密封关节模块和模块化机械手臂的制作方法

本公开涉及密封机器人关节以及使用该密封机器人关节的机械手臂，并且具体涉及具有二自由度并且大致呈L形的两关节模块以及使用该两关节模块的机械手臂。

背景技术：

机器人关节和机械手臂广泛应用于各种环境。在诸如涂装、涂层和喷涂应用的具体环境中，机械手臂在危险的工作环境中操作。诸如手臂本体内的马达的电气部件需要进行防潮湿、防火花、防易燃气体等保护。应防止外部危险物质泄漏至机械手臂中。

针对在危险环境中使用的机械手臂，已出现几种不同的解决方案。其中一个示例为授予Tamura等人的美国专利US 7,878,088，该专利公开了用于机械手臂的关节部分的密封装置。根据Tamura所述，该手臂为非模块化，因此执行元件不能集成为组件，并且使用很多轴承层/ 机械零件来传输旋转力。因此，机械零件之间存在很多缝隙/接缝。由 Tamura提出的密封装置安装在机械零件之间的缝隙中。然而，该密封并不完全可靠，非常复杂并且安装、维护或更换会很困难。

另一现有技术专利为授予Haas等人的美国专利US 6,835,248，该专利公开了用于涂装机器人的密封方法。在Haas的专利中公开的工业机器人具有多个相对可移动的外壳附件来保护诸如马达的电子部件。该外壳附件具有进气口和出气口。在压力下的不可燃气体源连接至每个马达壳体进气口，以使不可燃气体通过马达壳体循环，并且引导气体进入至机器人外壳附件。因此，马达壳体始终具有从内向外的正值压力，以防止外部气体泄漏至壳体中。然而，该方法存在局限性。机器人内部具有多个马达，为了保护所有马达，必须安装多个外壳。另外，为了将不可燃气体注入外壳附件，需要多个管道、进气口和出气口。因此，为用于这种工业机器人的马达壳体提供气压很复杂。另外，进气管从机械手臂向外延伸，并且这种气管布置可妨碍机器人的运动，并且机械手臂的工作范围可受到影响。

因此，会有利的是，提供有助于改进现有技术缺点以及可用于危险状况中的关节和模块化机械手臂。

技术实现要素：

本公开涉及用于与机械手臂的臂元件结合使用的密封关节模块。臂元件可为连接件、底座、有效载荷界面等。密封关节模块包括模块壳体、中空关节组件和密封组件。中空关节组件可操作地附接至模块壳体。臂元件能够可操作地附接至中空关节组件。密封组件可操作地附接至中空关节组件和模块壳体。密封组件包括介于臂元件与中空关节组件之间的动态密封部件。

中空关节组件可包括中空伺服马达、中空轴和外壁，以及其中，臂元件可操作地附接至中空关节组件的伺服马达。

密封关节模块还可包括在中空关节组件的外壁与模块壳体之间的静态密封部件。

密封关节模块可为二自由度密封关节模块，其中，关节为第一关节，以及密封组件为第一密封组件，并且还包括第二关节和第二密封组件。第一关节和第二关节可彼此成角度布置。第一关节和第二关节可彼此正交。

壳体可包括可释放地附接至壳体的壳体盖。

静态密封部件可位于臂元件与伺服马达之间。

动态密封部件可包括弹性可变形的外环和低摩擦的内环。

模块化机械手臂包括至少两个密封关节模块和至少一个连接件。

每个密封关节模块均可为二自由度的关节模块。

连接件可为中空的大致L形连接件。该中空的大致L形连接件可包括能够可释放地附接的盖。

连接件可为大致长型的连接件。该长型连接件可包括连接体、连接件外壳和连接件盖。连接件外壳可包括中空管和一对帽形密封部。

机械手臂还可包括进气口。

机械手臂中的至少两个密封关节模块中的一个关节模块可为二自由度肩部关节，该至少两个密封关节模块中的另一关节模块可为二自由度肘部关节，以及还包括二自由度腕部关节，并且至少一个连接件为附接在二自由度肩部关节与二自由度肘部关节之间的肩部连接件，以及还包括附接在二自由度肘部关节与二自由度腕部关节之间的肘部连接件。

