CN103753602B - 一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，包括设置在臂座上的J4轴；设置在腕座内的第二大速比准双曲面齿轮轴，第二大速比准双曲面齿轮轴顶部和底部分别设置第二大速比准双曲面齿轮和第一锥齿轮，中部转动设置第四大速比准双曲面齿轮和J6轴支架，J6轴支架内转动设置J6轴，J6轴上设置第二锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；连接J6轴电机座和腕座的J5轴电机座，J5轴电机座内设置J5轴电机和J6轴电机轴，J6轴电机轴一端连接J6轴电机，另一端设置第一大速比准双曲面齿轮，第一大速比准双曲面齿轮与第二大速比准双曲面齿轮相啮合；J5轴电机输出轴上设置第三大速比准双曲面齿轮。本发明解决了现有技术中传动线路不清晰的问题。

Description

一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构

技术领域

本发明涉及一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，属于工业机器人领域。

背景技术

在工业机器人本体研发过程中，小臂和腕部传动方案的设计是一个非常关键的环节，是整个机器人机械部分研发的技术核心之一，在机械部件总成本中占据较大的比例。在很多应用场合，都要求小臂和腕部中空结构，方便外部设备走线。

在调研国内自主研发机器人中空小臂和腕部传动方案中发现，负载在3—20Kg范围内的低负载工业机器人小臂和腕部传动结构基本都是采用J4轴：“伺服电机+（直齿轮轴）+减速机+输出端”和J5、J6轴：“伺服电机+同步带传动+（锥齿轮）+减速机（中空）+输出端”的传动结构，该结构的具体方案是J4轴伺服电机放置在臂座上，通过直齿轮带动J4轴减速机，而J4轴减速机输出端和J4轴输出端连接在一起，从而带动J4轴按照指定的速度运动到指定的位置；J5、J6轴伺服电机均放置在腕部，J5轴伺服电机带动一同步带传动，同步带轮带动J5轴减速机，J5轴减速机输出端和J5轴输出端连接在一起，从而带动J5轴按照指定的速度运动到指定的位置；J6轴伺服电机带动一同步带传动，同步带轮再带动一对锥齿轮传动改变传动方向，锥齿轮带动J6轴中空减速机转动，而J6轴减速机输出端和J6轴输出端连接在一起，从而带动J6轴按照指定的速度运动到指定的位置，该方案中J4轴减速机一般选用中空形式的RV减速机，J5、J6轴减速机选用谐波减速机，其中J6轴选用中空形式的谐波减速机，因为谐波减速机具有传递速比大、传递精度高、体积小、重量轻等优势。国外品牌的RV减速机(如日本帝人)和谐波减速机（如日本HarmonicDrive）外观尺寸小、高转矩和高精度、寿命长，结构形式多样化，能够满足各种传动结构的需要，但是价格较高，中空形式的价格会更高，且供货周期长；国产的RV减速机和谐波减速机在材料、制作工艺等方面跟国外品牌减速机有一定差距，且在同等规格和精度下，产品价格本也较高，寿命短，而且结构形式少，外观尺寸相比国外同规格减速机较大。

现有的结构中J5、J6轴电机线缆如何避开中空走线孔是影响传动结构的难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，解决传动线路不清晰的问题。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，包括

臂座，臂座上转动设置水平的J4轴，所述的J4轴上自左至右依次安装与臂座相对转动的线缆转盘和J6轴电机座，所述的线缆转盘和J6轴电机座与J4轴安装的部位设有供线缆通过的走线孔，J6轴电机座内安装J6轴电机；

腕座，所述的腕座内设置与J4轴垂直的第二大速比准双曲面齿轮轴，所述的第二大速比准双曲面齿轮轴顶部和底部分别设置第二大速比准双曲面齿轮和第一锥齿轮，第二大速比准双曲面齿轮轴的中部转动设置第四大速比准双曲面齿轮和J6轴支架第四大速比准双曲面齿轮和J6轴支架可相对腕座转动，所述的J6轴支架与第四大速比准双曲面齿轮底部固定连接，所述的J6轴支架内转动设置与第二大速比准双曲面齿轮轴垂直的J6轴，J6轴上设置第二锥齿轮，所述的第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；

