CN103934825B - 一种水平关节机器人 - Google Patents

Abstract

一种两自由度机构及利用该机构的水平关节机器人，该两自由度机构包括驱动部件、传动部件、执行部件及封装部件。封装部件包括套筒、固定板及上盖板。执行部件包括执行轴、丝杠螺母、花键螺母，丝杠螺母和花键螺母共用执行轴。丝杠螺母和执行轴配合能够实现执行轴沿Z轴方向的上下移动自由度，花键螺母和执行轴配合能够实现执行轴绕Z轴方向的水平旋转自由度。采用该两自由度机构的水平关节机器人具有结构简单、质量轻、刚度好，精度高，承载能力强，响应速度快的优点。

Description

一种水平关节机器人

技术领域

本发明涉及一种两自由度机构以及一种水平关节机器人，尤其是涉及一种用于水平关节机器人执行末端的两自由度机构以及具有该机构的水平关节机器人。

背景技术

水平关节机器人是目前广泛运用的一种实现高速、柔性分拣和装配的工业机器人。其具有三个转动自由度和一个移动自由度，其中第一转动自由度通过底座与大臂的相对旋转实现，其旋转轴垂直于水平工作面，第二转动自由度通过大臂与小臂的相对旋转实现，其旋转轴平行于第一自由度旋转轴，第一、第二转动自由度共同完成机器人的执行末端在水平工作平面的定位。第三自由度为相对小臂的上下移动自由度，用于实现执行末端在垂直方向的上升或者下降，其运动方向垂直于水平工作平面，第四自由度为转动自由度，用于调整执行末端的方向，该旋转轴与第一、第二旋转轴平行。该类机器人的特点是具有较高的柔性，较短的工作周期，因此特别适合于复杂的装配行业，例如电子元器件，此外，还可以运用于高速分拣及点胶等领域。

对于水平关节机器人而言，由于实现第三、第四自由度的机构位于小臂的末端远离底座，且要直接作用于末端执行结构，其惯量大小及精度高低直接影响整个机器人的性能。目前主要采用滚珠丝杠及滚珠花键实现，滚珠丝杠和滚珠花键之间要设置连接板以将滚珠丝杠的上下运动传递给滚珠花键。滚珠花键的旋转由安装在滚珠花键上方的第四电机及减速器驱动，机器人在工作时第四电机及减速器要随着滚珠花键上下运动。为增加第四轴的刚度，通常需要在滚珠丝杠或花键处要安装设计导轨。该类机器人实现起来结构复杂，刚度较差，而整个执行组件都安装在整个小臂的末端，使得整个机器人的惯量很大，提高了对第一、第二自由度的执行电机的要求，造成整个机器人的惯量严重不匹配，直接降低了整个机器人的性能。

申请号为200910309065.3的中国专利公开了一种水平关节机器人，该机器人由基座，大臂及驱动大臂绕底座第一转轴旋转的第一马达、小臂及驱动小臂绕大臂第二转轴旋转的第二马达构成，其中，小臂上设有滚珠丝杠、套设于滚珠丝杠上的滚珠螺母及驱动该滚珠丝杠转动的第三马达，螺母通过连接板与第四马达固连，第四马达驱动第四转轴转动。与传统水平关节机器人相比，上述专利中的水平关节机器人虽然在其第四自由度机构中省略了带轮、花键等传动机构，但是，由于驱动第四转轴的第四马达仍然需要随着滚珠螺母在竖直方向上运动，不仅消耗能量较多，而且工作时易产生较大的倾覆力，对基座及大臂的电机也提出了较高的要求，严重影响整个机器人的可靠性。

发明内容

鉴于目前水平关节机器人存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度、质量轻、结构简单紧凑、可靠性高的两自由度机构以及具有该机构的水平关节机器人。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种两自由度机构，包括驱动部件、传动部件、执行部件，以及封装部件，其中，所述封装部件包括套筒、固定板以及上盖板，其特征在于：

