CN103419189B - 一种机器人驱动结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人驱动结构，包括基座、与基座铰接的第一节臂、与第一节臂铰接的第二节臂和至少两个伺服动力装置，还包括位于基座上的驱动轮和柔性索具，基座与第一节臂之间或者第一节臂与第二节臂之间设有一伺服动力装置，驱动轮连接有另一伺服动力装置，柔性索具与驱动轮啮合，并且柔性索具的一端与第一节臂或第二节臂或两节臂的关节处连接，柔性索具在所述驱动轮带动下拉动第一节臂和第二节臂摆动，所述两个伺服动力装置共同驱动第一节臂和第二节臂实现协同运动。由于柔性索具可以使加力点比以前的驱动方式更接近工件或执行机构，因此，可以提供更强的驱动力，减少控制误差，提高机器人的负载能力和绝对精度。

Description

一种机器人驱动结构

技术领域

本发明涉及机械技术领域一种驱动结构，特别是涉及一种关节型机器人的驱动结构。

背景技术

现有技术中机器人驱动结构的种类很多，关节型机器人驱动结构因其动作的灵活性受到广泛运用，成为机器人驱动机械结构的主要形式。关节型机器人驱动结构具有运动惯性小、阻力小、姿态变化多等优点，大量应用于码垛、搬运、焊接和喷涂等方面。

请参考图1，图1为现有技术的机器人一种设置方式的结构示意图。

关节型机器人驱动结构主要包括：可旋转的基座1、一端与基座铰接的第一节臂2和一端与第一节臂铰接的第二节臂3，第二节臂3的另外一端可以安装其他活动臂或者执行机构，第一节臂2和第二节臂3的协调摆动构成机器人的伸展和回缩以及各种姿态变换。上述运动可以使机器人第二节臂3的末端和安装在其上的活动臂或执行机构到达目标位置完成工作目的。

上述第一节臂2、第二节臂3和其他活动臂统称为机器人驱动结构的机械臂。

其中，机器人驱动结构的机械臂能够到达的最远位置距离基座旋转中心的距离称为机器人的工作半径；机器人机械臂展末端的最大提升重量称为负载能力。

上述现有的关节型机器人驱动结构虽然具有灵活性高等优点，但其结构形式，尤其是第一节臂2和第二节臂3的驱动方式，在很大程度上限制了机器人的负载能力和工作半径。上述现有的关节型机器人比较典型的驱动方式是：第一节臂2的摆动动力来自于其与基座铰接轴部的电动机和减速机，第二节臂3的驱动动力来自于其与第一节臂2铰接部的电动机和减速机。

结合上述结构设置，我们可以得出，现有的关节型机器人臂的驱动动力均来自于其铰接枢部（即摆动臂的根部），而该力的作用点位于摆动臂的末端，根据杠杆原理，这种驱动方式需要动力装置提供很大的扭矩。尤其是减速机需要承受很大的负载，这也对减速机提出了很高的强度要求。同时，该种结构设置会使得中心部位的动力装置的微小误差在摆动臂末端得到放大，降低了操作的精确程度。也就是说，现有的关节型机器人驱动结构的结构和驱动形式不但限制了机器人驱动结构的负载能力和工作半径，而且影响了机器人驱动结构的定位精度。

即使有些关节型机器人的第一节臂2的动力装置不直接设置在铰接轴部位，但是其也是通过动力装置的枢部驱动摆臂或者连杆等带动第一节臂2运动，由于驱动方式实质上相同，上述驱动产生的缺陷也就依然存在。

因此，现有机器人驱动结构的工作半径和负载能力均难有较大突破；要想提高机器人驱动结构的工作性能必须另辟途径。如何在耗能较小的情况下有效提高机器人驱动结构的负载能力、工作半径以及工作精度等性能，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人驱动结构，可以扩展机器人的工作能力（负载能力和工作半径）和精度，而这种结构还可以配置非耗能驱动的辅助驱动动力，节约驱动动力和能耗。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人驱动结构，包括基座、与基座铰接的第一节臂、与第一节臂铰接的第二节臂和至少两个伺服动力装置，还包括位于基座上的驱动轮和柔性索具，基座与第一节臂之间或者第一节臂与第二节臂之间设有一伺服动力装置，用来驱动第一节臂相对基座摆动或者第二节臂相对第一节臂摆动，驱动轮连接有另一伺服动力装置，柔性索具与驱动轮啮合，并且柔性索具的一端与第一节臂或第二节臂或两节臂的关节处连接，柔性索具在所述驱动轮带动下拉动第一节臂和第二节臂摆动，所述两个伺服动力装置共同驱动第一节臂和第二节臂实现协同运动。它是通过动力装置对机器人机械臂的刚性连接驱动和柔性连接拉动结合的方式完成机械臂的组合运动。