连接J6轴电机座和腕座的J5轴电机座，J5轴电机座内设置J5轴电机和J6轴电机轴，所述的J6轴电机轴一端连接J6轴电机，另一端设置第一大速比准双曲面齿轮，所述的第一大速比准双曲面齿轮与第二大速比准双曲面齿轮相啮合；所述的J5轴电机输出轴上设置第三大速比准双曲面齿轮，所述的第三大速比准双曲面齿轮与第四大速比准双曲面齿轮相啮合。

作为本发明的进一步改进，所述的J4轴上还固定设置第五大速比准双曲面齿轮，所述的第五大速比准双曲面齿轮位于线缆转盘和J6轴电机座之间且第五大速比准双曲面齿轮与J4轴安装的部位设有供外部设备线缆通过的走线孔，所述的臂座内转动设置与J4轴垂直的第六大速比准双曲面齿轮轴，其底部设置第六大速比准双曲面齿轮，所述的第六大速比准双曲面齿轮与第五大速比准双曲面齿轮相啮合。

作为本发明的进一步改进，所述的J6轴电机座上也开有与J5轴电机座相通的走线孔。

作为本发明的进一步改进，所述的线缆转盘端面设置第一线缆固定支架和第二线缆固定支架，连接J6轴电机和J5轴电机的线缆穿过走线孔并且呈涡状缠绕在线缆转盘上，且两者的自由端通过尼龙扎带分别固定在第一线缆固定支架和第二线缆固定支架上并且与控制电路相连。

作为本发明的更进一步改进，所述的线缆转盘端面设置第一线缆固定支架和第二线缆固定支架，连接J6轴电机和J5轴电机的线缆穿过走线孔并且呈涡状缠绕在线缆转盘上，且两者的自由端通过尼龙扎带分别固定在第一线缆固定支架和第二线缆固定支架上并且与控制电路相连。

本发明的有益效果是：在线缆转盘和J6轴电机座与J4轴安装的部位设有供外部设备线缆通过的走线孔，使机器人应用范围更为灵活；J5轴电机和J6轴电机的线缆在J4轴上的合理排列布置，保证了J4轴的运动范围，大速比准双曲面齿轮传动精度高、传递速比大（单级传动比可达10～360）、传动效率高、空间结构紧凑、使用寿命长，且传动平稳，且制造成本低廉，用大速比准双曲面齿轮传动结构来代替中空减速机传动，从而成本低廉、动作准确可靠、降低了机器人的制造成本。J6轴电机座上也开有与J5轴电机座相通的走线孔，保证J5轴电机线缆和J6轴电机线缆在J6轴电机座与J5轴电机座之间的传动线路也是清晰的，J6轴电机轴使J5轴电机与J6轴电机错开，也增加了中空小臂的长度，增大了其活动的范围；安装在第二大速比双曲面齿轮轴中部的第四大速比准双曲面齿轮和与该第四大速比准双曲面齿轮固定在一起的J6轴支架均转动设置在第二大速比准双曲面齿轮轴上，两者又转动设置在腕座上，实现了第二大速比准双曲面齿轮轴的独立转动，第二大速比准双曲面齿轮轴上的第四大速比准双曲面齿轮和与该第四大速比准双曲面齿轮固定在一起的J6轴支架一起独立于第二大速比双曲面齿轮轴的独立转动，而且第二大速比双曲面齿轮轴和第二大速比双曲面齿轮轴上的第四大速比准双曲面齿轮与J6轴支架又可以同时转动，当J4轴旋转时，呈涡状布置的电机线缆螺距和圈数随之改变，以满足J4轴运动范围的要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是反应图1中腕座处的P向示意图。

图3是反应图1中臂座处的Q向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1、图2和图3所示的低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，包括J4轴29，自左至右依次固定在J4轴29上的线缆转盘24、第五大速比准双曲面齿轮2和J6轴电机座4，所述的J4轴29一端设置在臂座3内，J6轴电机座4通过轴承设置在臂座3内，使J6轴电机座4可以相对臂座3转动，所述的臂座3内还通过轴承转动设置与J4轴垂直的第六大速比准双曲面齿轮轴，第六大速比准双曲面齿轮轴底部设置第六大速比双曲面齿轮1，所述的第六大速比准双曲面齿轮1与第五大速比准双曲面齿轮2相啮合，第六大速比双曲面齿轮轴的顶部外接驱动装置（如电机等，不属于本申请的内容，图中未示出），外接的驱动装置驱动第六大速比双曲面齿轮轴转动，第六大速比双曲面齿轮轴通过其底部的第六大速比准双曲面齿轮1将扭矩传送给J4轴29，使J4轴转动，由于线缆转盘24和J6轴电机座4均固定在J4轴29上，所以J6轴电机座4也随着J4轴29一起转动。

