线缆管理系统、旋转关节和机器人的制作方法

本发明的实施例总体上涉及线缆管理系统，并且具体地涉及用在旋转关节中的线缆管理系统以及包括该旋转关节的机器人。

背景技术：

具有关节臂的机器人通常包括马达和关节。马达位于相应关节的轴线处以对关节进行致动。这样的机器人通过向马达供应电力而由控制器来控制。因此，控制器和机器人经由线缆连接。通常，这种线缆被捆绑起来。此外，这种线缆通常容纳在机器人内部并从内部连接到相应的部件，以便节省空间或避免线缆本身成为障碍物。由于机器人系统的不断增加的复杂性，需要在设计机器人单元时针对线缆的定位和关节运动的调节进行认真规划。

特别地，经过移动关节的线缆必须适应各种机械位移，且不产生过度的机械磨损；这些位移可能由于关节的旋转(或扭转)而改变线缆的弯曲载荷和/或其直径的变化。例如，经过机器人关节的线缆理想地具有大且均匀的弯曲半径，以使线缆变形最小化并且将弯曲载荷均匀地分布在线缆上。然而，在机器人系统(例如，关节)的空间受限的结构中可能难以实现大且均匀的弯曲半径。

对于常规结构，如图1所示，线缆固定为U形和扁平的形式。该线缆管理系统可以防止每个线缆和产生旋转的每个构件之间的摩擦。但旋转轴的工作范围限制在±170度以内。

然而，由于工作范围不断增加，伺服马达和齿轮箱需要在±170度，甚至高达±290度的范围内旋转。已知的线缆束不能满足这种需要。例如，对于具有线缆(其传输信号或功率)的关节以及对于气管而言，难以在±170度，甚至高达±290度的范围内旋转。

为此，本领域需要开发一种改进的线缆管理系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型的线缆管理系统，用于将线缆保持在机器人的关节类型的臂中，并且特别地涉及一种保持线缆的系统，该线缆在臂中桥接了固定部分和旋转部分。

根据本发明的一个方面，提供了一种线缆管理系统。该系统保持布置在旋转关节中的多个线缆，所述旋转关节连接到具有旋转轴部分的关节臂，所述旋转轴部分允许所述臂在旋转轴部分的给定轴线上旋转，所述旋转轴部分中的每一个被分成两个轴部分，其中第一部分被固定，第二部分是可旋转的，所述系统促进从第一角位置到第二角位置的旋转，而不损坏所述线缆。所述线缆被分成外层线缆组和内层线缆组；并且所述系统包括第一线缆导向件、第二线缆导向件和至少四个固定件，其中：所述第一线缆导向件具有圆形管状的空间，并且所述外层线缆组部分地容纳在所述第一线缆导向件和所述第二线缆导向件之间；所述第二线缆导向件具有圆形管状的形状，并且所述内层线缆组部分地容纳在所述第二线缆导向件和所述第一旋转轴部分之间；并且所述固定件分别将所述内层线缆组或所述外层线缆组的两端沿所述第一旋转轴部分和第二旋转轴部分固定在所述第一旋转轴部分和第二旋转轴部分上，固定的形式为线缆(28、29)被布置为彼此平行，使得所述内层线缆组或所述外层线缆组的其余部分沿着所述第一旋转轴部分和第二旋转轴部分以U形方式弯曲和悬置。

根据本发明的优选实施例，所述第二旋转轴部分的顺时针方向旋转和逆时针方向旋转的范围约为±290度。

根据本发明的优选实施例，所述第一线缆导向件包括第一静止导向件和第一移动导向件，其中所述第一静止导向件沿着所述第一旋转轴部分固定地布置，并且所述第一移动导向件沿着所述第二旋转轴部分固定地布置，从而与所述第二旋转轴部分一起旋转。

根据本发明的优选实施例，所述第一静止导向件由两片半圆形塑料盖构成，并且所述第一移动导向件由两片半圆形塑料盖构成。

根据本发明的优选实施例，所述第二线缆导向件包括第二静止导向件和第二移动导向件，其中所述第二静止导向件沿着所述第一旋转轴部分固定地布置，并且所述第二移动导向件沿着所述第二旋转轴部分固定地布置，从而与所述第二旋转轴部分一起旋转。