所述执行部件包括执行轴、丝杠螺母、花键螺母，所述丝杠螺母和所述花键螺母共用所述执行轴，其中，所述丝杠螺母和所述执行轴配合能够实现所述执行轴沿Z轴方向的上下移动自由度，所述花键螺母和所述执行轴配合能够实现所述执行轴绕Z轴方向的水平旋转自由度；

所述驱动部件包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述传动部件包括第一传动部件和第二传动部件，其中，所述第一传动部件一端连接所述第一驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述丝杠螺母的端面，所述第二传动部件一端连接所述第二驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述花键螺母的端面；

所述丝杠螺母通过第一轴承部件固定安装于所述套筒一端，所述第一轴承部件的外圈通过所述上盖板固定，所述花键螺母通过第二轴承部件固定安装于所述套筒另一端，所述第二轴承部件的外圈通过所述固定板固定；

与所述丝杠螺母相连的所述第一传动部件提供所述第一轴承部件所需的预紧力，与所述花键螺母相连的所述第二传动部件提供所述第二轴承部件所需的预紧力，固定板4用于固定、安装和支撑整个机构。

根据本发明的技术方案，可以实现以下有益效果：(1)丝杠螺母与花键螺母共用一根执行轴，结构简单紧凑；(2)用于实现水平旋转自由度的驱动机构不必随丝杠螺母进行上下升降运动，有利于提高运动精度和可靠性；(3)丝杠螺母及花键螺母的固定轴承通过安装在丝杠螺母及花键螺母上的传动部件直接进行定位和预紧，能够有效增加整个机构的刚度，使得结构更加紧凑和可靠；(4)整个机构紧凑地封装在上盖板、套筒及固定板内部，因此不会与附近的线缆及气路等相互影响、干扰，可靠性强。

根据本发明的一种实施方式，所述第一驱动部件为伺服电机M1，所述第二驱动部件为伺服电机M2。

根据本发明的一种实施方式，所述第一传动部件包括第一同步带传动系统，其中，所述第一同步带传动系统一端连接于所述伺服电机M1的输出轴，另一端设有第一带轮，所述第一带轮通过螺钉固定安装于所述丝杠螺母的端面，通过调节所述第一带轮上螺钉预紧力的大小可提供所述第一轴承部件所需的预紧力；所述第二传动部件包括第二同步带传动系统、第三同步带传动系统，其中，第二同步带传动系统和第三同步带传动系统共同构成一个二级传动系统，所述二级传动系统的一端连接于所述伺服电机M2的输出轴，另一端设有第二带轮，所述第二带轮通过螺钉固定安装于所述花键螺母的端面，通过调节所述第二带轮上螺钉预紧力的大小可提供所述第二轴承部件所需的预紧力。

根据本发明的一种实施方式，所述执行轴为空心轴。

根据本发明的一种实施方式，所述花键螺母上安装有用于检测所述执行轴转动角度的角度传感器。

根据本发明的一种实施方式，所述轴承部件为单个或一对角接触球轴承，或者为单个或一对深沟球轴承。

根据本发明的上述实施方式，本发明还具有以下优点：(1)执行轴为空心轴，不仅能够进一步降低小臂的惯量，而且还能够使连接安装于执行轴末端的执行部件的配线、配管从执行轴中间穿过，使得结构更加紧凑的同时，还使得配线、配管和执行轴同轴，减少了工作过程中配线、配管的弯曲程度和弯曲次数，从而有效延长配线、配管的使用寿命；(2)设于花键螺母上的角度传感器能够实时检测及反馈执行轴的实际转动角位移，从而能够提高执行轴的角度定位精度；(3)二级传动系统的设计，使得电机可尽量远离执行轴，从而进一步降低整个机构的惯量。

