1.本公开实施例总体上涉及一种机器人及其组装方法。


背景技术：

2.通常布置在机器人臂连杆中的线缆是工业机器人中的关键工作部件。因为机器人的臂连杆通常围绕关节旋转，所以线缆如何布线以防止影响机器人臂连杆的旋转范围并防止线缆过早失效是机器人设计中的一个挑战。即使是静态线缆，由于诸如空间占用的问题，在设计小型机器人时，仍然需要考虑如何减少线缆的空间占用。
3.对于具有集中控制器的高自由度(dof)机械手或机器人，需要从位于基座处的控制器到机器人的端部执行器布线各种线缆，诸如控制线缆、电力线缆和信号传输线缆等。至少为了便于机器人的线缆布线，尤其是高dof机器人的线缆布线，已经开发了具有中空轴的机器人。中空轴允许线缆从中穿过以便布线。
4.为了满足强度要求并且为了在中空轴中布设更多线缆，具有中空轴的机器人通常体积较大。因此，为了在获得适当减速比的同时尽可能地减小机器人的体积，一般需要在功率源与中空心轴之间设置相对昂贵且单级的传动机构。这种传动机构通常是高度集成的，并且在损坏后只能整体更换，导致机器人的制造和维护成本较高。


技术实现要素：

5.为了解决或至少部分地解决上述及其它潜在问题，本公开实施例提供了一种具有用于驱动中空轴的两级传动组件的机器人及相关组装方法。
6.在第一方面，提供了一种机器人。机器人臂连杆包括第一臂连杆；中空轴，中空轴沿其第一轴线延伸并且耦接至第一臂连杆；耦接至机器人的功率源的第一级减速组件；以及第二级减速组件，包括：输入部，输入部耦接至第一级减速组件的输出部并且适于围绕偏离第一轴线的第二轴线旋转；以及输出部，输出部被同轴地布置在中空轴的外周上，并且适于与输入部接合以经由中空轴来使得第一臂连杆旋转。
7.通过使用功率源与中空轴之间的上述两级传动组件，中空轴可以由现成部件以相对较低的成本驱动。此外，由于仅需要更换或维护损坏的齿轮级而不必更换整个传动系，所以维护更方便且成本更低。
8.在一些实施例中，第一级减速组件包括耦接至功率源的输出轴的减速机。通过将低成本的减速机布置到功率源的输出轴上，可以进一步降低组装和维护成本。
9.在一些实施例中，机器人还包括至少一个轴承，被布置在中空轴的外周上。这样，能够更好地支撑中空轴，以提高机器人的稳定性。
10.在一些实施例中，机器人还包括经由中空轴连接至第一臂连杆的第二臂连杆，并且其中中空轴以及第一级减速组件和第二级减速组件被部分地布置在第一臂连杆和第二臂连杆中的一个中。因此，能够根据需要将中空轴以及第一级减速组件和第二级减速组件布置在待被驱动旋转的机器人臂连杆中，或者布置在与待驱动机器人臂连杆耦接的另一机
器人臂连杆上，从而提高部件布置的灵活性并进一步降低成本并且减小体积。
11.在一些实施例中，第二级减速组件还包括带，输入部和输出部经由带彼此接合。通过使用带作为第二级减速组件，可以进一步降低组装和维护成本，同时减少机器人的部件之间的振动。
12.在一些实施例中，带包括同步带。结果，可以进一步提高传动装置甚至机器人的稳定性。
13.在一些实施例中，输入部和输出部包括正齿轮或锥齿轮。也就是说，第二级减速组件也可以采用齿轮传动系统，从而提高机器人组装和维护的灵活性。
14.在一些实施例中，中空轴经由键槽结构或螺钉耦接至第一臂连杆，或者中空轴与第一臂连杆一体形成。这种布置可以防止第一臂连杆与中空轴之间的相对旋转，从而提高机器人的稳定性。
15.在一些实施例中，中空轴和输出部件一体形成或通过过盈配合或螺钉按压组装在一起。这样，能够进一步提高机器人组装及维护的灵活性。
16.在第二方面，提供了一种机器人的组装方法。该方法包括提供第一臂连杆；提供中空轴，中空轴沿第一轴线延伸并且耦接至第一臂连杆；提供耦接至功率源的第一级减速组件；以及提供第二级减速组件，第二级减速组件包括：输入部，输入部耦接至第一级减速组件的输出部，以围绕偏离第一轴线偏移的第二轴线旋转；以及输出部，输出部被同轴地布置在中空轴的外周上，并且适于与输入部接合以经由中空轴来使得第一臂连杆旋转。
17.应当理解的是，本发明内容并非旨在标识本公开实施例的关键或必要特征，也非旨在用于限制本公开的范围。通过下面的描述，本公开的其它特征将变得易于理解。
附图说明
18.通过结合附图对本公开示例实施例的更详细描述，本公开的上述及其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同附图标记通常表示相同部件。
19.图1示出根据本公开实施例的机器人的立体图；
20.图2示出根据本公开实施例的机器人的关节部的示意图；
21.图3示出根据本公开实施例的机器人的关节部的前视图；
22.图4示出根据本公开实施例的机器人的关节部的分解前视图；
