申请/专利权人：ABB瑞士股份有限公司

申请日：2015-12-01

公开（公告）日：2021-04-09

公开（公告）号：CN108136599B

主分类号：B25J17/02(20060101)

分类号：B25J17/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.09#授权;2018.07.03#实质审查的生效;2018.06.08#公开

摘要：提供了一种机器人关节和使用该机器人关节的机器人。机器人关节包括：第一部分4和第二部分5，被配置成围绕关节轴线40而可相对旋转；以及柔性印刷电路板2，包括分别紧固至第一部分4和第二部分5的第一固定点71和第二固定点61；其中：柔性印刷电路板2在弯折之前是螺旋形的；以及随着第一部分4和第二部分5的相对旋转，柔性印刷电路板2在各个弯折部分被弯折。这以成本效益的方式使得机器人关节更紧凑，具有更大的旋转范围和长的使用寿命。

主权项：1.一种机器人关节，包括：第一部分和第二部分，被配置成围绕关节轴线而能够相对旋转；以及柔性印刷电路板，包括分别紧固至所述第一部分和所述第二部分的第一固定点和第二固定点；其中：所述柔性印刷电路板在弯折之前是螺旋形的，并且在所述螺旋形中，所述柔性印刷电路板的曲线部分被布置成从中心点发出，随着围绕所述中心点旋转而逐渐远离所述中心点；并且随着所述第一部分和所述第二部分的相对旋转，所述柔性印刷电路板在各个弯折部分处被弯折，并且其中所述机器人关节还包括延伸部分，被布置成在所述弯折之前、在所述第一固定点和所述第二固定点之间从螺旋形的所述柔性印刷电路板的曲线部分径向地延伸，其中所述延伸部分呈弧形形状，被布置成在所述弯折之前朝向或远离所述印刷电路板的所述中心点而延伸。

