CN103264399B - 机器人腰臂一体化同步双驱机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人腰臂一体化同步双驱机构。该机构的输出轴上设有输出轴圆锥齿轮，该圆锥齿轮同时啮合第一、第二双联圆锥齿轮，而第一、第二双联圆锥齿轮分别被第一、第二驱动电机驱动，从而通过控制第一、第二双联圆锥齿轮不同的转速及转向能够实现输出轴三种工作方式，大大减小了控制一个关节的单个驱动电机所需的功率，该机构结构设计紧凑、传动灵活可靠、制造生产成本较低。

Description

机器人腰臂一体化同步双驱机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，尤其是一种机器人关节传动结构。

背景技术

随着劳动力成本和工业自动化水平的不断提高，工业机器人正被广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、冶金和印刷出版等众多行业。而为了使机器人拥有较大的操作空间，大多数机器人都需要具有3-6个自由度。极坐标型机器人和关节型机器人都是具有多自由度的机器人，其臂部以上部分都能绕着机器人底座做回转和俯仰运动。而这类的工业机器人都是由两个驱动电机分别驱动腰部关节和大臂关节，当腰部关节需要转动时只需驱动该关节的驱动电机工作而驱动大臂关节的驱动电机处于非工作状态，同时驱动大臂关节的驱动电机额外增加了腰部关节处的驱动电机所需克服的负载转矩，即在资源闲置的同时还增加了机器人的负载。此外传统的工业机器人要实现大臂的灵活转动，大臂处的驱动电机需要足够大的驱动功率才能足以克服灵活转动所产生的惯性力矩，如果能够通过两个驱动电机同时驱动大臂的俯仰，将大大减小所需的单个驱动电机的功率和体积。因此设计一种通过两个均位于底座处的驱动电机协调转动实现绕底座旋转和大臂俯仰的机构就意义重大。

申请号为200820099440.7的中国专利公开了一种涉及机械传动的机器人腰、肩关节差动机构，但通过分析，该机构仍是通过一个驱动电机控制肩关节的俯仰使得其所需的驱动功率仍然很大，同时其结构尺寸较大、各齿轮啮合关系复杂、难以制造加工和装配；申请号为200520012675.4的中国专利公开了一种属于齿轮加工机床的技术领域的滚齿机传动系统差动机构，但其应用领域比较有限，同时该机构十字轴处的同步锥齿轮、差动锥齿轮和两个行星锥齿轮的啮合关系复杂，所需装配精度较高，工程实现难度较大。

因此，如何通过改变机构的布局在减小单个驱动电机所需功率的同时尽可能的使机构变得简单紧凑是未来机器人机构传动领域内的重要研究内容。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单、传动灵活可靠、制造成本低的机器人腰臂一体化同步双驱机构。

为达到上述目的，本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构可采用如下技术方案：

一种机器人腰臂一体化同步双驱机构，包括支承轴、自支承轴垂直延伸的阶梯轴、安装于阶梯轴上并垂直支承轴延伸的输出轴、第一双联圆锥齿轮、第二双联圆锥齿轮、与第一双联圆锥齿轮配合的第一单圆锥齿轮、与第二双联圆锥齿轮配合的第二单圆锥齿轮、驱动第一单圆锥齿轮的第一驱动电机、驱动第二单圆锥齿轮的第二驱动电机；所述输出轴上设有同时与第一双联圆锥齿轮及第二双联圆锥齿轮啮合的输出轴圆锥齿轮；所述输出轴围绕阶梯轴轴线转动；所述第一双联圆锥齿轮及第二双联圆锥齿轮均安装于支承轴上并绕支承轴转动，第一双联圆锥齿轮连接输出轴圆锥齿轮及第一单圆锥齿轮，第二双联圆锥齿轮连接输出轴圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮。

本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构的结构简单、采用常用的传动结构即可实现对输出轴的自转及摆动驱动，制造成本低；并通过两个驱动电机驱动，便于控制，传动灵活可靠，并减小单个驱动电机所需的驱动功率。