机械手臂还可包括可操作地附接至二自由度肩部关节的回转座。

机械手臂的回转座可具有进气口，以及机械手臂可包括有效载荷界面，该有效载荷界面可操作地附接至腕部模块，由此加压空气可自由地流过手臂，并且通过有效载荷界面阻挡，使得相对于外界保持正值空气压力。

至少一个关节模块中的臂元件可为连接件。

在下文的具体说明中会对具体特征进行描述或使具体特征清楚。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式来描述实施方式，其中：

图1为机械手臂的侧视图；

图2为在图1所示手臂中使用的肘部关节的立体图；

图3为图2的肘部关节的密封组件的剖视图；

图4为图2的肘部关节的局部立体分解图；

图5为与图4所示类似但从不同角度观察的局部立体分解图；

图6为在图3的密封组件中使用的静态密封部件的前视图；

图7为在图3的密封组件中使用的动态密封部件的局部立体图；

图8为具有图4和图5的静态密封部件的关节模块的壳体盖的立体图；

图9为与图1所示类似但示出了附加的密封细节的机械手臂的侧视图；

图10为图9的机械手臂的肘部连接件的放大侧视图；

图11A为图1和图9所示的机械手臂的肩部连接体的立体图；

图11B为从不同角度观察的图11A所示的肩部连接体的立体图；

图12A为图1和图9所示的机械手臂的肩部连接密封件的立体图；

图12B为从不同角度观察时的图12A所示的肩部连接密封件的立体图；

图13为包括图11A和图11B的肩部连接体以及图12A和图12B 的肩部连接密封件的肩部连接件的分解立体图；以及

图14为图1和图9的机械手臂的侧视图，示出了手臂内的空气流。

具体实施方式

参考图1，图10示出了6自由度机械手臂的实施方式。机械手臂 10具有三组模块化的二自由度关节模块、一个肘部连接件18、一个肩部连接件20以及一个回转座22，其中，该三组模块化的二自由度关节模块即为腕部模块12、肘部模块14和肩部模块16。有效载荷界面 24安装在腕部模块12上。有效载荷界面24可安装用于不同应用的各种工具、传感器和夹具。

电子盒26附接至回转座22。电子盒26可包括：用于控制和通信的PCB板、用于机械手臂所有部件的电源板、接头和护套。

二自由度关节模块12、14、16具有相似的特征，以及会参照图2 中以30示出的典型二自由度关节模块进行一般性描述。关节模块30 包括模块壳体32、关节34(在图4和图5中示出)和关节36以及壳体盖38。在本文的示例中，关节34和关节36中的每个关节均为中空关节组件，并且具有相同的结构。然而，虽然关节34和关节36具有用于具体应用的相同结构，但是关节34和关节36可具有不同的尺寸。中空关节组件具有前部和后部。前部是关节组件的输出轴，以及后部是关节组件的相反的一端。

关节34和关节36位于模块壳体32的内部，并且可操作地附接至模块壳体32。关节34和关节36通过其后部彼此串联布置，或其中其后部彼此串联但彼此成角度。关节34和关节36具有彼此正交的旋转轴线。然而，本领域技术人员应理解的是，这两个关节彼此之间可成非正交的角度。如果手臂是为具体目的而设计的，并且另一角度会更有效，则可期望彼此成非正交的角度。

关节模块30为包括密封组件40的密封关节模块。图3示出了作为代表性机器人关节模块30的部分的密封组件40的剖视图。为了便于在本文的示例中参考，会将中空关节组件称为34，并且仅作为示例。然而，应理解的是，密封组件40也会形成中空旋转组件36的部分。在机械关节模块30中，具有第一关节34和第二关节36以及第一密封组件40和第二密封组件(不可见)。为了便于绘图，在图2、图4和图5中，密封组件40不可见。然而，在使用中，密封组件40会附接至中空关节组件中的每个，使得关节模块30的两个自由度大致对称。

