TW201034815A - Robot arm, robot employing the same, and manufacturing method for the robot arm - Google Patents

Description

201034815 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種機器人之臂部件及其製造方法以 ^ 及具有該臂部件之機器人。 【先前技術】 圖1所示為一種六軸工業機器人，其包括基座n、 可轉動地设置於基座11之機架12、可轉動地設置於機 〇架12之大臂13及與大臂13可轉動連接之小臂14。基 座11用於將六軸工業機器人安裝至地板或者類似2 上，機架12可繞第一旋轉軸3旋轉，大臂13可繞第二 旋轉轴b旋轉，小臂14可繞第三旋轉軸c旋轉。該六 轴工業機器人還包括d、e、f所表示之其他三軸。一般 可於第六轴f上安褒夾具、刀具或者探測儀器等執 置進行工作。 & 設計製造上述六轴工業機器人之小臂14時，一方 應考慮增強小臂14之剛度、強度及其應力分佈之均 性，以抵抗施加於小臂14之各種複雜作用力，並減二 小臂14之振動；另一方面應考慮減輕小臂重量、 減小其轉動慣量，從而增強小臂14之可控性及杵I以 精確性，使其能夠準確快速定位。習知技術一麵二 14上設置中空結構以達到使小臂14具有一定剛度：臂 輕其重量之目的。然，上述中空結構之截面形狀 封閉型結構，藉由砂型鑄造成型小臂14時，又… ^ 用於成型 4 201034815 ΓΛ:!型芯不易準確定位於型腔中，易造成小臂 二鑄造成型後厚度均勾性不佳，降低小臂13受力時應 力勿佈之均自性，錢難清砂、鑄造效率較低。 【發明内容】

Ell j於上述内令’有必要提供一種重量較輕、強度和 =較好錢料造成件及錢造方法以及 具有該臂部件之機器人。 ❹ 一種機器人之臂部件，其包括第—連接端、第 接端及連接第-連接端與第二連接端之連接部。第一連 接端及第二連接端與傳動裝置相連接。連接部至少一部 为為用於增強臂部件剛度之中空結構。中空結構之週壁 设有開口，開口之邊緣處形成向中空結構内部延伸之加 一種機器人，具有上述臂部件。 種製造上述機器人之臂部件之方法，其包括以下 〇步驟·’提供砂型箱’其設有可相互結合之第—砂型箱和 第二砂型箱、型芯及用於支#型芯之支#件，型芯用於 形成臂部件之中空結構，支撐件用於於令空結 ，口 ’型《上還設有用於於開口邊緣處形成加強部^凹 邛，利用支撐件將型芯支撐於第一砂型箱及第二砂型箱 之其+之一内，並將第一砂型箱與第二砂型箱相結合以 形成與臂部件職大小—致之m迦岐入㈣ 之金屬溶液，於金屬溶液冷卻後，將第一砂型箱與第二 矽型箱相分離，並進行清砂，以形成臂部件。 5 201034815 ^述機ϋ人之臂部件於巾空結構 二型臂部件時，可於對應形成開= 砂型“二件’猎撐件將型芯準確牢靠地定位於 目，有助於提高鑄造成型之臂部件尺寸之 於滿足臂部件剛度及強度要求下，可提高材料二 •用率，從而減輕臂部件重量。鑄造成型過程中，還可於 =處進行清砂處理，因空間可較大，從而便於操作。、 糟/於開口之邊緣設置加強部還可使該臂部件具有 〇佳之剛度及強度。 权 採用上述#件之機器人自身重量較輕，同時 於驅動臂部件之傳動裝置之轉矩/力矩要求降低。另，臂 部件之轉速及其控制精度可得到提高，從而有助於提高 機器人之工作效率及作業之精確度。 【實施方式】 下面結合附圖及實施例對本發明機器人之臂部件 ❹及具製造方法以及具有該臂部件之機器人作進一步 _ 細說明。 , 本發明機器人之臂部件可應用於直線座標式、圓柱 座標式、球座標式及關節式機器人中，本實施例以應用 於六軸關節式機器人之臂部件為例加以說明。 ^ 請同時參閱圖2至圖5,本發明實施例機器人之臂 部件200可作為六軸關節式機器人之小臂，其包括第一 連接端210、第二連接端22〇以及連接第一連接端21〇 及第二連接端220之長條狀連接部240。連接部240包 201034815 括依次連接之四連接壁241、242、243、244，該四連接 壁241、242、243、244與第一連接端210及第二連接 端220圍成中空部以形成中空結構245。中空結構245 之截面形狀大致為矩形。 第一連接端210用於連接第一傳動裝置（圖未示）， 以驅動設置於六軸關節式機器人末端且與臂部件200相 ' 連接之執行裝置，如夾具、刀具、探測器等動作。第一 連接端210包括圓盤形本體211以及由本體211二側邊 〇 緣沿其軸向延伸形成之加強壁213，設置加強壁213有 助於提高臂部件200之剛度。本體211上還設有複數第 一連接孔2112，用於與第一傳動裝置相連接。 第二連接端220用於連接第二傳動裝置（圖未示）， 以驅動臂部件200運動。第二連接端220包括圓盤形本 體221及由本體221二侧邊緣沿其軸向延伸形成之加強 壁223，設置加強壁223亦有助於提高臂部件200之剛 度。本體221上還設有複數第二連接孔2212,用於與第 〇 二傳動裝置相連接。 本實施例中，第二連接端220本體211之外徑大於 第一連接端210本體221之外徑，第二連接端220厚度 (軸向尺寸）大於第一連接端210厚度。臂部件200工 作時，可近似為一懸臂樑結構，且第二連接端220為支 承端，從而第二連接端220將受到較大之力矩/扭矩，採 用上述結構，可增強第二連接端220之承重能力，從而 有助於提高臂部件200應力分佈之均勻性。 7 201034815 連接壁241與連接壁243分別平滑連接第一連接端 210及第二連接端220，且分別沿第一連接端21〇 向延伸並對稱設置。連接壁241、243還可朝臂部4之輛 中部凹陷，以形成弓形結構，從而有助於減輕臂 之重量 連接壁244沿垂直於第一連接端21〇 Αυ袖向方向证 伸’且其與第一端210及第二端220其中—^ 面。 側之端面共 Ο Ο 連接壁244之中部設有開口 246，開口 246 形成有向中空結構245内部延伸且依次連接之^緣處 2461、 2462、2463、2464，以提高臂部件2〇〇 〇強部 強度。本實施例，開口 246大致為矩形，加％ Α岡】度及 难邵246Ί 2462、 2463、2464為加強筋形式。其中，加 5¾ 24fii 與加強部2463沿基本垂直連接壁244之方向延伸 強部2462與加強部2464對稱設置於開口 ’加 之二-側计 分別垂直加強壁2461、2463，且加強部24c ^ 以62與加強 2464之延伸方向與連接部240之延伸方向斜丄 °' 2462、2464採用斜向延伸之方式可增加其總體長声/ 而有助於進一步提高臂部件200之剛度及強度。又，從 連接壁244與連接壁241、243、第—、查 硬接端 及弟一連接端220相連接處還可形成較大之倒角 該倒角248可改善臂部件200受力時之應力集中248 ’ 連接壁242沿垂直於第一連接端21〇之轴 其中部沿第一連接端210軸向朝臂部件2〇〇外* 伸’ 卜龙出，其 ^m μ丄^ ,丄a + a &°力口強部 8 201034815 鄰近第-連接端210之一端藉由一較長之斜面盥 接端210之端面相連接，其鄰近第二連接端咖之 藉由-較短之斜面與第二連接端22〇之端面相連接 接壁242上還設有二穿孔2421。 上述臂部件200可選用輕質、高強度之材料， 鋁或鋁合金材料，其製造方法包括以下步驟： ❹ ⑴提供砂型箱’其設有可相互結合之第一砂型 箱和第二砂型箱、型芯及用於支撐型芯之支撐件，該型 芯用於形成中线構245,支揮件用於於該中空結構如 上形成開口 246,該型芯還設有用於於該開口 246邊緣 處形成加強部2461、2462、2463、2464之凹部。