全文数据：机器人关节以及包括机器人关节的机器人技术领域[0001]本发明涉及机器人关节，以及更特别地，涉及包括柔性印刷电路板的机器人的旋转关节以及包括该旋转关节的机器人。背景技术[°002]对于工业机器人，尤其是被设计用于在有限的和复杂的工作空间中工作的工业机器人来说，灵活性和紧凑性是两个主要的设计要求。一般而言，机器人关节的旋转范围越大，机器人就越灵活。通常，电缆和软管被布设在机器人关节内，以防止干扰周围环境。但是，这些电缆不能长时间承受太多的弯折和扭绕。此外，不适当的布设结构可能使得电缆和软管以小的半径弯折、以小的长度扭绕或者在粗糙表面上滑动，所有的这些都将缩短电缆的使用寿命并导致意外关机。[0003]—种常见的解决方案是在机器人关节内部使用柔性印刷电路FPC来传输电力和各种信号。图1A示出了断环形状的普通FPC板的展开视图。图1B示出了弯折之后的FPC板的立体视图。如图1B中所示，FPC板在弯折部分30处被弯折以形成第一部分1〇和第二部分20。第一部分10相对于第二部分20可围绕机器人关节的旋转轴线旋转。理论上，两个部分1〇和2〇围绕旋转中心具有不大于180度的重叠区域，这意味着FPC板的旋转范围小于±360度。实际上，考虑到弯折半径和其它因素，重叠区域仅可以覆盖大约100度，如图1C所示。因此，FPC板的旋转范围小于±200度，这比理想的±360度的旋转范围差得远。发明内容[0004]本发明的目的之一是提出机器人关节，该机器人关节是紧凑的，能够实现大的旋转范围并且具有长的使用寿命。[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种机器人关节，其包括:第一部分和第二部分，被配置成围绕关节轴线而可相对旋转；以及柔性印刷电路板，包括分别紧固至第一部分和第二部分的第一固定点和第二固定点；其中：柔性印刷电路板在弯折之前是螺旋形的;并且随着第一部分和第二部分的相对旋转，柔性印刷电路板在各个弯折部分处被弯折。[0006]本公开的优点在于它以成本效益的方式提供了具有更大旋转范围和长的使用寿命的紧凑机器人关节。附图说明[0007]在下文中将参考附图中示出的优选示例性实施例来更详细地解释本发明的技术方案，其中：[0008]图1A示出断环形状的常规的柔性印刷电路FPC板的展开视图；以及[0009]图1B示出常规的FPC板在弯折之后的立体视图；以及[0010]图1C示出常规的FPC板在弯折之后的侧视图；以及[0011]图2A示出根据本发明实施例的FPC板；[0012]图2B示出根据图2A的FPC板的部件结构；[0013]图2C和图2D分别示出根据本发明的FPC板的备选实施例；以及[0014]图3示出根据图2A的FPC板在弯折之后的立体视图；以及[0015]图4A是具有根据图2的FPC板的机器人关节在初始位置处的状态图；[0016]图4B和图4C分别示出根据图2的FPC板已逆时针旋转的状态图；[0017]图4D和图4E分别示出根据图2的FPC板己顺时针旋转的状态图；[0018]图5示出根据本发明实施例的旋转关节的示意图；以及[0019]图6示出从在根据图4A的机器人关节的第二部分5的内部处观看的视角的视图。具体实施方式[0020]现在将详细参考本发明的几个实施例，其示例在附图中示出。需要注意的是，只要可行，在附图中可以使用相似或同样的附图标记，并且可以指示相似或同样的功能。附图仅出于说明的目的而描绘本发明的实施例。本领域技术人员从以下描述中将容易认识到，可以在不脱离本文所描述的本发明的原理的情况下采用本文所示的结构和方法的替代实施例。[0021]柔性印刷电路FPC板通常指的是安装在柔性塑料衬底诸如聚酰亚胺或聚酯膜）上的电路或布线结构。一种类型的FPC板包含一个或多个印刷线，以用于直接或借助于连接器来互连电子部件或电子组件。FPC板可以薄至0.1mm，并且可以通过小至1mm的弯折半径而被弯折。[0022]图2A示出根据本发明的实施例的FPC板。如图2A中所示，FPC板2呈螺旋形状。在弯折之前，螺旋形FPC板2围绕其中心点20卷绕超过360度。被布置在螺旋形FPC板2的一端处的第一端子A可以被用作信号或功率的输入或输出；而被布置在螺旋形FPC板2的另一端的第二端子B也可以被用作信号或功率的输入或输出。在螺旋形状中，FPC板2的曲线部分被布置成其从中心点20发出，随着其围绕中心点20旋转而逐渐远离。第一端子A被布置为比第二端子B更远离中心点20。在FPC板2上布置有第一固定点61和第二固定点71，第一固定点61和第二固定点71可以被布置为分别接近第一端子A和第二端子B。在弯折之前，螺旋形FPC板2围绕它的中心点从第一固定点61到第二固定点71卷绕超过360°APC板2还包括至少一个延伸部分41，该延伸部分41相对于中心点20朝向或远离螺旋形FPC板2的一部分而径向地延伸，并且这样的部分沿着螺旋形FPC板2的曲线部分被放置在第一固定点61和第二固定点71之间。从FPC板2的曲线部分延伸的延伸部分41被布置成避开另一个曲线部分，例如邻近曲线部分的另一个曲线部分。例如，第一固定点61和第二固定点71之间的曲线长度占FPC板2的曲线长度的13。[0023]图2B示出根据图2A的FPC板的部件结构。如图2B所示，FPC板2包含多个各自呈螺旋形状的印制线30,它们平行布线并且从中心点20发出，电连接FPC板2的第一端子A和第二端子B。如交叉线标记所示的延伸部分41沿着螺旋形FPC板2的内曲线部分和或外曲线部分而被布置。延伸部分41可以被设计为朝向或远离螺旋形FPC板2的中心点20而延伸的弧形，以便于扩大内曲线部分和或外曲线部分的宽度。这些延伸部分41可以由聚酰亚胺膜或其它具有受FPC板2的弯折影响而任意变形的机械平衡特性的柔性塑料衬底制成。[0024]如图2C和图2D中所示，FPC板备选地可以呈没有延伸部分的螺旋形状，或者呈具有h梯形通孔的螺旋形状。在图2D中，延伸部分通过交叉线被标记。内部曲线R1的半径小于外部曲线R2的半径。[0025]如图2A至图2D中所示，孔结构被设置在FPC板的中心处以允许诸如轴、软管等的其它部件穿过。