根据本发明的优选实施例，所述第二静止导向件由半圆形塑料盖和半圆形塑料盖构成，并且所述第二移动导向件由半圆形塑料盖和半圆形塑料盖构成。

根据本发明的优选实施例，所述固定件包括：金属片部件，其具有用于保持所述线缆的两端；弹性部件，其用于定位所述线缆；和多个螺钉，其配置成分别连接所述金属片部件的两端，将所述金属片部件连接到所述旋转轴部分。

根据本发明的优选实施例，所述固定件还包括适配器部件，其用于根据所述旋转轴部分来调整所述固定件的角度。

根据本发明的优选实施例，用于将所述金属片部件连接到所述旋转轴部分的所述螺钉被构造成：首先将所述金属片部件连接到所述适配器部件，然后将所述适配器部件连接到所述旋转轴部分。

根据本发明的优选实施例，一个适配器部件形成为连接一个或多个金属片部件。

根据本发明的优选实施例，所述弹性部件具有用于每个线缆的独立的孔。

根据本发明的优选实施例，所述线缆的直径相同或不同。

根据本发明的优选实施例，所述外层线缆组或所述内层线缆组被构造为单层形式或多层形式。

根据本发明的优选实施例，所述外层线缆组或所述内层线缆组是一组电缆，或一气管和一组电缆的组合。

根据本发明的另一方面，提供了包括上述线缆管理系统的旋转关节。

根据本发明的另一方面，提供了包括上述旋转关节的机器人。

根据本发明的优选实施例，所述机器人具有控制器和多个关节臂，所述多个关节臂分别设置有电动马达以驱动所述臂，所述线缆将所述控制器和所述马达电连接。

与现有技术相比，用于线缆管理的解决方案可以实现如下几个优点。

宽的工作范围：本发明可扩大机器人的旋转轴的工作范围，使机器人更灵活。

长的寿命：本发明可以延长在旋转轴中的线缆束的寿命。

良好的布局：本发明可以节省空间，在盖的内部隐藏线缆束，使机器人外形更美观，更具竞争力。

当结合附图进行阅读时，从以下对具体的示例性实施例的描述中，还将理解本申请的实施例的其他特征和优点，附图通过示例的方式示出了本发明的原理。

附图说明

通过在说明书中例示的参照附图的实施例的详细说明，本发明的上述和其他特征将变得更加明显，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件，并且其中：

图1示出了旋转关节中线缆束的常规结构；

图2示出了根据本发明的实施例的双层线缆布局的截面图；

图3示出了根据本发明的实施例的双层线缆的例程和固定方法的立体图；

图4示出了根据本发明的实施例的固定件的左视图；

图5示出了根据本发明的实施例的固定件的俯视图；

图6示出了根据本发明的实施例的固定件的前视图；

图7示出了根据本发明的实施例的具有旋转轴的双层线缆布局；

图8示出了根据本发明的实施例的双层线缆布局的俯视图。

在所有附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。

具体实施方式

在下文中，将参考附图通过实施例详细描述本发明提供的解决方案。应当理解，呈现这些实施例仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解和实现本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。

一般来说，权利要求中使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对于“一/所述[元件、设备、部件、装置、步骤等]”的所有提及应被开放地解释为指代所述元件、设备、部件、装置、单元、步骤等的至少一个实例，而不排除多个这样的设备、部件、装置、单元、步骤等，除非另有明确说明。此外，本文所使用的不定冠词“一”不排除多个这样的步骤、单元、模块、设备和对象等。

大体上，本申请的实施例提供了一种用于机器人的新的线缆管理系统。从下面的进一步讨论中将显而易见的是，采用双层线缆布局和固定件来提供线缆管理系统。

机器人系统通常包括通过线缆进行连接的各种机电系统。线缆可用于传输功率或信号。气管通常可用于传输流体，例如空气。

在本申请的各个实施例的描述中，将省略对一些类似元件的重复描述。

接下来，将结合附图来描述机器人的旋转关节中的线缆管理系统的示例，其中可以实现本发明的第一实施例。机器人系统的一部分具有多种类型的旋转关节。机器人具有控制器和多个关节臂，多个关节臂分别设置有电动马达以驱动这些臂，线缆将控制器和马达电连接。每个关节可以具有不同的特性、移动自由度(例如，运动范围或自由度)和/或结构空间；因此，经过关节的线缆管理系统通常需要适于特定关节类型的特殊设计。例如，线缆需要大的弯曲刚度或大的旋转变形。根据本发明的实施例，相同的基本配置可应用于公共关节，以使旋转关节在宽范围内工作，例如高达±290度。然而，可以修改线缆折叠进入和/或离开线缆管理系统的方式，以符合不同关节类型的各种结构空间。这可以避免损坏线缆，从而使其寿命最大化。

