線纜管理系統、旋轉關節和機器人的制作方法

本發明的實施例總體上涉及線纜管理系統，并且具體地涉及用在旋轉關節中的線纜管理系統以及包括該旋轉關節的機器人。

背景技術：

具有關節臂的機器人通常包括馬達和關節。馬達位于相應關節的軸線處以對關節進行致動。這樣的機器人通過向馬達供應電力而由控制器來控制。因此，控制器和機器人經由線纜連接。通常，這種線纜被捆綁起來。此外，這種線纜通常容納在機器人內部并從內部連接到相應的部件，以便節省空間或避免線纜本身成為障礙物。由于機器人系統的不斷增加的復雜性，需要在設計機器人單元時針對線纜的定位和關節運動的調節進行認真規劃。

特別地，經過移動關節的線纜必須適應各種機械位移，且不產生過度的機械磨損；這些位移可能由于關節的旋轉(或扭轉)而改變線纜的彎曲載荷和/或其直徑的變化。例如，經過機器人關節的線纜理想地具有大且均勻的彎曲半徑，以使線纜變形最小化并且將彎曲載荷均勻地分布在線纜上。然而，在機器人系統(例如，關節)的空間受限的結構中可能難以實現大且均勻的彎曲半徑。

對于常規結構，如圖1所示，線纜固定為U形和扁平的形式。該線纜管理系統可以防止每個線纜和產生旋轉的每個構件之間的摩擦。但旋轉軸的工作范圍限制在±170度以內。

然而，由于工作范圍不斷增加，伺服馬達和齒輪箱需要在±170度，甚至高達±290度的范圍內旋轉。已知的線纜束不能滿足這種需要。例如，對于具有線纜(其傳輸信號或功率)的關節以及對于氣管而言，難以在±170度，甚至高達±290度的范圍內旋轉。

為此，本領域需要開發一種改進的線纜管理系統。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種新型的線纜管理系統，用于將線纜保持在機器人的關節類型的臂中，并且特別地涉及一種保持線纜的系統，該線纜在臂中橋接了固定部分和旋轉部分。

根據本發明的一個方面，提供了一種線纜管理系統。該系統保持布置在旋轉關節中的多個線纜，所述旋轉關節連接到具有旋轉軸部分的關節臂，所述旋轉軸部分允許所述臂在旋轉軸部分的給定軸線上旋轉，所述旋轉軸部分中的每一個被分成兩個軸部分，其中第一部分被固定，第二部分是可旋轉的，所述系統促進從第一角位置到第二角位置的旋轉，而不損壞所述線纜。所述線纜被分成外層線纜組和內層線纜組；并且所述系統包括第一線纜導向件、第二線纜導向件和至少四個固定件，其中：所述第一線纜導向件具有圓形管狀的空間，并且所述外層線纜組部分地容納在所述第一線纜導向件和所述第二線纜導向件之間；所述第二線纜導向件具有圓形管狀的形狀，并且所述內層線纜組部分地容納在所述第二線纜導向件和所述第一旋轉軸部分之間；并且所述固定件分別將所述內層線纜組或所述外層線纜組的兩端沿所述第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分固定在所述第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分上，固定的形式為線纜(28、29)被布置為彼此平行，使得所述內層線纜組或所述外層線纜組的其余部分沿著所述第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分以U形方式彎曲和懸置。

根據本發明的優選實施例，所述第二旋轉軸部分的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉的范圍約為±290度。

根據本發明的優選實施例，所述第一線纜導向件包括第一靜止導向件和第一移動導向件，其中所述第一靜止導向件沿著所述第一旋轉軸部分固定地布置，并且所述第一移動導向件沿著所述第二旋轉軸部分固定地布置，從而與所述第二旋轉軸部分一起旋轉。

根據本發明的優選實施例，所述第一靜止導向件由兩片半圓形塑料蓋構成，并且所述第一移動導向件由兩片半圓形塑料蓋構成。

根據本發明的優選實施例，所述第二線纜導向件包括第二靜止導向件和第二移動導向件，其中所述第二靜止導向件沿著所述第一旋轉軸部分固定地布置，并且所述第二移動導向件沿著所述第二旋轉軸部分固定地布置，從而與所述第二旋轉軸部分一起旋轉。

根據本發明的優選實施例，所述第二靜止導向件由半圓形塑料蓋和半圓形塑料蓋構成，并且所述第二移動導向件由半圓形塑料蓋和半圓形塑料蓋構成。

根據本發明的優選實施例，所述固定件包括：金屬片部件，其具有用于保持所述線纜的兩端；彈性部件，其用于定位所述線纜；和多個螺釘，其配置成分別連接所述金屬片部件的兩端，將所述金屬片部件連接到所述旋轉軸部分。

