專利名稱：機器人手腕的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人手腕，并且涉及一種設置有所述機器人手腕的 工業機器人或者其他操縱器或自動機器。本發明^艮好地適于涂敷涂層，例 如對機動車進行噴涂。
背景技術：
名稱為"Robot Wrist"的DE 3431033和US 4,690,012描述了 一種與 工業機器人結合使用的機器人手腕。工業機器人用來快速地和準確地執行 廣泛的工業和/或商業任務。在許多應用場合，例如在焊接汽車車體或對機
動車進行涂漆時，機器人必須(有時在受限的空間中)操作例如電弧焊嘴、漆噴涂器或夾持器等工具，并且對其進行精確定位和定向。US 4,6卯,012 描述一種包括三個獨立的可旋轉手腕部分的機器人手腕。第一部分附連到
機器人臂部并繞第一軸線旋轉；第二手腕部分可旋轉地附連到第一部分并 設置有小齒輪，以繞第二旋轉軸線旋轉第二齒輪部分；類似地，第三手腕 部分設置成可旋轉地安裝在第二部分上并可繞第三旋轉軸線進行驅動。
整個手腕部分形成為使得封閉手腕部分內部的中空空間以允許在手 腕內部定位其他裝置。特別地，手腕的中空內部包*護軟管或其它管道， 纜線、電線、管子或較小軟管穿過此保護軟管或其它管道設置，以將電力、 壓縮空氣或液壓動力供應到一個或多個由機器人^作的工具上，和/或將控 制信號或傳感器數據發送到工具上和/或自所述工具接收所述控制信號或傳感器數據。名稱為"Robot Member"且轉讓給ABB的WO 2004/082898 描述了一種具有兩個或三個手腕部分的中空手腕。如同US 4,690,012，所 述中空手腕設置有齒輪，所述齒輪設置成驅動或旋轉附連到手腕端部的工 具，不管中空手腕是否處于直線位置、彎曲位置或是正在一個位置和另一 位置之間移動。
名稱為"Robot Wrist with Hose Drive for Rotating a Supply Hose, and Associated Process"且轉讓給Dtirr Systems GmbH的EP1 632 320描述了 一種具有三個部分和內保護軟管的中空手腕。示出在圖2a-c中的手部12、13、 14包括齒輪，以驅動手部和工具凸緣ll，即夾持漆涂敷器的部分。工 具凸緣11描述成由輸入端的驅動軸25的旋轉進行驅動，所述旋轉經由外 齒輪26、 27和斜齒輪對28-29、 30-31、 32-33傳遞到輸出端的工具凸緣11。
發明內容
依據本發明的第一方面，提供一種用于工業機器人或操縱器的改進的 機器人手腕，該機器人手腕包括多個彼此串接布置的可旋轉部分，至少包 括第一手腕部分和第二手腕部分，其中，每一手腕部分i殳置有一個或多個 齒輪元件，以驅動任一所述手腕部分相對于所述另一手腕部分進行所述旋 轉移動，另外，所述機器人手腕i殳置有用于安裝附連到第二或第三或其他 遠端手腕部分上的涂敷器或其他工具的工具凸緣，其中，所述機器人手腕 設置有柔性驅動元件，用于將動力自位于所述手腕的第一部分的附近的輸 入驅動裝置傳遞到附連到所述遠端手腕部分的遠端部的工具凸緣或其他 工具裝置，所述柔性驅動元件包括至少一個柔性部分。
依據本發明的一個實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述柔性驅動元件包括至少一個在所述機器人手腕的內 部設置為內軟管的柔性部分。
依據本發明的一個實施方式，提供一種具有改進的機器人手腕的工業 機器人或操縱器，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述柔性驅動元件包括至少一個設置在所述機器人手腕 的內部的柔性內軟管。
依據本發明的另一實施方式，提供一種具有改進的機器人手腕的工業 機器人或操縱器，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的單件 式驅動元件，其中，所述單件式驅動元件包括至少一個設置在所述機器人 手腕的內部的柔性部分。
依據本發明的另一實施方式，提供一種具有改進的機器人手腕的工業 機器人或操縱器，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性驅動元件，其中，所述至少一個柔性部分設置成沿垂直于所述柔性驅動元件的旋轉軸線的方向具有柔性。
依據本發明的又一實施方式，提供一種具有改進的機器人手腕的工業 機器人或操縱器，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到位于遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述至少一個柔性部分包括兩個或多個聯結在一起的部 分。