线缆转盘24的端面设置第一线缆固定支架25和第二线缆固定支架26，线缆转盘24、安装在J4轴29上的第五大速比准双曲面齿轮2以及J6轴电机座4与J4轴29的安装部位开有供线缆23通过的走线孔，J6轴电机座4内设置J6轴电机5，且J6轴电机座4内位于J6轴电机5的下部也开有走线孔。

所述的J6轴电机座4右端安装J5轴电机座8，J5轴电机座8的下部安装J5轴电机9，J5轴电机座8的上部通过轴承转动设置J6轴电机轴7，J6轴电机轴7的左端设置第二齿轮32，J6轴电机5的输出轴上设置第一齿轮6，所述的第一齿轮6与第二齿轮32相啮合，J6轴电机5下部的走线孔与J5轴电机座8相通。

线缆转盘24的左端面处设置第一线缆固定支架25和第二线缆固定支架26，连接J6轴电机5的线缆23的自由端穿过线缆转盘24、安装在J4轴29上的第五大速比准双曲面齿轮2以及J6轴电机座4上的走线孔至J4轴29的左端，连接J5轴电机9的线缆23的自由端穿过J6轴电机座4上J6轴电机5下方的走线孔以及线缆转盘24、安装在J4轴29上的第一大速比准双曲面齿轮2和J6轴电机座4上的走线孔至J4轴29的左端，并且与连接J6轴电机5的线缆23一起呈涡状缠绕在线缆转盘24上，两者通过尼龙扎带27分别固定在第一线缆固定支架25和第二线缆固定支架26上并且与控制电路相连。

J5轴电机座8的右端安装腕座15，腕座15内设置第二大速比准双曲面齿轮轴28，所述的第二大速比准双曲面齿轮轴28为阶梯轴，且第二大速比双曲面齿轮轴28的顶部设置第二大速比准双曲面齿轮14，底部固定设置第一锥齿轮19，第二大速比准双曲面齿轮轴28的中部通过轴承转动设置第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16，所述的J6轴支架16的顶部与第四大速比准双曲面齿轮21的底部固定连接，所述的第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16又通过轴承与腕座15转动连接，所述的J6轴支架16内设置与第二大速比准双曲面齿轮轴28垂直的J6轴30，J6轴30上设置第二锥齿轮18，所述的第一锥齿轮19与第二锥齿轮18相啮合，J6轴30的右端为J6轴输出端17；所述第一锥齿轮19下方的J6轴支架16上通过螺栓固定有连接体20。

所述的J6轴电机轴7的右端设置第一大速比准双曲面齿轮12，所述的第一大速比准双曲面齿轮12的齿轮轴通过花键与电机轴7的右端连接，所述的第一大速比准双曲面齿轮12与第二大速比准双曲面齿轮14相啮合；所述的J5轴电机9的输出轴上设置第三齿轮10，腕座15内设置第三大速比准双曲面齿轮13，第三大速比准双曲面齿轮13的齿轮轴左端设置第四齿轮11，所述的第三齿轮10与第四齿轮11相啮合，第三大速比准双曲面齿轮13与第四大速比准双曲面齿轮21相啮合。第一大速比准双曲面齿轮12的齿轮轴和第三大速比准双曲面齿轮13的齿轮轴均通过轴承设置在腕座15内。

J4轴的旋转中轴线如图1中的04-04所示，J6轴的旋转中轴线如图1中的06-06所示，第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16旋转中轴线如图1中的05-05所示。由于第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16与第二大速比准双曲面齿轮轴28转动连接，第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16与腕座15也是转动连接，所以第二大速比准双曲面齿轮轴28可以单独转动而不受第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16的影响，第四大速比准双曲面齿轮21和J6轴支架16也可不受J5轴05—05的影响独立转动，