参照图2至图3，双层线缆管理系统可以用于使线缆经过旋转关节，以便于从第一角位置旋转到第二角位置而不损坏线缆28、29。关节连接到一关节臂，该关节臂包括两个旋转轴部分(即，第一旋转轴部分18和相对其旋转的第二旋转轴部分19)，其允许臂在旋转轴部分的给定轴线上旋转。第一旋转轴部分18是固定的，第二旋转轴部分19可旋转。

通常，线缆28、29被分成外层线缆组28和内层线缆组29。

如图2所示，该系统包括第一线缆导向件40和第二线缆导向件50，两者均具有圆形管状。外层线缆组28部分地容纳在第一线缆导向件40和第二线缆导向件50之间。内层线缆组29部分地容纳在第二线缆导向件40和第一旋转轴部分18之间。

本申请的另一个实施例，如图2所示，第一线缆导向件40还可以包括第一静止导向件1和第一移动导向件2。第一静止导向件1(例如，如图2所示的两片半圆形塑料盖1)可以沿着第一旋转轴部分18固定地布置。第一移动导向件2(例如，如图2所示的两片半圆形塑料盖2)可以沿着第二旋转轴部分19固定地布置，以与第二旋转轴部分19一起旋转。

本申请的另一个实施例，如图2所示，第二线缆导向件50还可包括第二静止导向件和第二移动导向件。第二静止导向件，例如图2中的半圆形塑料盖4和半圆形塑料盖5，沿着第一旋转轴部分18固定地布置。第二移动导向件，例如半圆形塑料盖6和半圆形塑料盖7，沿着第二旋转轴部分19固定地布置，以与第二旋转轴部分19一起旋转。

根据本实施例，内层是用于保持线缆组29的大致圆柱形的空间。内层由五个部分形成，即塑料盖6、塑料盖4、塑料盖7、塑料盖5和第一旋转轴部分，例如铸造基座18。外层是用于保持另一组28的同样为大致圆柱形的空间。外层由八个部分形成，即塑料盖6、塑料盖4、塑料盖7、塑料盖5、两片塑料盖2和两片塑料盖1。

下面将讨论本实施例的线缆管理系统的工作原理。除了线缆组28和线缆组29之外，所有部分可以分为两组：静止组和相对移动组。

静止组由马达20、铸造基座18、塑料盖4、塑料盖5、两片塑料盖1组成。相对移动组由齿轮箱21、输出轴19、塑料盖6、塑料盖7和两片塑料盖2组成。

线缆组28和线缆组29二者都具有附接到静止组的一个固定点(静止端)，并且另一固定点(移动端)附接到相对移动组。当马达20运行时，运动通过齿轮箱21传递到输出轴19。如果其顺时针方向旋转，则线缆组28的移动端将推动该线缆组在外层中向后移动，而线缆组的移动端29将同时拉动该线缆组在内层中向后移动。如果其逆时针方向旋转，则线缆组28的移动端将拉动该线缆组在外层中向后移动，而线缆组29的移动端将同时推动该线缆组在内层中向后移动。

如图3所示，下面将讨论线缆的固定方法。该系统还包括至少四个固定件60，其将内层线缆组29和外层线缆组28的两端固定在第一旋转轴部分和第二旋转轴部分上，并沿着第一旋转轴部分和第二旋转轴部分进行固定。线缆彼此平行布置，使得内层线缆组29和外层线缆组28的其余部分沿着第一旋转轴部分和第二旋转轴部分以U形弯曲和悬置。

如图4所示，固定件60可以包括金属片部件16，其具有用于保持线缆的两个端部；用于定位线缆的弹性部件10，例如用于每个线缆的独立的孔；以及多个螺钉13、14。螺钉13用于连接金属片部件16的两端，而螺钉14用于将金属片部件16连接到旋转轴部分。

因此，如上所述，由于弹性部件10具有用于每个线缆或气管的独立的孔，并且每个孔具有使得线缆组件易于操作的切口，因此线缆可以很好地定位。

上文描述了一种固定件，但是其结构不限于上述结构，并且还可以采用但不限于如下所述的其他结构。

还应当理解，固定件60可以进一步包括适配器部件15，其具有如图5所示倾斜平面，用于根据旋转轴部分来更好地调整固定件60的角度。在这种情况下，如图5和图6所示，由于适配器部件15已经通过螺钉14以所需角度连接到旋转轴部分，所以金属片部件16不需要直接连接到旋转轴部分，而是首先通过螺钉14连接到适配器部件15，然后其可以间接地连接到旋转轴部分。

