机器人臂和机器人手腕的制作方法

本发明涉及一种具有多个臂区段的机器人臂，这些臂区段分别经致动器可驱动的关节连接(Gelenkverbindung)相连，其中，机器人臂的近端臂区段能够经关节连接与机器人主体连接而且机器人臂的远端臂区段能够经关节连接与能够安装的执行器(Effektor)连接。至少机器人臂远端的最后三个关节连接分别允许围绕旋转轴线的旋转。这类机器人臂在现有技术中是已知的。

另外，本发明还涉及一种具有三个的致动器可驱动的腕关节连接的机器人手腕(Roboterhandgelenk)，这些腕关节连接经两个手腕区段串联连接，其中，机器人手腕的近端的手腕区段能够经其中一个腕关节连接与机器人臂连接，机器人手腕的远端的手腕区段能够经另一个腕关节连接与执行器连接，并且三个腕关节连接中的每一个允许围绕对应的旋转轴线的运动。这类机器人手腕在现有技术中是已知的。

本发明最后还涉及一种具有机器人臂或机器人手腕的机器人。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计机器人臂或机器人手腕，从而改善机器人臂/机器人手腕的操作，特别是对于物体或工作表面上/上方的周围环境的操作。

本发明可由独立权利要求的特征得出。有利的扩展方案和设计为从属权利要求的主题。本发明的其他特征、应用可能性和优点可由以下的描述以及对附图中示出的本发明实施例的说明中得出。

为了解决上述目的的第一方面提出了一种具有数量N个的致动器可驱动的关节连接GV_n的机器人臂，这些关节连接经臂区段GL_i串联连接，其中n＝1，2，...，N且i＝1，2，...，N-1，并且N≥6，其中，机器人臂的近端的臂区段GL₁能够经关节连接GV₁与机器人主体连接，机器人臂的远端的臂区段GL_N-1经关节连接GV_N与执行器E连接，机器人臂的臂区段GL_N-1和GL_N-2经关节连接GV_N-1连接而且机器人臂的臂区段GL_N-2和GL_N-3经关节连接GV_N-2连接，并且关节连接GV_N，GV_N-1，GV_N-2中的每一个允许围绕对应的旋转轴线R_GV，N，R_GV，N-1，R_GV，N-2的运动。

远端的关节连接GV_N，GV_N-1，GV_N-2与关节连接GL_N-2，GL_N-1一定程度上形成“手腕”，其相对于之前的关节GL_N-3...实现执行器E在三个自由度上的取向。

所提出的机器人臂的特征在于，该机器人臂实施为，使得旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1以50-130°范围内的角度相交，或者旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1彼此具有在1-20mm范围内的最小间距A1，旋转轴线R_GV，N径向地以恒定的间距D1相对于所述旋转轴线R_GV，N-1设置，并且关节连接GV_N-1设置用于检测力或者围绕旋转轴线R_GV，N-1的转矩(或围绕轴线的有效作用的转矩)。

旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1的最小间距优选为2mm、5mm、7mm、10mm、12mm、15mm或17mm。旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1相交的角度范围优选为50至130°、60至120°、70至110°、80至100°或85至95°。

为了检测力或转矩可以存在已知的输出侧的力传感器或转矩传感器。该传感器也可以设计为直接驱动(direct-drive)。在后一种情况下，直接驱动可以同时是驱动和传感器。转矩通常通过发动机电流测量与已知的物理关系相结合来估算。但是不能完全排除两者的组合(直接驱动和输出侧的传感器，以更精确地测量内部和外部作用力)。

在此的目标是，通过起作用的杠杆改善对于作用的转矩和力、特别是对于作用的接触力的灵敏度。

有利的是，数量N等于6或7或8。特别优选的是，N等于7。机器人臂在后一种情况(N＝7)中通过近端臂区段GL₁经同样是致动器可驱动的关节连接GV₁与机器人主体连接，从而总共能够围绕7个轴线R_GV1，R_GV2，R_GV3，R_GV4，R_GV5，R_GV6和R_GV7控制机器人臂和执行器E。具有旋转轴线R_GV5，R_GV6，R_GV7的三个远端的关节连接GV₅，GV₆，GV₇以及臂区段GL₅，GL₆和执行器E可以被共同理解为一种“手腕”。7轴(N＝7)的机器人臂实现了末端执行器E在机器人的工作空间中的三维定位和三维定向。这意味着，机器人臂具有这样的工作空间，即，其执行器E能够以任意方向的到达每个空间点。