23.图5示出根据本公开另一实施例的机器人的关节部的前视图；
24.图6示出根据本公开另一实施例的机器人的关节部的分解前视图；并且
25.图7示出根据本公开实施例的机器人的组装方法的流程图。
26.在整个附图中，相同或相似的附图标记用于表示相同或相似元件。
具体实施方式
27.现在将结合几个示例实施例来讨论本公开。应当理解的是，讨论这些实施例的目的仅在于使本领域技术人员能够更好地理解并进而实现本公开，而非暗示对主题范围的任何限制。
28.如本文所使用的，术语“包括”及其变体应理解为开放术语，意指“包括但不限于”。
术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应理解为“至少一个其它实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同或相同的对象。其它显式和隐式定义可以包含在下文中。除非上下文中另外明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。
29.目前，机器人在越来越多的领域中使用。诸如控制器、传感器和端部执行器的部件通常利用线缆而彼此耦接。在机器人中，线缆是机器人的关键部件。因为机器人的臂连杆通常围绕关节旋转，所以电缆如何布线以防止影响机器人臂连杆的旋转范围并防止电缆过早失效是机器人设计中的一个挑战。即使是静态电缆，由于诸如空间占用的问题，在设计小型机器人时仍然需要考虑如何减少电缆的空间占用。
30.为了便于对机器人的控制并提高机器人的稳定性，一些机器人由集中式控制器控制。对于具有集中控制器的高自由度(dof)机械手或机器人，从控制器到端部执行器有大量的线缆，用于传输控制信号、传感器信号或电力等。至少为了便于机器人的线缆布线，尤其是高dof机器人的线缆布线，已经开发了具有中空轴的机器人。中空轴允许线缆从中穿过以便布线。
31.然而，为了实现适当的减速比，传统机器人中的中空轴一般设置在传动系统的输入部或中间部。当线缆布线时，由于输入部或中间部的旋转速度相对较高，线缆也需要被保护以免受损。此外，为了满足强度要求并且为了在中空轴中布设更多线缆，中空轴通常体积较大，使得机器人体积庞大。
32.另一方面，廉价机器人和小型轻便机器人的发展逐渐成为机器人领域的发展趋势。为了获得适当减速比的同时尽可能地减小机器人的体积，一般需要在功率源与中空轴之间设置相对昂贵且单级的传动机构。这种传动机构通常是高度集成的，并且在损坏后只能整体更换，导致机器人的制造和维护成本较高。
33.为了解决或至少部分地解决上述及其它潜在问题，本公开实施例提供了一种包括用于驱动中空轴的两级减速组件的机器人。现在将参考图1-图6描述一些示例实施例。
34.图1示出根据本公开实施例的机器人100的立体图，图2示出根据本公开实施例的机器人100的关节部的示意图。如图所示，机器人100总体上包括至少一个臂连杆、中空轴102以及位于诸如电机等的功率源p和中空轴102之间的两级减速组件103。本文的臂连杆100是指机器人的主结构，诸如机器人臂、基座、腕部或甚至端部执行器。此外，作为机器人的主结构，臂连杆100可以具有任何适当形状以满足机器人的要求。
35.为了便于说明并且为了区别机器人的不同臂连杆，以下将这些臂连杆称为第一臂连杆1011、第二臂连杆1012等。应当理解的是，“第一”和“第二”仅用于区分不同的臂连杆，这些臂连杆在结构和功能上没有区别，并且可以在以下实施例中互换。
36.中空轴102沿其轴线(为了便于讨论，称为第一轴线x1)延伸，并且耦接至第一臂连杆1011。“耦接”在这里意味着第一臂连杆1011可以被中空轴102驱动而旋转。例如，在一些实施例中，中空轴102连同第一级减速组件103和第二级减速组件104可以至少部分地被布置在第一臂连杆1022中以由中空轴102驱动，如图2、图3和图4所示。在一些替代实施例中，中空轴102以及第一级减速组件103和第二级减速组件104还可以至少部分地被布置在第一臂连杆1022外部。
37.例如，中空轴102以及第一级减速组件103和第二级减速组件104还可以至少部分
地被布置在另一臂连杆中，即，第二臂连杆1012，第二臂连杆1012不是由中空轴102驱动而旋转的臂连杆，如图5和图6所示。也就是说，中空轴102以及第一级减速组件103和第二级减速组件104可以被布置在任意适当位置，诸如由中空轴102驱动的臂连杆的内部或外部。
38.换言之，中空轴102以及第一级减速组件103和第二级减速组件104根据需要还可以至少部分地被布置在待被驱动旋转的机器人臂连杆中，或者布置在与待驱动机器人臂连杆耦接的另一机器人臂连杆上，从而提高部件布置的灵活性并进而使机器人100的内部布局更合理。
