专利名称：机械手臂的腕关节结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械手臂结构，特别是涉及一种机械手臂的腕关节结构。
背景技术：
生产制造、仓储管理、智慧看护等各种不同的领域中，机器人(Robot)或机械手臂 (Robot arm)的应用都已变得十分广泛。机器人或机器手臂一般由多个支臂互相连结的结 构所构成，其中，通过对支臂互相连结的各关节进行驱动，而分别对各支臂的枢转动作进行 控制。一般关节型工业用机器人通常具备有六个旋转轴，其中四个旋转轴为机械手臂的 旋转轴，作为大范围大角度的移动，另外两个旋转轴为机械手臂的腕关节，作为夹持、取料 等定位、定向的功用。如美国第5178031号专利案揭露了一种工业用机器人腕关节构造，其 腕关节部分仅由单边支撑，在荷重过大时，将影响腕关节的旋转运动。再者，该案的腕关节 处的旋转马达为外露，并无法在危险环境(如油气、水气)中作业。另如美国第7(^8578号专利案揭露了一种机器人腕关节驱动装置，其三个旋转轴 皆使用驱动马达带动一齿轮系，再由齿轮系输出至减速机作传动，然而该案以多数个轴承 及齿轮元件作为传动界面，组装困难且成本较高。又如美国第5231889号专利案揭露了一种工业用机器人腕关节构造，其腕关节位 于手臂两侧孔中间，两侧的通孔置入两轴承，手臂外侧再以压制盖固定，右侧马达的旋转轴 通过皮带连接至腕关节的旋转轴。该案右侧马达直接固定于手臂内侧臂上，腕关节的旋转 轴焊接固定于腕关节上，因此右侧马达与腕关节的旋转轴相对距离为固定，然而右侧马达 通过皮带传动腕关节的旋转轴，皮带有其使用寿命，当皮带疲乏时，将导致腕关节的动作无 法定位，而仅能通过更换新的皮带来解决定位不确实的问题。再者，一般的机械手臂皆需配 置减速机，减速机可将马达输出回转数减速到所要的回转数，以得到较大扭矩，该案右侧马 达所需配置的减速机，然而该案的腕关节的旋转轴直接焊接固定于腕关节上，再通过轴承 作为降低摩擦介面，也就是该案的机构设计并无适当的位置来装设减速机，若是再通过额 外的机构来装设减速机，势必将使得机械手臂的结构更为复杂，并且增加所需零组件而导 致成本增加。又，若再通过额外的机构将减速机的输出传递至腕关节上，额外的机构所造成 的传递损失将使得腕关节无法获得预定的转矩，也导致腕关节的动作无法确实执行。
发明内容
现有关节型工业用机器人的机械手臂，机械结构复杂且零组件众多，安装不易且 费时，导致生产及维修成本增加。有鉴于此，本发明提出了一种减速机直接驱动腕关节的机 械手臂的腕关节结构。根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其包括有一前臂体、一第一旋转组成、 一腕体及第二旋转组成。第一旋转组成设置于前臂体内，以驱动腕体以一第一旋转轴向相 对于前臂体进行旋转运动，第二旋转组成设置于腕体内，以驱动一工件以一第二旋转轴向相对于腕体进行旋转运动。其中的第一旋转组成包括有第一马达、一固定座、一传动机构、一第一减速机及一 轴承机构。第一马达通过固定座装设于前臂体，并且以一调整座调整固定座相对位置。第一 马达以传动机构输出旋转动力至第一减速机，第一减速机则直接固定于前臂体的一侧上， 限制第一减速机轴向与径向运动自由，并且第一减速机的输出轴直接固定于腕体，即可以 预定的减速比直接驱动腕体，以获得预定的扭矩。其中的第二旋转组成包括有一第二马达、一连接座及一第二减速机，第二马达装 设于腕体内，并由连接座连接第二马达与第二减速机，使第二马达被封闭于腕体内，以保护 第二马达。根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，第一马达与前臂体可通过固定座及调 整座调整相对位置，以通过传动机构获得最佳的旋转动力输出，而第一减速机直接固定于 腕体，将可获得预定的扭矩输出，为机械手臂的腕关节结构最佳设计。有关本发明的详细特征与实作，兹配合附图在实施方式中详细说明如下，其内容 足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的 内容及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图1A、图IB为本发明结构分解示意图
图2A为本发明结构组合示意图2B为本发明结构剖面示意图；及
图3A、图;3B为本发明应用示意图。
主要元件符号说明
10前臂体
101腕连接端
102上臂连接端
103腔室
11,11'接腕部
111第一沉孔
111，第二沉孔
112螺孔
12,12'开口
121螺孔
20第一旋转组成
21第一马达
211输出轴
22固定座
221前墙
222,223侧墙
2221圆形开口
2222螺孔224底墙2241螺孔225,226翼部2251、2252、2261、2262 长导槽23调整座231底部232头部2311螺孔2321调整孔233调整螺杆24第一减速机241输入轴242输出轴243螺孔2421螺孔25传动机构251第一皮带轮252第二皮带轮253皮带26轴承机构261轴7 262连接环263扣环2621螺孔2622扣槽30腕体301第一圆端面301，第二圆端面303腔室3011螺孔3011，开口3012，螺孔304开 口3041螺孔40第二旋转组成41第二马达42连接座43第二减速机
