塑料机器人臂连杆、相关的机器人及制造方法与流程

1.本公开实施例总体上涉及一种塑料机器人臂连杆、以及包括多个塑料机器人臂连杆的相关的机器人及其制造方法。


背景技术：

2.如今，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。在这种趋势下，已经开发了非金属机器人，诸如塑料机器人。与金属材料相比，塑料材料具有高强度重量比，如果产品中涉及强度，这可以实现机器人的轻量化设计。材料的强度是指材料抵抗损坏(即，使材料断裂所需的应力)的能力。
3.除了强度之外，部件或结构的另一基本参数是刚度，刚度表示部件或结构经受外力以抵抗变形的能力。刚度也是设计机器人时的一个考虑。对于工业机器人，从精确且快速的运动控制的角度来看，适当的结构刚度也是期望的。
4.然而，对于由塑料材料制成的结构，其刚度与由金属材料制成的结构的刚度大不相同。通常，相对于由金属材料制成的结构，由塑料材料制成的结构具有较低的刚度。此外，塑料还具有因长期应力导致的蠕变效应，这会影响塑料机器人的精度。
5.弹性模量(e模量)是低于比例极限的应力与对应应变的比。e模量是结构刚性或刚度的度量。尽管混合结构被用于诸如保险杠、门等的一些汽车零件以增加材料刚度(即，e模量)，但在机器人领域，混合结构尚未被用作机器人诸如臂连杆的主要部件。