39.在一些替代实施例中，中空轴102以及第一级减速组件103和第二级减速组件104还可以被布置在不同的臂连杆中。例如，中空轴102可以被布置在第一臂连杆1011中，而第一级减速组件103和第二级减速组件104可以被布置在第二臂连杆1012中。
40.两级减速组件包括第一级减速组件103和第二级减速组件104，如图2所示。第一级减速组件103耦接至功率源p。在一些实施例中，第一级减速组件103可以是同轴地耦接至功率源p的输出轴的减速机。
41.减速机，诸如行星减速机，是一种经过证实且廉价的传动装置，可以以商业方式购得。通过将减速机同轴地耦接至功率源p的输出轴，可以以成本有效的方式降低输出轴的速度。
42.应当理解的是，上述实施例中的第一级减速组件103可以是同轴地耦接至功率源p的输出轴的行星减速机仅仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当布置或结构也是可能的。例如，在一些实施例中，减速机也可以是摆线减速机或谐波减速机等。在一些替代实施例中，第一级减速组件103的输出部和功率源p的输出轴也可以被布置为非零角度。
43.第二级减速组件104包括输入部1041和输出部1042，如图2和图3所示。输入部1041耦接至第一级减速组件103的输出部，并且因此可以由第一级减速组件103的输出部驱动以围绕轴线(称为第二轴线x2)旋转。第二轴线x2偏离第一轴线x1。
44.尽管图2-图6示出第一轴线x1平行于第二轴线x2，但应当理解的是，本文的“偏离”也可以意味着第一轴线x1相对于第二轴线x2成角度。也就是说，第一轴线x1可以相对于第二轴线x2成非零角度。这种布置可以进一步提高机器人100的部件布置的灵活性，进而使得机器人100的布局更加合理。
45.第二级的输出部1042被同轴地布置在中空轴102的外周上。“布置在外周上”可以意味着输出部1042被布置在中空轴自身的外圆周上。例如，在一些实施例中，输出部1042可以通过过盈配合被套设在中空轴102上，或者可以通过注射成型一体形成在中空轴102上。这种布置可以降低中空轴102和输出部1042的制造成本，同时改善中空轴102和输出部1042之间的连接性能。
46.在一些实施例中，“布置在外周上”也可以意味着输出部1042可以被布置在中空轴102的延伸轮廓上。也就是说，输出部1042可以通过任何适当方式(诸如过盈配合或螺钉按压)固定至中空轴102的一端，如图4和图6所示。这种布置允许在出现损坏时可以单独更换作为分离部件的中空轴102和输出部1042，从而进一步降低机器人100的维护成本。在这些实施例中，输出部1042也可以通过注射成型一体地形成在中空轴102的端部上。
47.输出部1042可以以适当方式与输入部1041接合，以经由中空轴102使得第一臂连
杆1011旋转。也就是说，输入部1041和输出部1042可以是任何适当结构或能够彼此接合以实现传动的结构。
48.例如，在一些实施例中，如图2-图6所示，输入部1041和输出部1042可以是用于供带布置在其上的带轮。在这些实施例中，机器人100还可以包括带1043，输入部1041和输出部1042经由带1043彼此接合。换句话说，这些实施例中的第二级减速组件采用带传动装置。
49.带传动装置是经过证实且低成本的传动装置。从上文中可以看出，本文的机器人100的二级减速组件皆采用低成本的传动装置达到所需的减速比，从而降低了机器人100的组装成本。
50.此外，第一级减速组件103和第二级减速组件104是单独组装的，这允许其在损坏时可以单独被更换或修理，从而降低了机器人100的维护成本。此外，两级减速组件允许臂连杆的传动装置被布置在一个臂连杆中，如图5所示。
51.具体而言，在一些实施例中，存在图5和图6中所示的机器人100的三个臂连杆1011、1011’和1012。如图所示，第一臂连杆1011由功率源p经由第一级减速组件103和第二级减速组件104(即输入部1041、输出部1042和带1043)以及中空轴102驱动。类似地，与第一臂连杆1011耦接的另一第一臂连杆1011’由功率源p’经由第一级减速组件103’和第二级减速组件104’(即，输入部1041’、输出部1042’和带1043’)以及中空轴102’驱动。
52.如从图5中可以看到的，第一级减速组件103和第二级减速组件104连同第一级减速组件103’和第二级减速组件104’全部被布置在第一臂连杆1011中。这种布置实现了机器人100更紧凑且更合理的内部布局，同时使得第一臂连杆1011’的旋转更灵活。
