CN102476383B - 平面多关节型机器人手臂机构 - Google Patents

Abstract

一种平面多关节型机器人手臂机构，属于工业机器人技术领域。包括驱动单元、基座平台和双伸缩臂组件，所述驱动单元具有至少一个旋转轴——旋转轴内轴，内置旋转轴内轴的基座平台连接在驱动单元的升降机构上，双伸缩臂组件分别通过旋转关节相对于驱动单元的旋转轴线对称安装在基座平台上，旋转轴内轴与双伸缩臂组件的公用驱动连杆固接，所述升降机构的升降轴和旋转轴内轴分别通过电机与驱动单元的控制器连接。本发明采用七杆并联机构，即可实现双SCARA双臂组件的回转动作，又可实现伸缩动作；驱动单元内的升降机构，实现双SCARA双臂组件的升降运动。结构简单紧凑、结构刚度高、运动灵活可靠、重复定位精度高和可靠性高的要求。

Description

平面多关节型机器人手臂机构

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，特别是涉及一种平面多关节型机器人手臂机构。

背景技术

随着电子、航天、军事和生物医药等工业的不断发展，现代工业产品和现代科学实验活动要求微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性，要求半导体元器件在相当高的洁净度环境下加工。

用于半导体器件搬运的小型机器人，必须能够适应高洁净度而空间狭小的使用环境，同时满足结构简单紧凑、结构刚度高、运动灵活可靠、重复定位精度高和可靠性高的要求。

为了提高工作效率，通常将两组机械手臂安装在同一回转平台上，当一组手臂取片之后，另一组手臂可以放片。目前国内外最常见的用于洁净环境的双手臂搬运机器人主要有双臂独立驱动伸缩型机器人和双臂公用驱动伸缩型机器人。前者的每组手臂的伸缩各需要1个驱动器，每组手臂的回转公用一个驱动器，故共需3个驱动器，后者的两组手臂的伸缩公用1个驱动器，公用一个回转驱动器，共需2个驱动器。Kensington Laboratories申请的专利US5765444公布了一种双臂独立驱动伸缩的手臂机构。日本Daikin公司的专利US5857826采用一种双臂伸缩公用一个驱动的机器人，其手臂部分在高度上分为两层，即大臂和小臂。公用驱动连杆和辅助连杆位于大臂和小臂之间。为了给公用驱动连杆和辅助连杆的运动留空间，大臂和小臂的部分厚度必须减薄，导致大小臂的刚度降低。Hosek Martin申请的专利WO 2008/124108提出采用Watt六杆机构实现两组SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂)手臂的伸缩控制，其等腰三角形的公用驱动连杆与SCARA手臂的大臂转轴有明显的重叠区域。为避免运动干涉，公用驱动连杆和辅助连杆只能安装在SCARA手臂大臂上方，为节省空间，通常要求公用驱动连杆和辅助连杆的厚度不超过小臂的厚度，导致刚度降低。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种平面多关节型机器人手臂机构，能够适应空间狭小的使用环境，同时满足结构简单紧凑、运动灵活可靠。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明包括驱动单元、基座平台和双伸缩臂组件，所述驱动单元至少具有一个旋转轴，当具有一个旋转轴——旋转轴内轴时，内置旋转轴内轴的基座平台连接在驱动单元的升降机构上，双伸缩臂组件分别通过旋转关节相对于驱动单元的旋转轴线对称安装在基座平台上，旋转轴内轴与双伸缩臂组件的公用驱动连杆固接，所述升降机构的升降轴和旋转轴内轴分别通过电机与驱动单元的控制器连接。

本发明的驱动单元具有两个旋转轴时，其两个旋转轴——旋转轴内轴和旋转轴外轴相互套装，内置两旋转轴的基座平台连接在驱动单元的升降机构上，双伸缩臂组件分别通过旋转关节相对于驱动单元的旋转轴线对称安装在基座平台上的旋转轴外轴上，旋转轴内轴与双伸缩臂组件的公用驱动连杆固接，所述升降机构的升降轴、旋转轴外轴和旋转轴内轴分别通过各自独立的电机与驱动单元的控制器连接。