依據本發明的一個替代性實施方式，提供一種具有改進的機器人手腕的工業機器人或操縱器，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕 的近端部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性驅動元件，其中，所述兩個或多個部分通過鉸鏈或樞軸裝置聯結在 一起。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，兩個或多個部分中的至少一個部分聯結在一起，并且至 少一個部分設置成抵靠位于所述中空手腕的內部的導向部分和/或支撐件 和/或軸承。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，兩個或多個部分中的至少一個部分聯結在一^^從而形成 內保護軟管，或者，在單件式柔性元件的情形下，所述至少一個部分沒置為內軟管或內保護軟管。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性驅動元件，其中，傳感器設置在機器人手腕之上或之中，以測量根據工具凸緣和/或輸入驅動裝置的移動的參數:。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，傳感器設置在機器人手腕之上或之中，并且所述傳感器 設置成放置且附連到支撐所述柔性元件的導向件或軸承上。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述柔性驅動元件的一部分設置為包括絕緣材料的內軟
管，所述絕緣材料的介電強度在20-100kV之間。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述柔性驅動元件的一部分i殳置為內軟管，并且設置為 內軟管的所述柔性驅動元件的外側和/或內側表面設置有導體或半導體材 料，以避免電荷的積聚。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述改進的機器人手腕包括兩個所述手腕部分。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于工業機器人或操縱器的改 進的機器人手腕，所述機器人手腕包括用于將動力自位于所述手腕的近端 部的輸入驅動裝置傳遞到作為遠端部的工具凸緣或其他工具裝置的柔性 驅動元件，其中，所述改進的機器人手腕包括三個所述手腕部分。
依據本發明的另一方面，提供一種用于操作具有機器人手腕的工業機 器人或操縱器的方法，所a器人手腕包括多個彼此串接布置的可旋轉部 分，至少包括第一手腕部分和第二手腕部分，其中，每一手腕部分i殳置有 一個或多個齒輪元件，以驅動任一所述手腕部分相對于所述另 一手腕部分 進行所述旋轉移動，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器或其他 工具且附連到第二或第三腕部部分上的工具凸緣，所述方法進一步包括 生成用以驅動所述工具凸緣的控制信號；將控制信號施加到設置成經由作 為動力傳送元件的輸入驅動裝置驅動柔性驅動元件的驅動馬達上，以根據控制信號而移動所述工具凸緣。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于操作具有機器人手腕的工 業機器人或操縱器的方法，所述機器人手腕包括多個彼此串接布置的可旋 轉部分，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器或其他工具且附連 到第二或第三腕部部分上的工具凸緣，所述方法包括生成用以驅動所述工 具凸緣的控制信號，以及將控制信號施加到"&置成驅動柔性驅動元件的驅 動馬達上，其中，所述方法進一步包括將補償值施加到驅動馬達的控制信 號上。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于操作具有機器人手腕的工 業機器人或操縱器的方法，所述機器人手腕包括多個彼此串接布置的可旋 轉部分，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器或其他工具且附連 到第二或第三腕部部分上的工具凸緣，所述方法包括生成用以驅動所述工 具凸緣的控制信號，以及將控制信號施加到設置成驅動柔性驅動元件的驅 動馬達上，其中，所述方法進一步包括基于單件式驅動元件的至少一個機 械特性的模型計算出用于單件式驅動元件的補償值。
依據本發明的另一實施方式，提供一種用于操作具有機器人手腕的工 業機器人或操縱器的方法，所述機器人手腕包括多個彼此串接布置的可旋 轉部分，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器或其他工具且附連 到第二或第三腕部部分上的工具凸緣，所述方法包括生成用以驅動所述工 具凸緣的控制信號，以及將控制信號施加到設置成驅動柔性驅動元件的驅 動馬達上，其中，所述方法進一步包括根據反饋自設置在機器人手腕之上 或之中的傳感器的工具凸緣的移動的檢測值計算出用于單件式驅動元件 的補償值。
依據本發明的另一方面，提供一種包括機器人控制單元和至少一個具 有改進的機器人手腕的工業機器人或操縱器的系統，所述機器人手腕包括 多個彼此串接布置的可旋轉部分，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝 涂敷器或其他工具且附連到第二或第三手腕部分上的工具凸緣，所述系統 的特征在于，所述至少 一個機器人的所述機器人手腕設置有包括至少 一個 柔性部分的柔性驅動部分，以將動力自位于所述手腕的第一部分的附近的 輸入驅動裝置傳遞到設置在機器人手腕的遠端部的工具凸緣上。
