CN103934822B - 顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构 - Google Patents
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Abstract
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，属于机器人技术领域。以满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能的需求。驱动电机与十字交叉滚子轴承的外环均固定安装在Delta机器人的机构机体上，同步带传动机构的主动同步带轮安装在驱动电机输出轴上，法兰盘与十字交叉滚子轴承内环连接，同步带传动机构的被动同步带轮固定安装在法兰盘上，带有三个滚轮的球铰机构固定设置在法兰盘的中空腔内，方轴杆通过球铰机构的三个滚轮中穿过，方轴杆末端与Delta机器人末端工作平台连接，方轴杆在夹持的三个滚轮中做直线移动。本发明可保证Delta机器人第四轴电机带动同步带轮旋转，通过球铰机构输出径向扭力。
Description
技术领域
本发明涉及一种Delta机器人第四轴传动机构，属于机器人技术领域。
背景技术
中国高度工业化的进程引领了机器人应用技术的快速发展，工业机器人正在迅速地取代各种生产线中的主要劳动力--人。Delta机器人以其高效、快速的特点，成为食品、药品、日化产品等生产线上分拣、包装的机器人首选机型，预测未来几年内中国国内的需求都会在几十万台左右，市场潜力巨大。根据调查，目前应用领域中四自由度Delta机器人第四轴的传动机构主要是这样几种形式：
一、两端万向节中间以滚珠花键轴实现轴向伸缩同时传递径向扭矩的结构形式；二、两端万向节中间以两根或两根以上互相交错的滑动轴杆实现轴向伸缩同时传递径向扭矩的结构形式；三、将驱动电机及传动机构置于Delta机器人并联的三个主动轴其中的一个连杆机构之上的结构形式，其特点是这种结构只需用一个万向节并且在理论上工作中无需轴向的伸缩运动。以上所述几种形式在机器人运行过程中所产生的问题是：第一种形式，滚珠花键轴为合金钢材料制造，质量重、运动惯量大，给机器人的驱动电机增加负荷；Delta机器人的高速运动产生的高频率的振动让滚珠花键轴快速磨损、短期内必须更换，在一台Delta机器人的使用寿命周期内需多次(恶劣工作条件下会达到几十次)更换该部分的总成，无论是用户还是生产厂家都是极大的负担和不便。第二种形式，交错的滑动轴杆虽然可以使用质量轻刚度大的复合材料如碳纤维材料制造，解决了惯量大的问题。但滑动摩擦总会存在一定的轴向阻力，而且当快速旋转传递径向扭力时轴杆的弹性变形也影响工作的精准度或产生一定的延时现象，会导致机器人工作效率的降低。另外，尽管在应用当中可以采用摩擦系数较低的材料，但是有摩擦就会产生磨损并伴有屑末，而屑末将有一定的污染。第三种形式，虽然没有前两种的诸多问题，但是因为是将机构置于Delta机器人并联的三个主动轴其中的一个连杆机构之上，这样就增加了这个轴驱动电机的负载；另外，由于该部电机在机器人工作中始终处于运动状态，对电机及电机的电缆等防护技术要求较高。综上所述，四自由度的Delta机器人的第四轴传动机构现状形成了该型机器人的一个技术薄弱点。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的问题，提供一种顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构。以满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能的需求。
本发明为解决上述问题，采取的技术方案是：