本實 施例中’支樓件為柱狀，其截面為矩形，從而可形成矩 形開口 246。 (2) 利用支撐件將型芯固定於其中一砂型箱中， 並將第一、第二砂型箱相結合以形成與該臂部件2〇〇形 狀大小一致之型腔。 (3) 向步驟（2)中形成之型腔内注入熔融之金屬 溶液，在該金屬溶液冷卻後，將第一 '第二砂型箱相分 離並進行β砂以清理出型芯，從而形成該臂部件。 該金屬溶液優選為鑄鋁或鋁合金金屬溶液。 利用上述方法製造臂部件2〇〇時，可藉由支撐件支 撐型芯，且支撐件可設置於對應形成開口 246之位置， 從而便於將砂型準確牢靠地定位於砂箱中，提高鑄造成 型之臂部件200之尺寸穩定性。在滿足剛度及強度要求 9 201034815 下，有助於使臂部件200之壁厚更薄，從而達到減輕臂 部件200重量之目的，並提高材料之利用率以及鑄造之 良率。同時，設置開口 246及穿孔2421還便於進行清 砂操作，提高了鑄造效率。 另，開口 246還可收納連接第一、第二傳動裝置之 電纜。傾斜設置之加強部2462、2464還可對電纜起到 導向作用。 圖6及圖7所示為藉由數值模擬得出之本發明臂部 Ο 件200之應力分佈圖，該數值模擬之結果由通用有限元 分析軟體ANSYS分析得出，從圖中可看出，臂部件200 應力分佈趨於均勻，從而可充分發揮臂部件200材料之 機械性能，使得材料之利用更為合理。上述數值模擬之 初始參數值見下表。 描述 值 單位 彈性模數 6.9E+10 N/m2 泊松比 0.33 無量綱 剪力模數 2.7E+10 N/m2 密度 2700 Kg/m3 抗拉強度 68935600 N/m2 降伏強度 27574200 N/m2 熱膨脹係數 2.4E-5 1/Kelvin 201034815 熱傳導率 200 W/(m.K) 比熱 900 J/(kg.K) 圖8及圖9所示為藉由模態分析得出之本發明臂部 件200之一階振動頻率與二階振動頻率圖，該結果由 ANSYS軟體分析得出。臂部件200前五階振動頻率請 參見下表，從圖8、圖9以及下表可看出，臂部件200 之一階及二階振動頻率較低，從而其可具有較高之運動 速度而不會引起共振，具有較佳之剛度。 模態數 頻率(弧度/秒） 頻率（赫茲） 週期（秒） 1 738.87 118.18 0.008504 2 1238.3 198.09 0.005074 3 3433.7 546.49 0.00183 4 3844.8 611.92 0.001634 5 5677.8 903.66 0.001107 可以理解，臂部件200之第一連接端210及第二連 接端220不限於本實施例之結構，其亦可根據機器人之 類型設置為其他形式之連接結構。中空結構245之截面 形狀不限於矩形，其亦可為六邊形或圓形等其他可由砂 型鑄造成型之形狀。 π 201034815 本發明實施例之六軸關節式機器人（圖未示）與習 知技術所描述之六軸工業機器人相似（請參見圖i'其 區別主要在於：本發明實施例之六軸關節式機器人採用 . 上述臂部件200作為其小臂，臂部件200之第一連接端 210連接末端之執行裝置（圖未示），如夾具、刀具、探 測器等，該執行裝置可繞第5軸f或/和第6軸§旋轉t 因臂部件200具有重量較輕、剛性較好之特點，不僅可 減小六轴關節式機器人之自身重量，同時對用於驅動臂 〇部件20G之傳動裝置（比如電機）之轉矩/力矩要求降 低，從而可選取價格較低或體積較小之電機。另，臂部 件200轉速及其定位精度可得到提高，從而有助於提升 六軸關節式機器人之工作效率及作業之精確度。 可以理解，本發明臂部件200不限於應用於六軸關 節式機器人中，其還可應用於直線座標式、圓柱座標 式球座“式及其他關節式機器人中，此時可根據機器 ❹人之具體類型變更臂部件200之第一連接端21〇及第二 連接端220之結構形式。 • 综上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依 法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實 施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟 悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾 或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係一種習知六軸工業機器人之平面示意圖。 12 201034815 圖2係本發明實施例之機器人之臂部件之立體圖。 圖3係圖2所示臂部件之另一方向之立體圖。 圖4係圖2所示臂部件之剖視圖。 圖5係圖2所示臂部件另一剖切方向之剖視圖。 圖6及圖7係藉由數值模擬得出之圖2所示臂部件 之應力分佈圖。 _ 圖8及圖9係藉由模態分析得出之圖2所示臂部件 之一階振動頻率與二階振動頻率圖。 〇 【主要元件符號說明】 基座 11 機架 12 大臂 13 小臂 14 臂部件 200 第一連接端 210 第二連接端 220 連接部 240 中空結構 245 本體 211 、 221 加強壁 213 、 223 第一連接孔 2112 第二連接孔 2212 開口 246 穿孔 2421 倒角 248 連接壁 241 、 242 、 243 ' 244 加強部 2461 、 2462 、2463 、 2464 旋轉軸 a、b、c、d ' e ' f 13

Claims (1)

1. 201034815 七、申請專利範圍： 1. -:重機器人之臂部件，其包括第—連接 當=3= 一連接端與第二連接端之連接部:該 槿：-部分為用於增強該臂部件剛度之二 冓，/、改良在於··該尹空結構之週 工d 口之邊緣處形成向該申空結構内部延伸:二:該開 ❹ 〇 2.如申料㈣㈣〗項料1料，^強/接 部為長條狀，其包括依次連接之四連接壁 於其中-連接壁上，且該開口之延伸方向；：:； 之延伸方向相同。 I、这連接部 W申利^第2項所述之臂部件，其中該加強 強筋之延伸方向與連接部之延伸方向斜交^ σ 4.如申請專3項所述之臂部件，其中該 接壁間形成有用於減小該臂部件之應力集中 體^^形本體及形成於本 壁’且該第二連接端之本體外徑大於第 接=之本體外徑，該第二連接端厚度大於第一連 第1項所述之臂部件，其中該臂部 每銘或銘合金材料藉由砂型鱗造成型。 201034815 7. Γ種機器人，其包括如中請專利範圍第中任 忍一項所述之臂部件。 f 4 8. 如申請專利範圍第7項所述之機器人，其_ 2為該機器人之小臂，該機器人之電纜部分收納於Γ亥 #部件之開口中，並由該加強部導向。 … 9. 一種製造申請專利範圊筮彳百 之方法，㈣人之臂部件 弋万法，其包括以下步驟：

   Ο ，供=型箱，其設有可相互結合之第—砂型箱和第二 ◊型箱、型芯及用於支撐型芯之支撐件’該型芯用於 形成臂部件之中空結構，該支樓件用於於該中〜構 上形成開口，該砂型還設有用於於該開口邊^ 加強部之凹部； 成 利用支撐件將型芯支撐於第一砂型箱及第二砂型箱 其中之一内，並將該第一砂型箱與第二砂型箱相結合 以形成與該臂部件形狀大小一致之型腔； σ σ 向所述之型腔内注入溶融之金屬溶液，於該金屬溶液 冷卻後，將該第一砂型箱與第二砂型箱分離，並進行 清砂，以形成該臂部件。 w 灯 10·如申請專利範圍第9項所述之機器人之臂部件之製 造方法’其中該支撐件之截面為矩形，該凹部形成於 該支撐件與型芯相結合之邊緣處。 15