在本發明的第一方面，中空的機器人手腕設置有多個彼此串接布置的可旋轉部分，至少包括設置成用以安裝到機器人臂部或自動機器上、使得 第一手腕部分能夠繞第一軸線進行旋轉移動的第一手腕部分，以及以軸頸 連接在第一手腕部分中的第二手腕部分，其中，每一所述手腕部分設置有 一個或多個齒輪元件，以驅動任一所述手腕部分相對于所述另 一手腕部分 進行所述旋轉移動，并且設置第六軸線，所述第六軸線由通過柔性驅動元 件而自輸入齒輪傳遞到第六軸線的動力驅動，所述柔性驅動元件可"^殳置為 內軟管。
本發明的主要優點在于，所述改進的機器人手腕具有用于將動力傳遞 到第六軸線上的筒化裝置，工具夾具繞該軸線設置，漆涂敷器(或其他工 具)則可安裝到所述工具夾具上。替代需要六個或多達六個齒輪以將動力 自位于所述手腕的一個端部的輸入裝置傳遞到位于所述手腕的另 一端部 (遠端部)的工具凸緣的是，將單件式內軟管設置為位于工具和機器人手 腕的驅動輸入裝置之間的動力傳送元件，其中所述工具位于機器人手腕的 遠端部的第六軸線或工具凸緣上。
因而，與例如WO 2004/082898中的現有技術的構造比較，本發明的 一個方面使得能夠從構造中省略多達六個齒輪部件，因而極大地減少中空 手腕的重量和慣量。重量和慣量的減少特別重要，因為中空手腕安M機 器人臂部或皿器的遠端部。作用在臂部的端部處的中空手腕的重量和慣 量將大的力施加在機器人結構上。手腕的重量和慣量一定程度地確定了操 作安裝中空手腕的機器人臂部所需的臂部、馬達、齒輪箱等的尺寸。替代 性地，具有大致較小重量的中空手腕當安裝在機器人上以代替上述類型的 較重手腕時，提供改進的移動靈活性和性能。
同時，位于中空手腕內部的中空空間的尺寸也有利地增大。內徑可在 若干部位增大。這一點使得同時作為保護軟管且通常包含用于漆流體、工 藝空氣、可能的溶劑、可能的控制纜線等的工藝管線的內軟管能夠具有增 大的直徑。由此，較大的內軟管提供用于更多工藝管線或者用于具有較大 直徑的管線的空間，這種工藝管線例如是使用其他方法更加容易進行清洗 或清潔的管線。
與現有技術比較，在手腕內部不存在用以將動力傳送到工具凸緣上的 齒輪系的情況下，還能具有位于改進的機器人手腕的內部、以使保護軟管 (或其他內軟管或導管)進行彎曲或撓曲的相對較多的自由空間。更加自 由、受較少約束的彎曲和撓曲導致保護軟管以及位于所述保護軟管內部的纜線、管線或其他軟管的磨損得以減少。這是一個優點，不僅減少纜線和 動力供應線等的磨損和損壞，而且還在機器人特征和功能的選擇和數量方 面為機器人的設計和操作人員提供更大自由。設置為柔性驅動元件的保護
軟管的彎曲角度可達140度，在臂部3上的旋轉或工作包絡空間可達360 度，并且在位于內軟管內部的纜線或其他管線設置成旋轉超過360度時則 能旋轉大于360度。因而，依據本發明的一個方面的中空手腕設置有柔性 驅動元件而非現有技術(例如WO 2004/082898或US 4,6卯,012)中的基 于齒輪的驅動系，以旋轉或以其他方式驅動附連到手腕的端部上的工具。 可驅動或旋轉工具，不管中空手腕處于直線位置、或彎曲位置、或正在一 個位置和另一位置之間移動。
此類機器人手腕的優點在于，其緊湊形狀和大的彎曲角度意味著機器
人能夠到達密封的地方或局部封閉的空間，例如到達汽車車體的中空部分 或車廂部分以對表面或接縫等進行涂漆或處理。本發明中改進的功能性使
得機器人能夠到達具有現有技術的手腕的機器人非常難以到達的空間。本 發明中的直線型中空通道、緊湊形狀和改進的功能增加了能夠由工業機器 人或操縱器以節約成本的方式執行的操作的數量和范圍。
將動力傳送到工具凸緣的柔性裝置(在優選實施方式中形成為包括內 保護軟管)的獨特設計和設置提供了重量非常輕并且緊湊的手腕設計。在 不存在六個齒輪部分或多達六個齒輪部分的情況下，內空腔尺寸增大的另 一優點在于內軟管更加自由地彎曲。這一點進而意味著保護軟管磨損得以 降低，特別地，保護軟管內部的磨損，所述保護軟管所包含的軟管、管線 和纜線等的磨損得以降低。內保護軟管還可包括具有極其小的摩擦系數的 有利的材料，以進一步減少位于保護軟管內部的纜線、軟管的磨損。
內孔道或空腔的尺寸的增大非常有利，因為例如用在涂敷應用場合或 任何其他表面處理應用場合中的機器人可具有大概20根安裝在保護軟管 或管道的內部的不同管線。這些管線例如用于供應不同的漆、不同顏色、 沖洗管線、防腐流體、脫脂流體、溶劑管線、空氣管線、電力線、電子數 據接線等的管線。類似地，用于進行焊接的機器人可具有用于保護氣體、 沖洗材料、焊劑、助熔大氣、焊接送絲等等的管線。臂部內部可加以利用 的中空空間的增大和空間的對稱形狀使得包括在保護軟管內部的管線、軟 管和纜線具有較長的使用壽命，從而提高可靠性以及生產的正常運行時 間。
當用作傳動元件時，柔性內保護軟管的;N^特性與傳統的六個齒輪的 齒輪系相比可具有較小的響應于沿一個或多個方向的加速度的扭轉剛度。 這一點可按在下文進行詳細描述的至少兩種方式進行補償。
