机器人手臂模块关节的制作方法

本实用新型涉及一种机器手臂关节，特别是一种内部走线、模块化、不易损坏且成本低廉的机器人手臂模块关节。

背景技术：

随着工业技术的发展，机械手臂的应用也逐渐广泛。机械手臂主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械手臂在精度与耐用性上可以减少许多人为而不可预测的问题。机械手臂通常具有多个运动自由度，而手臂关节则是达成自由度与灵活度的关键因素。

现有技术的机械手臂关节系利用伺服电机驱动关节旋转，成本便宜精度高。然而大多数的伺服电机机械手臂都必须以外部走线来驱动各个关节转动。而裸露在外的导线要留有足够的长度才能配合机械手臂各种活动方式。因此，外部走线除了经常有缠绕、断裂、拉扯他物的损伤问题，外型上亦不美观。

另一方面，亦有现有技术利用中空电机提供动力，因此导线可以从电机中间通过，使导线可以藏在手臂关节。然而，中空电机成本昂贵，且手臂拆装与更换零件麻烦，因此推广不易。

有鉴于现有的机械手臂技术皆有缺点，因此需要内部走线、结构简单化、模块化、成本低廉、不易损坏、外型美观、还能达成多运动自由度及高精确度的机械手臂。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提出一种机器人手臂模块关节，利用特殊的模块关节设计而不需选用中空电机及中空减速机，以实现内部走线同时达成多运动自由度及高精确度的机械手臂。

根据本实用新型的一个方面，提供一种机器人手臂模块关节，其包含有一第一壳体、一第二壳体以及一电缆。第一壳体包含有一底部，底部设有一第一走线槽。第二壳体可旋转地设置于第一壳体，第二壳体包含有一相对于底部的顶部，顶部藉由设置相对于第一走线槽的一第二走线槽以形成一贯穿通道。电缆穿设于第一走线槽、贯穿通道以及第二走线槽之间。其中，当第一壳体与第二壳体相对旋转时，贯穿通道之截面积大于电缆之截面积。

于一具体实施例中，第一走线槽为一弧形走线槽。

于一具体实施例中，第一壳体还具有一第一通孔，连通于第一走线槽，电缆卡固并穿设于第一通孔。

于一具体实施例中，第二壳体还具有一第二通孔，连通于第二走线槽，电缆卡固并穿设于第二通孔。

于一具体实施例中，第二壳体＝还包含有一第二外盖以形成一容置空间。

于一具体实施例中，电缆盘卷于容置空间内。

于一具体实施例中，第一壳体与第二壳体相对旋转时，旋转的一角度范围系为+180°至-180°。

于一具体实施例中，机器人手臂模块关节还包含有一伺服电机以及一谐波减速机，分别设置于第一壳体与第二壳体之内。

于一具体实施例中，伺服电机固设于第一壳体并连接谐波减速机，谐波减速机可旋转地连接于第二壳体。

于一具体实施例中，第二壳体还包含有一旋转带动件，设置于顶部。谐波减速机固设于第二壳体的旋转带动件以可旋转地结合第一壳体与该第二壳体。

于一具体实施例中，第二壳体的旋转带动件进一步设置有一第二定位销，第一壳体进一步包含有一相对于第二定位销的第一定位销。

于一具体实施例中，机器人手臂模块关节还包含有一电缆保护具以及数条电缆。其中电缆保护具包覆收敛该等电缆，且贯穿通道的宽度大于电缆保护具的厚度的1.3倍。

于一具体实施例中，旋转带动件对应第一走线槽的一带动件腰部为内凹弧形。

根据本实用新型的另一方面，还提供一种机器人手臂模块关节，可旋转地连接于一第一手臂和一第二手臂。第一手臂内包含有一第一手臂走线槽，第二手臂内包含有一第二手臂走线槽。机器人手臂模块关节包含有一壳体和一电缆。壳体具有一第一侧壁、一垂直于第一侧壁的第二侧壁以及藉由第一侧壁与第二侧壁形成的一容置空间。其中第一手臂设置于第一侧壁，第二手臂设置于第二侧壁。第一侧壁设有一第一走线槽并与第一手臂走线槽形成一第一通道，第二侧壁设有一第二走线槽并与第二手臂走线槽形成一第二通道。电缆依序穿设于第一通道、容置空间、以及第二通道。其中，当第一手臂和第二手臂相对于壳体旋转时，第一通道的截面积与第二通道的截面积均大于电缆的截面积。