本领域技术人员应理解的是，典型的关节附接至连接件、回转座或有效载荷界面。无论关节是否附接至连接件、回转座或有效载荷界面中的任何一个，密封组件均会为相同的。仅作为示例，图3至图5 中详细示出的密封组件40与有效载荷界面一起使用。这仅为作为示例，并且有效载荷界面也可为连接件或回转座或另一类型的连接器。为了便于描述，在图3至图5中，将连接至空心旋转关节34的结构称为臂元件42。然而，本领域技术人员应理解的是，臂元件42可为有效载荷界面24、连接件18、连接件20或回转座22。应理解的是，臂元件42的配置会略有不同，但密封组件40的细节会相同。臂元件42 与壳体32相对于彼此旋转。壳体32为如上所述的关节模块壳体。如上所述，关节34和关节36每个均为中空关节组件。每个中空关节组件均包括伺服马达44和中空轴46。中空轴46具有中空部48，中空部 48允许电缆穿过，以及因而允许电缆穿过中空关节组件。每个中空关节组件均具有外壁52。轴承50位于马达44与轴46之间。

静态密封部件54位于执行元件组件的外壁52与壳体32之间。动态密封部件56位于执行元件组件的外壁52与臂元件42之间。

螺钉58将壳体32附接至执行元件组件的外壁52。螺钉60将臂元件42附接至执行元件组件的伺服马达44。

连接件/适配器或臂元件42通过螺钉60固定至伺服马达44。臂元件42、伺服马达44和螺钉60一体地旋转。执行元件外壁52通过螺钉58固定至关节模块壳体32。执行元件外壁52、壳体32和螺钉58 为一个整体。连接件/有效载荷界面或臂元件42通过轴承50相对于中空轴46和中空部48旋转。外壁52、螺钉58和壳体32相对于中空轴 46和中空部48相对静止。因此，臂元件42、伺服马达44和螺钉60 相对于外壁52、螺钉58和壳体32旋转。

静态部件安装在2个非移动件之间。例如，执行元件外壁52和壳体32为两个非移动件。在两者之间没有相对运动。因此，静态密封部件54位于外壁52与壳体32之间。相反地，动态密封部件56安装在移动件与非移动件之间。例如，因为臂元件42相对于执行元件外壁 52旋转，所以臂元件42为移动件，以及执行元件外壁52为非移动件。因此，动态密封部件56位于臂元件42与执行元件外壁52之间。

应理解的是，在正常制造条件下，两个相对静止的件之间会存在间隙。因而，本文描述的密封组件40在一定程度上允许机械手臂10 在诸如制造业中的涂装站、打磨站、抛光站和研磨站的危险环境中工作。

图4和图5示出了具有密封部件的二自由度机器人关节的分解图。连接件/有效载荷界面或臂元件42包括与臂元件静态密封66、动态密封56和中空关节组件34同轴的凹槽62、凹槽64。静态密封部件66 接合臂元件42的凹槽62，臂元件42与中空关节组件34的表面68接触。一旦臂元件静态密封部件66安装在凹槽62上，并且臂元件42 与表面68充分接触，然后与手臂接触的密封部件就生成密封环境，该密封环境在理想情况下手臂内无泄漏。

本领域技术人员应理解的是，上述静态密封部件54和静态密封部件66大致相同。然而，静态密封部件66在两个平坦表面之间使用。例如，静态密封部件66(在图4和图5中)位于中空关节组件的表面 68与臂元件42的凹槽62之间。相反地，静态密封部件54在两个圆形表面之间使用。例如，静态密封部件54(在图3中)位于具有圆形表面的执行元件外壁52与具有圆形表面的壳体32之间。这两个静态密封部件的配置相同：二者均为O形环结构。

动态密封部件56安装在臂元件42上的凹槽64中。凹槽64为大体圆形凹槽，以及类似地，动态密封部件56为大体圆形。动态密封部件56与中空关节组件外壁52接触。通常，动态密封部件56安装在非移动件-中空关节组件的外壁52与移动件-臂元件42之间。