本发明的驱动单元具有两个旋转轴时，其所述旋转轴内轴的第三电机还可安装在旋转轴外轴上。

所述的双伸缩臂组件包括第一SCARA手臂、第二SCARA手臂、公用驱动连杆、第一中间连杆和第二中间连杆，所述公用驱动连杆安装在第一SCARA手臂、第二SCARA手臂的大臂的下侧，第一SCARA手臂、第二SCARA手臂的大臂端分别与第一中间连杆和第二中间连杆的一端铰接，第一中间连杆和第二中间连杆的另一端均与公用驱动连杆铰接。所述的第一SCARA手臂和第二SCARA手臂均包括顺次连接的大臂、小臂和末端执行器，所述的第一SCARA手臂和第二SCARA手臂的两末端执行器上下叠置，第一、第二SCARA手臂的大臂和小臂内均安装有同步带和同步带轮，两小臂分别固定在两大臂的第二带轮上，两末端执行器分别固定在两小臂的第四带轮上，第二带轮和第三带轮同轴设置。所述大臂内第一带轮17、第二带轮19的齿数比为2:1。所述小臂内第三带轮21与第四带轮23之间的齿数比为1:2。

本发明具有如下优点：

1．结构简单：本发明采用一个公用驱动连杆驱动双臂的伸缩，简化了传动结构、通过减少不可靠部件，提高可靠性、降低生产成本。

2．结构刚性好：本发明每组手臂均采用传统的SCARA手臂形式，手臂厚度不受公用驱动杆和辅助连杆厚度的影响，可以保证手臂的刚性。其中驱动连杆的长度的设定，使得驱动连杆的回转运动不与第一大臂和第二大臂产生干涉。本发明采用七杆并联机构，即可实现双SCARA双臂组件的回转动作。通过具有至少一个旋转轴的驱动单元，在双SCARA手臂组件的大臂和小臂内设置同步带传动机构，设定相应的齿数比，且两末端执行器上下叠置，实现双SCARA双臂组件的伸缩动作，并且使两末端执行器的伸缩方向一致。驱动单元内采用升降机构连接基座平台，实现双SCARA双臂组件的升降运动。运动灵活、可靠。

3.实用性强：本发明能够适应空间狭小的高洁净度使用环境，同时满足结构简单紧凑、结构刚度高、运动灵活可靠、重复定位精度高和可靠性高的要求。适用于半导体器件搬运，也适用于其他需要小型机器人的行业和场合。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体结构示意图。

图2为图1的左右侧手臂均处于缩回工作位置的示意图。

图3为图1的左右侧手臂处于一伸一缩工作位置的示意图。

图4为图1的驱动单元及第二SCARA手臂的内部结构示意图。

图5为本发明实施例2的结构示意图。

图6为本发明实施例3的结构示意图。

图中：1.驱动单元，2.基座平台，3.公用驱动连杆，4.第一中间连杆，5.第一大臂，6第一小臂， 7.第一末端执行器，8. 第二中间连杆，9. 第二大臂，10. 第二末端执行器，11. 第一SCARA手臂，12.第二SCARA手臂，13.双伸缩臂组件，14.第一电机，15.第二电机，16.第三服电机，17.第一带轮，18.第一同步带  19.第二带轮  20.第二小臂，21.第三带轮，22.第二同步带，23.第四带轮，24.升降轴,25.联动件，26.旋转轴外轴，27.旋转轴内轴，28.控制器，x.旋转轴线，x1～x8.分别为第一～第八旋转关节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：如图1-图4所示，本例包括驱动单元1、基座平台2和双伸缩臂组件13，所述驱动单元1具有相互套装的两个旋转轴——旋转轴内轴27和旋转轴外轴26，内置两旋转轴的基座平台2连接在驱动单元1的升降机构上，双伸缩臂组件13通过第四、第五旋转关节x4、x5相对于驱动单元1的旋转轴线x对称安装在基座平台2上的旋转轴外轴26上，旋转轴内轴27与双伸缩臂组件13的公用驱动连杆3固接，所述升降机构的升降轴24、旋转轴外轴26和旋转轴内轴27分别通过各自独立的电机与驱动单元1的控制器连接。

如图2、图3所示，图中黑线部分代表连杆连接线路。本例所述双伸缩臂组件13包括第一SCARA手臂11、第二SCARA手臂12、第一中间连杆4和第二中间连杆8，其中第一SCARA手臂11、第二SCARA手臂12均包括顺次连接的大臂、小臂和末端执行器，所述第一大臂5和第二大臂9分别通过第二旋转关节x2和第三旋转关节x3与第一中间连杆4和第二中间连杆8的一端铰接，第一中间连杆4和第二中间连杆8的另一端均通过第一旋转关节x1与公用驱动连杆3铰接。