只要能为轴提供足够的空间，孔结构可以具有任何合适的形状。[0026]图3示出了根据图2A的FPC板弯折之后的立体视图。如图3中所示，FPC板2在弯折部分31处被弯折，弯折部分31将FPC板2分离为铺设于第一平面的第一部分11和铺设于第二平面的第二部分21。弯折部分31出现在第一部分11和第二部分21之间，这实现了紧凑的布设结构。第一部分11和第二部分21被弯折部分31平滑地分开。随着FPC板2的第一固定点61和第二固定点71围绕基本上垂直于第一平面和第二平面的旋转轴线的相对旋转，FPC板2在各个弯折部分31处被弯折。在弯折之前，螺旋形FPC板2围绕其中心点20从第一固定点61向第二固定点71卷绕超过36〇度，因此当在各个弯折部分31处弯折时，第一部分11和第二部分21是部分同心的，具有大于180度的同心角a，这最终确定了机器人关节大于±360度的旋转范围。由于螺旋形FPC板2的曲线部分从第一固定点61至第二固定点71而逐渐偏离中心点20，FPC板2的第一部分11和第二部分21从基本上平行于第一平面和第二平面的视角来看具有重叠区域。重叠区域使第一部分11和第二部分21彼此相对，以便防止第一部分11和第二部分21例如由于FPC板的内部应力、重力等而扭绕在一起。重叠区域可以通过使用延伸部分41而扩大，这转而进一步增强了防扭绕的技术效果。[0027]图4A是具有根据图2的FPC板的机器人关节在初始位置的状态图。图6示出了从在根据图4A的机器人关节的第二部分5的内部处观看的视角的视图。如图4A和图6中所示，机器人关节包括第一部分4和第二部分5，第一部分4和第二部分5被配置成围绕关节轴线40而可相对旋转。第一部分4通过FPC板2的固定点71而在第一部分4上的任意位置处被连接至FPC板2,并且第二部分5通过FPC板2的固定点61而在第二部分5上的任意位置处被连接至FPC板2。随着第一部分4和第二部分5的相对旋转，该相对旋转引起在FPC板2上的第一固定点71和第二固定点61的相对旋转，FPC板2在各个弯折部分31处被弯折。PFC板处的固定点61和71可以被布置成分别接近PFC板2的每个端部，以便获得更大的旋转范围。机器人关节还包括沿关节轴线40布置的轴3,第一部分4和轴3可相对旋转并且第二部分5与轴3固定。特别地，轴3被布置成穿过第一部分4并且将第二部分5固定至轴3的端部中的一个。因此，轴3的旋转可以驱动第二部分5旋转，并且它们两者可以相对于第一部分4旋转。沿FPC板2的内曲线部分布置的延伸部分41可以适于配合轴3的外表面，并且沿FPC板2的外曲线部分布置的延伸部分41可以适于配合第一部分4和或第二部分5的内表面。FPC板2的输出侧通过接片51而被连接至至少一个输出电缆7。[0028]当第二部分5相对于第一部分4旋转时，第二部分5驱动FPC板2的第二固定点61相对于FPC板2的第一固定点71而围绕基本上垂直于第一平面和第二平面中的至少一个平面的旋转轴线旋转。旋转轴线可以与机器人关节轴线4〇对齐。在操作期间，延伸部分41可以平衡弯折FPC板2的变形，以使FPC板2可以连续地接触第一部分4如图4B、图4C中所示）、第二部分5如图4D、图4E中所示）以及它们两者如图4A中所示），从而确保第一部分11相对于第二部分5在没有不必要地扭绕和或滑动的情况下旋转。另一方面，延伸部分41还可以防止FPC板的上部例如第一部分11由于FPC板的内部应力、重力等而落在PFC板的下部例如第二部分21上并交叉在一起。随着这种开发，FPC板本身的干扰将被减少，因此机器人关节的使用寿命将被增加。[0029]如图4B和图4C中所示，FPC板己经分别从图4A中所示的初始位置逆时针旋转了18〇度和36〇度。当第一固定点ei相对于第二固定点71旋转时，弯折部分31沿着FPC板转移，并且第一部分11和第二部分21的长度相应地改变。同时，弯折部分31在空间中的位置相应地旋转。在图4B和图4C的情况下，第一部分11的长度己变得明显小于第二部分21的长度。[0030]如图4D和图4E中所示，FPC板已经分别从图4A中所示的初始位置顺时针旋转了18〇度和36〇度。在图4D和图4E的情况下，第一部分11的长度已变得明显大于第二部分21的长度。[0031]顺时针旋转和逆时针旋转都被允许大于360度。因此机器人关节的旋转范围大于±360度。然而，应当注意的是，FPC板可以在两个或更多个弯折部分处被弯折，在这种情况下，FPC板的旋转范围可以大于±720度。[0032]在本发明的实施例中，机器人关节可以包括两个或更多个FPC板，两个或更多个FPC板与上文所述的FPC板一起被堆叠并弯折。换言之，FPC板被布置成彼此叠置以形成层状结构并且在一个或多个共同的弯折部分处被弯折。在操作期间，FPC板以与单个FPC板相同的方式一起移动。提供两个或更多个堆叠的FPC板的优点之一是在不增加机器人关节的尺寸的情况下增加信号传输能力。[0033]图5示出了机器人关节的示意图。如图5中所示，机器人关节包括电动机1，电动机1驱动齿轮2旋转并进一步驱动轴3旋转。机器人关节还包括第一部分4和第二部分5,第一部分4相对于电动机1是静止的，第二部分5可与轴3—起旋转。至少一个输入电缆6和至少一个输出电缆7分别被连接至第一部分4和第二部分5。齿轮2和轴3可以被构造成在中心处具有通孔，以允许诸如软管的其它部件穿过。至少一个FPC板被布置在第一部分4和第二部分5之间的内部空间处，并且可沿轴3以大于±360度的旋转范围旋转。如上文所述，机器人关节是紧凑的，能够实现大的旋转范围并具有长的使用寿命。[0034]根据本发明的实施例的机器人关节可以被用在机器人中。[0035]尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例绝不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变化和修改应当在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因此落入由所附的权利要求所限定的本发明的范围内。