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，它包括驱动电机、同步带传动机构、方轴杆、法兰盘、十字交叉滚子轴承及带有三个滚轮的球铰机构；所述的驱动电机与十字交叉滚子轴承的外环均固定安装在Delta机器人的机构机体上，所述的同步带传动机构的主动同步带轮安装在驱动电机输出轴上，所述的法兰盘与十字交叉滚子轴承内环连接，同步带传动机构的被动同步带轮固定安装在法兰盘上，所述的法兰盘与被动同步带轮均设有中空腔，所述的带有三个滚轮的球铰机构设置在法兰盘的中空腔内且与法兰盘固定连接；所述的方轴杆通过所述的球铰机构的三个滚轮中穿过，方轴杆末端与Delta机器人末端工作平台连接，方轴杆在夹持的三个滚轮中做直线移动。
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的方轴杆的材质为碳纤维。
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的带有三个滚轮的球铰机构包括内环框架、中环框架、内环框架连接轴及中环框架连接轴；内环框架连接轴及中环框架连接轴的数量分别为两个，内环框架通过两个内环框架连接轴与中环框架连接，两个内环框架连接轴同轴设置；中环框架通过两个中环框架连接轴与法兰盘连接，两个中环框架连接轴同轴设置，内环框架连接轴与中环框架连接轴轴线水平垂直相交设置形成球铰结构，内环框架以两个内环框架连接轴的轴线为中心转动，中环框架以两个中环框架连接轴的轴线为中心转动；两个内环框架连接轴的轴线短于两个中环框架连接轴的轴线；内环框架的中空腔为十字形槽，三个滚轮中的两个滚轮位于同一侧且竖直排列安装在十字形槽内的一侧，三个滚轮中的剩余一个滚轮安装在十字形槽内且位于所述的两个滚轮的相对侧，三个滚轮在垂直于滚轮轴线的竖直面上的投影呈等腰三角形，三个滚轮的外圆周面均设有V形槽，所述的方轴杆的两个对角楞安装在三个滚轮的V形槽内，当方轴杆沿自身长度方向做直线运动时，三个滚轮的V形槽对方轴杆夹持并滚动。
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的V形槽的顶角为90°。
顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的十字形槽的其中两个相对槽为深槽，十字形槽余下两个相对槽为浅槽，三个滚轮中的所述的两个滚轮均竖直排列安装在十字形槽内的同一个深槽内，三个滚轮中的剩余一个滚轮安装在十字形槽内的另一个深槽内。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
一、本发明以一根方轴杆(横截面为正方形)做轴向运动，并以滑动的方式通过球铰机构中的三个滚轮夹持，保证了Delta机器人第四轴的驱动电机带动同步带传动机构旋转输出径向扭力，传动过程中方轴杆的轴向直线运动为滚动摩擦；顶置的球铰机构可保证方轴杆下端随Delta机器人末端运动平台在活动空间范围内运动并传递径向扭力。
二、本发明整体结构质量轻、运动惯量小，减轻了机器人的驱动电机负荷，延长了该Delta机器人第四轴传动机构的使用寿命，按8小时工作制使用寿命是背景技术披露的几种形式的20倍左右。此外由于驱动电机安装在所述的Delta机器人的机构机体上，对驱动电机及电机的电缆等防护技术要求不高。
综上，本发明可满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能的需求。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是驱动电机与同步带传动机构装配的结构图；
图3是驱动电机与同步带传动机构运动状态图，方轴杆上端向左倾斜；
图4是驱动电机与同步带传动机构运动状态图，方轴杆上端向右倾斜；
图5是带有三个滚轮的球铰机构俯视图；
图6是驱动电机、同步带传动机构及带有三个滚轮的球铰机构装配的俯视图；
图7是驱动电机、同步带传动机构及带有三个滚轮的球铰机构的拆分图；
图8是方轴杆与三个滚轮运动配合的主视局部放大图。
图中的零部件名称及标号如下：
