CN103737582A - 一种六自由度高精度先进焊接机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度高精度先进焊接机器人机构，包括腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂扭转机构、腕回转机构、焊枪卡座回转机构、机座及回转平台；通过由肩摆动机构和肘回转机构组成的机构实现平面的二维平动，将前臂执行末端焊枪卡座送达预定的区域；转动平台的整周转动实现了空间范围内执行末端的位置调整，获得较大的工作空间；前臂扭转机构、腕回转机构和焊枪卡座回转机构的三维转动实现了焊枪姿态的调整。本发明能够灵活而简捷地将焊枪送至空间不同点工作，而且获得较好的动力学性能，降低肩关节的承载载荷，达到高精度、高可靠性和便于维护保养优良特性。

Description

一种六自由度高精度先进焊接机器人机构

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体是一种六自由度高精度先进焊接机器人机构。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。中国到2014年将成为全球最大的工业机器人消费国，专家表示，2011年，中国工业机器人销售量同比增长51%，未来3年中国工业机器人市场复合增速可达30%，中国或成为全球最大的机器人需求市场。由于现代计算机技术的迅速发展，多轴运动控制技术不断成熟，工业机器人的成本逐渐降低，目前已进入爆发式增长阶段。而焊接机器人作为工业机器人的一种，占据较大的比重。国际上的焊接机器人基本属于关节式机器人，绝大部分有六个轴，其中三个轴将执行末端安装工具送至空间可达位置，而另外的三个轴实现执行末端焊接工具的空间姿态调整。传统的关节式焊接机器人都将电机安装在关节处，使得机械手臂显得笨重，存在转动惯量大、刚度差以及累积误差大等不足。机构的动力学性能较差，难以满足日益高速高精度要求。串联机构在机构设计方面具有较好的运动学性能，而动力学性能较低；和串联机器人相比较，并联机构具有无累积误差，精度较高，驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好，结构紧凑，刚度高，承载能力大，根据这些特点，并联机器人可以应用于高承载能力的场合，但由于并联机器人受结构限制，工作空间往往很小，一般用于驾驶模拟平台、雷达天线底座、数控车床等领域，较难应用于焊接机器人等对工作空间要求大的领域。而且，现有机器人腰关节既支撑整个机器人的重量，又承受整个机器人运动所带来的冲击，故障率较高，可靠性差，无故障运行时间短，而且较易造成较大的关节误差，对机器人的精度影响较大，由于这诸多缺点，现有机器人结构很难兼顾作业灵活性及高精度的特性，很难满足大工作空间、高精度、高可靠性的作业要求，成为大型机器人设计制造的一个瓶颈。所以怎样在保证机器人作业灵活性、高精度、高可靠性的前提下，满足大型机器人结构要求，成为了许多学者和机构探讨的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术存在的问题，提供一种串并联机构的焊接机器人机构，综合串联机构和并联机构各自的优点，既在保证机器人作业灵活性、高精度、高可靠性，充分发挥串并联机构的优点的前提下，尽可能的将电机安置于机座上或将电机合理布置在整周转动轴附近，即尽可能的减小电机的转动随动半径，大幅提高机器人肩关节的可靠性，降低维护成本，实现机器人较好的动力学性能。

本发明通过以下技术方案实现以上目的：

一种六自由度高精度先进焊接机器人机构，包括腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂扭转机构、腕回转机构、焊枪卡座回转机构、机座及回转平台；

所述的腰部回转机构通过转动平台由第一转动副安装在机座上，第一转动副由第一伺服电机驱动；

所述肩摆动机构包括转动平台、第一主动杆、第一连杆和第二连杆，转动平台与第一主动杆由第二转动副连接，第一主动杆与第一连杆由第三转动副连接，第一连杆与第二连杆由第四转动副连接，第二连杆与转动平台由第五转动副连接，第一主动杆由第二伺服电机驱动；

所述肘回转机构包括第二主动杆、第三连杆和第四连杆，第二主动杆与第二连杆由第六转动副连接，第二主动杆与第三连杆由第七转动副连接，第三连杆与第四连杆由第八转动副连接，第四连杆与第二连杆由第九转动副连接；第二主动杆由第三伺服电机驱动；