图6示出了静态密封部件54的示例。静态密封部件54为安装在两个相对静止的之间的界面处的橡胶环。图7示出了动态密封部件56 的示例。动态密封部件56包括两个件：用于密封的、可弹性变形的外环70以及耐磨损低摩擦的滑动塑料内‘O形环’72。可弹性变形的外环70可为橡胶环。可弹性变形的外环70完全覆盖密封环或低摩擦的塑料内O形环72的外缘，以形成一体或以形成动态密封部件56。动态密封部件56在能够彼此相对运动的两个机械件之间使用。机械件之间存在旋转运动，因而密封部件能够在移动件之间旋转。塑料密封环 72直接安装在可旋转的机械件之间，并与可旋转机械件接触，以及当两个件旋转时，环可在周围滑动。塑料密封环72保护可变形环70免受机械件的磨耗和磨损，使整个密封装置的使用寿命可持续更长。

本领域技术人员应理解的是，图6中示出的静态密封部件54和图 7中示出的动态密封部件仅作为示例。

图8示出了用于在机械手臂10的关节模块30上使用的壳体盖38 的密封方法。壳体盖38包括用于容纳盖静态密封部件76的凹槽74。盖静态密封部件76与静态密封部件54类似。如本文所示，盖静态密封部件76可为橡胶“O形环”。壳体盖38能够可释放地附接至壳体32。

参考图9，本文示出的手臂100与图1中示出的手臂10相似，但是具体识别和讨论了密封部件。本领域技术人员应理解的是，手臂100 仅作为示例示出，并且也可使用其他配置。其他配置也会使用如本文所讨论的动态密封部件和静态密封部件的组合。手臂100包括二十二 (22)个密封部件，具体为六(6)个动态密封部件56和十六(16) 个静态密封部件。

多个动态密封部件56位于相对旋转的件之间。两个动态密封部件位于每个二自由度关节模块的两端，二自由度关节模块即为腕部模块 12、肘部模块14和肩部模块16。在腕部，腕部模块12可相对于肘部连接件18旋转；肘部模块14可相对于腕部连接件18和肩部连接件 20旋转；以及在回转座22处，肩部模块16可相对于回转座22和转接板或电子盒26以及肩部连接件20旋转。

静态密封部件安装在相对静止的件之间的接缝或界面处。如图8 所示，一种静态密封部件76安装在关节模块的盖38上。图9中示出的这些静态密封部件76与多个关节模块相关联，关节模块具体为腕部模块12、肘部模块14、肩部模块16以及肘部连接件18。多个另一类型的静态密封部件78安装在关节、连接件和回转座上。静态密封部件 76、78和79均相似，以及均为O形环结构。静态密封部件76与如上所述的静态密封部件66类似。静态密封部件76在两个平坦表面之间使用。类似地，静态密封部件79在两个平坦表面之间使用。静态密封部件78与静态密封部件54类似。静态密封部件78位于圆形表面之间。

如本文所示，静态密封部件78用在腕部模块12、肘部模块14、肩部模块16以及肘部连接件18的壳体与盖之间的界面中。静态密封部件79用在有效载荷界面24、回转座22、电子盒26和肩部连接件 20两端的界面处。静态密封部件78用在腕部模块12、肘部模块14、肩部模块16和肘部连接件18中。本领域技术人员应理解的是，尽管在图9中示出了密封部件的大体位置，但是密封部件从外部不可见，而在内部则可见。通过图示，图12A、图12B中示出了密封连接件。本文示出的连接件为大致L形连接件，并且在图1和图9中示出的实施方式中为肘部连接件。本文示出的肘部连接模块18仅作为示例，并且本领域技术人员应理解的是，其他连接件可进行类似的密封。肘部连接件18连接至腕部模块12和肘部模块14。肘部连接模块18包括肘部连接体80以及能够可释放地附接的肘部连接件盖82。肘部连接体80为大致L形，以及盖82位于拐角处。肘部连接体80为大致管状，以及盖提供通向肘部连接体80内部的通道。肘部连接体80包括便于连接至肘部模块14的连接界面84。连接界面84为用于连接肘部关节(14)与肘部连接件(18)的机械装置。

盖包括定位与图8中所示相似的静态密封部件76。连接件盖82 密封至肘部连接体80。静态密封部件78位于连接界面84与肘部连接体80之间。密封部件位于圆形表面之间。