主动同步带轮1、驱动电机2、同步带3、被动同步带轮4、球铰机构5、十字形槽6、十字交叉滚子轴承7、方轴杆8、内环框架9、中环框架10、内环框架连接轴11的轴线19、中环框架连接轴12的轴线18、滚轮13、同步带传动机构23、法兰盘24、Delta机器人的机构机体25、V形槽26、Delta机器人末端工作平台27。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式一：如图1～图8所示，顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，它包括驱动电机2、同步带传动机构23、方轴杆8、法兰盘24、十字交叉滚子轴承7及带有三个滚轮13的球铰机构5；所述的驱动电机2与十字交叉滚子轴承7的外环均固定安装(优选用螺钉固定)在Delta机器人的机构机体25上，所述的同步带传动机构23的主动同步带轮1安装在驱动电机2输出轴上，所述的法兰盘24与十字交叉滚子轴承7内环连接，优选用螺钉连接；同步带传动机构23的被动同步带轮4固定安装在法兰盘24上，优选用螺钉固定；所述的法兰盘24与被动同步带轮4均设有中空腔，所述的带有三个滚轮13的球铰机构5设置在法兰盘24的中空腔内且与法兰盘24固定连接，优选用螺钉固定连接；所述的方轴杆8通过所述的球铰机构5的三个滚轮13中穿过，方轴杆8末端与Delta机器人末端工作平台27连接，方轴杆8在夹持的三个滚轮13中做直线移动。方轴杆随着Delta机器人末端工作平台的空间移动，球铰机构也进行相应角度的转动，工作平台运动的同时方轴杆在夹持的三个滚轮中做相应的直线移动，同时可以保证Delta机器人第四轴电机带动同步带轮旋转，通过球铰机构输出径向扭力。
所述的同步带传动机构23包括主动同步带轮1、被动同步带轮4及同步带3，主动同步带轮1通过同步带3与被动同步带轮4连接从而达到了传递扭矩的目的。
所述的方轴杆8的材质为碳纤维。由于碳纤维具有质量小、刚度大的特点，可以使Delta机器人第四轴的运动惯量降到最低。
本实施方式采用了一种顶置球铰滚轮夹持式直线方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，可实现该第四轴机构驱动的Delta机器人末端工作平台27在设计的空间范围内运动时的径向旋转功能。
具体实施方式二：如图1、图7及图8所示，具体实施方式一所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的带有三个滚轮13的球铰机构5包括内环框架9、中环框架10、内环框架连接轴11及中环框架连接轴12；内环框架连接轴11及中环框架连接轴12的数量分别为两个，内环框架9通过两个内环框架连接轴11与中环框架10连接，两个内环框架连接轴11同轴设置；中环框架10通过两个中环框架连接轴12与法兰盘24连接，两个中环框架连接轴12同轴设置，内环框架连接轴11与中环框架连接轴12轴线水平垂直相交设置形成球铰结构，内环框架9以两个内环框架连接轴11的轴线19为中心转动，中环框架10以两个中环框架连接轴12的轴线18为中心转动；两个内环框架连接轴11的轴线19短于两个中环框架连接轴12的轴线18；内环框架9的中空腔为十字形槽6，三个滚轮13中的两个滚轮13位于同一侧且竖直排列安装在十字形槽6内的一侧，三个滚轮13中的剩余一个滚轮13安装在十字形槽6内且位于所述的两个滚轮13的相对侧，三个滚轮13在垂直于滚轮13轴线的竖直面上的投影呈等腰三角形，三个滚轮13的外圆周面均设有V形槽26，所述的方轴杆8的两个对角楞安装在三个滚轮13的V形槽26内，当方轴杆8沿自身长度方向做直线运动时，三个滚轮13的V形槽26对方轴杆8夹持并滚动。所述的V形槽26的顶角为90°，可以更好的夹持方轴杆8。
三个滚轮13内及内环框架9、中环框架10均装有两侧带密封圈(2RS)的滚动轴承，保证该型式的第四轴传动机构在传动过程中不对生产环境造成污染同时长期可靠的使用。
具体实施方式三：如图5及图7所示，具体实施方式三所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的十字形槽6的其中两个相对槽为深槽，十字形槽6余下两个相对槽为浅槽，三个滚轮13中的所述的两个滚轮13均竖直排列安装在十字形槽6内的同一个深槽内，三个滚轮13中的剩余一个滚轮13安装在十字形槽6内的另一个深槽内。