本发明还提供了一种水平关节机器人，包括：

底座，其上设有第一转轴及驱动所述第一转轴旋转的第一马达；

大臂，其一端通过所述第一转轴可转动地与所述底座连接，另一端设有第二转轴及驱动所述第二转轴旋转的第二马达；

小臂，其一端通过所述第二转轴可转动地与所述大臂另一端连接；

其特征在于：所述小臂设有一个两自由度机构，所述两自由度机构包括驱动部件、传动部件、执行部件，以及封装部件，其中，

所述封装部件包括套筒、固定板以及上盖板；

所述执行部件包括执行轴、丝杠螺母、花键螺母，所述丝杠螺母和所述花键螺母共用所述执行轴，其中，所述丝杠螺母和所述执行轴配合能够实现所述执行轴沿Z轴方向的上下移动自由度，所述花键螺母和所述执行轴配合能够实现所述执行轴绕Z轴方向的水平旋转自由度；

所述驱动部件包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述传动部件包括第一传动部件和第二传动部件，其中，所述第一传动部件一端连接所述第一驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述丝杠螺母的端面，所述第二传动部件一端连接所述第二驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述花键螺母的端面；

所述丝杠螺母通过第一轴承部件固定安装于所述套筒一端，所述第一轴承部件的外圈通过所述上盖板固定，所述花键螺母通过第二轴承部件固定安装于所述套筒另一端，所述第二轴承部件的外圈通过所述固定板固定；

与所述丝杠螺母相连的所述第一传动部件提供所述第一轴承部件所需的预紧力，与所述花键螺母相连的所述第二传动部件提供所述第二轴承部件所需的预紧力。

根据本发明的一种实施方式，所述执行轴末端设有内螺纹和止动孔，用于连接末端执行机构。

根据本发明的一种实施方式，所述末端执行机构为吸盘或机械爪。

根据本发明提供的水平关节机器人，结构简单、质量轻、惯量小，大大提高了整个机器人的负载能力、响应速度、精度及刚度，并且方便安装和连接不同的末端执行器，从而使得整个机器人结构更加柔性化、紧凑和可靠。

附图说明

附图1为本发明的两自由度机构的装配示意图；

附图2为本发明的两自由度机构的内部结构图；

附图3为本发明的两自由度机构应用于水平关节机器人的传动示意图。

具体实施方式

结合以下附图对本发明的实施方式进行描述将使本发明的技术方案变得更加明显和容易理解。

同时参考附图1、附图2和附图3，两自由度机构100a，包括伺服电机M1210、伺服电机M2206、执行轴1、丝杠螺母8、花键螺母10、第一带轮2、第二带轮5、第一同步带传动系统211、第二同步带传动系统207、第三同步带传动系统208、套筒6、固定板4及上盖板3，其中，固定板4用于固定、安装和支撑整个机构，套筒6用于支撑、分离并固定带轮2和带轮5。

所述第一同步带传动系统211一端连接于所述伺服电机M1210的输出轴，另一端设有所述第一带轮2，所述第一带轮2通过螺钉固定安装于所述丝杠螺母8的端面，因此，丝杠螺母8和驱动该丝杠螺母8的第一带轮2具有相同的运动。

所述第二同步带传动系统207和第三同步带传动系统208共同构成一个二级传动系统，所述二级传动系统的一端连接于所述伺服电机M2206的输出轴，另一端设有所述第二带轮5，所述第二带轮5通过螺钉固定安装于所述花键螺母10的端面，因此，花键螺母10和驱动该花键螺母10的第二带轮5具有相同的运动。所述同步带传动系统207、208共同组成一个二级传动系统的目的是，将电机M2206及电机M1210布置得尽量靠近大臂203，进一步降低整个小臂209的惯量，并提高整个机器人200a的负载能力。

丝杠螺母8安装于执行轴1一端，并通过一对角接触球轴承7固定在套筒6一端，同时通过第一带轮2提供角接触球轴承7所需的预紧力，即，通过调节第一带轮2上的固定螺钉预紧力的大小来调节轴承所需的预紧力。角接触球轴承7的外圈通过所述上盖板3固定。丝杠螺母8和执行轴1配合能够实现执行轴1沿Z轴方向的上下移动自由度。

花键螺母10安装于执行轴1另一端，并通过一对角接触球轴承9固定在套筒6另一端，同时通过第二带轮5提供角接触球轴承9所需的预紧力，即，通过调节第二带轮5上的固定螺钉预紧力的大小来调节轴承所需的预紧力。角接触球轴承9的外圈通过所述固定板4固定。花键螺母10和执行轴1配合能够实现执行轴1绕Z轴方向的水平旋转自由度。