综上所述，本实用新型提供的机器人手臂模块关节设计有隐藏的走线槽，让电缆可以从壳体内部的贯穿通道穿过，且不影响到关节正常的转动自由度。因此达到内部走线、美观、简单、不易损坏的效果。进一步地，本实用新型可设置低成本高精度的伺服电机和标准减速机，并且可拆式的组装两个壳体及上下盖，使更换单一关节更为方便。最后藉由容置空间收纳电缆，再以通孔卡固电缆，让关节旋转时电缆可以斡旋于关节中，避免关节间的相互拉扯，满足机器人手臂转动的自由度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1绘示本实用新型的机器人手臂模块关节一具体实施例的截面图。

图2绘示本实用新型的机器人手臂模块关节一具体实施例的爆炸图。

图3绘示本实用新型的机器人手臂模块关节一具体实施例的俯视图。

图4绘示本实用新型的机器人手臂模块关节一具体实施例的仰视图。

图5绘示本实用新型的机器人手臂模块关节的电缆保护具一具体实施例的截面图。

图6绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的截面图。

图7至图9分别绘示本实用新型的机器人手臂模块关节于转动至不同角度时一具体实施例的俯视图。

图10绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的示意图。

图11绘示本实用新型的机器人手臂模块关节根据图10的具体实施例的截面图。

图12绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节一具体实施例的截面图。

图13绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节一具体实施例的示意图。

图14绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节一具体实施例的示意图。

图15绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的示意图。

图16绘示本实用新型的机器人手臂模块关节根据图15的具体实施例的截面图。

附图符号

1：机器人手臂模块关节 129：旋转带动件

10：贯穿通道 1290：带动件腰部

11：第一壳体 138：电缆保护具

12：第二壳体 2：机器人手臂模块关节

13：电缆 21：壳体

15：容置空间 23：电缆

16：伺服电机 25：容置空间

17：谐波减速机 201：第一侧壁

110：第一走线槽 202：第二侧壁

111：第一定位销 210：第一走线槽

114：第一外盖 220：第二走线槽

116：第一通孔 216：第一通孔

117：第一卡环 226：第二通孔

118：底部 261：第一伺服电机

120：第二走线槽 262：第二伺服电机

121：第二定位销 271：第一谐波减速机

124：第二外盖 272：第二谐波减速机

126：第二通孔 A：宽度

127：第二卡环 B：剩余宽度

128：顶部 A’：厚度

B’：宽度

具体实施方式

为了让本实用新型的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以实施例并参照所附图式进行详述与讨论。值得注意的是，这些实施例仅为本实用新型代表性的实施例，其中所举例的特定方法，装置，条件，材质等并非用以限定本实用新型或对应的实施例。

在本说明书的描述中，参考术语“一具体实施例”、“另一具体实施例”或“部分具体实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向、横向、上、下、前、后、左、右、顶、底、内、外、俯瞰、仰视”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1、图2及图3。图1绘示本实用新型的机器人手臂模块关节1一具体实施例的截面图。图2绘示本实用新型的机器人手臂模块关节1一具体实施例的爆炸图。图3绘示本实用新型的机器人手臂模块关节1一具体实施例的俯视图。本实用新型提出一种机器人手臂模块关节1，其包含有一第一壳体11、一第二壳体12以及一电缆13。第一壳体11包含有一底部118，底部118设有一第一走线槽110。第二壳体12可旋转地设置于第一壳体11，第二壳体12包含有一相对于底部118的顶部128，顶部128藉由设置相对于第一走线槽110的一第二走线槽120以形成一贯穿通道10。电缆13穿设于第一走线槽110、贯穿通道10以及第二走线槽120之间。其中，当第一壳体11与第二壳体12相对旋转时，贯穿通道10的截面积大于电缆13的截面积。

如前所述，本实用新型为便于被理解，于图式与说明书中叙述第一壳体11设置在第二壳体12之上，第一壳体的底部118与第二壳体顶部129为相对应且靠近的设置。然而此描述仅限制第一壳体11、第二壳体12与相关组件的相对位置，并非限制第一壳体11必须垂直高度高于第二壳体12。实际应用中，机械手臂之关节有可能依据其转动的自由度作任意角度的翻转，而不应被限制。因此本实用新型的权利要求书、实用新型新型内容、具体实施方式与附图说明，皆以此精神为基准。