在另一實施方式中，柔性驅動元件可由兩個或多個聯結在一起的部分 構成，所述兩個部分中至少一個部分具有柔性。因而第一和第二保護軟管 可聯接在一起并且如同單件式柔性驅動元件一樣進行操作。兩個保護軟管 可剛性聯結、柔性聯結或者通過活動連桿或4^鏈或某些類型的樞軸進行聯 結。具有一個或多于一個的柔性部分的柔性驅動元件還可設置在中空手腕 的內部，并且通過位于中空手腕內部的導向件或軸承部分地支撐或固定在 位。
依據本發明的另一方面，描述一種用于控制具有改進的機器人手腕的 工業機器人的操作的方法，所^器人手腕包括用于在手腕的輸入裝置和 輸出元件、工具或工具凸緣之間傳遞動力的柔性驅動元件，所述方法包括 生成用以驅動所述工具凸緣的控制信號，通過將控制信號施加到設置成經 由作為動力傳送元件的輸入驅動裝置驅動柔性驅動元件的驅動馬達上，從 而根據控制信號而移動所述工具凸緣。
在本發明的方法的優選實施方式中，所述方法可通過計算裝置而得以 執行或控制，所述計算裝置包括一個或多個微處理器單元或計算機。控制 單元包括用于存儲一個或多個用于執行所述改進的方法、以控制改進的中 空手腕的操作的計算M序的存儲裝置。優選地，所述計算機程序包含用 于處理器、以執行上述且將在下文進行更加詳細描述的所述方法的指令。
通過參閱以下的詳細描述同時結合附圖，可更加徹底地理解本發明的方法和系統，所述附圖為
圖l示出依據本發明第一方面的一個實施方式的改進的機器人手腕的 剖面圖2示出依據現有技術的處于直線位置的機器人手腕的剖面圖3a-c示出依據本發明另一方面的一種或多種方法的示意性流程圖4示出依據現有技術的處于直線位置的機器人手腕的外部的3D視圖5示出包括設置有依據本發明的一個實施方式的機器人手腕的機器 人的系統的示意圖6示出依據本發明的另一實施方式的改進的機器人手腕的示意性剖 面圖，其中所述機器人手腕具有包括兩個部分的柔性驅動元件。
具體實施例方式
圖1示出本發明第一方面的一個實施方式的剖面圖。圖2示出WO 2004/082898中的現有技術機器人手腕的類似剖面圖，在開始對本發明所 揭示的特征進行描述之前，將首先對所述現有技^器人手腕進行描述。 代表現有技術的圖2示出一種由三個主要手腕部分構成的機器人手腕。在 代表現有技術的圖4中可看到手腕的外部3D視圖。圖2中，在最接近機 器人臂部的端部P (近端部)處，看到第一手腕部分1連接到第二手腕部 分2,所述第二手腕部分2進而連接到第三手腕部分3。在離機器人最遠的 端部D (遠端部)處設置有工具夾具7，所述工具夾具7安裝在軸承中并 且附連到第三手腕部分3。
在現有技術機器人手腕中，用以旋轉工具夾具7的動力通過齒輪系部 件自近端部P傳送到遠端部D。圖2中， 一部分齒輪系部件的剖面以黑色 實線示出。因而，在近端部P處，該圖示出與位于第二部分2中的較大齒 圏lg嚙合的輸入軸8',所述較大齒圏lg進而與同樣設置于第二手腕部分 2內的第二齒圏2g嚙合或配合。于是，來自第二齒圏2g的驅動被傳遞到 位于第三手腕部分3的驅動部件9,該部件9連接到遠端部D處的工具夾 具7。因而，在現有技術的直線型機器人手腕中，使用具有至少4個齒輪 部件的齒輪系進行動力傳遞，或者，在某些設計方案中所使用的部件多達 6個。
圖1示出依據本發明實施方式的機器人手腕的剖面圖。所示出的手腕 處于直線位置并且還示出包括內軟管4。圖l還示出以軸頸連接到第一 手腕部分1內且位于近端部P處的輸入軸8;連接到手腕部分1以及連接 到第三手腕部分3的第二手腕部分2。工具夾具7以軸頸連接到第三手腕 部分3內。在本發明的機器人手腕中，用以旋轉工具夾具7的M動力可 通過柔性部件4自近端部P傳送到遠端部D。
優選地，將內軟管4或內保護軟管設置為柔性驅動元件，并且將其設 置為將旋轉動力自位于最靠近機器人臂部的近端部的輸入軸傳遞到遠端 部的工具夾具的大致單個的驅動元件。柔性內軟管或內保護軟管通過連接
到輸入軸8、在工具夾具7處設置有合適的嚙合或鎖定套環或其他裝置而 使得驅動軸的旋轉能夠轉換成工具夾具的旋轉而可用作提供驅動裝置的 單個部件。工業機器人的各個不同軸線的設置示出在圖5中，并在下文進 行詳細描述。
設置為用于將動力傳遞到位于軸線6上的工具夾具7的柔性驅動元件 的柔性內軟管4還可起到保護軟管的作用，并且包括若干工藝管線、軟管、 纜線及類似物。經常發現在位于保護軟管內部的軟管、工藝管線、纜線等 會一定程度地發生磨損。然而，在本發明的改進的機器人手腕中可加以利 用的額外內部空間提供了具有增大內徑的內軟管。
當同時起到內保護軟管作用的柔性驅動元件4用作傳動元件時，與傳 統齒輪系相比，其扭矩特征可根據工具夾具和操作速度和/或加速度呈現更 小的響應于沿扭轉方向的加速度的剛度。這一點可按至少兩種方式進行補 償。
可在機器人控制單元(或其他控制單元、或機器人的控制器、或機器 人馬達驅動控制器)內生成基于模型的校正，并且接著可將根據目標速度 和/或加速度以及通過模型計算的校正施加到馬達驅動軸線6的控制信號。 模型用來計算和預測柔性驅動元件響應于扭矩輸入或其他作用于驅動元 件上的施力而將如何移動。所i^型基于所述內保護軟管的至少一個機械 特性。圖3a以簡化模式示出用于所述方法的流程圖。該流程圖包括以下模 塊