有利的是，用于执行器E在工作空间中的三维定位的近端的臂区段(例如对于N＝6的情况：GL₁，GL₂和GL₃)为长臂区段，从而使执行器E能够在尽可能大的工作空间中定位。有利的是，远端的臂区段(例如对于N＝6的情况：GL₄，GL₅和GL₆)为短臂区段，从而使执行器E能够在较小的空间范围内达到期望的方位。

执行器(＝工具)E可以根据任务和要求选自多种工具中的一种，例如夹具、焊枪、焊钳、胶嘴、喷漆嘴、钻铣头、量具、激光切割头、水刀切割头等。执行器E可以直接与关节连接GV_N相连或者通过(刚性的)连接件或适配件与关节连接GV_N相连。连接件可以设计作为另一个臂区段。

所提出的机器人臂具有多个优点。通过间距D1和A1提动的杠杆可以改善几乎所有关节角形连接(Gelenkwinkelverbindungen)结构中的外力或转矩的测量。因此，即使力沿着旋转轴线R_GV，N作用，间距D1仍实现了借助存在于关节连接GV_N-1中的传感器来识别外力或转矩。围绕旋转轴线R_GV，N的外部扭矩的识别也是可能的。此外，在所提出的机器人臂中，在手腕(＝远端的关节连接GV_N，GV_N-1，GV_N-2与臂区段GL_N-2，GL_N-1和执行器E)中的外部转矩或力的检测过程中没有经典奇点(klassischen)出现，因为最后两个旋转轴线R_GV，N-1和R_GV，N不相交。另一个优点为手腕的再配置(Re-Konfiguration)。这在很大程度上可以仅通过手腕的运动来实现，从而不必使整个机器人臂运动。

特别有利的是，当旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N相交时，机器人臂与执行器E围绕所谓的工具中心点(TCP＝限定在工具/执行器上的适合位置上的参照点)的运动在所有的机器人臂结构中是可能的。即使不存在交点，在当前的机器人臂结构中的旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N彼此布置地越近，则围绕工具中心点的旋转能够更容易地实施。

如果考虑机器人臂的应用情形，在这些应用情形中在机器人主体的附近的周围环境(在机器人的工作区域内)中通过包括执行器E的机器人臂在工作表面(例如桌面)上/上方应实施对物体的操纵，所提出的机器人臂有利地实现了围绕工具中心点进行简单的旋转。这意味着这种旋转很大程度上可以仅通过手腕的运动来实现，从而不必使整个机器人臂为了期望的运动而在工作空间中运动。

总体而言，所提出的机器人臂的“手腕”或整个机器人臂通过外力和关节转矩中的力矩的有效投影实现了对起作用的外力和力矩更好的检测，特别是在手动引导手腕的过程中，例如为了直接输入(示范、教学)运动过程、更好地操纵物体、特别是在工作表面上/上方工作时，并最终实现物体操纵的更好且更精细的控制以及防止机器人臂与周围环境的物体的碰撞。

机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，该机器人臂实施为，在各种机器人臂的结构中，旋转轴线R_GV，N在由旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1展开的平面上的投影(＝投影的旋转轴线R_GV，N*)与旋转轴线R_GV，N-1围成在50-130°范围内的角度。