50150250350450550660
环
玆一玆一玆一玆一玆一玆一封
螺螺螺螺螺螺密
具体实施例方式根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其中机械手臂为模拟人类手臂的动作 由多个支臂互相连结的结构所构成，而机械手臂的控制即是对于各支臂的枢转动作进行控 制。模拟人类手臂的机械手臂也包括有肩膀(Sioulder)、上臂(Upper arm)、前臂O^ore arm)、腕关节(Wrist)、手掌(Hand)及手指(Finger)，而在以下具体实施例中，以前臂与腕 关节连接关系作为本发明最佳实施例，然在本发明所揭露的技术特征下，并不以前臂与腕 关节连接关系为限。请一并参阅图1A、图1B、图2A、图2B所示，根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结 构，其包括有一前臂体10、一第一旋转组成20、一腕体30及一第二旋转组成40。前臂体10大致上呈中空长矩形体，一端为腕连接端101，另一端为上臂连接端 102，中空长矩形体内具有一腔室103。在腕连接端101处具有两相对的接腕部11、11’，接腕 部11、11，各别开设有一第一沉孔111及一第二沉孔111，，第一沉孔111及第二沉孔111， 周缘处设有多个螺孔112。又，于前臂体10对应第一沉孔111及第二沉孔111’的两侧壁处 各设有一开口 12、12’，在开口 12周缘处设有多个螺孔121。第一旋转组成20包括有一第一马达21、一固定座22、一调整座23、一第一减速机 对、一传动机构25及一轴承机构26。第一马达21用以提供旋转动力，第一马达21并具有一输出轴211。第一马达21 以固定座22装设于前臂体10，其中固定座22大概呈π字型，具有一前墙221、两侧墙222、 223及一底墙224，于侧墙222、223端缘并各延伸有一翼部225、226。前墙221具有一圆形 开口 2221，圆形开口 2221周缘具有多个螺孔2222，第一马达21通过多个螺丝501锁入螺 孔2222而装设固定于固定座22上，第一马达21输出轴211并伸出于圆形开口 2221。于固 定座两翼部225、2沈上设置有多个长导槽2251、2252、2261、2沈2，将固定座22对应于前臂 体10的开口 12，以多颗螺丝502穿过长导槽2251、2252、2261、2262而锁入于开口 12周缘 的螺孔121，以第一马达21设置于前臂体10的腔室103内。固定座22通过长导槽2251、 2252,2261,2262及螺丝502的配置，使固定座22可以相对于前臂体10上下移动。又，于固 定座22的底墙2Μ处开设有一螺孔2241。调整座23大概呈T字型，调整座23具有一底部231及一头部232，底部231设有 多个螺孔2311，头部232设有一调整孔2321。调整座23设置于固定座22的下方并相隔一 间距，调整座23并以底部231装设于前臂体10的侧壁，并以多颗螺丝503由底部231的螺 孔2311锁入于前臂体10侧壁的螺孔112。而以一调整螺杆233由调整座23的调整孔2321 旋入于固定座22的螺孔2241，旋转调整螺杆233，即可带动固定座22上下移动。
第一减速机M具有一输入轴241及一输出轴M2，在第一减速机M周缘开设有多 个螺孔对3，在输出轴242上设有多个螺孔M21。第一减速机M装设于前臂体10的第一 沉孔111，通过多颗螺丝504穿过第一减速机M的螺孔243锁入于前臂体10的螺孔112， 使第一减速机M直接固定于前臂体10。传动机构25包括有一第一皮带轮251、一第二皮带轮252及一皮带253。第一皮 带轮251装设于第一马达21的输出轴211，第二皮带轮252装设于第一减速机M的输入轴 M1，皮带253套设于第一皮带轮251与第二皮带轮252，以使第一马达21的旋转动力传递 至第一减速机25。另外，旋转调整螺杆233带动固定座22上下移动，即可调整第一皮带轮 251与第二皮带轮252的相对距离，以调整皮带253的最佳松紧程度进行动力传递。轴承机构沈包括有一轴承沈1、一连接环262及一扣环沈3。轴承沈1、连接环262 及扣环沈3皆为中空环体。轴承261装设于前臂体10的第二沉孔111，，连接环262套设于 轴承内，连接环沈2内具有多个螺孔沈21，连接环262并设有一扣槽沈22，扣环263卡 扣于扣槽沈22，使连接环沈2以可旋转的关系设置于前臂体10的第二沉孔111，。腕体30大致上呈中空圆柱体，两端面为一第一圆端面301及一第二圆端面301’， 中空圆柱体内具有一腔室303，而第一圆端面301上具有多个螺孔3011，第二圆端面301， 开设有一开口 3011，周缘设有多个螺孔3012，。另在腕体30圆周面上设有一开口 304，开 口周缘设有多个螺孔3041。请一并参阅图2A、图2B所示，腕体30装设于前臂体10的接腕部11、11，之间，以 多颗螺丝505由腕体30的螺孔3011而锁入于第一减速机M的输出轴242的螺孔2421，以 使第一减速机M的输出轴242可以带动腕体30旋转。