从而，旋转轴外轴26、共用驱动连杆3与旋转轴内轴27固联、第一中间连杆4、第二中间连杆8、第一大臂5和第二大臂9，形成了一种七杆并联机构。所述的公用驱动连杆3安装在第一大臂5和第二大臂9的下侧。当旋转轴外轴26与旋转轴内轴27同向同步运动时，七杆并联机构也随之同步同向运动，即可实现双SCARA双臂组件的回转动作。当旋转轴外轴26静止，旋转轴内轴27运动时，七杆并联机构在耦合传动的作用下，实现第一大臂5和第二大臂9分别绕第三旋转关节x3和第四旋转关节x4的不同转速的运动。可实现当共用驱动连杆3朝一个方向旋转一定角度时，其中一个大臂如第二大臂9进行大角度转动，另一大臂只旋转一个极小的角度。

如图4所示，第一、第二SCARA手臂的大臂和小臂内均安装有同步带和同步带轮，大臂内的第一带轮17固定在旋转轴外轴26上，两小臂分别固定在两大臂的第二带轮19上，两末端执行器7和10分别固定在两小臂的第四带轮23上，大臂的第二带轮19和小臂的第三带轮21同轴设置，两末端执行器7和10上下叠置。

本例的驱动单元1包括三个驱动轴，分别是升降机构中沿旋转轴线x升降的升降轴24，沿旋转轴线x回转且同轴的旋转轴外轴26和旋转轴内轴27。这三个驱动轴可驱动双伸缩臂组件13分别实现沿旋转轴线x的升降动作、绕旋转轴线x的回转动作以及沿手臂回转半径方向上的直线伸缩动作。升降机构包括第一电机14、升降轴24和与其配合连接的联动件25，本例升降轴24和联动件25采用的是丝杠丝母结构，第一电机14通过同步带传动机构连接在丝杠上，丝母连接在基座平台2上。旋转轴外轴26安装于基座平台2上，并通过同步带传动机构、第二电机15与驱动单元的控制器28连接，旋转轴内轴27置于旋转轴外轴26内，并通过同步带传动机构、第三电机16与驱动单元的控制器28连接。

本例中驱动单元的控制器28采用现有编程控制器。

本例的工作过程：

本例中双伸缩臂组件13的升降动作：是由驱动单元1通过与升降轴24连接的第一电机14驱动，将动力通过丝杠丝母传动至基座平台2，从而带动与基座平台2固联的双伸缩臂组件13实现沿旋转轴线x的升降动作。第一、第二手臂5、9进行升降动作时，双伸缩臂组件13通常处于图2所示的缩回状态或图3所示的单臂伸出状态，以完成特定的工件搬运动作或其他工艺步骤。

双伸缩臂组件13沿旋转轴线x的回转动作：如图4所示，由第二电机15驱动旋转轴外轴26，实现第一、第二手臂5、9的回转运动，由第三电机16驱动旋转轴内轴27，带动驱动连杆3运动，从而带动与其连接的第一中间连杆4和第二中间连杆8带动第一、第二手臂5、9的回缩运动。本例中双伸缩臂组件13的伸缩原理如下：

如图4所示，以第二SCARA手臂12为例，第一带轮17与第五旋转关节x5同轴，且固联于旋转轴外轴26，第三带轮21与第二带轮19通过第六旋转关节x6同轴固定，即：第二大臂9与第二小臂20铰接于第六旋转关节。第二末端执行器10与第二小臂20铰接于第七旋转关节x7，第四带轮23与第二末端执行器10固联，且与第七旋转关节x7同轴。第一带轮17、第二带轮19之间安装有第一同步带18，第一带轮17、第二带轮19的齿数比为2:1；第三带轮21与第四带轮23之间安装有第二同步带22，第三带轮21与第四带轮23的齿数比为1:2。从而，当第二大臂9沿第五旋转关节x5转动时，第二大臂9相对于旋转轴外轴26的转角α、第二小臂20相对于第二大臂9的转角β和第二末端执行器10相对于第二小臂的转角γ的比值为1：2：1，即α：β：γ=1:2:1。当第二大臂9在第二中间连杆8的驱动下可实现第二末端执行器10沿直线运动。同样，第一SCARA手臂11和第二SCARA手臂12对称布置，可实现第一末端执行器7沿直线运动。第一末端执行器7和第二末端执行器10为上下叠置的布置形式，而且两末端执行器伸缩方向一致。