优选地，所述驱动轮通过支撑臂连接在所述基座上，支撑臂支撑引导所述柔性索具伸向柔性索具与第一节臂或第二节臂的连接点。优选地，所述支撑臂含有空心立柱，立柱位于所述基座上，立柱内设有与柔性索具相连的重物。

优选地，所述柔性索具的另外一端连接有为所述第一节臂和第二节臂提供辅助驱动力的重物。优选地，所述柔性索具的另外一端连接为所述第一节臂和第二节臂提供辅助驱动力的气缸或弹簧。

本发明的机器人驱动结构，柔性索具与机器人臂的连接部位可以在臂的远端，远离铰接旋转中心，而接近工件或工作机构，所需要的力量远远小于靠近轴心驱动所需要的力量，驱动力可更直接地作用于工作部位，机器人臂发生挠性变形以及挠性变形对工件的位置度影响很小，提高了工作的精度；由于柔性索具的存在减少了机器人臂的挠性变形，机器人臂的结构强度可以更小，从而减少机器人的自重和两个节臂在运动中因克服自重所消耗的能量，更加节能环保；由于柔性索具的存在减少了机器人臂的挠性变形及机械臂的自重，臂展长度可以更大，从而扩大机器人的工作半径。

附图说明

图1为现有技术的机器人一种设置方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的机器人驱动结构一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明所提供的机器人驱动结构另一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种机器人驱动结构，该机器人驱动结构能够在耗能较小的情况下显著提高其工作半径和工作精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明所提供机器人驱动结构一种具体实施方式的结构示意图。

现有的机器人驱动结构一般包括基座101和枢装在基座101上的机械臂。

其中，机械臂包括依次相互连接的第一节臂102、第二节臂103和第三节臂104。通常，基座的自旋转轴被称为第一轴（图中未示出），第一节臂102枢装在基座101上，第一节臂102和第二节臂103之间相互铰接，机械臂与基座101之间、第一节臂102与第二节臂103之间、第二节臂103与第三节臂104之间分别设有第二轴202、第三轴203和第四轴204，在第二轴202、第三轴203和第四轴204处分别配备有电动机和减速机，以便为机器人驱动结构提供运动和控制力。

第一节臂102的摆动改变其相对水平面的角度，第二节臂103的摆动改变其相对于第一节臂102的角度，机器人的第一节臂102和第二节臂103之间夹角的变化产生整个机器人姿态的变化，从而使得机器人的机械臂伸缩，进而完成机器人工作半径和高度的变换。

本发明的机器人驱动结构包括基座101、与基座101铰接的第一节臂102、与第一节臂102铰接的第二节臂103、位于基座上的支撑臂和柔性索具304，基座101与第一节臂102之间或者第一节臂102与第二节臂103之间设有第一伺服动力装置105，支撑臂上设置有驱动轮302，驱动轮302连接有第二伺服动力装置307，柔性索具304与驱动轮302啮合，柔性索具304的一端与第一节臂102、第二节臂103或两节臂的关节处连接，柔性索具304在驱动轮302带动下拉动第一节臂102和第二节臂103摆动，第一伺服动力装置105和第二伺服动力装置307接收来自控制器（图中未示出）的指令动作，驱动所述第一节臂102和第二节臂103实现协同运动，改变第一节臂102与基座101、第一节臂102和第二节臂103之间的夹角，实现机器人的各种姿态变化。

柔性索具304与驱动轮302可以采用链轮和链条形式的设置，也可以采用其他形式的啮合方式，这样能够保证驱动轮302顺利实现对柔性索具304的驱动和控制。

具体地，机器人驱动结构的第一伺服动力装置105与第二伺服动力装置307的协同驱动是这样完成的：

第一伺服动力装置105可以通过驱动第一节臂102摆动来间接或直接驱动第二节臂103进行摆动或升降，第二伺服动力装置307可以通过驱动轮302和柔性索具304拉动第二节臂103以第三轴203为支点摆动或升降；第一伺服动力装置105的驱动和第二伺服动力装置307的驱动可以连接到机器人的控制器，机器人控制器经过计算得到相应的指令，该指令传递到第一伺服动力装置105与第二伺服动力装置307，在该指令的控制下，第一伺服动力装置105与第二伺服动力装置307协同完成对第二节臂103的驱动，从而使得与第二节臂103相连的第三节臂104的末端到达指定位置，或者按照指定的路线运动，最终实现机器人驱动结构对工件的提升或下放功能。

通过上述机器人驱动结构的驱动方法，机器人驱动结构的机械臂在第一伺服动力装置105与第二伺服动力装置307的精密控制下完成摆动或升降，由于柔性索具304与第二节臂103的连接驱动部位可以接近工件，驱动力可更直接地作用于工作部位，机器人驱动结构第一节臂102或第二节臂103发生挠性变形的几率减小了；即使第一节臂102或第二节臂103发生挠性变形，这种变形对工件的位置确定的影响也很小，可以使机器人驱动结构的工作精度得到提高。