权利要求：1.一种机器人关节，包括：第一部分和第二部分，被配置成围绕关节轴线而能够相对旋转；以及柔性印刷电路板，包括分别紧固至所述第一部分和所述第二部分的第一固定点和第二固定点；其中：所述柔性印刷电路板在弯折之前是螺旋形的；并且随着所述第一部分和所述第二部分的相对旋转，所述柔性印刷电路板在各个弯折部分处被弯折。2.根据权利要求1所述的机器人关节，其中：在所述弯折之前，螺旋形的所述柔性印刷电路板围绕其中心点从所述第一固定点到所述第二固定点卷绕超过360度。3.根据权利要求1或2所述的机器人关节，其中：所述弯折部分出现在所述柔性印刷电路板的第一部分和第二部分之间。4.根据权利要求3所述的机器人关节，其中：所述柔性印刷电路板的所述第一部分和所述第二部分具有重叠区域。5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人关节，还包括：延伸部分，被布置成在所述弯折之前、在所述第一固定点和所述第二固定点之间从螺旋形的所述柔性印刷电路板的曲线部分径向地延伸。6.根据权利要求5所述的机器人关节，其中：所述延伸部分呈弧形形状，被布置成在所述弯折之前朝向或远离所述印刷电路板的所述中心点而延伸。7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人关节，还包括：轴；其中：所述轴沿着所述关节轴线被布置；所述第一部分和所述轴能够相对旋转；所述第二部分相对于所述轴被固定；以及所述印刷电路板被布置在所述第一部分和所述第二部分之间的内部空间处。8.根据权利要求7所述的机器人关节，其中：所述印刷电路板的所述延伸部分适于配合所述轴的外表面。9.根据权利要求7所述的机器人关节，其中：所述印刷电路板的所述延伸部分适于配合所述第一部分和或所述第二部分的内表面。10.根据权利要求7至9中任一项所述的机器人关节，还包括：电动机和齿轮;其中，所述电动机驱动所述齿轮旋转，并进一步驱动所述轴旋转。11.所述机器人关节还包括：一个或多个另外的柔性印刷电路板，与根据权利要求1至1〇中任一项所述的柔性印刷电路板一起被堆叠并弯折。12.—种机器人，包括根据前述权利要求中任一项所述的机器人关节。

百度查询： ABB瑞士股份有限公司 机器人关节以及包括机器人关节的机器人

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