而以多颗螺丝506由连接环沈2的 螺孔沈21穿过锁入于第二圆端面301，的螺孔3012，。腕体30 —端由第一减速机M带动 旋转，另一端以轴承机构26连接，使腕体30以可旋转的关系枢接于前臂体10，腕体30于前 臂体10的旋转轴限定为第一旋转轴向X。另外，腕体30的腔室303、开口 304、前臂体10的 第二沉孔111’、第一旋转组成20的轴承机构沈及前臂体10的开口 12’构成一走线通道。第二旋转组成40包括有一第二马达41、一连接座42及一第二减速机43。第一旋 转组成40装设于腕体30的开口 304处。第二马达41用以提供旋转动力，第二马达42并 具有一输出轴411。第二马达41装设于腕体30的腔室303内，连接座42用以连接第二马 达41及第二减速机43，连接座42上具有多个螺孔421，以多颗螺丝507穿过螺孔421而锁 入于腕体30的螺孔3041，使第二旋转组成40结合于腕体30上，连接座42与腕体30之间 还设有一密封环60，以作为水、油气的阻隔，保护第二马达41。第二马达41的旋转动力传 递至第二减速机43，第二减速机43可装设一工件(图中未示)，第二减速机43的旋转轴即 限定为第二旋转轴向Y。而第二旋转组成40的连接线(图中未示)可通过走线通道接回前 臂体10。请参阅图3A、图;3B所示，根据本发明所揭露机械手臂的腕关节结构，其中腕体30 通过第一旋转组成20以可旋转的关系装设于前臂体10，腕体30以第一旋转轴向X相对于 前臂体10旋转。而通过固定座22及调整座23调整相对位置，调整皮带253的最佳松紧程 度进行动力传递，且第一减速机25直接连接于腕体30并带动旋转，即可以预定的减速比直 接驱动腕体，进而获得预定的扭矩。又，第一旋转轴向X与第二旋转轴向Y为正交，如同前臂(Fore arm)与腕关节
7(Wrist)的动作关系。而第二旋转组成40的第二马达41封闭在腕体30的腔室303内，因 而可在危险环境(如水气、油气)中作业。
权利要求
1.一种机械手臂的腕关节结构，其包括有前臂体，具有两相对的接腕部，该对接腕部分别设有第一沉孔及第二沉孔；腕体，装设于该前臂体的该对接腕部之间，该腕体具有第一圆端面及第二圆端面，该第 一圆端面及该第二圆端面对应于该对沉孔；及第一旋转组成，装设于该前臂体并连接该腕体，使该腕体相对于该前臂体以一第一旋 转轴向进行旋转运动，该第一旋转组成包括有固定座，装设于该前臂体；第一马达，装设于该固定座并提供旋转动力；第一减速机，装设于该第一沉孔并直接连接于该腕体的该第一圆端面；传动机构，连接该第一马达及该第一减速机，以驱动该第一减速机旋转而带动该腕体 于该第一旋转轴向旋转；及轴承机构，该装设于该第二沉孔并连接于该腕体的该第二圆端面。
2.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该前臂体具有腔室，该腔室容置 该第一马达。
3.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第一旋转组成还包括有调整 座，而该固定座以可移动的关系装设于该前臂体，该调整座设有调整螺杆，该调整螺杆旋入 该固定座而调整固定座相对于该第一减速机距离。
4.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该传动机构包含第一皮带轮、第 二皮带轮及皮带，该第一皮带轮设于该第一马达，该第二皮带轮设于该第一减速机，该皮带 套设于该第一皮带轮及该第二皮带轮。
5.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，其中该轴承机构包含轴承、连接环及 扣环。
6.如权利要求1所述的机械手臂的腕关节结构，还包括有第二旋转组成，该第二旋转 组成装设于该腕体。
7.如权利要求6所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第二旋转组成包含第二马达、 连接座及第二减速机，该连接座连接该第二马达及该第二减速机并装设于该腕体，该第二 马达输出的旋转动力传递至该第二减速机，该第二减速机以第二旋转轴向进行旋转运动。
8.如权利要求7所述的机械手臂的腕关节结构，其中该第二旋转轴向与该第一旋转轴 向正交。
9.如权利要求7所述的机械手臂的腕关节结构，其中腕体设有腔室，在该连接座与该 腕体间设有密封环。
全文摘要
本发明公开一种机械手臂的腕关节结构，其包括有一前臂体、一第一旋转组成、一腕体及第二旋转组成。第一旋转组成设置于前臂体内，以驱动腕体以一第一旋转轴向相对于前臂体进行旋转运动，第二旋转组成设置于腕体内，以驱动一工件以一第二旋转轴向相对于腕体进行旋转运动，其中第一旋转组成的第一减速机直接连接于腕体，即可以预定的减速比直接驱动腕体，进而获得预定的扭矩。
文档编号B25J17/02GK102101299SQ20091026244
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者丁纯乾, 张恩生, 陈俊皓 申请人:财团法人工业技术研究院