可以对上述具体实施方式中的动力装置进行改进。

支撑臂可以是由立柱301和侧臂306组成的一个整体，这个整体可以是弯曲的，也可以是直的。立柱301安装在基座101上，侧臂306用于支撑和控制柔性索具304。侧臂306倾向于柔性索具304与第一节臂102或第二节臂103的连接点设置。

第一伺服动力装置105可以安装在基座101与第一节臂102之间，也可以在第一节臂102和第二节臂103的铰接处。

为更好的实现侧臂306对柔性索具304的支撑和控制，侧臂306上还可以设置一个或多个导向轮303，导向轮303用于支撑引导柔性索具304，柔性索具304依次绕经驱动轮302和导向轮303之后与机械臂连接。驱动轮302的动力源将能量通过柔性索具304传递给机械臂，柔性索具304在驱动轮302和导向轮303的导向下控制第二节臂103上下摆动，完成机器人驱动结构的工作过程。

在本发明的支撑臂包括立柱301和侧臂306的情况下，支撑臂上的驱动轮302和导向轮303位置可以互换。

在另一种优选的具体实施方式中，第一伺服动力装置105安装在第一节臂102和第二节臂103的铰接处，基座101上设置支撑臂，支撑臂上设置有驱动轮302，第二伺服动力装置307安装设置在驱动轮302上，柔性索具304具体地与所述机器人驱动结构的第一节臂102相连，如图3中所示。

为进一步减轻驱动轮302和机器人驱动装置的驱动动力，可以配合设置可升降的重物305。重物305设置在支撑臂上，重物305为自由体，重物305连接在柔性索具304的另一端，重物305和机械臂分别处于驱动轮302的两侧。柔性索具304的一端连接重物305，另一端依次绕过驱动轮302和导向轮303，最后与机器人的机械臂连接。重物305以其重力向第一节臂102和第二节臂103提供辅助驱动力。

支撑臂可以为空心臂，支撑臂中的立柱301可以为空心立柱，立柱301位于基座101的上侧，可以随基座101旋转或者静止，立柱301可以设置在基座101的旋转中心，也可以偏离旋转中心设置。重物305可以内置于立柱301内部，也可以设置在支撑臂外部，即配重体305可以设置在立柱301外侧。

此外，所述柔性索具304的另外一端可以连接为所述第一节臂102和第二节臂103提供辅助驱动力的气缸或弹簧。

当然，上述气缸还可以用液压缸代替。气缸和液压缸属于公知的动力装置，本文不详之处请参考现有技术相关描述。

本发明可以用于有两节以上机械臂的机器人结构中，即所述第一节臂和第二节臂上可以扩展出更多的机械臂。

需要说明的是：基座101和第一节臂102间的动力装置或第一节臂102和第二节臂103间的动力装置仅仅需要其中的一个，可以是前者，也可以是后者；驱动柔性索具304的驱动轮302和导向轮303位置可以互换；支撑臂还可以是弯曲的或非垂直的；立柱301上部可以没有侧向延伸的臂侧臂306，并且与柔性索具304配合的轮也可能是一个，柔性索具304直接从立柱301伸出，连接机器人臂，在一些场合中，轮的数量可能超过两个；基座101上可以没有立柱301，驱动轮302枢装在基座101上，柔性索具304直接从驱动轮302伸出，连接机器人臂。

此外，在本驱动方式的另外一种形式中，柔性索具304可以与第一节臂102连接。

当然，伺服动力装置也可以是电机，尤其是伺服电机或可以精确控制的液压动力等。

以上对本发明所提供的机器人驱动结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种机器人驱动结构，包括基座、与基座铰接的第一节臂、与第一节臂铰接的第二节臂和至少两个伺服动力装置，其特征在于，还包括位于基座上的驱动轮和柔性索具，所述基座与第一节臂之间或者所述第一节臂与第二节臂之间设有一伺服动力装置，驱动轮连接有另一伺服动力装置，所述柔性索具与驱动轮啮合，所述柔性索具的一端与所述第一节臂、第二节臂或两节臂的关节处连接，所述柔性索具在所述驱动轮带动下拉动所述第一节臂和第二节臂摆动，所述两个伺服动力装置共同驱动所述第一节臂和第二节臂实现协同运动。

2.如权利要求1所述的机器人驱动结构，其特征在于，所述驱动轮通过支撑臂连接在所述基座上，所述支撑臂支撑引导所述柔性索具伸向所述柔性索具与第一节臂或第二节臂的连接点。

3.如权利要求2所述的机器人驱动结构，其特征在于，所述支撑臂含有空心立柱，所述立柱位于所述基座上，所述立柱内设有与所述柔性索具相连的重物。

4.如权利要求1所述的机器人驱动结构，其特征在于，所述柔性索具的另外一端连接有为所述第一节臂和第二节臂提供辅助驱动力的重物。

5.如权利要求1所述的机器人驱动结构，其特征在于，所述柔性索具的另外一端连接为所述第一节臂和第二节臂提供辅助驱动力的气缸或弹簧。