所述前臂扭转机构由前臂与第四连杆通过第十转动副连接，由安装在第四连杆上的第四伺服电机驱动；

所述腕回转机构包括手部、第五连杆、第三主动杆和可动尾座，手部与前臂由第十一转动副连接，手部上端与第五连杆由第十二转动副连接，第五连杆与第三主动杆由第十三转动副连接，第三主动杆与可动尾座由第十四转动副连接，可动尾座与第四连杆通过第十五转动副连接；第三主动杆由安装在可动尾座上的第五伺服电机驱动；

所述焊枪卡座回转机构由手部与焊枪卡座通过第十六转动副连接，由安装在手部上的第六伺服电机驱动。

所述的第一转动副轴线垂直于机座，第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副、第八转动副和第九转动副轴线相互平行，其中第五转动副与第六转动副同轴，第十转动副与第九转动副轴线相互垂直，第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副和第十四转动副轴线相互平行，第十五转动副与第十转动副轴线相互平行并与第十四转动副轴线相互垂直，第十六转动副与第十一转动副轴线相互垂直。

本发明通过腰部回转机构实现腰部整周转动；肩摆动机构和肘回转机构组成的两自由度的并联机构实现二维平动，分别由安装在转动平台上的电机驱动；由前臂扭转机构、腕回转机构和焊枪卡座回转机构相互连接的三个相互正交的旋转轴由三个电机分别独立驱动，实现了执行末端焊枪的三自由度姿态调整。与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1、采用混联机构，兼有并联机构刚度大和串联机构工作空间大的优点，尽可能的将驱动装置安放在机座位置，降低了手臂杆件的承载负荷，降低了整机的转动惯量，质量轻，累积误差小，具有良好的动力学性能，将大臂的支撑点通过小平行四边形机构引出用电机单独驱动，降低了电机轴的承载量，有利于精度的提高；

2、将腕关节的电机通过平行四边形机构转移到臂的尾部，使得各驱动电机集中在离整周转动中心更近的位置，进一步使得整体的转动惯量更小，使之具有更好的力学性能，提高了工业机器人整体结构的可靠性和精度；

3、通过平行四边形机构多增加一个承载铰接点，改进了传统的机构因全部载荷都施加在同一个肩部电机轴上带来承载能力差、精度低、不便于维护保养、低可靠性的缺点；

4、将机构串联部分的驱动装置合理布置，提高整体机构的平衡性能，进一步提高了机构的动力学性能；

5、机构简单，便于正逆运动学的求解、轨迹规划、误差补偿，方便精确控制。此外，执行末端安装不同的装置可以实现不同的工业用途，如码垛、切割、装配、喷涂及搬运等。

附图说明

图1为所述先进焊接机器人机构的结构示意图。

图2为所述先进焊接机器人机构的肩摆动机构示意图。

图3为所述先进焊接机器人机构的肘回转机构示意图。

图4为所述先进焊接机器人机构的前臂扭转机构示意图。

图5为所述先进焊接机器人机构的腕回转机构示意图。

图6为所述先进焊接机器人机构的第一种工作状态示意图。

图7为所述先进焊接机器人机构的第二种工作状态示意图。

图8为所述先进焊接机器人机构的第三种工作状态示意图。

图9为所述先进焊接机器人机构的第四种工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

对照图1、2、3和4，一种六自由度高精度先进焊接机器人机构，由腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂扭转机构、腕回转机构、焊枪卡座回转机构、机座1及回转平台2构成。

对照图1，机器人的腰部回转机构通过转动平台2由第一转动副12连接在机座1上，并有第一伺服电机驱动实现整周回转运动。

对照图1、2，肩摆动机构由转动平台2、第一主动杆3、第一连杆4和第二连杆5连接而成。第一主动杆3与转动平台2通过第二转动副13连接，第二转动副13与安装在转动平台2上的第二伺服电机的电机轴连接，第一主动杆3与第一连杆4通过第三转动副14连接，第一连杆4与第二连杆5通过第四转动副15连接，第二连杆5与转动平台2通过第五转动副16连接。