机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，旋转轴线R_GV，N-2和旋转轴线R_GV，N-1围成90°的角度，和/或旋转轴线R_GV，N在由旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1展开的平面上的投影(＝投影的旋转轴线R_GV，N*)与旋转轴线R_GV，N-1围成在90°的角度。有利的是，适用于给定角度的特别是与90°有±2°或±5°的公差的角度。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，间距D1在10mm至50cm的范围内选择，并且有利的是15mm、20mm、50mm、75mm、1cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm或45cm。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1围成90°的角度和/或旋转轴线R_GV，N在由旋转轴线R_GV，N-2和R_GV，N-1展开的平面上的投影与旋转轴线R_GV，N-1围成在90°的角度。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，包括关节连接GV_N-2，GV_N-1和GV_N、臂区段GL_N-2和GL_N-1以及安装在关节连接GV_N上的执行器E的机器人臂的部分形成为，使得臂区段GL_N-1和执行器E围绕旋转轴线R_GV，N-1的运动在每个姿势中都是不受阻碍可实现的。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，关节连接GV_N具有用于检测力或者围绕旋转轴线R_GV，N的转矩的传感器，和/或关节连接GV_N-2具有用于检测力或者围绕旋转轴线R_GV，N-2的转矩的传感器。特别有利的是，所有的关节连接GV_n都设计用于检测力和/或围绕各个旋转轴线R_GVn的转矩。这实现了更精确地检测机器人臂的动态作用的内力和外力以及力矩，这例如借助相应的基于模型的估算方法来改进机器人臂的控制和沿着机器人臂的碰撞识别。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，机器人臂这样实施，使得旋转轴线R_GV1和R_GV2以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV2和R_GV3以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV4径向地以恒定的间距D2相对于旋转轴线R_GV3设置并且旋转轴线R_GV4和R_GV5以50至130°范围内的角度相交。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，机器人臂这样实施，使得旋转轴线R_GV1和R_GV2以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV2和R_GV3以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV3和R_GV4以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV5径向地以恒定的间距D3相对于旋转轴线R_GV4设置。

该机器人臂的一个有利的扩展方案的特征在于，机器人臂这样实施，使得旋转轴线R_GV1和R_GV2以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV2和R_GV3以50至130°范围内的角度相交、旋转轴线R_GV4径向地以恒定的间距D4相对于旋转轴线R_GV3设置、旋转轴线R_GV5径向地以恒定的间距D5相对于旋转轴线R_GV4设置。

以上扩展方案特别是涉及机器人臂从其近端开始的结构设计。以上提出的机器人臂的不同结构变型可根据使用目的和任务设置来进行选择，并实现最佳地检测沿着机器人手臂起作用的外力和转矩以及灵敏地执行运动。

根据上述目的的第二方面，本发明还涉及一种具有三个致动器可驱动的腕关节连接HGV_n的机器人手腕，这些腕关节连接经两个手腕区段HGL_i串联连接，其中n＝1，2，3且i＝1，2，其中，机器人手腕的近端手腕区段HGL₁能够经腕关节连接HGV₁与机器人臂连接，机器人手腕的远端手腕区段HGL₂能够经腕关节连接HGV₃与执行器E连接，手腕区段HGL₂和HGL₁经关节连接HGV₂连接，并且腕关节连接HGV₁，HGV₂，HGV₃中的每一个允许围绕对应的手腕旋转轴线HR_GV，1，HR_GV，2，HR_GV，3的运动。

所提出的机器人手腕的特征在于，该机器人手腕实施为，使得手腕旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2以50-130°范围内的角度相交，或者手腕旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2彼此具有在1mm-20mm范围内的最小间距A1，手腕旋转轴线HR_HGV，3径向地以恒定的间距D1相对于手腕旋转轴线HR_HGV，2设置，并且腕关节连接HGV₂中存在用于检测力或者围绕手腕旋转轴线HR_HGV，2的转矩的传感器。

所提出的机器人手腕允许执行器E的三维定向。能够与机器人手腕连接的机器人臂还允许手腕或执行器E在机器人(机器人臂、机器人手腕和执行器E)的工作区域中的三维定位。由远端的三个腕关节连接组成的机器人手腕实现了与人和/或物体的灵敏的相互作用，或者实现了物体的操纵，其中，通过手腕旋转轴线按照本发明的布置和有利地存在于手腕中的传感技术这样设计手腕，使得一方面能够围绕三个轴线中所有轴线灵敏地识别外力/转矩，而另一方面在很大程度上仅通过手腕简单的再配置就可实现高度的可运动性，其中，可以很好地利用用于操纵在例如在桌面上/上方的工作空间中的物体的两个特性。

机器人手腕的一个有利扩展方案的特征在于，该机器人手腕实施为，使得手腕旋转轴线HR_HGV，3在由手腕旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2展开的平面上的投影与手腕旋转轴线HR_HGV，2相互围成50°至130°范围内的角度。

机器人手腕的一个有利扩展方案的特征在于，该机器人手腕实施为，手腕旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2围成90°的角度和/或手腕旋转轴线HR_HGV，3在由旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2展开的平面上的投影与手腕旋转轴线HR_HGV，2相互围成90°的角度。

