CN103707292A

CN103707292A - 基于xyz直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人

Info

Publication number: CN103707292A
Application number: CN201310746524.0A
Authority: CN
Inventors: 付庄; 闫维新; 赵言正
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Jieka Robot Co ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103707292B

Abstract

一种基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，包括直角坐标关节和姿态腕，其中，直角坐标关节实现三个方向的移动自由度，其包括四个结构相同的线性模组，其中两个线性模组平行布置为一体，与另外两个线性模组三者两两正交，每一线性模组包括电机、滚珠丝杠、线性导轨和滑块；姿态腕安装在直角坐标关节的末端，实现三个旋转自由度，其包括基座、三电机、三谐波减速器和三传动机构，采用电机后置设计，每一电机对应一个旋转关节。本发明结构紧凑、实现了模块化，姿态腕参数与世界主流工业机器人的参数相接近，具有末端灵活、可靠性高、通用性好、实用性和可操作性强的优点，适用于焊接、搬运等多种场合。

Description

基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，具体涉及一种基于XYZ直角坐标关节与姿态腕的6自由度工业机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

目前主流的通用型工业机器人常采用6自由度结构，6个自由度的关节大多采用串联的结构，因此对于工作空间大的需求，这种机器人无法满足。而现有的XYZ直角坐标关节的机器人虽然可以满足大工作空间的要求，但较多采用4个自由度，很少有实现6个自由度的结构。第一、第二、第三直角坐标关节的结构大多基本相同，而第四、五、六直角坐标关节却因为多种因素的限制，如末端尺寸及重量、末端工作范围的大小等，需要采用电机后置的方式，但这使得其内部的传动结构变为复杂，且设计存在非常大的难度。因此，目前的准六自由度类型机器人的后三个关节还没有采用后置电机的方案。中国专利文献201110117358.9提出了一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，但没有考虑后三个姿态轴的实现，关于后3个关节采用电机后置的方案也很少有相关的文献报道。目前后3个关节采用电机后置的方案已成为机器人集成化设计的重要目标之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于XYZ直角坐标关节与姿态腕的6自由度工业机器人，其机构不同于通用6轴工业机器人，而是将直角坐标机器人与姿态腕相结合，使用直角坐标机器人提供三个移动自由度，结构简单，易于实现，而其末端的三自由度机械手腕，即姿态腕提供三个旋转自由度，结构紧凑，保证机器人末端的灵活性，使得机器人末端参数与世界主流工业机器人的参数相接近。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其包括直角坐标关节和姿态腕，其中，姿态腕安装在直角坐标关节的末端，该直角坐标关节实现所述机器人三个方向的移动自由度，姿态腕实现所述机器人的三个旋转自由度。

所述的直角坐标关节包括结构相同的第一线性模组、第二线性模组、第三线性模组和第四线性模组，其中，第一线性模组与第三线性模组平行布置作为一整体，并且该整体、第二线性模组和第四线性模组三者相互之间两两正交；第四线性模组同时连接第一线性模组和第三线性模组，并能够随之沿第一线性模组和第三线性模组的轴线方向直线移动，实现所述机器人的第一个移动自由度；第二线性模组固定连接于第四线性模组上且沿第四线性模组的轴线方向直线移动，实现所述机器人的第二个移动自由度；第二线性模组沿自身的轴线方向相对于第四线性模组作直线移动，实现所述机器人的第三个移动自由度。

所述的第一个移动自由度的行程可调节，所述第二个移动自由度的行程可调节，所述第三个移动自由度的行程可调节。

所述的第一线性模组、第二线性模组、第三线性模组和第四线性模组各自均由电机、线性导轨、滚珠丝杠和滑块组成，该电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动与滚珠丝杠旋接的滑块在线性导轨上作直线移动。

所述的姿态腕包括基座、三电机、三谐波减速器和三传动机构，并且通过其基座固定连接在所述直角坐标关节的末端并随之运动，作为所述机器人末端的三个旋转关节，每一电机对应一个旋转关节的旋转自由度；所述姿态腕采用电机后置设计，所述的三电机并排装在所述基座上。

所述的三电机包括第一电机、第二电机和第三电机，所述三谐波减速器包括第一谐波减速器、第二谐波减速器和第三谐波减速器，所述三传动机构包括第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；所述第一电机通过第一传动机构驱动第一谐波减速器，减速后由该第一谐波减速器的输出轴作为第一旋转关节的转子，实现所述机器人的第一个旋转自由度；所述第三电机通过第三传动机构驱动第三谐波减速器，减速后由该第三谐波减速器的输出轴作为第二旋转关节的转子，实现所述机器人的第二个旋转自由度；所述第二电机通过第二传动机构驱动第二谐波减速器，减速后由该第二谐波减速器的输出轴作为第三旋转关节的转子，实现所述机器人的第三个旋转自由度。