作为示例，图11A、图11B、图12A、图12B和图13中示出了大致长型的连接件。本文示出的长型连接件为在图1和图9中示出的手臂中使用的肩部连接件。在图11A、图11B和图12A、图12B中示出了肩部连接件20的组成部分，以及在图13中示出了肩部连接件的分解视图。肩部连接件20包括图11A和图11B中示出的肩部连接体90 以及在图12A和图12B中示出的肩部连接密封外壳92。肩部连接体 90为大致长型的，并在其两端处具有一对连接部94。从图11A中可看到肩部连接体90的最佳外侧视图，以及从图11B中可看到肩部连接体90的最佳内侧视图。肩部连接密封外壳92包括中空管96和在中空管96两端处的一对帽形密封部98。中空管96连接至一对帽形密封部98，使得电缆(未示出)可在密封环境中从中空管96中通过。

图13为肩部连接件20的分解视图。肩部连接件20包括肩部连接体90、肩部连接密封外壳92和肩部连接件盖101。一对静态密封部件 76位于肩部连接体90与肩部连接件外壳92之间。多个螺钉102将肩部连接件外壳92连接至肩部连接体90，以及多个螺钉104将肩部连接件盖101连接至肩部连接体90。电缆束106从肩部连接密封外壳92 中穿过。

仅作为示例，肩部连接体90由实心金属加工而成，因而电缆不能从内部穿过连接体。因此，如上所述的连接密封外壳92设计目的是为覆盖电缆。

本文所示的手臂100由多个密封关节和连接件构成，因而整个机械手臂完全相对外部密封，并且内部电子部件与外部隔离。然而，为了更好地使手臂内部与外部隔离，机械手臂内部可相对于外部保持正值空气压力。

对于具体用途，会期望提供具有内部正值空气压力的手臂。理想的目的是防止灰尘或其他微粒进入手臂。手臂为密封的封闭结构，充满了加压空气。作为示例，图14示出了手臂100内的空气通道108。空气从回转座22处的进气口110注入至手臂中，以及空气通过回转台 -肩部模块16、肩部连接件20、肘部模块14、肘部连接件18和腕部模块12。最终，手臂的有效载荷界面24阻挡空气。基本上，因为所有的关节和连接件都具有密封部件，所以手臂为密封的封闭结构。加压空气/气体从手臂的底部至手臂的顶部通过，使得理想地防止灰尘进入手臂。

因此，空气不会从有效载荷界面24的端口泄漏出去。整个手臂内部都是密封的，并且具有正值气体压力。可看出，有连续的空气通道 108通过了手臂100中的所有部件。因而，只需要一个进气口110。

本领域技术人员应理解的是，本文示出的模块化工业手臂100使用了如上所述并且在图2至图5中示出的中空关节组件。因为手臂使用中空关节组件，所以大多数机械部件无缝集成为一个组件。因此，零件之间的缝隙/接缝更少，只需要简单的密封保护。手臂100的密封部件包括位于手臂的关节模块和连接件的具体零件处的多个“O形环”密封部件。

另外，本领域技术人员应理解的是，本文示出的模块化机械手臂是能够重新配置。因而，虽然本文示出的手臂包括三个二自由度关节和两个连接件，但是可组装替代配置。手臂可由至少两个关节和至少一个连接件组成。可替代地，手臂可由三个关节和两个连接件以上的部件组成。手臂可根据具体目的而重新配置，同时仍然保持能够在危险环境中使用的属性。

一般而言，本文所述的系统为针对密封的机器人关节和使用该密封的机械关节的机械手臂。在具体说明书中描述了本公开的各种实施方式和各个方面。说明书和附图是对本公开的说明，并且不应解释为对本公开的限制。本文描述了许多具体细节，以便于对本公开的各种实施方式的全面理解。然而，在具体实例中，没有描述公知或常规的细节，以便简化对本公开实施方式的讨论。

本文所使用的术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应解释为包括性的和开放式的，而非排他性的。具体地，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”及其变体表示包括具体的特征、步骤或部件。这些术语不能解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。

本文所使用的“可操作地连接”或“可操作地附接”是指两个元件直接或间接地连接或附接。因此，结构不需要直接地连接或附接，而是在二者之间可连接或附接有其他结构。