53.为了实现上述布置，中空轴102可以以任何适当方式布置在臂连杆中。例如，在一些实施例中，如图4所示，中空轴102可以同轴地耦接至第一臂连杆1011。在一些替代实施例中，中空轴102可以被布置在另一臂连杆中，该另一臂连杆具有垂直于由中空轴102驱动的第一臂连杆100的轴线。
54.用于接纳中空轴102的另一臂连杆可以采用允许上述布置的任何适当结构。例如，如图6所示，用于接纳中空轴102以驱动另一臂连杆1011’的臂连杆1011可以具有u形结构。由中空轴102驱动的臂连杆1011’和中空轴102可以被布置在u形结构的竖直分支之间。
55.另外，利用上述布置，由于中空轴102位于传动装置的输出侧，输出侧的速度相对较低，所以线缆可以穿过中空轴102而无需额外保护，从而减少了机器人100的组装和维护工作和成本。
56.在一些实施例中，为了更好地将中空轴102支撑在第一臂连杆1011或第二臂连杆1012中，至少一个轴承105可以被布置在中空轴102的外周上，如图2所示。如图所示，有两个轴承105可以被布置在中空轴105的端部或其附近。轴承105可以是能够承受倾覆扭矩的相对低成本深沟滚珠轴承。
57.此外，使用带传动装置的第二级减速组件可以减少机器人的振动，并且因此改善机器人的性能，尤其是机器人关节的性能。在一些实施例中，带1043可以是同步带。通过使用同步带，可以进一步提高传动装置和机器人100的稳定性。
58.应当理解的是，第二级减速组件采用带传动装置的上述实施例仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当布置或结构也是可能的。
59.例如，在一些替代实施例中，第二级减速组件104也可以采用齿轮传动装置。在这
些实施例中，第二级减速组件104可以包括彼此接合的正齿轮或锥齿轮。总之，从上文中可以看出，第二级减速组件1042可以采用根据需要选择的任何适当传动装置，从而提高机器人组装和维护的灵活性。
60.在一些实施例中，中空轴102和由中空轴102驱动的第一臂连杆1011经由键槽结构彼此耦接。例如，在一些实施例中，中空轴102的外周表面上可以布置有单个键槽，并且与中空轴102接合的第一臂连杆1011的对应部分上布置有键，如图4所示。键可以被接纳在键槽中，从而防止第一臂连杆1011与中空轴102之间的相对旋转，并提高机器人100的稳定性。
61.在一些替代实施例中，可以在中空主轴102的外周面上布置花键槽，并且与中空主轴102配合的第一臂连杆1011的对应部分上布置有花键，如图6所示。这种布置可以进一步提高机器人100的稳定性。
62.应当理解的是，中空轴102经由键结构耦接至第一臂连杆1011的上述实施例仅是示意性的，而非暗示对本技术范围的任何限制。任何其它适当结构或布置也是可能的。例如，在一些实施例中，中空轴102也可以经由螺钉等耦接至第一臂连杆1011。在一些替代实施例中，中空轴102与第一臂连杆1011可以一体形成。
63.从上文中可以看出，利用两级减速组件，机器人100可以以低成本的方式采用中空轴102。此外，由于仅需要更换或维护损坏的齿轮级而不必更换整个传动系，所以维护更方便且成本更低。另外，中空轴102被布置在传动装置的输出部处，这允许线缆能够在没有保护的情况下穿过中空轴102，从而减少了机器人100的组装和维护工作和成本。
64.本公开实施例还提供了一种如上所述的机器人100的组装方法。图7示出机器人100的组装方法流程图700。如图所示，在框710，提供第一臂连杆1011。在框720，提供中空轴102，中空轴102沿第一轴线x1延伸并且耦接至第一臂连杆。
65.在框730，提供耦接至功率源的第一级减速组件103。之后，在框740，提供第二级减速组件104。第二级减速组件104包括输入部1041和输出部1042。输入部1041耦接至第一级减速组件103的输出部，以围绕偏离第一轴线x1的第二轴线x2旋转。输出部1042被同轴地布置在中空轴102的外周上，并且能够与输入部1041接合以经由中空轴102使得第一臂连杆1011旋转。这样，机器人的组装和维护难度以及成本均可以显著降低。
66.应当理解的是，本公开的以上详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，并非旨在限制本公开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何修改、等同替换和改进等均应包含在本公开的保护范围之内。同时，本公开所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和边界或范围和边界的等同形式内的所有变型和修改。