所述的第一传动机构两端分别连接所述第一电机和第一谐波减速器，该第一传动机构包括增速二级带传动和第一谐波输入轴，该第一谐波输入轴为空心轴并且与所述第二电机同轴；所述第三传动机构两端分别连接所述第三电机和第三谐波减速器，该第三传动机构包括增速二级带传动、空心传动轴、一对锥齿轮和第三谐波输入轴，所述空心传动轴与第二电机同轴且与第三谐波输入轴正交，该空心传动轴穿过所述第一谐波输入轴和第一谐波减速器内的空心部分；所述第二传动机构两端分别连接所述第二电机和第二谐波减速器，该第二传动机构包括中心传动轴、两对锥齿轮、一级带传动和第二谐波输入轴，该第二谐波输入轴和中心传动轴均与第二电机同轴，该中心传动轴穿过所述空心传动轴的空心部分并与之同轴。

本发明所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其末端可以在工作空间内进行任意姿态的运动。其实现方式为：

直角坐标关节中平行的第一线性模组和第三线性模组，其滑块经自身电机及滚珠丝杠驱动，并排沿各自的线性导轨平动，也带动第四线性模组；同时第四线性模组的滑块经自身电机及滚珠丝杠驱动，沿自身线性导轨平动，方向与前一个平动方向垂直；所述第二线性模组随自身滑块与第四线性模组的滑块一起运动；同时第二线性模组由于电机驱动滚珠丝杠，使得其相对于自身的滑块作平动，方向与前一个运动方向垂直。所述姿态腕在第二线性模组末端，随其作三个方向的平动，同时姿态腕内第一电机通过二级增速带传动，经第一谐波减速器减速，驱动第一旋转关节旋转；第三电机通过二级增速带传动、锥齿轮传动，经第三谐波减速器减速，驱动第二旋转关节旋转；第二电机通过锥齿轮传动、一级带传动、锥齿轮传动，经过第二谐波减速器减速，驱动末端即第三旋转关节旋转。第一旋转关节转动时，会导致第三旋转关节随之产生一定运动，因此需要第三旋转关节作适当的反方向转动，以消除多余的转角。

本发明的创新重点在于姿态腕的结构，而三个方向的移动自由度则采用一般直角坐标机器人（又称桁架机器人或龙门架机器人）的形式，即由三组工作方向互相垂直的滚珠丝杆机构分别控制X，Y，Z三个平动自由度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

将姿态腕与直角坐标关节结合，结构简单，成本较低，实现模块化，方便随时拆卸，有较高的可行性；姿态腕中减短了第三旋转关节的传动链，第一旋转关节可进行无限回转，通过空心同轴传动结构，使得第二旋转关节后部沿第三旋转关节轴线方向尽可能紧凑，三个旋转关节的转轴无论在何时都会垂直交于一点，使得姿态腕在其工作角度范围足够大时，能将末端负载在空间中摆出任意姿态；所述姿态腕使得机器人末端结构紧凑、重量减轻、更加灵活，因此具有优良的控制性、实用性和可操作性，可以用于多种场合，满足多种工作要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明姿态腕的外观图。

图3为本发明姿态腕的结构示意图。

图4为图3的A-A剖视图。

图中，

1第一线性模组，2第二线性模组，3第三线性模组，4第四线性模组，5姿态腕，6第一电机，7第二电机，8第三电机，9基座，10带轮，11带轮，12带轮，13带轮，14第一谐波输入轴，15第一谐波减速器，16空心传动轴，17锥齿轮，18锥齿轮，19第三谐波输入轴，20第三谐波减速器，21锥齿轮，22锥齿轮，23第二谐波输入轴，24第二谐波减速器，25带轮，26带轮，27锥齿轮，28传动轴，29带轮，30锥齿轮，31带轮，32传动轴，33中心传动轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