如此，通过第一带轮2及第二带轮5分别对角接触球轴承7及角接触球轴承9直接进行定位和预紧，以消除定位间隙，能够增加整个结构的刚度，使得整个结构更加紧凑和可靠。

整个机构紧凑的封装在上盖板3、套筒6及固定板4内部，因此不会和该机构附近的线缆及气路等产生相互影响，可靠性更强。而整个机构通过固定板4固定安装在机器人的小臂209的末端上。

更进一步地，为降低整个小臂209的惯量，该执行轴1设计为空心结构。而且，这样能使机器人末端执行器的电缆、气动管道等配线、配管从执行轴1的中间通过，使得结构更加紧凑的同时，还能使得电缆、气动管道等配线、配管和执行轴1同轴，减少了执行轴1及机器人末端执行器工作过程中多电缆、气动管道等配线、配管的弯曲程度和弯曲次数，有效的延长电缆及气动管道等配线、配管的使用寿命。

更进一步地，花键螺母10上安装有检测执行轴1的角度位移的角度传感器。这样能够通过角度传感器测得执行轴1的实际转动角度，并反馈给控制系统，以弥补同步带传动系统207、208及花键螺母10和执行轴1间的传动误差。

更进一步地，执行轴1的下端内孔攻有螺纹及止动孔。这样能够根据不同的需要将机器人末端执行器通过该螺纹安装到执行轴1上，使得连接方便，具有较好的柔性。

更进一步地，机器人末端执行器可以为吸盘或机械爪。这样能够更加方便地抓取不同的物体。

另一种可行的方案是，丝杠螺母8通过一个角接触球轴承固定安装在套筒6上，花键螺母也通过一个角接触球轴承固定安装在套筒6上，且两轴承呈背对背或者面对面安装。其它结构均与上述第一种技术方案相同。

还有一种可行的方案是，丝杠螺母8通过一个深沟球轴承固定安装在套筒6上，而花键螺母通过一对角接触球轴承固定安装在套筒6上，且两轴承呈背对背或者面对面安装。其它结构均与上述第一种技术方案相同。

这两种可行的方案与第一种技术方案相比成本较低。

下面来具体介绍两自由度机构100a在水平关节机器人上的应用。参考附图3，水平关节机器人200a，主要有以下几个部分组成：底座201，通过伺服电机及减速器连接的可相对底座转动的大臂203，它们共同实现机器人的第一个转动自由度；通过另一组伺服电机和减速器连接的小臂209，其可相对大臂203转动，它们共同实现了机器人的第二个转动自由度。两自由度机构100a固定安装在水平关节机器人200a的小臂209末端，以实现机器人执行末端的上下移动自由度以及水平转动自由度。

下面详细介绍该两自由度机构实现水平关节机器人的上下移动自由度及水平转动自由度的工作过程。

当要实现水平关节机器人的上下移动自由度，即，即执行轴1相对小臂209做沿Z轴的上下运动而不转动时，电机210工作且电机206不工作，通过同步带传动系统211驱动安装在两自由度机构100a上的第一带轮2，由于第一带轮2与丝杠螺母8具有相同的运动，故使得执行轴1相对丝杠螺母8做上下运动，即实现了水平关节机器人的上下移动自由度。

当要实现水平关节机器人的水平转动自由度时，即执行轴1相对于小臂209做绕Z轴的水平旋转运动而不发生上下运动时，电机206工作，通过二级同步带传动系统207、208驱动安装在两自由度机构100a上的第二带轮5，又由于第二带轮5与花键螺母10具有相同的运动，进而花键螺母10驱动执行轴1旋转，同时安装在花键螺母10上的角度传感器将执行轴1角位移反馈给控制器，则控制器根据执行轴1的目标角度和实际动作的角度进行下一步的动作。由于花键螺母10和丝杠螺母8均安装在执行轴1上，故此时相对丝杠螺母8做旋转运动的执行轴1必定会发生上下运动，为了抵消该上下运动，根据滚珠丝杠的工作原理，电机210也要同时工作，且使得第一带轮2与执行轴1具有相同的运动速度和方向。