于部分具体实施例中，分别俯瞰第一壳体11与第二壳体12时，第一走线槽110呈现弧形或是U形，第二走线槽120呈现弧形或是C形且容许穿越的截面积大于第一走线槽110。当第一壳体11与第二壳体12组合时，俯瞰第一走线槽110与第二走线槽120交迭呈现的贯穿通道10，其最大截面积等于第一走线槽110。

于一具体实施例中，第一壳体11进一步具有一第一通孔116，连通于第一走线槽110，电缆13卡固并穿设于第一通孔116。于一具体实施例中，第二壳体12进一步具有一第二通孔126，连通于第二走线槽120，电缆13卡固并穿设于第二通孔126。于一具体实施例中，第一通孔116外设置一第一卡环117，第二通孔126外设置一第二卡环127，两卡环用以卡固电缆13。

于一具体实施例中，电缆13分别卡固于第一壳体11与第二壳体12，然而电缆13并未于第一壳体11与第二壳体12之间卡固，而是在第一走线槽110弧形的空间中与第二走线槽120的空间中移动。

请参考图1、图6及图14。图6绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的截面图。图14绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节一具体实施例的示意图。于部分具体实施例中，第一壳体11进一步包含有一第一外盖114，相对于底部118的设置。第二壳体12进一步包含有一第二外盖124相对于顶部128的设置以形成一容置空间15。容置空间15连通第二走线槽120与第二通孔126。于一具体实施例中，电缆13部分盘卷于容置空间15内，用以避免电缆13在旋转过程中因太短遭拉扯。第一外盖114与第二外盖124可拆卸式的组合于第一壳体11与第二壳体12。因此，有利于更换单一关节模块或是关节模块内部零件时，保持壳体内外视野与工具活动，或是整理电缆13以适当长度盘旋于容置空间15内；从图14中可知，电缆13可以盘半圈到一圈。当更换工作接近尾声时，再将第一外盖114与第二外盖124组合于第一壳体11与第二壳体12，以将线路内藏于关节中。

请再参阅图1至图3。常见的机器人手臂用以使两个机器人手臂段之连接处夹不同之角度以完成手臂的活动，而关节用以完成连接处之旋转。因此本实用新型所应用的机器人手臂至少包含有一第一手臂以及一第二手臂。于一具体实施例中，数条电缆13中至少一电缆13的一端从第一手臂内部经过第一通孔116穿入机器人手臂模块关节1的第一壳体11内，穿越第一走线槽110、贯穿通道10、及第二走线槽120到达容置空间15。电缆在容置空间15中做半圈到数圈的盘旋，接着从第二通孔126穿出机器人手臂模块关节1到达第二手臂内部。

于一具体实施例中，机器人手臂模块关节1进一步包含有一伺服电机16以及一谐波减速机17，设置于第一壳体11与第二壳体12之内。于一具体实施例中，伺服电机16固设于第一壳体11并连接谐波减速机17，谐波减速机17可旋转地连接于第二壳体12。此处所述的伺服电机16为标准型伺服电机，而非中空力矩电机。所述的谐波减速机17为标准型谐波减速机17，而非中空谐波减速机。伺服电机16与谐波减速机17相较于中空力矩电机与中空谐波减速机，成本较便宜且精度较高。由于本实用新型的特殊走线设计，使内部走线的机器人手臂可以配置有伺服电机16与谐波减速机17，而非一定要使用昂贵的中空电机和中空减速机，因此解决了现有技术中内部走线成本较高的问题。

于一具体实施例中，第二壳体12进一步包含有一旋转带动件129，设置于顶部128，谐波减速机17固设于第二壳体之旋转带动件129以可旋转地结合第一壳体11与该第二壳体12。谐波减速机17具有一转动轴心，并输出沿转动轴心的转动动能。旋转带动件129用以连接谐波减速机17的动能输出处以及第二壳体129，以让相连第二壳体12的第二手臂22依据谐波减速机17输出的转动角度转动。于部分具体实施例中，顶部128即为旋转带动件129与带动件腰部1290。意即为，旋转带动件129从第二壳体12之侧壁延伸至第二壳体12之上端，藉此旋转带动件129沿轴心转动时带动第二壳体12转动。

于一具体实施例中，第二壳体12的旋转带动件129进一步设置有一第二定位销121，第一壳体11进一步包含有一相对于第二定位销121的第一定位销111。第一定位销111与第二定位销121用以定位第一壳体11与第二壳体12之间相对的角度，以确保每次第二壳体12相对第一壳体11转动时，精准地转至需求角度。