为达到上述目的，本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构的驱动方法可采用如下技术方案：

输出轴绕自身中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮同向同速转动；

输出轴绕支承轴的中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮以相反方向同速旋转；

输出轴绕自身轴线自转同时绕着支承轴的中心轴线旋转，包括三种驱动方法：（1）、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮同向不同速旋转；（2）、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮不同向也不同速旋转；（3）、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮中仅一个主动旋转。

本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构的驱动方法控制简单，只需要控制第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮的转动方向及转速，就能够变化出多种输出轴的运动方式，进一步体现了该机器人腰臂一体化同步双驱机构在简单的结构设计下也能实现输出轴复杂运动的优势。

附图说明

图1是本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构的侧视示意图，并体现了输出轴与第一、第二驱动电机平行的状态。

图2是图1中沿A-A方向的剖面示意图。

图3是本发明机器人腰臂一体化同步双驱机构的立体图，并体现了输出轴摆动到与第一、第二驱动电机垂直时的状态。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示，本发明公开一种机器人腰臂一体化同步双驱机构，包括箱体2、支承轴4、安装于支撑轴4中段的管形件12、自支承轴4垂直延伸的并固定于管形件12开口一端的阶梯轴16、内部套有阶梯轴16的套筒13、安装于套筒13内并垂直支承轴4延伸的输出轴14、第一双联圆锥齿轮3、第二双联圆锥齿轮11、与第一双联圆锥齿轮3配合的第一单圆锥齿轮5、与第二双联圆锥齿轮11配合的第二单圆锥齿轮10、驱动第一单圆锥齿轮5的第一驱动电机7、驱动第二单圆锥齿轮10的第二驱动电机8。所述套筒13的一端收容并固定输出轴14另一端收容阶梯轴16，所述阶梯轴16与套筒13间设有轴承即可使输出轴14围绕阶梯轴16轴线转动。所述支承轴4、管形件12、套筒13、阶梯轴16、第一双联圆锥齿轮3、第二双联圆锥齿轮11、第一单圆锥齿轮5、第二单圆锥齿轮10均位于箱体2内，输出轴14自箱体2延伸出。所述输出轴14上设有同时与第一双联圆锥齿轮3及第二双联圆锥齿轮11啮合的输出轴圆锥齿轮15；所述阶梯轴16收容于套筒13的一端并与套筒13之间安装有轴承，所述输出轴14的一端收容于套筒13的另一端使输出轴14围绕阶梯轴16轴线转动。所述第一双联圆锥齿轮3及第二双联圆锥齿轮11均安装于支承轴4上并绕支承轴4转动。第一双联圆锥齿轮3连接输出轴圆锥齿轮15及第一单圆锥齿轮5，第二双联圆锥齿轮11连接输出轴圆锥齿轮15及第二单圆锥齿轮10。所述第一单圆锥齿轮5与第一驱动电机7之间连接有第一谐波减速器6；第二单圆锥齿轮10与第二驱动电机8之间连接有第二谐波减速器9。所述第一双联圆锥齿轮3及第二双联圆锥齿轮11以输出轴圆锥齿轮15旋转轴线对称的设置于输出轴圆锥齿轮15两侧。

该机器人腰臂一体化同步双驱机构的输出轴14通过第一、第二双联圆锥齿轮3、11能够同时受到第一、第二驱动电机7、8的驱动力作用，使输出轴14既能够受到第一双联圆锥齿轮3转动的带动，也能够受到第二双圆锥齿轮11转动的带动而产生不同的转动效果。并由于输出轴14在套筒13的约束下，能够产生自转或者围绕支承轴4摆动的动作，在机器人中达到腰臂一体化需要的作用。为了避免箱体2对输出轴14的运动产生干涉，箱体2上设有供输出轴14摆动的缺口17，在该实施方式中，所述输出轴14设计为可以90°摆动。该机器人腰臂一体化同步双驱机构的结构简单、采用常用的传动结构即可实现对输出轴的自转及摆动驱动，制造成本低；并通过两个驱动电机驱动，便于控制，传动灵活可靠，并减小单个驱动电机所需的驱动功率。