根據本發明的優選實施例，所述固定件還包括適配器部件，其用于根據所述旋轉軸部分來調整所述固定件的角度。

根據本發明的優選實施例，用于將所述金屬片部件連接到所述旋轉軸部分的所述螺釘被構造成：首先將所述金屬片部件連接到所述適配器部件，然后將所述適配器部件連接到所述旋轉軸部分。

根據本發明的優選實施例，一個適配器部件形成為連接一個或多個金屬片部件。

根據本發明的優選實施例，所述彈性部件具有用于每個線纜的獨立的孔。

根據本發明的優選實施例，所述線纜的直徑相同或不同。

根據本發明的優選實施例，所述外層線纜組或所述內層線纜組被構造為單層形式或多層形式。

根據本發明的優選實施例，所述外層線纜組或所述內層線纜組是一組電纜，或一氣管和一組電纜的組合。

根據本發明的另一方面，提供了包括上述線纜管理系統的旋轉關節。

根據本發明的另一方面，提供了包括上述旋轉關節的機器人。

根據本發明的優選實施例，所述機器人具有控制器和多個關節臂，所述多個關節臂分別設置有電動馬達以驅動所述臂，所述線纜將所述控制器和所述馬達電連接。

與現有技術相比，用于線纜管理的解決方案可以實現如下幾個優點。

寬的工作范圍：本發明可擴大機器人的旋轉軸的工作范圍，使機器人更靈活。

長的壽命：本發明可以延長在旋轉軸中的線纜束的壽命。

良好的布局：本發明可以節省空間，在蓋的內部隱藏線纜束，使機器人外形更美觀，更具競爭力。

當結合附圖進行閱讀時，從以下對具體的示例性實施例的描述中，還將理解本申請的實施例的其他特征和優點，附圖通過示例的方式示出了本發明的原理。

附圖說明

通過在說明書中例示的參照附圖的實施例的詳細說明，本發明的上述和其他特征將變得更加明顯，其中相同的附圖標記表示相同或相似的部件，并且其中：

圖1示出了旋轉關節中線纜束的常規結構；

圖2示出了根據本發明的實施例的雙層線纜布局的截面圖；

圖3示出了根據本發明的實施例的雙層線纜的例程和固定方法的立體圖；

圖4示出了根據本發明的實施例的固定件的左視圖；

圖5示出了根據本發明的實施例的固定件的俯視圖；

圖6示出了根據本發明的實施例的固定件的前視圖；

圖7示出了根據本發明的實施例的具有旋轉軸的雙層線纜布局；

圖8示出了根據本發明的實施例的雙層線纜布局的俯視圖。

在所有附圖中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的元件。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖通過實施例詳細描述本發明提供的解決方案。應當理解，呈現這些實施例僅僅是為了使本領域技術人員能夠更好地理解和實現本發明，而不意圖以任何方式限制本發明的范圍。

一般來說，權利要求中使用的所有術語應根據其在技術領域中的普通含義來解釋，除非本文另有明確定義。對于“一/所述[元件、設備、部件、裝置、步驟等]”的所有提及應被開放地解釋為指代所述元件、設備、部件、裝置、單元、步驟等的至少一個實例，而不排除多個這樣的設備、部件、裝置、單元、步驟等，除非另有明確說明。此外，本文所使用的不定冠詞“一”不排除多個這樣的步驟、單元、模塊、設備和對象等。

大體上，本申請的實施例提供了一種用于機器人的新的線纜管理系統。從下面的進一步討論中將顯而易見的是，采用雙層線纜布局和固定件來提供線纜管理系統。

機器人系統通常包括通過線纜進行連接的各種機電系統。線纜可用于傳輸功率或信號。氣管通常可用于傳輸流體，例如空氣。

在本申請的各個實施例的描述中，將省略對一些類似元件的重復描述。

接下來，將結合附圖來描述機器人的旋轉關節中的線纜管理系統的示例，其中可以實現本發明的第一實施例。機器人系統的一部分具有多種類型的旋轉關節。機器人具有控制器和多個關節臂，多個關節臂分別設置有電動馬達以驅動這些臂，線纜將控制器和馬達電連接。每個關節可以具有不同的特性、移動自由度(例如，運動范圍或自由度)和/或結構空間；因此，經過關節的線纜管理系統通常需要適于特定關節類型的特殊設計。例如，線纜需要大的彎曲剛度或大的旋轉變形。根據本發明的實施例，相同的基本配置可應用于公共關節，以使旋轉關節在寬范圍內工作，例如高達±290度。然而，可以修改線纜折疊進入和/或離開線纜管理系統的方式，以符合不同關節類型的各種結構空間。這可以避免損壞線纜，從而使其壽命最大化。