对照图1、3，肘回转机构由第二主动杆6、第三连杆7和第四连杆8构成。第二主动杆6通过第六转动副17与转动平台2连接，第六转动副17与安装在转动平台2上的第三伺服电机的电机轴相连，从而驱动第二主动杆6；第三连杆7与第二主动杆6通过第七转动副18相连，第三连杆7的另一端与第四连杆8通过第八转动副19相连，第四连杆8与第二连杆5通过第九转动副20连接。

对照图1、4，前臂扭转机构由第四连杆8与前臂9通过第十转动副21连接，由安装在第四连杆8前段的第四伺服电机驱动，且把电机安装在这个位置有利于与前臂9上前端的负载相平衡，保证良好的动力学性能。

对照图1、5，所述腕回转机构由手部10、第五连杆26、第三主动杆25和可动尾座24构成，手部上有两个转动副，其中手部10与前臂9由第十一转动副22连接，手部10上端与第五连杆26由第十二转动副30连接，第五连杆26与第三主动杆25由第十三转动副29连接，第三主动杆25与可动尾座24由第十四转动副28连接，可动尾座24与第四连杆8通过第十五转动副27连接。第三主动杆25由安装在可动尾座24上的第五伺服电机驱动。

所述焊枪卡座回转机构由手部10与焊枪卡座11通过第十六转动副23连接并通过第六伺服电机驱动焊枪卡座11，实现焊枪的转动。

前臂扭转机构、腕回转机构和焊枪卡座回转机构共有三个伺服电机独立驱动，实现了三维转动，进而实现了焊枪姿态调整。

对照图1、6、7、8、9，一种六自由度高精度先进焊接机器人机构，通过由肩摆动机构和肘回转机构组成的机构实现平面的二维平动，将前臂执行末端焊枪卡座送达预定的区域；转动平台的整周转动实现了空间范围内执行末端的位置调整，获得较大的工作空间；前臂扭转机构、腕回转机构和焊枪卡座回转机构的三维转动实现了焊枪姿态的调整。以上机构特性实现了机构如图6-图9所示的各种位置姿态，灵活而简捷地将焊枪送至空间不同点工作，而且获得较好的动力学性能，降低肩关节的承载载荷，达到高精度、高可靠性和便于维护保养优良特性。

Claims (2)

1.一种六自由度高精度先进焊接机器人机构，包括腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂扭转机构、腕回转机构、焊枪卡座回转机构、机座及回转平台；其特征在于：

所述的腰部回转机构通过转动平台由第一转动副安装在机座上，第一转动副由第一伺服电机驱动；

所述肩摆动机构包括转动平台、第一主动杆、第一连杆和第二连杆，转动平台与第一主动杆由第二转动副连接，第一主动杆与第一连杆由第三转动副连接，第一连杆与第二连杆由第四转动副连接，第二连杆与转动平台由第五转动副连接，第一主动杆由第二伺服电机驱动；

所述肘回转机构包括第二主动杆、第三连杆和第四连杆，第二主动杆与第二连杆由第六转动副连接，第二主动杆与第三连杆由第七转动副连接，第三连杆与第四连杆由第八转动副连接，第四连杆与第二连杆由第九转动副连接；第二主动杆由第三伺服电机驱动；

所述前臂扭转机构由前臂与第四连杆通过第十转动副连接，由安装在第四连杆上的第四伺服电机驱动；

所述腕回转机构包括手部、第五连杆、第三主动杆和可动尾座，手部与前臂由第十一转动副连接，手部上端与第五连杆由第十二转动副连接，第五连杆与第三主动杆由第十三转动副连接，第三主动杆与可动尾座由第十四转动副连接，可动尾座与第四连杆通过第十五转动副连接；第三主动杆由安装在可动尾座上的第五伺服电机驱动；

所述焊枪卡座回转机构由手部与焊枪卡座通过第十六转动副连接，由安装在手部上的第六伺服电机驱动。

2.根据权利要求1所述的先进焊接机器人机构，其特征在于：所述的第一转动副轴线垂直于机座，第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副、第八转动副和第九转动副轴线相互平行，其中第五转动副与第六转动副同轴，第十转动副与第九转动副轴线相互垂直，第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副和第十四转动副轴线相互平行，第十五转动副与第十转动副轴线相互平行并与第十四转动副轴线相互垂直，第十六转动副与第十一转动副轴线相互垂直。

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