31生成用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號；
35將補償值施加到用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號。
圖3b包括以下模塊
31生成用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號；
34由模型計算出用于工具凸緣的馬達的驅動信號的補償值;這是基于 驅動控制信號的校正的模型；
35'將補償值施加到用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號；已經由模 型計算出該校正。
替代地或附加地，可對偏離預期操作的偏差進行測量，并且可由測量
的偏差計算校正或補償值。例如，可^:置傳感器以測量柔性驅動元件4或 驅動系中另 一部件的速度或位置，所述另 一部件例如工具凸緣7或輸入軸
8。位置和/或速度的測量數值可與目標值進行比較，并且可生成校正值從 而為工具夾具的移動提供^Jt控制。才艮據應用場合,所述^J績測量lt值可 適于提供前饋控制功能，以適應馬達控制目標信號。
圖3c示出所述方法的簡化模式，并包括以下模塊
31生成用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號；
32接收來自工具凸緣傳感器的速度和/或位置信號；(傳感器可設置在 機器人手腕的另一部分之上或之中)；
33將來自傳感器的速度和/或位置信號與目標值進行比較；
34由模型計算用于工具凸緣的馬達的驅動信號的補償值;基于驅動控 制信號的校正進行測量；
35"將補償值施加到用于工具凸緣的驅動馬達的驅動信號；已經由模 型計算出該校正。
工業機器人通常設置有一個或多個控制單元。例如，專用或中央控制 單元經常用來控制單個機器人，盡管某些機器人控制器可同時控制若干機 器人。另外，機器人還可具有一個或多個分布或局域控制單元，其控制在 涂漆室或工作區域或機器人室中的特定軸線或工具或固定裝置等。圖5示 出包括至少一個設置有依據本發明實施方式的機器人手腕的工業機器人 的簡單系統的示意圖。該圖示出設置成繞第一軸線Al旋轉的機器人，所 述機器人具有繞第二軸線A2、第三軸線A3和第四軸線A4聯結的臂部。 機器人手腕10形成笫五軸線A5。設置有附連到機器人手腕10的工具或工 具夾具7，并且涂敷器11或其他工具能夠繞在圖中示出的第六軸線A6旋 轉。該圖還以示意性方式示出機器人可連接到機器人控制單元20，所述控 制單元20可連接到某些類型的數據網絡22。機器人可在工件25上執行涂 漆、涂敷或其他操作。
在其他實施方式中，可使用基于模型、基于測量數值、反饋和/或前饋 控制方法的組合。優選地，校正或補償值通過在處理器、計算機或包括計 算機功能性的電子部件中運行的程序或計算機程序進行計算。處理器可局部地設置于機器人手腕或臂部中，或者可設置于分布式機器人控制單元或 中央機器人控制單元中。
控制單元包括用于存儲一個或多個程序的存儲裝置，所述程序用于執 行所述改進的方法，所述改進的方法用于控制機械壓力裝置的操作。存儲 裝置可包括非易失性磁存儲裝置，例如但不限于光或磁光存儲裝置、閃存、 硬盤驅動器中的任一種。數據庫或其一部分可存儲在計算機可讀的存儲裝 置中，并且包含可由上述計算機程序訪問的數據。特別地，數據庫可包含 記錄下來的關于#值、設定點、公式和/或其他技術數據的數字、事實和 數據，這些參數值、設定點、公式和/或其他技術數據由經驗生成、自服務 數據或測試結果提取、通過例如其他模擬手段而計算或獲得，所述數據旨 在用于進行計算以執行所述方法，從而確定用于所述工具的驅動信號的補 償值的測量值、最佳估算數值或模型化值。存儲裝置可設置為至少部分地能夠重寫，例如設置為閃存或FGPA裝置，從而允許例如對裝置信息、參 數值、設定點值或計算機程序的編碼進行更新。
如上所述，內保護軟管可包含多根電線、軟管和纜線，可能總共有20 根或更多。通過在常規操作之前將軟管和纜線以預定式樣設置在機器人手 腕的內保護軟管中，可使包含在內軟管中的不同軟管和纜線的延伸或過度 延伸達到最小。在常規操作過程中，當機器人手腕旋轉和彎曲時，例如通過目對于手腕部分的計劃的旋轉方向和度數施加預定的扭曲，能夠補償各 個軟管和纜線在長度上的變化。例如，當軟管和/或纜線安W機器人手腕 的內部時，可將扭曲達180度或更大的扭曲的電線形式應用到至少一些軟 管和/或纜線。
另外，釆用內保護軟管形式的柔性驅動元件的內部或者內軟管的內表 面可包括低摩擦層，包括例如含氟聚合物或其他低摩擦材料的材料。軟管 的結構可包括單相塑料材料或分層塑料材料。可使用彈性體、其他聚合或 復合材料。塑料材料可部分地包括含氟聚合物，例如通常標以商標名Teflon (DuPont公司的商標)的塑性聚四氟乙烯(PTEE)，或處于混合物、共 聚物、復合物或分層結構形式的其他含氟聚合物。例如含氟聚合物的減擦 材料的使用極大地減少保護軟管的內側和所述保護軟管所包含的電線、纜 線、軟管等之間的任何摩擦。在內軟管的外側和/或內側，可設置導體或半 導體材料或層，以減少在軟管上積聚的電壓。當位于內軟管內部的工藝管 線包*持在應用點的高電壓下的漆或其他流體時，例如當采用靜電式漆涂敷器、鐘式涂敷器或噴漆槍時，這種是必需的。