请参阅图3、图4及图5。图4绘示本实用新型的机器人手臂模块关节1一具体实施例的仰视图。图5绘示本实用新型的器人手臂模块关节的电缆保护具138一具体实施例之截面图。其中图3不包含第一外盖；图4不包含第二外盖。于一具体实施例中，机器人手臂模块关节1进一步包含有一电缆保护具138以及数条电缆13。其中电缆保护具138包覆收敛该等电缆13。该电缆保护具138可以为具有一适当长度的一套管，或是长度较短的一套网。其目的为防止多个电缆13松散导致旋转过程中发生拉扯，并且可以诱导多根电缆成统一的走线路径。对应不同的关节尺寸，第一走线槽110、第二走线槽120以及相对形成的贯穿通道10尺寸大小亦有所不同。大致上来说，贯穿通道10的宽度A大于电缆保护具138的厚度A’的1.3倍，且贯穿通道10的剩余宽度B大于电缆保护具138的宽度B’。

于一具体实施例中，一个电缆保护具138收敛有4根电缆13。且电缆保护具138的厚度A’为13mm，宽度B’为13mm，则相对应的贯穿通道10的宽度A为17mm，贯穿通道10的剩余宽度B为14mm。

于另一具体实施例中，一个电缆保护具138收敛有10根电缆13。且电缆保护具138的厚度A’为20mm，宽度B’为22mm，则相对应的贯穿通道10的宽度A为26mm，贯穿通道10的剩余宽度B为23mm。

于一具体实施例中，第一走线槽110、第二走线槽120以及相对形成的贯穿信道10结构可以根据不同的外观进行修改。但考虑电缆13在壳体内部移动时会产生摩擦，第一走线槽110、第二走线槽120以及相对形成的贯穿信道10结构尽可能避免尖锐且使用弧型边角，且旋转带动件129对应第一走线槽110的带动件腰部1290系为内凹弧形。

请参考图1、图7至图9。图7至图9分别绘示本实用新型机器人手臂模块关节1于转动至不同角度时一具体实施例的俯视图。于一具体实施例中，第一壳体11与第二壳体12相对旋转时，旋转的角度范围系为+180°至-180°。因此，运用本实用新型的机械手臂的单一关节可转动范围达360°，以满足任意角度转动需求。旋转带动件129用于连接第一壳体11以及第二壳体12，然而，旋转带动件129以及延伸的带动件腰部1290若设计不良会挡住贯穿通道10。藉由上述的构造说明，本实用新型设计带动件腰部1290位置可以如图7至图9所示的保留贯穿通道10。于此实施例中，图7的第一通孔116与第二通孔126约相对地夹有180度角时，带动件腰部1290不会挡住贯穿通道10。接着若第一通孔116逆时钟的转动，使图8的第一通孔116与第二通孔126约相对地夹有45度角时，带动件腰部1290约略挡住贯穿通道10的二分之一面积。若第一通孔116继续逆时钟的转动，使图9的第一通孔116与第二通孔126约相对地夹有0度角时，带动件腰部1290约略将贯穿通道10(A)向右挤压至剩下四分之一面积，而剩余的面积则仍然符合前述宽度与厚度之限制。若第一通孔顺时钟的转至第一通孔116与第二通孔126约相对地夹有0度角时，可从图9中想象，带动件腰部1290约略将贯穿通道10(B)向左挤压至剩下四分之一面积。因此，顺时钟与逆时钟皆可以转动180°，旋转之角度范围达到+180°至-180°。因此机器人手臂模块关节1的转动可以达到360°无死角。

请参考图10、图11、图15及图16。图10绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的截面示意图。图11绘示本实用新型的机器人手臂模块关节根据图10的一具体实施例的截面图。图15绘示本实用新型的机器人手臂模块关节另一具体实施例的示意图。图15绘示本实用新型的机器人手臂模块关节根据图13的具体实施例的截面图。于一具体实施例中，手臂关节用以向内收缩旋转，此时可套用本新型机器人手臂模块关节1如图10及图11所示。于一具体实施例中，手臂关节中电缆13绕电机轴线方向进出，例如传统六轴机械手臂的第四关节，此时可套用本新型机器人手臂模块关节1如图15及图16所示。

