TWI468274B

TWI468274B - 平面關節型機器人

Info

Publication number: TWI468274B
Application number: TW98144056A
Authority: TW
Inventors: Yong Feng
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2015-01-11
Also published as: TW201121738A

Description

平面關節型機器人

本發明涉及一機器人，尤其涉及一平面關節型工業機器人。

平面關節型機器人係目前使用最為廣泛之裝配機器人之一，它專門用於垂直安裝作業，例如於印刷電路板上插貼元器件。該類機器人具有四關節：三水平轉動關節及一垂直滑動關節，因此能抓取元件於水平方向定位，並於垂直方向進行插入或旋轉作業。其平面轉動關節可放鬆而使插入元件時可順著孔之位置作微小調整，具有柔順性，因而稱為於選擇方向具有柔順性之安裝機器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm,SCARA)。

一平面關節型機器人，其包括基座、大臂及小臂。該小臂內設有主軸及驅動該主軸旋轉之步進電機。該主軸上設有藉由花鍵固定之帶輪，並與該步進電機之間藉由皮帶傳動。惟，使用帶輪傳動容易造成電機慣量比過大而不易控制，致使剛性較差；且主軸高速旋轉時皮帶容易變形，導致定位精度不高。

有鑒於此，有必要提供一剛性較好、精度較高之平面關節型機器人。

一平面關節型機器人，包括基座、大臂及小臂。基座上設有第一轉軸及驅動第一轉軸旋轉之第一馬達。大臂一端藉由第一轉軸可轉動地與基座連接。小臂包括第二轉軸及驅動第二轉軸之第二馬達，並藉由第二轉軸可轉動地與大臂另一端相連。小臂還包括固定第二馬達之固定座、與固定座固定之第三馬達、由第三馬達驅動之第三轉軸、與固定座活動相連之絲桿、連接第三轉軸與絲桿之傳動裝置、與絲桿活動相連之螺母、與螺母固定相連之第四馬達、由第四馬達驅動之第四轉軸及設於固定座且供第四轉軸穿設之軸承組件，該軸承組件包括直線軸承、套筒及滾動軸承，該第四轉軸穿設於該直線軸承內，該套筒套設並固定於該直線軸承，該滾動軸承設於該套筒與該固定座之間。該第四轉軸與該直線軸承之間之摩擦力大於滾動軸承內外圈之間之摩擦力，進而使該直線軸承及該套筒能夠和該第四轉軸形成一整體於滾動軸承之限制下相對固定座旋轉。

上述平面關節型機器人之各轉軸與各馬達直接驅動相連，省卻傳統之帶輪、花鍵等傳動機構，剛性較好、精度較高。

100‧‧‧機器人

10‧‧‧基座

20‧‧‧大臂

30‧‧‧小臂

11‧‧‧第一轉軸

13‧‧‧第一馬達

31‧‧‧第二轉軸

32‧‧‧第二馬達

33‧‧‧第三轉軸

34‧‧‧第三馬達

35‧‧‧傳動裝置

36‧‧‧絲桿

37‧‧‧螺母

38‧‧‧第四馬達

39‧‧‧第四轉軸

40‧‧‧軸承組件

41‧‧‧直線軸承

43‧‧‧套筒

45‧‧‧滾動軸承

47‧‧‧卡環

301‧‧‧固定座

302‧‧‧外殼

351‧‧‧第一帶輪

353‧‧‧第二帶輪

355‧‧‧皮帶

361‧‧‧導軌座

363‧‧‧導軌

371‧‧‧連接板

373‧‧‧滑塊

364‧‧‧螺釘

365‧‧‧擋塊

381‧‧‧減速機

391‧‧‧連接孔

411‧‧‧卡槽

431‧‧‧卡合槽

圖1係本發明實施方式之平面關節型機器人之傳動原理示意圖。

圖2係本發明實施方式之平面關節型機器人之立體組裝示意圖。

圖3係圖2所示平面關節型機器人之小臂之局部立體圖。

圖4係圖2所示平面關節型機器人之小臂沿IV-IV方向之剖面示意圖。

圖5係圖4所示V處之局部放大圖。

下面將結合附圖及實施方式對本發明之平面關節型機器人作進一步詳細說明。

請同時參閱圖1和圖2，本發明實施方式之機器人100為平面關節型機器人，其包括基座10、大臂20及小臂30。基座10用於將機器人100安裝至地面或工作台上，其內部設有第一轉軸11及驅動第一轉軸11旋轉之第一馬達13。大臂20一端藉由第一轉軸11可轉動地設置於基座10上。小臂30內設有第二轉軸31及驅動第二轉軸31旋轉之第二馬達32。小臂30藉由第二轉軸31可轉動地設置於大臂20另一端上。

小臂30還包括第三轉軸33、第三馬達34、傳動裝置35、絲桿36、螺母37、第四馬達38、第四轉軸39及軸承組件40。第三馬達34可驅動第三轉軸33旋轉。傳動裝置35分別與第三轉軸33和絲桿36相連。螺母37活動套設於絲桿36上。第四馬達38與螺母37固定。第四轉軸39由第四馬達38驅動相連，並穿設於軸承組件40。