作為驅動元件的內軟管的結構可包括至少兩相并且包括直徑不同的 加強元件，例如金屬環或塑料環。在替代性實施方式中，與結合有不連續 環的塑料軟管形成對比，所述金屬環可設置為朝向模制成波紋形式的塑料 軟管的外側設置或者繞著所述塑料軟管的外側設置的電線的連續螺旋。電 線環或螺旋也可由塑料層覆蓋。
在另一實施方式中，柔性驅動元件可由聯結在一起的兩個部分構成。 因而，第 一和第二保護軟管例如可彼此聯結或聯接在一起并且可如同單件 式柔性驅動元件一樣進行操作。
圖6示意性示出處于直線位置的機器人手腕10的剖面圖。所示出的 機器人手腕具有三個部分1-3并具有包括聯結在一起的兩個內保護軟管的 柔性驅動元件。圖中示出近端部P處的第一手腕部分1、位于中間的第二 手腕部分2以及遠端部D處的第三手腕部分3。在該實施方式中，內軟管 設置為通過第三中空部分12而彼此聯結的第一軟管 一和第二軟管42。聯 結部分12設置有軸承13并具有支撐或導向部分14。原理是，柔性驅動元 件可由多于一個的部分形成，并且還可由多于一個的柔性部分A、 42形成。 或者換一種方式，柔性元件包括至少一個柔性部分，例如^或42。替代或 附加地，柔性驅動元件可由導向件14支撐，或者i殳置有某些類型的軸承 13。所述軸承可以是滾珠軸承、滾柱軸承、滑動軸承或其他類型。
兩個保護軟管可通過活動連桿或鉸鏈或某些類型的樞軸聯結。單件保 護軟管、或兩個保護軟管或類似物可聯接在一起，以形成大致為單件的柔 性驅動元件。在圖示的例子中，具有兩個柔性部分的柔性驅動元件可由聯 結在一起的兩個或多個軟管形成。具有兩個或多個部分的柔性驅動元件可 使用大致剛性的聯結件或通過接頭進行聯結，所述接頭設置成用于運動， 例如用于兩個部分中的一個或多個部分相對于其他部分進行樞轉或轉動。 由導向件和/或軸承支撐的柔性驅動元件的優點在于，如此設置的軟管提供 了一種柔性驅動元件，所述柔性驅動元件與在整個傳動距離上未受支撐的 柔性元件相比較具有更大的扭轉剛度。
在另一實施方式中，對于僅需要有限工作包絡空間的操作，中空的手 腕可設置有兩個串接布置的手腕部分，從而其所提供的工作暴露空間為通 常由設置有三個手腕部分的中空手腕所提供的工作包絡空間的大約70 % 。
可對所揭示的技術方案進行若干變化和修改，并且本發明的實施方式 還可用來涂敷不同類型的漆、雙組分漆、底層涂層、底漆等等。類似地， 上述4支術方案還可適于涂敷或噴涂其他物質，例如保護涂層、密封劑，以 進行密封、膠合、涂蠟、上熱蠟(在空腔中)以及噴涂防腐材料。可通過 一個或多個計算機程序監督、控制或執行本發明的方法。代替漆或涂層涂 敷器，具有依據本發明實施方式的改進的手腕的工業機器人可用來操作另 一類型的工具，例如焊接工具、釬焊工具、夾持器或其他適用于機器人的 工具。具有改進的中空手腕的工業機器人可用來執行以下組中的任何操作鉚接、修補、板的折疊、切割、板的彎曲、板的巻邊、夾持物體、操 縱物體、堆疊、拾取和放置。
在該描述中，描述了具有五條軸線和第六工具軸線的工業機器人；然 而，本發明的使用并未局限于具有特定軸線數量的工業機器人。應注意， 盡管上文描述了本發明的示例性實施方式，但是可對所揭示的技術方案進 行若干改變和修改，而不會偏離限定于所附權利要求中的本發明的范圍。
權利要求
1.一種具有機器人手腕的工業機器人或操縱器，所述機器人手腕包括多個彼此串接布置的能夠旋轉的部分，至少包括第一手腕部分(1)和第二手腕部分(2)，其中，每一手腕部分設置有一個或多個齒輪元件，以驅動任一所述手腕部分相對于所述另一手腕部分進行所述旋轉移動，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器(11)或其他工具且附連到第二手腕部分(2)或第三手腕部分(3)或其他遠端手腕部分上的工具凸緣(7)，其特征在于，所述機器人手腕(10)設置有柔性驅動元件(4)，所述柔性驅動元件(4)包括至少一個柔性部分，并且用于將動力自位于所述手腕的第一部分(1)的附近的輸入驅動裝置(8)傳遞到附連到所述遠端手腕部分的遠端部上的工具凸緣(7)或其他裝置。
2.根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元件(4) 包括至少 一個設置在所述機器人手腕的內部的柔性內軟管。
3.根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述至少一個柔性部分 沿垂直于所述柔性驅動元件的旋轉軸線的方向具有柔性。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述至少一個柔性部分 包括兩個或多個聯結在一起的部分(4p 42)。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個部分通 過鉸鏈或樞軸裝置聯結在一起。