本申请的另一个实施例，如图5和图6所示，为了使旋转关节更紧凑，一个适配器部件15不仅可以形成为连接一个金属片部件16，而且还可以形成为连接两个或更多个金属片部件。

在本申请的另一个实施例中，为了根据布局要求相应地设置弹性部件10，在每个线缆组中，线缆布局不仅可以是一层，而且可以是更多的层，例如图4所示的双层线缆。例如，外层线缆组28可以通过弹性部件10构造成一层形式或多层形式。或者，内层线缆组29也可以通过弹性部件10构造成一层形式或多层形式。

此外，由于线缆的直径可以相同或不同，所以弹性部件10也可以基于每个线缆的直径或气管的直径形成，以更好地在固定件60中定位线缆和/或气管。

以上描述了一种线缆管理系统，但是系统的结构不限于上述结构，并且还可以采用但不限于如下所述的其他结构。

例如，在本申请的另一个实施例中，每个线缆可以具有相同的直径或不同的直径。

还应当理解，线缆28、29不必被限制用于电力布线。例如，线缆28、29可以包括输送压缩空气的线缆，或者吸入空气、液体或吸入用于进行真空吸附的材料的线缆。例如，外层线缆组28可以是电缆组，或一气管和一组电缆的组合。或者，内层线缆组29可以是电缆组，或一气管和一组电缆的组合。

下面将进一步讨论本申请的另一个实施例。在外层中的线缆组28具有两个固定点。一个固定点附接到输出轴19，另一个固定点附接到铸造基座18。如图5所示，附接到输出轴19的右固定点由弹性部件10，金属片部件16，适配器部件15和螺钉13、14组成。附接到铸造基座18的左固定点由弹性部件12，金属片部件17，适配器部件15和螺钉13、14组成。位于内层中的线缆组29也具有两个固定点。一个固定点附接到输出轴19，另一个固定点附接到铸造基座18。附接到输出轴19的固定点由弹性部件10，金属片部件16，适配器部件15和螺钉13、14组成。附接到铸造基座18的另一个固定点由弹性部件12，金属片部件17，适配器部件15和螺钉13、14组成。

在下文中，为了使本领域技术人员完全和彻底地理解本发明中提供的解决方案，将参考图7和图8来说明双层线缆布局如何实现本发明的实施例提供的±290度。

图7示出了具有旋转轴的双层线缆布局。

图8示出了双层线缆布局的俯视图。

通常，旋转轴的工作范围取决于线缆的长度。线缆长度越长，工作范围越大。如果使用两组线缆并且它们在单层中移动，则当两组线缆开始接触时可以获得最大长度。如果使用更长的线缆，则当轴旋转时，两组线缆将彼此重叠或彼此干扰。然而，如果两组线缆位于不同的空间中，如图7和图8所示，重叠将不会在两组线缆之间产生干扰，因为它们根本不会彼此接触。这意味着，两个线缆组的长度可以远大于当它们位于同一层中时最大长度。因此，双层的工作范围可以比单层大得多，甚至可达±290度。

因此，如上所述，通过具有双层线缆布局和固定件，可以设计新的线缆管理系统，以便于实现机器人的旋转关节的紧凑性和可靠性。该线缆管理系统总体提出一种新型的线缆束布局解决方案，它是双层线缆束布局，用于机器人的旋转轴和其他机械装置。

此外，该线缆管理系统将具有线缆束的旋转轴的工作范围从±170度以内扩展到超过±170度，甚至达到±290度。线缆和气管可以通过弹性保持器和支架的组合来固定。

在上文中，已经参照附图通过实施例详细描述了本发明的实施例。应当理解，虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是作为对特定发明的特定实施例的特征的描述。在各个实施例的背景下描述的本说明书的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。

鉴于前面的描述，当结合附图阅读时，对本发明的前述示例性实施例的各种修改、改编对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。任何和所有的修改将仍然落入本发明的非限制性和示例性实施例的范围内。此外，本发明的这些实施例所属领域的技术人员将想到本文所阐述的公开内容的其他实施例，其具有在前述描述和相关附图中呈现的教导的益处。

因此，应当理解，本发明的实施例不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是为了限制的目的。