請同時參閱圖3和圖4，小臂30進一步包括固定座301及安裝於固定座301上且罩設於其他零件上之外殼302。第二馬達32、第三馬達34及軸承組件40均固定安裝於固定座301上，絲桿36藉由一連接座(未標示)可轉動地安裝於固定座301上，上述設計可使小臂30之整體重心較低且較為靠近大臂20，以減少慣量、增強剛性。傳動裝置35包括第一帶輪351、第二帶輪353及皮帶355。第一帶輪351套設固定於第三轉軸33。第二帶輪353套設並固定於絲桿36底端。皮帶355分別與第一帶輪351和第二帶輪353相連，並可將動力從第一帶輪351傳遞到第二帶輪353。

為保證螺母37沿絲桿36軸向運動時之精度，小臂30進一步包括導軌座361、導軌363、連接板371及滑塊373。導軌座361固設於固定座301上且位於第三馬達34與絲桿36之間，以儘量節約內部空間。導軌363大致為與絲桿36平行之長條，其藉由複數螺釘364固定於導軌座361上。連接板371一端套設並固定於螺母37，並且與滑塊373固定。第四馬達38固定安裝於連接板371之另一端。滑塊373可活動地卡合於導軌363，且當螺母37沿絲桿36軸向運動時，滑塊373可沿導軌363滑動。為防止螺母37向上運動時從絲桿36頂部脫落，絲桿36頂端上固設有可與螺母37相抵之擋塊365。本實施方式中，絲桿36為滾珠絲桿，螺母37為滾珠螺母。

為降低第四馬達38之轉速並提高輸出力矩，第三小臂30進一步包括減速機381。減速機381固定於連接板371上並設於第四馬達38與第四轉軸39之間。本實施方式中，第四馬達38為低慣量之伺服馬達，減速機381為實心軸諧波減速機。

第四轉軸39末端開設有連接孔391。各類末端執行器，例如夾具、探測裝置、刀具等可藉由連接孔391與第四轉軸39相連。

請參閱圖5，軸承組件40包括直線軸承41、套筒43、兩滾動軸承45及兩卡環47。第四轉軸39穿設於直線軸承41。第四轉軸39與直線軸承41之間之軸向摩擦力較小，故，第四轉軸39可於直線軸承41內沿軸向上下滑動。直線軸承41上下兩端之外側壁上各開設有一環形卡槽411。二卡環47分別卡入二卡槽411內。套筒43套設於直線軸承41上，且位於二卡環47之間。由此，套筒43與直線軸承41固定於一起。套筒43上下二端分別開設有階梯狀之卡合槽431。二滾動軸承45分別套設於套筒43二端，且滾動軸承45之內圈卡合固定於卡合槽431。滾動軸承45之外圈與固定座301固定。滾動軸承45之內外圈之間之摩擦力小於第四轉軸39與直線軸承41之間之摩擦力。本實施方式中，滾動軸承45為成本較低之深溝球軸承。

以下僅介紹小臂30之動作情況，機器人100其餘機構，例如基座10、大臂20之動作情況與現有機器人相似。當需第四轉軸39做直線運動時，第三馬達34驅動第三轉軸33旋轉，帶動第一帶輪351旋轉，並經由皮帶355帶動第二帶輪353旋轉，最終帶動絲桿36旋轉。套設於絲桿36上之螺母37帶動連接板371沿絲桿36軸向運動，由此帶動第四馬達38、減速機381及第四轉軸39一起做直線運動，並且帶動滑塊373沿導軌363滑動。由於第四轉軸39與直線軸承41之間之軸向摩擦力較小，故，第四轉軸39可於直線軸承41內沿軸向運動。當需第四轉軸39做旋轉運動時，第四馬達38經過減速機381減速後驅動第四轉軸39轉動。第四轉軸39轉動時，由於第四轉軸39與直線軸承41之間之摩擦力大於滾動軸承45內外圈之間之摩擦力，故，直線軸承41及套筒43將和第四轉軸39形成一整體於滾動軸承45之限制下相對固定座301旋轉。

與習知機器人相比，本實施方式之第四轉軸39與第四馬達38直接驅動相連，省卻傳統之帶輪、花鍵等傳動機構，故精度較高、剛度較好、回應速度快。實驗證明，本實施方式之機器人100之最大負載為20千克，且容許有100mm以上之偏心量。

可理解，滾動軸承45也可為深溝球軸承，例如可為角接觸球軸承、圓柱滾子軸承等；滾動軸承45之數量也可為一或多於二。如果軸承組件40之直線軸承41直接與滾動軸承45相連，套筒43也可省卻。若第四轉軸39與直線軸承41之間之摩擦力小於滾動軸承45之摩擦力，則第四轉軸39於直線軸承41內轉動。

若第四馬達38之轉速較低，減速機381也可省卻。若絲桿36頂端與小臂30之固定座301固定，導軌363、導軌座361及滑塊373也可省卻。

綜上所述，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內。