6. 根據權利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個聯 結在一起的部分中的至少一個部分設置成抵靠位于所述中空手腕中的導 向部分(14 )或軸承(13 )。
7. 根據權利要求1或6所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元件裝備有將柔性驅動元件的第一端部連接到位于所述手腕的第一部分(1 )的附近的輸入驅動裝置(8 )的驅動裝置，以及用于將柔性驅動元件的第二端 部附連到位于所述手腕的遠端部的工具凸緣(7)上的裝置。
8. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元件(4) 設置為內軟管或內保護軟管。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述兩個或多個聯結在 一起的部分中的至少 一個部分形成內保護軟管。
10. 根據權利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述設置為穿過 手腕部分(1-2、 1-3)的內部的內軟管的柔性驅動元件(4)在i殳置于彎曲 位置和直線位置中的每一個位置時具有相同的總長度。
11.根據權利要求1或8所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元 件(4)包括設置成包圍住多個工藝管線的內軟管，所述工藝管線的形式為 設置在所述內軟管內部的軟管和/或纜線，其中所述內軟管位于所述手腕部 分(1、 2、 3)的內部。
12.根據權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述多個軟管和/或纜 線在內軟管的內部扭曲成預定的程度，并且包括下列清單中的任一種包 含工藝材料的軟管、包含空氣或另一種氣體的軟管、控制電線、進給桿、 液壓軟管、用于數據傳送和/或控制信號的纜線。
13. 根據權利要求1或9所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元 件(4)為中空并且具有大致呈管狀的形狀。
14. 根據權利要求1或9所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元 件(4)為中空并且至少部分地具有圓形截面。
15. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，當從垂直于柔性驅動 元件的長軸線的方向觀察時，所述柔性驅動元件具有呈波故狀的截面的壁部。
16. 根據權利要求9-16中任一項所述的裝置，其特征在于，所述柔性 驅動元件設置有截面，其至少部分地包括一個或多個具有圓形截面的部 分，并且兩個或多個部分具有至少兩個直徑不同的截面。
17. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，傳感器設置在機器人 手腕之上或之中，以測量根據工具凸緣(7)和/或輸入驅動裝置(8)的移 動的參數。
18. 根據權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述傳感器設置在機 器人手腕之上或之中，并JbNl對于支撐所述柔性元件的導向件或軸承(13、 14)放置。
19. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元件設 置為內軟管，并且包括具有在20-100kV之間的介電強度的絕緣材料。
20. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，設置為內軟管的所述 柔性驅動元件的外側和/或表面設置有導體或半導體材料，以避免電荷的積聚。
21.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述柔性驅動元件設 置為內軟管并且由結合有至少一個加強元件的聚合材料制成。
22.根據權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述加強元件包括螺 旋桿、螺旋帶或螺旋線中的任一種。
23.根據權利要求8或9所述的裝置，其特征在于，設置為內軟管的 所述柔性驅動元件包括含氟聚合物或含氟聚合物層。
24.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述中空手腕包括兩 個彼此串接布置的能夠旋轉的部分，包括第一手腕部分(1)和第二手腕部 分(2)，其中，工具凸緣(7)或工具能設置在第二手腕部分上。
25.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述中空手腕包括至 少三個彼此串接布置的能夠旋轉的部分，包括第一手腕部分(l)、第二手 腕部分(2)和第三手腕部分(3)。