机器人手腕的一个有利扩展方案的特征在于，该机器人手腕实施为，腕关节连接HGV₁，HGV₂，HGV₃、手腕区段HGL₁和HGL₂以及安装在腕关节连接HGV₃上的执行器E形成为，使得手腕区段HGL₂和执行器E围绕手腕旋转轴线HR_HGV，2的运动在机器人臂的所有姿势中都是不受阻碍可实现的。

机器人手腕的一个有利扩展方案的特征在于，该机器人手腕实施为，腕关节连接HGV₃设置用于检测力或者围绕手腕旋转轴线HR_HGV，3的转矩，和/或腕关节连接HGV₁设置用于检测力或者围绕手腕旋转轴线HR_HGV，1的转矩。

机器人手腕的优点和机器人手腕的有利扩展方案可通过与所提出的机器人臂相关的陈述的意义上和类似的转移而得出。

本发明最后还涉及具有如上所述的机器人臂的机器人。

附图说明

其他的优点、特征和细节可从以下描述中得出，在以下描述中在必要时参照附图详细描述了至少一个实施例。相同、类似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。

图1示出了具有六个自由度(N＝6)的按照本发明的机器人臂的高度示意性结构，

图2示出了按照本发明的机器人手腕的高度示意性结构，以及

图3示出了机器人臂上的按照本发明的机器人手腕的一种实施方式的图示。

具体实施方式

图1示出了具有六个自由度的按照本发明的机器人臂的高度示意性结构。

该机器人臂具有六个致动器可驱动的关节连接GV_n，这些关节连接经臂区段GL_i串联连接，其中n＝1，2，...，6并且i＝1，2，...，5。机器人臂的近端臂区段GL₁经关节连接GV₁连接到机器人主体RK。机器人臂的远端臂区段GL₅经关节连接GV₆与执行器E连接。该执行器E可以直接设置在关节连接GV₆上或者设置在于关节连接GV₆连接的适配件上。关节连接GV₄，GV₅，GV₆中为每一个允许围绕对应的旋转轴线R_GV，4，R_GV，5，R_GV，6的运动。虚线画出的机器人臂的部分形成机器人手腕。与臂区段GL₄，GL₅和执行器E相比，臂区段GL₁，GL₂和GL₃具有更大的纵向延伸范围。

图2示出了根据本发明的机器人手腕的高度示意性结构，该机器人手腕具有三个致动器可驱动的腕关节连接HGV_n，这些腕关节连接通过两个手腕区段HGL_i串联连接，其中n＝1，2，3且i＝1，2。机器人手腕的近端手腕区段HGL₁经腕关节连接HGV₁与机器人臂连接。机器人手腕的远端手腕区段HGL₂经腕关节连接HGV₃与执行器E连接。手腕区段HGL₂和HGL₁通过腕关节连接HGV₂连接。腕关节连接HGV₁，HGV₂，HGV₃中的每一个允许围绕对应的手腕旋转轴线HR_GV，1，HR_GV，2，HR_GV，3的运动，并因此允许执行器E在空间中的三维取向。

图3示出了在机器人臂上的根据本发明的机器人手腕的一个实施方式的图示。所示的机器人手腕包括三个致动器可驱动的腕关节连接HGV₁，HGV₂和HGV₃，这些腕关节连接通过两个手腕区段HGL₁和HGL₂串联连接。机器人手腕的近端腕关节连接HGL₁经腕关节连接HGV₁与机器人臂连接。机器人手腕的远端腕关节连接HGL₂经腕关节连接HGV₃与执行器E(未示出)连接。手腕区段HGL₁和HGL₂通过腕关节连接HGV₂连接。腕关节连接HGV₁，HGV₂，HGV₃中的每一个允许围绕对应的手腕旋转轴线HR_HGV，1，HR_HGV，2，HR_HGV，3的运动，并因此允许执行器E在空间中的三维取向。

机器人手腕实施为，使得手腕旋转轴线HR_HGV，1和HR_HGV，2以90°的角度相交，并且对于机器人手腕的每种任意的结构而言手腕旋转轴线HR_HGV，3径向地具有相对于手腕旋转轴线HR_HGV，2的恒定的间距D1。另外，在所有腕关节连接HGV₁，HGV₂和HGV₃中存在传感器，其用于检测力或围绕各个手腕旋转轴线HR_HGV，1，HR_HGV，2，HR_HGV，3的转矩。