于一具体实施例中，由于传统六轴机械手臂具有六个关节，每关节需要两条管线，全部皆为内部走线时，起始端的关节需要有12条管线，至最尾端关节依序减少。因此起始端的关节模块容量体积需求较大，外壳与容置空间变大，且走线槽与贯穿通道宽度增加。

请参阅图12及图13。图12绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节2一具体实施例的截面图。图13绘示本实用新型的另一种机器人手臂模块关节2一具体实施例的示意图。根据本实用新型的另一方面，还包含机器人手臂模块关节2，可旋转地分别连接于一第一手臂31和一第二手臂32。第一手臂31内包含有一第一手臂走线槽(图未示)，第二手臂32内包含有一第二手臂走线槽(图未示)。且第一手臂31与第二手臂32以一垂直角相对设置。机器人手臂模块关节2包含有一壳体21和一电缆23。壳体21具有一第一侧壁201、一垂直于第一侧壁201的第二侧壁202以及藉由第一侧壁201与第二侧壁202形成的一容置空间25。其中第一手臂31设置于第一侧壁201，第二手臂32设置于第二侧壁202。第一侧壁201设有一第一走线槽210并与第一手臂走线槽形成一第一通道，第二侧壁202设有一第二走线槽220并与第二手臂走线槽形成一第二通道。电缆23依序穿设于第一通道、容置空间25、以及第二通道。其中，当第一手臂31和第二手臂32相对于壳体21旋转时，第一通道之截面积与第二通道的截面积均大于电缆23之截面积。

于一具体实施例中，第一通道藉由一第一通孔216通往容置空间25，第二通道藉由一第二通孔226通往容置空间25。电缆23依序穿设于第一走线槽210、第一通孔216、容置空间25、第二通孔226、以及第二走线槽220。

于一具体实施例中，机器人手臂模块关节2包含有一第一伺服电机261以及一第二伺服电机262。第一伺服电机261连接于第一手臂31，并可旋转地连接一第一谐波减速机271，第二伺服电机262连接于第二手臂32，并可旋转地连接一第二谐波减速机272。第一伺服电机261转动时带动第一谐波减速机271，使第一手臂31与机器人手臂模块关节2相对地旋转。同样地，第二伺服电机262转动时带动第一谐波减速机272，使第一手臂32与机器人手臂模块关节2相对地旋转。

机器人手臂模块关节2相较于机器人手臂模块关节1，依照壳体21不同的设计，可在一组关节中同时容纳两个伺服电机与两个谐波减速机，减少关节零件。

请参阅图1、图2、图12与图13。相比较机器人手臂模块关节1与机器人手臂模块关节2，第一壳体11构造作动原理与第一手臂31、第二手臂32相同，第二壳体12构造作动原理与壳体21相同。第一走线槽110与第一手臂走线槽、第二手臂走线槽构造与用途相似。第二走线槽120与第一走线槽210、第二走线槽220构造与用途相似。伺服电机16与第一伺服电机261、第二伺服电机262用途与构造相似。为使壳体21与第一手臂31和第二手臂32相对旋转，壳体21内具有相对的旋转带动件；因此贯穿信道10与第一通道、第二通道同样会随着转动而改变贯穿的截面积。容置空间25与容置空间15同样可让电缆23盘旋，并且于转动时避免电缆23拉扯。因此，机器人手臂模块关节2同样达成内部走线、低成本、不易损坏的目的。

于一具体实施例中，机器人手臂是由多个关节模块和不同形状的圆管支架组成。在六自由度机械手臂中，通常称最靠近基座处的关节模块为J1，依序命名关节模块至J6。其中关节模块由于容量需求不同，会选择不同型号的电机和减速机。J1的体积和外壳最大、电缆数量最多、走线槽的宽度最大。相对的从J1到J6，体积和外壳渐缩、电缆数量渐少、走线槽的宽度渐小。

本实用新型的机器人手臂模块关节设计有隐藏的走线槽，让电缆可以从壳体内部的贯穿通道穿过，且不影响到关节正常的转动自由度。因此达到内部走线、美观、简单、不易损坏的效果。进一步地，本实用新型可设置低成本高精度的伺服电机和标准减速机，并且可拆式的组装两个壳体及上下盖，使更换单一关节更为方便。最后藉由容置空间收纳电缆，再以通孔卡固电缆，让关节旋转时电缆可以斡旋于关节中，避免关节间的相互拉扯，满足机器人手臂转动的自由度。

藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本实用新型的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本实用新型的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本实用新型的权利要求书的范围内。因此，本实用新型所申请权利要求书的范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。