技术实现要素：

6.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混合结构的塑料机器人臂连杆及相关机器人。
7.在第一方面，提供了一种用于机器人的塑料机器人臂连杆。机器人臂连杆包括由塑料材料制成的主体；连接件，被布置在主体上并且适于被耦接至机器人的另一塑料机器人臂连杆或传动部；以及插入件，由弹性模量高于塑料材料的材料制成，并且被嵌入主体和/或连接件中。
8.通过将具有更高弹性模量的材料嵌入由塑料材料制成的机器人臂连杆的主体内，能够提高机器人臂连杆的刚度和强度。另外，由于高刚性材料的存在，塑料臂的蠕变效应也显著降低，从而提高了机器人的精度。
9.在一些实施例中，插入件被成形和/或布置为使得主体或连接件的厚度是均匀的。通过上述布置，可以通过注射成型更容易地制造机器人臂连杆。此外，制造精度也能够相应地提高。
10.在一些实施例中，插入件由金属材料或复合材料制成。这样，能够以成本有效的方式有效地提高机器人臂连杆的刚度和强度。
11.在一些实施例中，插入件包括被嵌入连接件中的轴承或金属法兰。因此，一方面，可以提高连接件的刚度。另一方面，能够降低机器人臂连杆的组装成本。
12.在一些实施例中，金属法兰被机加工为便于与塑料机器人臂连杆和传动部耦接。这样，耦接至连接件的部件可以更容易地耦接至连接件。
13.在一些实施例中，插入件沿主体的延伸方向延伸。由此，可以有效地提高沿整个车身的刚度和强度。此外，可以进一步减少塑料机器人臂连杆的蠕变，从而提高机器人的精度。
14.在一些实施例中，插入件是中空的，其中布置有至少一个加强肋。这样，可以在保持相对较高的刚度和强度的同时减小塑料机器人臂连杆的重量。
15.在一些实施例中，插入件通过片材切割或3d打印形成。也就是说，插入件可以以任何适当方式制造，这提高了制造插入件时的灵活性。
16.在一些实施例中，塑料机器人臂连杆通过注射成型形成。这样，能够降低机器人臂连杆的制造成本，并且能够进一步提高强度。
17.在第二方面，提供了一种机器人，该机器人包括至少一个上述第一方面的机器人臂连杆。
18.在第三方面，提供了一种塑料机器人臂连杆的制造方法。该方法包括：提供由弹性模量高于塑料材料的材料制成的插入件；注射成型由塑料材料制成的主体，以将插入件嵌入主体或连接件中的至少一个；以及提供被布置在主体上的连接件。
19.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
20.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。
21.图1示出传统塑料机器人的关节剖视图；
22.图2示出根据本公开实施例的机器人臂连杆剖视图；
23.图3示出根据本公开实施例的关节剖视图；
24.图4示出根据本公开实施例的关节剖视图；
25.图5示出根据本公开实施例的关节剖视图；
26.图6示出根据本公开实施例的机器人的立体图；并且
27.图7示出根据本公开实施例的塑料机器人臂连杆的制造方法的流程图。
28.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
29.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。
30.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。
31.目前，机器人在越来越多的领域中使用。廉价机器人和小型轻便机器人的发展满足了不同领域的各种需求。在这种趋势下，已经开发了诸如塑料机器人的非金属机器人。使用非金属材料(诸如塑料材料或复合材料等)制造机器人是机器人开发中的一个趋势。
32.与金属材料相比，塑料材料具有高强度重量比，如果产品中涉及强度，这可以实现机器人的轻量化设计。部件的强度是指部件抵抗损坏(即，使部件断裂所需的应力)的能力。部件的强度与部件的材料和结构有关。
33.除了强度之外，机器人部件的另一重要参数是刚度，刚度表示部件或结构经受外力以抵抗变形的能力。刚度也是设计机器人时的一个考虑。对于工业机器人，从精确且快速的运动控制的角度来看，适当的结构刚度也是期望的。
34.然而，对于由塑料材料制成的结构，其刚度与由金属材料制成的结构的刚度大不相同。因此，塑料材料的机器人臂在受到外力时容易变形，从而影响机器人的精度。此外，塑料还具有因长期应力导致的蠕变效应，这可能会使机器人臂连杆永久变形并进而进一步影响塑料机器人的精度。
35.材料的弹性模量(e模量)是低于比例极限的应力与对应应变的比。e模量是刚性或刚度的度量。尽管混合结构被用于诸如保险杠、门等的一些汽车零件以增加材料刚度(即e模量)，但在机器人领域，混合结构尚未被用作机器人诸如臂连杆的主要部件。
36.此外，恰恰因为塑料材料的特性，塑料机器人具有不能承受诸如螺钉的金属零部件的紧固且热导率低的缺点。
37.此外，如图1所示，图中示出已经开发的塑料机器人的关节剖视图，该关节通常通过注射成型制成。为了确保顺利脱模，关节的壁厚通常是不均匀的。一方面，当注射成型这些部件时，机器人臂连杆不均匀的壁厚可能会降低机器人臂连杆的精度和强度。另一方面，为了使关节具有均匀的结构壁厚，在大多数情况下需要相对复杂的模具。然而，设计和制造相对复杂的模具非常耗时且具有挑战性。
38.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混合结构的塑料机器人臂连杆。现在将参考图2-图6描述一些示例实施例。
39.图2示出根据本公开实施例的机器人臂连杆(诸如机器人臂)的剖视图，图3示出根据本公开实施例的关节的剖视图。如图所示，用于机器人200的塑料机器人臂连杆100总体上包括主体101、连接件102和插入件103。由塑料材料制成的主体101基本上形成臂连杆的主形状。这样，可以使机器人200更轻，并且机器人200可以以更廉价的方式制造，这符合机器人领域的发展趋势。
40.本文的机器人臂连杆100是指机器人的主结构，诸如机器人臂、基座、腕部、关节或甚至端部执行器。此外，作为机器人的主结构，主体101可以具有任何适当形状以满足机器人的要求。尽管图2示出主体101为板状，但应当理解的是，这是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。主体101的任何适当形状都是可能的。例如，在一些替代实施例中，主体101可以是关节并且具有自由形式表面或弯折形状，如图3所示。