參照圖2至圖3，雙層線纜管理系統可以用于使線纜經過旋轉關節，以便于從第一角位置旋轉到第二角位置而不損壞線纜28、29。關節連接到一關節臂，該關節臂包括兩個旋轉軸部分(即，第一旋轉軸部分18和相對其旋轉的第二旋轉軸部分19)，其允許臂在旋轉軸部分的給定軸線上旋轉。第一旋轉軸部分18是固定的，第二旋轉軸部分19可旋轉。

通常，線纜28、29被分成外層線纜組28和內層線纜組29。

如圖2所示，該系統包括第一線纜導向件40和第二線纜導向件50，兩者均具有圓形管狀。外層線纜組28部分地容納在第一線纜導向件40和第二線纜導向件50之間。內層線纜組29部分地容納在第二線纜導向件40和第一旋轉軸部分18之間。

本申請的另一個實施例，如圖2所示，第一線纜導向件40還可以包括第一靜止導向件1和第一移動導向件2。第一靜止導向件1(例如，如圖2所示的兩片半圓形塑料蓋1)可以沿著第一旋轉軸部分18固定地布置。第一移動導向件2(例如，如圖2所示的兩片半圓形塑料蓋2)可以沿著第二旋轉軸部分19固定地布置，以與第二旋轉軸部分19一起旋轉。

本申請的另一個實施例，如圖2所示，第二線纜導向件50還可包括第二靜止導向件和第二移動導向件。第二靜止導向件，例如圖2中的半圓形塑料蓋4和半圓形塑料蓋5，沿著第一旋轉軸部分18固定地布置。第二移動導向件，例如半圓形塑料蓋6和半圓形塑料蓋7，沿著第二旋轉軸部分19固定地布置，以與第二旋轉軸部分19一起旋轉。

根據本實施例，內層是用于保持線纜組29的大致圓柱形的空間。內層由五個部分形成，即塑料蓋6、塑料蓋4、塑料蓋7、塑料蓋5和第一旋轉軸部分，例如鑄造基座18。外層是用于保持另一組28的同樣為大致圓柱形的空間。外層由八個部分形成，即塑料蓋6、塑料蓋4、塑料蓋7、塑料蓋5、兩片塑料蓋2和兩片塑料蓋1。

下面將討論本實施例的線纜管理系統的工作原理。除了線纜組28和線纜組29之外，所有部分可以分為兩組：靜止組和相對移動組。

靜止組由馬達20、鑄造基座18、塑料蓋4、塑料蓋5、兩片塑料蓋1組成。相對移動組由齒輪箱21、輸出軸19、塑料蓋6、塑料蓋7和兩片塑料蓋2組成。

線纜組28和線纜組29二者都具有附接到靜止組的一個固定點(靜止端)，并且另一固定點(移動端)附接到相對移動組。當馬達20運行時，運動通過齒輪箱21傳遞到輸出軸19。如果其順時針方向旋轉，則線纜組28的移動端將推動該線纜組在外層中向后移動，而線纜組的移動端29將同時拉動該線纜組在內層中向后移動。如果其逆時針方向旋轉，則線纜組28的移動端將拉動該線纜組在外層中向后移動，而線纜組29的移動端將同時推動該線纜組在內層中向后移動。

如圖3所示，下面將討論線纜的固定方法。該系統還包括至少四個固定件60，其將內層線纜組29和外層線纜組28的兩端固定在第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分上，并沿著第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分進行固定。線纜彼此平行布置，使得內層線纜組29和外層線纜組28的其余部分沿著第一旋轉軸部分和第二旋轉軸部分以U形彎曲和懸置。

如圖4所示，固定件60可以包括金屬片部件16，其具有用于保持線纜的兩個端部；用于定位線纜的彈性部件10，例如用于每個線纜的獨立的孔；以及多個螺釘13、14。螺釘13用于連接金屬片部件16的兩端，而螺釘14用于將金屬片部件16連接到旋轉軸部分。

因此，如上所述，由于彈性部件10具有用于每個線纜或氣管的獨立的孔，并且每個孔具有使得線纜組件易于操作的切口，因此線纜可以很好地定位。

上文描述了一種固定件，但是其結構不限于上述結構，并且還可以采用但不限于如下所述的其他結構。

還應當理解，固定件60可以進一步包括適配器部件15，其具有如圖5所示傾斜平面，用于根據旋轉軸部分來更好地調整固定件60的角度。在這種情況下，如圖5和圖6所示，由于適配器部件15已經通過螺釘14以所需角度連接到旋轉軸部分，所以金屬片部件16不需要直接連接到旋轉軸部分，而是首先通過螺釘14連接到適配器部件15，然后其可以間接地連接到旋轉軸部分。

本申請的另一個實施例，如圖5和圖6所示，為了使旋轉關節更緊湊，一個適配器部件15不僅可以形成為連接一個金屬片部件16，而且還可以形成為連接兩個或更多個金屬片部件。