如图1所示，所述基于XYZ直角坐标关节与姿态腕的6自由度工业机器人包括：直角坐标关节和姿态腕5。

所述直角坐标关节由线性模组构建而成，其实现所述机器人三个方向的移动自由度，该直角坐标关节包括结构相同的第一线性模组1、第二线性模组2、第三线性模组3和第四线性模组4。各线性模组均由电机、线性导轨、滚珠丝杠和滑块组成；该电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动与滚珠丝杠旋接的滑块在线性导轨上作直线移动。其中，第一线性模组1与第三线性模组3相互平行布置，第四线性模组4与第一线性模组1和第三线性模组3正交，并且第四线性模组4的线性导轨同时固定连接在该第一线性模组1和第三线性模组3的滑块上，能够随之沿第一线性模组1和第三线性模组3的滚珠丝杠的轴线方向直线移动，行程可调节，作为一个整体，它们实现所述机器人的第一个移动自由度；第二线性模组2不仅与第四线性模组4正交，而且与第一线性模组1和第三线性模组3正交，同时第二线性模组2的滑块与第四线性模组4的滑块固定连接，第四线性模组4的滑块能够沿自身滚珠丝杠的轴线方向直线移动，行程可调节，第二线性模组2随第四线性模组4的滑块一起运动，实现所述机器人的第二个移动自由度；同时，第二线性模组2沿自身滚珠丝杠的轴线方向相对于自身的滑块作直线移动，即相对于第四线性模组4进行运动，行程可调节，实现所述机器人的第三个移动自由度。所述姿态腕5安装在第二线性模组2下部，即整个直角坐标关节的末端，该姿态腕5实现所述机器人的三个旋转自由度。

所述姿态腕5包括基座9、三台电机、三个谐波减速器和三个传动机构，所述姿态腕5通过其基座9固定连接在第二线性模组2的线性导轨的末端并随之运动，作为所述机器人末端的三个旋转关节。每台电机对应一个旋转关节的旋转自由度；每台电机的动力经过其传动机构传递至一谐波减速器，减速后由该谐波减速器的输出端实现一旋转关节运动，各旋转关节保证转动无间隙。如图2所示，所述姿态腕5采用电机后置设计，所述的三台电机并排装在所述基座9上，并且电机轴均与第二线性模组2的滚珠丝杠的轴线平行。

所述姿态腕5的具体结构如图3和图4所示。所述第一电机6通过第一传动机构驱动第一谐波减速器15，减速后由该第一谐波减速器15的输出轴作为第一旋转关节的转子，实现所述机器人的第一个旋转自由度。第一电机6的轴上装有带轮10，带动带轮26所连的轴，带轮26所连的轴上装有带轮25，带轮25带动装有带轮的第一谐波输入轴14转动，第一谐波输入轴14为空心轴并且带动第一谐波减速器15，该第一谐波减速器15的输出轴即为第一旋转关节的转子。为了保证关节速度，所述带轮10、带轮26、带轮25和第一谐波输入轴14形成增速二级带传动，构成所述第一传动机构。

所述第三电机8通过第三传动机构驱动第三谐波减速器20，减速后由该第三谐波减速器20的输出轴作为第二旋转关节的转子，实现所述机器人的第二个旋转自由度。所述第三电机8的轴端上装有带轮13，带轮13带动带轮12所在轴上的小带轮（图中未显示），使得带轮12又带动带轮11，从而驱动空心传动轴16，该空心传动轴16穿过第一谐波输入轴14和第一谐波减速器15内的空心部分，空心传动轴16的末端装有锥齿轮17，进而带动装有锥齿轮21且与空心传动轴16正交的第三谐波输入轴19，并进而驱动第三谐波减速器20，该第三谐波减速器20的输出轴即为第二旋转关节的转子。为了保证关节速度，所述带轮13、小带轮、带轮12和带轮11形成增速二级带传动，并且与空心传动轴16、锥齿轮17、锥齿轮21和第三谐波输入轴19一起构成第三传动机构。该第二旋转关节转子所连接的外壳采用曲面构造，以尽可能使关节结构紧凑。

所述第二电机7通过第二传动机构驱动第二谐波减速器24，减速后由该第二谐波减速器24的输出轴作为第三旋转关节的转子，实现所述机器人的第三个旋转自由度。所述第二电机7直接驱动中心传动轴33，该中心传动轴33穿过所述空心传动轴16的空心部分并与之同轴，所述中心传动轴33末端装有锥齿轮18，通过带动锥齿轮30而驱动传动轴32，传动轴32与第三谐波输入轴19同轴，传动轴32的另一端装有带轮31，带动带轮29所在的且与该传动轴32平行的传动轴28，进而通过传动轴28上的锥齿轮27，带动锥齿轮22所在的第二谐波输入轴23，该第二谐波输入轴23与第一旋转关节同轴，从而驱动第二谐波减速器24，该第二谐波减速器24的输出轴即为第三旋转关节（即末端旋转关节）的转子。所述中心传动轴33、锥齿轮18、锥齿轮30、传动轴32、带轮31、带轮29、传动轴28、锥齿轮27、锥齿轮22和第二谐波输入轴23一起构成第二传动机构。

所述中心传动轴33、空心传动轴16、第一谐波输入轴14和第二谐波输入轴23均与第二电机7同轴；所述第一旋转关节的轴线、第三旋转关节的轴线和第二电机7的轴线重合，并且它们的轴线与所述第二旋转关节的轴线正交。

