接件(52)。弧形轨道(40)安装在支承板(18)上。第一臂(50)、辅助臂(58)和连接件(52)组成并行链接机构。弧形轨道(40)与安装在第一臂(50)顶面上的接合装置(100)接合。第二臂(54)角度可移动地连接到连接件(52)，并且第三臂(56)角度可移动地连接到第二臂(54)的远端。用于吸取工件(W)的远端执行器(59)连接到第三臂(56)的远端。
文档编号B25J9/06GK101327587SQ20081014469
公开日2008年12月24日 申请日期2008年3月3日 优先权日2007年3月1日
发明者田中努, 砂博信, 铃木雅尚 申请人:本田技研工业株式会社;株式会社小矢部精机