若要同时实现水平关节机器人上下移动自由度和水平转动自由度的运动，则可根据运动的实际需要控制电机206、210的动作。

尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种两自由度机构，包括驱动部件、传动部件、执行部件，以及封装部件，其中，所述封装部件包括套筒(6)、固定板(4)以及上盖板(3)，其特征在于：所述执行部件包括执行轴(1)、丝杠螺母(8)、花键螺母(10)，所述丝杠螺母(8)和所述花键螺母(10)共用所述执行轴(1)，其中，所述丝杠螺母(8)和所述执行轴(1)配合能够实现所述执行轴(1)沿Z轴方向的上下移动自由度，所述花键螺母(10)和所述执行轴(1)配合能够实现所述执行轴(1)绕Z轴方向的水平旋转自由度；

所述驱动部件包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述传动部件包括第一传动部件和第二传动部件，其中，所述第一传动部件一端连接所述第一驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述丝杠螺母(8)的端面，所述第二传动部件一端连接所述第二驱动部件的输出轴，另一端固定安装于所述花键螺母(10)的端面；

所述丝杠螺母(8)通过第一轴承部件固定安装于所述套筒(6)一端，所述第一轴承部件的外圈通过所述上盖板(3)固定，所述花键螺母(10)通过第二轴承部件固定安装于所述套筒(6)另一端，所述第二轴承部件的外圈通过所述固定板(4)固定；

与所述丝杠螺母(8)相连的所述第一传动部件提供所述第一轴承部件所需的预紧力，与所述花键螺母(10)相连的所述第二传动部件提供所述第二轴承部件所需的预紧力，固定板(4)用于固定、安装和支撑整个机构；

所述第一驱动部件为伺服电机M1(210)，所述第二驱动部件为伺服电机M2(206)；

所述第一传动部件包括第一同步带传动系统(211)，其中，所述第一同步带传动系统(211)一端连接于所述伺服电机M1(210)的输出轴，另一端设有第一带轮(2)，所述第一带轮(2)通过螺钉固定安装于所述丝杠螺母(8)的端面，通过调节所述第一带轮(2)上螺钉预紧力的大小可提供所述第一轴承部件所需的预紧力；所述第二传动部件包括第二同步带传动系统(207)、第三同步带传动系统(208)，其中，第二同步带传动系统(207)和第三同步带传动系统(208)共同构成一个二级传动系统，所述二级传动系统的一端连接于所述伺服电机M2(206)的输出轴，另一端设有第二带轮(5)，所述第二带轮(5)通过螺钉固定安装于所述花键螺母(10)的端面，通过调节所述第二带轮(5)上螺钉预紧力的大小可提供所述第二轴承部件所需的预紧力。

2.如权利要求1所述的两自由度机构，其特征在于：所述执行轴(1)为空心轴。

3.如权利要求1所述的两自由度机构，其特征在于：所述花键螺母(10)上安装有用于检测所述执行轴(1)转动角度的角度传感器。

4.如权利要求1所述的两自由度机构，其特征在于：所述轴承部件为单个或一对角接触球轴承，或者为单个或一对深沟球轴承。

5.一种水平关节机器人，包括：

底座(201)，其上设有第一转轴及驱动所述第一转轴旋转的第一马达；

大臂(203)，其一端通过所述第一转轴可转动地与所述底座(201)连接，另一端设有第二转轴及驱动所述第二转轴旋转的第二马达；

小臂(209)，其一端通过所述第二转轴可转动地与所述大臂(203)另一端连接；其特征在于：所述小臂(209)设有如权利要求1-4之一所述的两自由度机构。

6.如权利要求5所述的水平关节机器人，其特征在于：所述执行轴(1)末端设有内螺纹和止动孔，用于连接末端执行机构。

7.如权利要求6所述的水平关节机器人，其特征在于：所述末端执行机构为吸盘或机械爪。