实施例2：如图5所示，本例整体结构与实施例1相同，不同的是：本例中所述旋转轴内轴27的第三电机16安装在旋转轴外轴26上，其同步带传动机构的两带轮分别连接在旋转轴外轴26和第三电机16上。这样，旋转轴外轴26与旋转轴内轴27不再独立驱动，当旋转轴内轴27保持静止，旋转轴外轴26转动时，双SCARA臂组件作整体回转运动；不论旋转轴外轴26作何运动，旋转轴内轴27运动时，双SCARA臂组件均作伸缩运动。

实施例3：如图6所示，本例与实施例1不同的是：本例的驱动单元1具有一个旋转轴——旋转轴内轴27，内置旋转轴内轴27的基座平台2连接在驱动单元1的升降机构上，双伸缩臂组件13分别通过第四、第五旋转关节X4、X5相对于驱动单元1的旋转轴线x对称安装在基座平台2上，即：双伸缩臂组件13的第一、第二大臂5、9内的第一带轮17固定在基座平台2上，旋转轴内轴27通过公用驱动连杆3与双伸缩臂组件13的第一、第二大臂5、9分别铰接，所述升降机构的升降轴24和旋转轴内轴27分别通过第一、第三电机14、16与驱动单元1的控制器28连接。

Claims (5)

1.一种平面多关节型机器人手臂机构，包括驱动单元（1）、基座平台（2）和双伸缩臂组件（13），其特征在于：所述驱动单元（1）具有相互套装的两个旋转轴——旋转轴内轴（27）和旋转轴外轴（26），内置两旋转轴的基座平台（2）连接在驱动单元（1）的升降机构上，双伸缩臂组件（13）分别通过旋转关节相对于驱动单元（1）的旋转轴线（x）对称安装在基座平台（2）上的旋转轴外轴（26）上，旋转轴内轴（27）与双伸缩臂组件（13）的公用驱动连杆（3）固接，所述升降机构的升降轴（24）通过第一电机（14）与驱动单元（1）的控制器连接，所述旋转轴外轴（26）通过第二电机（15）与驱动单元（1）的控制器连接，所述旋转轴内轴（27）通过第三电机（16）与驱动单元（1）的控制器连接；驱动所述旋转轴内轴（27）的第三电机（16）安装在旋转轴外轴（26）上。

2.根据权利要求1所述的平面多关节型机器人手臂机构，其特征在于：所述的双伸缩臂组件（13）包括第一SCARA手臂（11）、第二SCARA手臂（12）、公用驱动连杆（3）、第一中间连杆（4）和第二中间连杆（8），所述公用驱动连杆（3）安装在第一SCARA手臂（11）、第二SCARA手臂（12）的大臂的下侧，第一SCARA手臂（11）、第二SCARA手臂（12）的大臂端分别与第一中间连杆（4）和第二中间连杆（8）的一端铰接，第一中间连杆（4）和第二中间连杆（8）的另一端均与公用驱动连杆（3）铰接。

3.根据权利要求2所述的平面多关节型机器人手臂机构，其特征在于：所述的第一SCARA手臂（11）和第二SCARA手臂（12）结构相同，所述的第一SCARA手臂（11）和第二SCARA手臂（12）均包括顺次连接的大臂、小臂和末端执行器，所述的第一SCARA手臂（11）和第二SCARA手臂（12）的两末端执行器（7、10）上下叠置，第一、第二SCARA手臂的大臂和小臂内均安装有同步带和同步带轮，所述大臂的两端分别设有第一带轮（17）和第二带轮（19），所述第一带轮（17）固联于旋转外轴（26）上，第一带轮（17）和第二带轮（19）之间安装有第一同步带（18），所述小臂的两端分别设有第三带轮（21）和第四带轮（23），所述第三带轮（21）和第四带轮（23）之间安装有第二同步带（22），两小臂分别固定在两大臂的第二带轮（19）上，两末端执行器（7、10）分别固定在两小臂的第四带轮（23）上，所述第二带轮（19）和第三带轮（21）同轴设置。

4.根据权利要求3所述平面多关节型机器人手臂机构，其特征在于：所述大臂内第一带轮17、第二带轮19的齿数比为2:1。

5.根据权利要求3所述平面多关节型机器人手臂机构，其特征在于：所述小臂内第三带轮21与第四带轮23之间的齿数比为1:2。

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