请再参阅图1至图3所示，上述机器人腰臂一体化同步双驱机构的驱动方法包括：

输出轴14绕自身中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮5及第二单圆锥齿轮10同向同速转动；

输出轴14绕支承轴4的中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮5及第二单圆锥齿轮10以相反方向同速旋转，使得第一、第二双联圆锥齿轮3、11以相同方向绕着支承轴4旋转，从而带动输出轴圆锥齿轮15和输出轴14同时绕着支承轴4的中心轴线旋转，实现了输出轴14的摆动，比如自图1中输出轴14的状态摆动到图3中输出轴14的状态。

输出轴14绕自身轴线自转同时绕着支承轴4的中心轴线旋转，包括三种驱动方法：（1）、驱动第一单圆锥齿轮5及第二单圆锥齿轮10同向不同速旋转；（2）、驱动第一单圆锥齿轮5及第二单圆锥齿轮10不同向也不同速旋转；（3）、驱动第一单圆锥齿轮5及第二单圆锥齿轮10中仅一个主动旋转。该三种驱动方法是输出轴14绕支承轴4的中心轴线旋转的驱动方法及输出轴14绕支承轴4的中心轴线旋转的驱动方法的组合，从而实现输出轴14既能绕自身轴线自转同时绕支承轴4的中心轴线旋转。

Claims (4)

1.一种机器人腰臂一体化同步双驱机构，其特征在于：包括支承轴、自支承轴垂直延伸的阶梯轴、安装于阶梯轴上并垂直支承轴延伸的输出轴、第一双联圆锥齿轮、第二双联圆锥齿轮、与第一双联圆锥齿轮配合的第一单圆锥齿轮、与第二双联圆锥齿轮配合的第二单圆锥齿轮、驱动第一单圆锥齿轮的第一驱动电机、驱动第二单圆锥齿轮的第二驱动电机；所述输出轴上设有同时与第一双联圆锥齿轮及第二双联圆锥齿轮啮合的输出轴圆锥齿轮；所述输出轴围绕阶梯轴轴线转动；所述第一双联圆锥齿轮及第二双联圆锥齿轮均安装于支承轴上并绕支承轴转动，第一双联圆锥齿轮连接输出轴圆锥齿轮及第一单圆锥齿轮，第二双联圆锥齿轮连接输出轴圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮；还包括套筒，所述套筒的一端收容并固定输出轴另一端收容阶梯轴，所述阶梯轴与套筒间设有轴承；所述第一双联圆锥齿轮及第二双联圆锥齿轮以输出轴圆锥齿轮旋转轴线对称的设置于输出轴圆锥齿轮两侧。

2.根据权利要求1所述的机器人腰臂一体化同步双驱机构，其特征在于：进一步包括箱体，所述支承轴、阶梯轴、套筒、第一双联圆锥齿轮、第二双联圆锥齿轮、第一单圆锥齿轮、第二单圆锥齿轮均位于箱体内；输出轴自箱体延伸出，且箱体上设有供输出轴摆动的缺口。

3.根据权利要求1所述的机器人腰臂一体化同步双驱机构，其特征在于：所述第一单圆锥齿轮与第一驱动电机之间连接有第一谐波减速器；第二单圆锥齿轮与第二驱动电机之间连接有第二谐波减速器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人腰臂一体化同步双驱机构的驱动方法，其特征在于，包括：

输出轴绕自身中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮同向同速转动；

输出轴绕支承轴的中心轴线旋转的驱动方法：驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮以相反方向同速旋转；

输出轴绕自身轴线自转同时绕着支承轴的中心轴线旋转，包括三种驱动方法：(1)、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮同向不同速旋转；(2)、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮不同向也不同速旋转；(3)、驱动第一单圆锥齿轮及第二单圆锥齿轮中仅一个主动旋转。