工作原理
Delta机器人末端工作平台27在进行复合运动时，带动与万向节连接的方轴杆8进行直线运动，此时球铰机构5中内环框架9、中环框架10做相应角度的转动，同时通过驱动电机2带动同步带传动机构23所连接的法兰盘24、球铰机构5做旋转运动，带动方轴杆8传递工作平台所需的扭矩。
Claims (5)
1.一种顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，它包括驱动电机(2)、同步带传动机构(23)、方轴杆(8)、法兰盘(24)、十字交叉滚子轴承(7)及带有三个滚轮(13)的球铰机构(5)；所述的驱动电机(2)与十字交叉滚子轴承(7)的外环均固定安装在Delta机器人的机构机体(25)上，所述的同步带传动机构(23)的主动同步带轮(1)安装在驱动电机(2)输出轴上，所述的法兰盘(24)与十字交叉滚子轴承(7)内环连接，同步带传动机构(23)的被动同步带轮(4)固定安装在法兰盘(24)上，所述的法兰盘(24)与被动同步带轮(4)均设有中空腔，所述的带有三个滚轮(13)的球铰机构(5)设置在法兰盘(24)的中空腔内且与法兰盘(24)固定连接；所述的方轴杆(8)通过所述的球铰机构(5)的三个滚轮(13)中穿过，方轴杆(8)末端与Delta机器人末端工作平台(27)连接，方轴杆(8)在夹持的三个滚轮(13)中做直线移动。
2.根据权利要求1所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，其特征在于：所述的方轴杆(8)的材质为碳纤维。
3.根据权利要求1或2所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，所述的带有三个滚轮(13)的球铰机构(5)包括内环框架(9)、中环框架(10)、内环框架连接轴(11)及中环框架连接轴(12)；内环框架连接轴(11)及中环框架连接轴(12)的数量分别为两个，内环框架(9)通过两个内环框架连接轴(11)与中环框架(10)连接，两个内环框架连接轴(11)同轴设置；中环框架(10)通过两个中环框架连接轴(12)与法兰盘(24)连接，两个中环框架连接轴(12)同轴设置，内环框架连接轴(11)与中环框架连接轴(12)轴线水平垂直相交设置形成球铰结构，内环框架(9)以两个内环框架连接轴(11)的轴线(19)为中心转动，中环框架(10)以两个中环框架连接轴(12)的轴线(18)为中心转动；两个内环框架连接轴(11)的轴线(19)短于两个中环框架连接轴(12)的轴线(18)；内环框架(9)的中空腔为十字形槽(6)，三个滚轮(13)中的两个滚轮(13)位于同一侧且竖直排列安装在十字形槽(6)内的一侧，三个滚轮(13)中的剩余一个滚轮(13)安装在十字形槽(6)内且位于所述的两个滚轮(13)的相对侧，三个滚轮(13)在垂直于滚轮(13)轴线的竖直面上的投影呈等腰三角形，三个滚轮(13)的外圆周面均设有V形槽(26)，所述的方轴杆(8)的两个对角楞安装在三个滚轮(13)的V形槽(26)内，当方轴杆(8)沿自身长度方向做直线运动时，三个滚轮(13)的V形槽(26)对方轴杆(8)夹持并滚动。
4.根据权利要求3所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，其特征在于：所述的V形槽(26)的顶角为90°。
5.根据权利要求3所述的顶置球铰夹持方轴杆的Delta机器人第四轴传动机构，其特征在于：所述的十字形槽(6)的其中两个相对槽为深槽，十字形槽(6)余下两个相对槽为浅槽，三个滚轮(13)中的所述的两个滚轮(13)均竖直排列安装在十字形槽(6)内的同一个深槽内，三个滚轮(13)中的剩余一个滚轮(13)安装在十字形槽(6)内的另一个深槽内。
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