本发明的传动路线是如下：J5轴电机9的动力通过第三齿轮10与第四齿轮11传送给第三大速比准双曲面齿轮13的齿轮轴，并通过相啮合的第三大速比准双曲面齿轮13与第四大速比准双曲面齿轮21传送给J6轴支架16，带动J6轴支架16旋转。由于连接体20与J6轴支架16固定连接，所以连接体20也一起转动。

J6轴电机5通过相互啮合的第一齿轮6与第二齿轮32将动力传送至J6轴电机轴7，J6轴电机轴7通过相互啮合的第一大速比准双曲面齿轮12与第二大速比准双曲面齿轮14将动力传送给第二大速比准双曲面齿轮轴28，第二大速比准双曲面齿轮轴28通过相互啮合的第一锥齿轮19与第二锥齿轮18带动J6轴转动。

本发明中的J6轴支架16和J6轴30可同时转动，也可以单独转动，只需分别控制J5轴电机9和J6轴电机5即可。

以上说明书中未做特别说明的部分均为现有技术，或者通过现有技术既能实现。而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (3)

1.一种低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，其特征在于：包括臂座(3)，臂座(3)上转动设置水平的J4轴(29)，所述的J4轴(29)上自左至右依次安装与臂座(3)相对转动的线缆转盘(24)、第五大速比准双曲面齿轮(2)和J6轴电机座(4)，所述的线缆转盘(24)和J6轴电机座(4)与J4轴(29)安装的部位设有供线缆通过的走线孔，J6轴电机座(4)内安装J6轴电机(5)，所述的第五大速比准双曲面齿轮(2)位于线缆转盘(24)和J6轴电机座(4)之间且第五大速比准双曲面齿轮(2)与J4轴(29)安装的部位设有供外部设备线缆通过的走线孔，所述的臂座(3)内转动设置与J4轴(29)垂直的第六大速比准双曲面齿轮轴，其底部设置第六大速比准双曲面齿轮(1)，所述的第六大速比准双曲面齿轮(1)与第五大速比准双曲面齿轮(2)相啮合；

腕座(15)，所述的腕座(15)内设置与J4轴(29)垂直的第二大速比准双曲面齿轮轴(28)，所述的第二大速比准双曲面齿轮轴(28)顶部和底部分别设置第二大速比准双曲面齿轮(14)和第一锥齿轮(19)，第二大速比准双曲面齿轮轴(28)的中部转动设置第四大速比准双曲面齿轮(21)和J6轴支架(16)，第四大速比准双曲面齿轮(21)和J6轴支架(16)可相对腕座(15)转动，所述的J6轴支架(16)与第四大速比准双曲面齿轮(21)底部固定连接，所述的J6轴支架(16)内转动设置与第二大速比准双曲面齿轮轴(28)垂直的J6轴(30)，J6轴(30)上设置第二锥齿轮(18)，所述的第一锥齿轮(19)与第二锥齿轮(18)相啮合；

连接J6轴电机座(4)和腕座(15)的J5轴电机座(8)，J5轴电机座(8)内设置J5轴电机(9)和J6轴电机轴(7)，所述的J6轴电机轴(7)一端连接J6轴电机(5)，另一端设置第一大速比准双曲面齿轮(12)，所述的第一大速比准双曲面齿轮(12)与第二大速比准双曲面齿轮(14)相啮合；所述的J5轴电机(9)输出轴上设置第三大速比准双曲面齿轮(13)，所述的第三大速比准双曲面齿轮(13)与第四大速比准双曲面齿轮(21)相啮合。

2.根据权利要求1所述的低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，其特征在于：所述的J6轴电机座(4)上也开有与J5轴电机座(8)相通的走线孔。

3.根据权利要求1或2所述的低负载工业机器人中空小臂和腕部结构，其特征在于：所述的线缆转盘(24)端面设置第一线缆固定支架(25)和第二线缆固定支架(26)，连接J6轴电机(5)和J5轴电机(9)的线缆穿过走线孔并且呈涡状缠绕在线缆转盘(24)上，且两者的自由端通过尼龙扎带(27)分别固定在第一线缆固定支架(25)和第二线缆固定支架(26)上并且与控制电路相连。