所述姿态腕5内部的同步带轮交错分布，以节省空间，缩减姿态腕5的尺寸及重量。

在所述机器人的运动过程中，所述直角坐标关节所产生的三个自由度的平动，属于现有技术，这里不再赘述。在姿态腕5中，第一电机6对应第一旋转关节的旋转运动，第三电机8对应第二旋转关节的旋转运动，第二电机7对应第三旋转关节的旋转运动。在第一旋转关节旋转过程中，由于整个第三旋转关节会绕第一旋转关节的轴线作旋转，在第二电机7无响应的情况下，锥齿轮18及其所连的中心传动轴33都不转动，但锥齿轮30会被迫转动，继而带动第三旋转关节的转子旋转，因此需要启动第二电机7，使第三旋转关节的转子反方向旋转，以消除末端扰动。

本发明所述的基于XYZ直角坐标关节与姿态腕的6自由度工业机器人的设计负载为6kg，适用于焊接、搬运等多种场合，通用性好，装配简单，便于操作和维护，末端结构紧凑且灵活，具有高可靠性和较高的速度与精度。

Claims

1.一种基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述机器人包括直角坐标关节和姿态腕，其中，姿态腕安装在直角坐标关节的末端，该直角坐标关节实现所述机器人三个方向的移动自由度，姿态腕实现所述机器人的三个旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的直角坐标关节包括结构相同的第一线性模组、第二线性模组、第三线性模组和第四线性模组，其中，第一线性模组与第三线性模组平行布置作为一整体，并且该整体、第二线性模组和第四线性模组三者相互之间两两正交；第四线性模组同时连接第一线性模组和第三线性模组，并能够随之沿第一线性模组和第三线性模组的轴线方向直线移动，实现所述机器人的第一个移动自由度；第二线性模组固定连接于第四线性模组上且沿第四线性模组的轴线方向直线移动，实现所述机器人的第二个移动自由度；第二线性模组沿自身的轴线方向相对于第四线性模组作直线移动，实现所述机器人的第三个移动自由度。

3.根据权利要求2所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的第一个移动自由度的行程可调节，所述第二个移动自由度的行程为可调节，所述第三个移动自由度的行程为可调节。

4.根据权利要求2所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的第一线性模组、第二线性模组、第三线性模组和第四线性模组各自均由电机、线性导轨、滚珠丝杠和滑块组成，该电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动与滚珠丝杠旋接的滑块在线性导轨上作直线移动。

5.根据权利要求1或4所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的姿态腕包括基座、三电机、三谐波减速器和三传动机构，并且通过其基座固定连接在所述直角坐标关节的末端并随之运动，作为所述机器人末端的三个旋转关节，每一电机对应一个旋转关节的旋转自由度；所述姿态腕采用电机后置设计，所述的三电机并排装在所述基座上。

6.根据权利要求5所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的三电机包括第一电机、第二电机和第三电机，所述三谐波减速器包括第一谐波减速器、第二谐波减速器和第三谐波减速器，所述三传动机构包括第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；所述第一电机通过第一传动机构驱动第一谐波减速器，减速后由该第一谐波减速器的输出轴作为第一旋转关节的转子，实现所述机器人的第一个旋转自由度；所述第三电机通过第三传动机构驱动第三谐波减速器，减速后由该第三谐波减速器的输出轴作为第二旋转关节的转子，实现所述机器人的第二个旋转自由度；所述第二电机通过第二传动机构驱动第二谐波减速器，减速后由该第二谐波减速器的输出轴作为第三旋转关节的转子，实现所述机器人的第三个旋转自由度。

7.根据权利要求6所述的基于XYZ直角坐标关节和姿态腕的6自由度工业机器人，其特征是：所述的第一传动机构两端分别连接所述第一电机和第一谐波减速器，该第一传动机构包括增速二级带传动和第一谐波输入轴，该第一谐波输入轴为空心轴并且与所述第二电机同轴；所述第三传动机构两端分别连接所述第三电机和第三谐波减速器，该第三传动机构包括增速二级带传动、空心传动轴、一对锥齿轮和第三谐波输入轴，所述空心传动轴与第二电机同轴且与第三谐波输入轴正交，该空心传动轴穿过所述第一谐波输入轴和第一谐波减速器内的空心部分；所述第二传动机构两端分别连接所述第二电机和第二谐波减速器，该第二传动机构包括中心传动轴、两对锥齿轮、一级带传动和第二谐波输入轴，该第二谐波输入轴和中心传动轴均与第二电机同轴，该中心传动轴穿过所述空心传动轴的空心部分并与之同轴。