26. —種用于操作具有機器人手腕的工業機器人或操縱器的方法，所 述機器人手腕包括多個彼此串接布置的能夠旋轉的部分，至少包括第一手 腕部分(1)和第二手腕部分(2 )，其中，每一手腕部分沒置有一個或多個 齒輪元件，以驅動任一所述手腕部分相對于所述另 一手腕部分進行所述旋 轉移動，其中，所述機器人手腕設置有用于安裝涂敷器(11)或其他工具 且附連到第二或第三手腕部分(3)上的工具凸緣(7)，其特征在于，生成 用以驅動所述工具凸緣的控制信號(31 )，將控制信號施加到設置成經由作 為動力傳送元件的輸入驅動裝置(8)驅動柔性驅動元件(4)的驅動馬達 上，以根據控制信號而移動所述工具凸緣。
27. 根據權利要求26所述的方法，其特征在于，將補償值(35)施加 到驅動馬達的控制信號上。
28. 根據權利要求27所述的方法，其特征在于，基于單件式驅動元件 的至少一個機械特性的模型，計算出用于柔性驅動元件的補償值。
29.根據權利要求28所述的方法，其特征在于，根據反饋自設置在機 器人手腕之上或之中的傳感器的工具凸緣的移動的檢測值計算出用于柔 性驅動元件的補償值。
30.根據權利要求28和29所述的方法，其特征在于，基于下列方式 中的任一種計算出用于柔性驅動元件的補償值所述內保護軟管的至少一 個機械特性的模型；反饋自設置在機器人手腕之上或之中的傳感器的工具 凸緣的移動的檢測值。
31. 根據權利要求29或30所述的方法，其特征在于，生成用于旋轉 相對于彼此連接到手部(1、 2、 3)的驅動裝置的控制信號，以使軸線(5) 彎曲，從而安裝在軸線(6 )上的工具或涂敷器的中心線相對于繞軸線(4 ) 設置的第三臂部處于直至約140度的角度。
32. 根據權利要求31所述的方法，其特征在于，生成用于旋轉驅動裝 置的控制信號，從而安裝在軸線(6)上的工具或涂敷器根據一個或多個設 置在內軟管內部的工藝管線的特性而在旋轉程度和方向上受到限制。
33. —種包括機器人控制單元(20)和至少一個具有機器人手腕的工 業機器人或操縱器的系統，所a器人手腕包括多個彼此串摔布置的能夠 旋轉部分，至少包括第一手腕部分(1)和第二手腕部分(2)，其中，每一 手腕部分沒置有一個或多個齒輪元件，以驅動任一所迷手腕部分相對于所 述另一手腕部分進行所述旋轉移動，其中，所述機器人手腕設置有用于安 裝涂敷器(11 )或其他工具且附連到第二或第三手腕部分上的工具凸緣(7 )， 其特征在于，所述至少一個機器人的所述機器人手腕(10)設置有柔性驅 動元件(4 ),所述柔性驅動元件(4 )用于將動力自位于所述手腕的第一部 分的附近的輸入驅動裝置(8)傳遞到設置在所述機器人手腕的遠端部的工 具凸緣(7)上。
34. 根據權利要求33所述的系統，其特征在于，所述機器人手腕的所 述柔性驅動元件(4)設置成包括位于所述機器人手腕內部的內軟管。
35. 根據權利要求33所述的系統，其特征在于，所述柔性驅動元件裝配有將單件式驅動元件的第一端部連接到位于所述手腕的第一部分(1)的 附近的輸入驅動軸(8)上的驅動裝置，以及用于將單件式驅動元件的第二 端部附連到位于所述手腕的遠端部的工具凸緣(7)上的裝置。
36. 根據權利要求33所述的系統，其特征在于，所述控制單元(20) 或連接到所述控制單元(20)上的另一控制單元i殳置有一個或多個用以生 成用于所述柔性驅動元件的補償信號的裝置，以將補償信號施加到所述至 少一個機器人的軸線驅動馬達的控制信號。
37. 根據權利要求33所述的系統，其特征在于，所述控制單元(20) 或連接到所述控制單元(20)上的另一控制單元設置有一個或多個存儲計 算機程序的存儲裝置，所述計算機程序當被讀到計算機或處理器中時，將 導致所述計算機或處理器執行依據權利要求26-32中的任一項所述的步驟 的方法。
38. —種計算機程序，所述計算機程序當被讀入到計算機或處理器中 時，將導致所述計算機或處理器執行依據權利要求26-32中的任一項所述 的步驟的方法。
39. —種計算機可讀介質，包括計算機程序，所述計算機程序當被讀 入到計算機或處理器中時，將導致所述計算機或處理器執行依據權利要求 26-32中的任一項所述的步驟的方法。
40. 設置有依據權利要求1-25中的任一項所述的機器人手腕的工業機 器人的使用，以利用工業機器人進行內或外表面處理操作或涂,作。
41. 包括至少一個設置有依據權利要求1-25中的任一項所述的機器人 手腕的工業機器人的系統的使用，用于執行下列組中的任一操作焊接、 拾取和/或包裝、機器維護、焊接、鉚接、修補、板的折疊、切割、板的彎 曲、板的巻邊、夾持物體、操縱物體、堆疊、拾取和放置。
全文摘要
一種機器人手腕，所述機器人手腕具有多個彼此串接布置的能夠旋轉的部分，并且設置成安裝在機器人臂部或自動機器上，使得第一手腕部分(1)能夠繞第一軸線進行旋轉移動，并且第二手腕部分以軸頸連接在第二手腕部分中。用于第六軸線、工具或凸緣(7)的旋轉驅動通過柔性驅動元件自位于第一手腕部分的附近的輸入驅動裝置傳遞到位于機器人臂部的遠端部的工具凸緣。優選地，機器人手腕可包括內保護軟管。柔性驅動元件可設置為內軟管。
文檔編號B25J17/00GK101200068SQ20071019861
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月11日 優先權日2006年12月11日
發明者阿努爾夫·克羅格達爾 申請人:Abb股份有限公司