41.连接件102被布置在主体101上，以提供用于机器人200的另一塑料机器人臂连杆或传动部(诸如待耦接至连接件的电机、齿轮箱、同步带、制动器等)的装置。例如，连接件
102可以是被布置在机器人臂上的一个部分以连接至另一机器人臂或关节，如图2所示。在一些替代实施例中，连接件102也可以是关节的待被连接至机器人臂或电机的输出轴的一部分，如图3-图5所示。
42.与常规塑料机器人臂连杆相比，本文的塑料机器人臂连杆100具有嵌入主体101和/或连接件102中的插入件103。也就是说，由弹性模量高于塑料材料的材料制成的插入件103可以应用于机器人200的任意适当结构，诸如机器人臂、关节、基座等。
43.这样，可以有效地提高机器人臂连杆100的整体刚度和强度。此外，由于高刚性材料的存在，塑料臂的蠕变效应也显著降低，从而提高机器人200的精度。插入件103可以通过诸如注射成型的任意适当方式形成在塑料机器人臂连杆100中，而不增加额外的制造成本。
44.例如，在通过注射成型形成机器人臂连杆100之前，插入件103可以被布置在模具中的适当位置。这样，插入件103可以通过注射成型机器人臂连杆100而形成在机器人臂连杆100中。
45.应当理解的是，上述通过注射成型形成具有插入件103的机器人臂连杆100的实施例仅仅是示意性的，而非暗示对本技术范围的任何限制。任何其它适当布置或结构也是可能的。
46.例如，在一些替代实施例中，具有插入件103的机器人臂连杆100也可以通过3d打印形成。具体而言，对于一些具有复杂结构的机器人臂连杆100，主体101可以由塑料材料形成，而插入件103可以在3d打印时由具有高弹性模量的材料形成。这样，具有复杂结构的塑料机器人臂连杆100也可以通过3d打印形成。
47.与金属机器人臂连杆相比，刚度对于具有细长结构的塑料机器人臂连杆来说尤其值得注意。为了提高具有这种细长结构的塑料机器人臂连杆的刚度，在一些实施例中，如图2所示，插入件103可以沿主体101的延伸方向e延伸，以提高延伸方向e上的刚度。
48.对于具有一些其它结构(诸如l形、u形连杆等)的塑料机器人臂连杆，插入件103的形状也可以遵循塑料机器人臂连杆的形状或结构，从而有针对性地增加机器人臂连杆的刚度。当然，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。在一些实施例中，可以通过模拟或拓扑设计等优化插入件103在主体101中的位置。
49.此外，插入件103也可以形成于机器人臂连杆100的主体101中的任何适当位置。例如，在一些实施例中，为了使塑料机器人臂连杆100在与诸如螺钉或螺栓的金属部件接合时更耐用，插入件103可以被布置在塑料机器人臂连杆100与金属部件接合的位置处。例如，在一些实施例中，金属螺母可以一体地形成于塑料机器人臂连杆与螺钉或螺栓接合的位置处。
50.在一些实施例中，对于一些极轻量化机器人或结构，为了在嵌入插入件103时保持机器人200的轻量特性而不过多增加机器人200的重量，插入件103可以是中空的。
51.对于具有中空结构的插入件103，可以在中空结构中形成至少一个加强肋，以在保持插入件103甚至是机器人臂连杆100轻量化的同时增强插入件103的结构强度，如图2所示。对于具有诸如仿生结构的复杂中空结构的插入件103，可以通过3d打印形成插入件103。
52.应当理解的是，通过3d打印形成插入件103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。其它适当结构或布置也是可能的。例如，如上文所述，插入件103可以是现成的部件，诸如螺母、法兰、轴承等，这可以进一步降低塑料机器人臂连杆的制造
成本。在一些替代实施例中，插入件103也可以通过铸造、层压、剪切或冲压等形成。
53.用于形成插入件103的材料可以是e模量高于塑料材料的任意适当材料。例如，在一些实施例中，插入件103可以由诸如钢、铝、合金等的金属材料形成。在一些替代实施例中，插入件103还可以是诸如碳纤维、玻璃纤维等的复合材料。
54.此外，如上文所述，插入件103可以是现成的部件，诸如螺母、轴承或法兰。例如，如图3和图5所示，插入件103可以是被布置在连接件102上的轴承或法兰。轴承或法兰可以通过注射成型一体形成在主体101中，从而降低机器人臂连杆100的制造成本，同时提高插入件103和连接件102之间的连接强度。
55.被布置在连接件102中的轴承或法兰可以便于与机器人臂连杆101、其它机器人臂连杆或传动系统中的其它零部件耦接。在一些实施例中，法兰可以被机加工以进一步促进上述耦接。例如，法兰可以被加工以防止法兰和塑料机器人臂连杆101之间的相对旋转。在一些替代实施例中，法兰可以被机加工为具有用于与诸如齿轮的传动部接合的齿。
56.在一些实施例中，插入件103可以被成形和/或布置为允许主体101或连接件102具有均匀厚度，如图4所示，图4示出关节的剖视图。如图所示，与图1所示实施例和使用复杂模具来确保关节具有均匀壁厚的实施例相比，插入件103被引入以被成形和布置为使得主体101具有均匀厚度。这里的厚度是指外表面与插入件103之间的径向距离。主体101的均匀厚度允许主体101能够更有效地利用简单的模具通过注射成型形成，同时提高主体101的刚度和强度。此外，制造精度也能够相应地提高。
57.从上文可以看出，具有混合结构的塑料机器人臂连杆101可以具有更刚性的结构，同时保持塑料机器人100的轻量化特性。同时，提高了塑料机器人臂连杆100的零部件与金属零部件接合时的耐久性，并且降低了制造难度和成本。另外，由于高刚性材料的存在，塑料臂的蠕变效应也显著降低，从而提高了机器人的精度。
58.本公开实施例还提供了一种上述塑料机器人臂连杆100的制造方法。图7示出塑料机器人臂连杆100的制造方法的流程图700。如图所示，在框710，提供由e模量高于塑料材料的材料制成的插入件103。
59.在框720，注射成型由塑料材料制成的主体101，以将插入件103嵌入主体101或连接件中的至少一个中。在框730，例如通过机加工等提供布置在主体101上的连接件102。这样，具有混合结构的塑料机器人臂连杆101可以具有更刚性的结构，同时保持塑料机器人100的轻量化特性。
60.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。