在本申請的另一個實施例中，為了根據布局要求相應地設置彈性部件10，在每個線纜組中，線纜布局不僅可以是一層，而且可以是更多的層，例如圖4所示的雙層線纜。例如，外層線纜組28可以通過彈性部件10構造成一層形式或多層形式。或者，內層線纜組29也可以通過彈性部件10構造成一層形式或多層形式。

此外，由于線纜的直徑可以相同或不同，所以彈性部件10也可以基于每個線纜的直徑或氣管的直徑形成，以更好地在固定件60中定位線纜和/或氣管。

以上描述了一種線纜管理系統，但是系統的結構不限于上述結構，并且還可以采用但不限于如下所述的其他結構。

例如，在本申請的另一個實施例中，每個線纜可以具有相同的直徑或不同的直徑。

還應當理解，線纜28、29不必被限制用于電力布線。例如，線纜28、29可以包括輸送壓縮空氣的線纜，或者吸入空氣、液體或吸入用于進行真空吸附的材料的線纜。例如，外層線纜組28可以是電纜組，或一氣管和一組電纜的組合。或者，內層線纜組29可以是電纜組，或一氣管和一組電纜的組合。

下面將進一步討論本申請的另一個實施例。在外層中的線纜組28具有兩個固定點。一個固定點附接到輸出軸19，另一個固定點附接到鑄造基座18。如圖5所示，附接到輸出軸19的右固定點由彈性部件10，金屬片部件16，適配器部件15和螺釘13、14組成。附接到鑄造基座18的左固定點由彈性部件12，金屬片部件17，適配器部件15和螺釘13、14組成。位于內層中的線纜組29也具有兩個固定點。一個固定點附接到輸出軸19，另一個固定點附接到鑄造基座18。附接到輸出軸19的固定點由彈性部件10，金屬片部件16，適配器部件15和螺釘13、14組成。附接到鑄造基座18的另一個固定點由彈性部件12，金屬片部件17，適配器部件15和螺釘13、14組成。

在下文中，為了使本領域技術人員完全和徹底地理解本發明中提供的解決方案，將參考圖7和圖8來說明雙層線纜布局如何實現本發明的實施例提供的±290度。

圖7示出了具有旋轉軸的雙層線纜布局。

圖8示出了雙層線纜布局的俯視圖。

通常，旋轉軸的工作范圍取決于線纜的長度。線纜長度越長，工作范圍越大。如果使用兩組線纜并且它們在單層中移動，則當兩組線纜開始接觸時可以獲得最大長度。如果使用更長的線纜，則當軸旋轉時，兩組線纜將彼此重疊或彼此干擾。然而，如果兩組線纜位于不同的空間中，如圖7和圖8所示，重疊將不會在兩組線纜之間產生干擾，因為它們根本不會彼此接觸。這意味著，兩個線纜組的長度可以遠大于當它們位于同一層中時最大長度。因此，雙層的工作范圍可以比單層大得多，甚至可達±290度。

因此，如上所述，通過具有雙層線纜布局和固定件，可以設計新的線纜管理系統，以便于實現機器人的旋轉關節的緊湊性和可靠性。該線纜管理系統總體提出一種新型的線纜束布局解決方案，它是雙層線纜束布局，用于機器人的旋轉軸和其他機械裝置。

此外，該線纜管理系統將具有線纜束的旋轉軸的工作范圍從±170度以內擴展到超過±170度，甚至達到±290度。線纜和氣管可以通過彈性保持器和支架的組合來固定。

在上文中，已經參照附圖通過實施例詳細描述了本發明的實施例。應當理解，雖然本說明書包含許多具體實施細節，但是這些細節不應被解釋為對任何發明或要求保護的范圍的限制，而是作為對特定發明的特定實施例的特征的描述。在各個實施例的背景下描述的本說明書的某些特征也可以在單個實施例中組合實現。相反，在單個實施例的背景下描述的各種特征也可以在多個實施例中單獨地或以任何合適的子組合來實現。此外，盡管特征可以在上面被描述為在某些組合中起作用并且甚至最初如此要求保護，但是來自所要求保護的組合的一個或多個特征在一些情況下可以從組合中刪除，并且所要求保護的組合可以針對子組合或子組合的變化。

鑒于前面的描述，當結合附圖閱讀時，對本發明的前述示例性實施例的各種修改、改編對于相關領域的技術人員來說是顯而易見的。任何和所有的修改將仍然落入本發明的非限制性和示例性實施例的范圍內。此外，本發明的這些實施例所屬領域的技術人員將想到本文所闡述的公開內容的其他實施例，其具有在前述描述和相關附圖中呈現的教導的益處。

因此，應當理解，本發明的實施例不限于所公開的特定實施例，并且修改和其他實施例旨在包括在所附權利要求的范圍內。盡管本文使用了特定術語，但是它們僅在一般和描述性意義上使用，而不是為了限制的目的。