CN104029199A - 一种平动半解耦服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平动半解耦服务机器人，包括驱动机械臂沿Z轴升降的升降机构、驱动机械臂绕Z轴摆动的腰转机构、绕Z轴转动的前臂摆动机构、绕X轴转动的前臂回转机构、绕Y轴转动的腕部俯仰机构、绕Z轴转动的腕部自转机构。通过升降机构实现沿Z轴方向的升降运动，通过腰转机构实现绕Z轴旋转运动，通过前臂水平摆动机构实现二次绕Z轴旋转运动，通过腕部自转机构实现三次绕Z轴旋转运动，通过腕部俯仰机构实现绕Y轴旋转运动，通过前臂回转机构实现绕X轴回转运动，另外以上六个机构间结构布局合理紧凑，尽可能的减小了其占地面积。

Description

一种平动半解耦服务机器人

技术领域

本发明涉及一种平动半解耦服务机器人，尤其涉及一种可实现六个自由度的结构紧凑的平动半解耦服务机器人。

背景技术

服务机器人在老龄化加剧的21世纪，越来越受到关注。有关服务机器人机械臂的设计状况主要借鉴了工业机器人的设计，国外比较经典的机械臂有1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度，(包括沿X，Y，Z方向的平移和绕Z轴的旋转自由度)，在垂直方向的精度比较高，但由于自由度不够，只能完成简单的操作；国内近期的机械臂研究有2009年中国农业大学设计了组培苗移植机器人机械臂，确定组培苗移植机器人机械臂为具有两个水平转动关节和1个垂直移动关节的3自由度结构。2013年中国民航大学机场学院、河北工业大学机械工程学院和中国民航大学机器人研究所，根据飞机表面清洗机器人的非结构化特征，设计了一种带平移自由度的六自由度机械臂。就目前机械臂的研究情况来看，仍存在一些问题，有的自由度少，运动功能有限；也有的自由度多，灵活度提高，但自身精度不能保证。

若各自由度的运动由各自的关节上的驱动电机单独实现，相互之间理论上完全独立，则是完全解耦。但设计完全解耦的机构一般比较困难或者占地面积大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种平动半解耦服务机器人，具有能够实现6个自由度和结构紧凑的特点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种平动半解耦服务机器人，其创新点在于包括：

驱动机械臂沿Z轴升降的升降机构，所述升降机构包括中心轴线竖直设置的丝杆、设置于所述丝杆上方且与所述丝杆直连的升降电机、螺纹连接在所述丝杆上的丝杆螺母，所述丝杆螺母固连在后臂上下板上，所述后臂上下板固连在上所述后臂左右板上，所述升降电机固连在上极限板上；

驱动机械臂绕Z轴摆动的腰转机构，所述腰转机构包括设置于所述丝杆下方的腰部转动电机、位于所述腰部转动电机与所述丝杆间的下轴承和腰转法兰，所述腰部转动电机固连在下支撑板上，该下轴承外圈与所述下支撑板固连，该下轴承内圈与所述腰转法兰固连，所述腰转法兰固连在下极限板上，所述丝杆固定在所述下极限板上；

绕Z轴转动的前臂摆动机构，所述前臂摆动机构固定连接在所述后臂上下板上，包括竖直设置且固定在后臂上下板上的前臂水平摆动电机、固定在所述前臂水平摆动电机的摆动轴上的前臂上下板，所述后臂上下板固连在所述后臂上下板上；

绕X轴转动的前臂回转机构，所述前臂回转机构固连在所述前臂摆动机构中的所述前臂上下板上，包括水平设置且固定连接在前臂回转连接座上的前臂回转电机、前臂滚子轴承、前臂回转法兰、前臂U形回转连接座，所述前臂回转连接座固定连接在所述前臂上下板上，所述前臂滚子轴承外圈固定连接在所述前臂回转连接座上，所述前臂滚子轴承内圈固定连接在所述前臂回转法兰上，所述前臂回转法兰连接在所述前臂U形回转连接座上；

绕Y轴转动的腕部俯仰机构，所述腕部俯仰机构固定连接在所述前臂回转机构中的所述前臂U形回转连接座上，包括水平设置且固定连接在前臂U形连接板上的腕部俯仰电机、腕部俯仰U形支座，所述前臂U形连接板固连在所述前臂U形回转连接座上，所述腕部俯仰U形支座固定连接在所述腕部俯仰电机的回转轴上；

绕Z轴转动的腕部自转机构，所述腕部自转机构固定连接在所述腕部俯仰机构中的所述腕部俯仰U形支座上，包括垂直设置且固定设置在腕部L形座上的腕部自转电机、腕部法兰盘，所述腕部L形座固定连接在所述腕部俯仰U形支座上，所述腕部法兰盘与所述腕部自转电机直连。

优选的，所述升降机构上设置有垂直导向机构，所述垂直导向机构包括对称于所述丝杆平行设置的2根导向柱、空套在所述导向柱上且固定设置在所述后臂上下板上的导套，所述导向柱穿过所述上极限板，该导向柱下端固定设置在所述下极限板上，该导向柱上端固定设置在上支撑板上，所述升降电机穿过所述上支撑板。

优选的，所述升降机构上设置有机座，所述机座由上底板、下底板以及设置与所述上底板与所述下底板间的支柱组成，所述上底板与所述上支撑板间设置有上轴承，该上轴承内圈固定连接所述上支撑板，该上轴承外圈固定连接所述上底板，所述下底板与所述下支撑板间固定设置有腰转支撑柱。

优选的，所述上极限板上设置有用于限制所述升降机构上极限位置的限位传感器A，所述下极限板上设置有用于限制所述升降机构下极限位置的限位传感器B。

优选的，所述后臂上下板上分别设置有限制所述前臂摆动机构前极限位置和后极限位置的限位传感器C和限位传感器D。

优选的，所述前臂U形回转连接座上分别设置有限制所述腕部俯仰机构上极限位置和下极限位置的限位传感器E和限位传感器F。

优选的，所述前臂U形连接板上分别设置有限制所述腕部自转机构左极限位置和右极限位置的限位传感器H和限位传感器G。

本发明的优点在于：通过升降机构实现沿Z轴方向的升降运动，通过腰转机构实现绕Z轴旋转运动，通过前臂水平摆动机构实现二次绕Z轴旋转运动，通过腕部自转机构实现三次绕Z轴旋转运动，通过腕部俯仰机构实现绕Y轴旋转运动，通过前臂回转机构实现绕X轴回转运动，另外以上6个机构间结构布局合理紧凑，尽可能的减小了其占地面积。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

图1是本发明一种平动半解耦服务机器人的自由度分布图。

图2是本发明一种平动半解耦服务机器人的主视图。

图3是本发明一种平动半解耦服务机器人的俯视图。

图4是本发明一种平动半解耦服务机器人中腰转机构的结构示意图。

图5是本发明一种平动半解耦服务机器人中升降机构的结构示意图。

图6是本发明一种平动半解耦服务机器人中前臂摆动机构的结构示意图。

图7是本发明一种平动半解耦服务机器人中前臂回转机构的结构示意图。

图8是本发明一种平动半解耦服务机器人中腕部俯仰机构的结构示意图。

图9是本发明一种平动半解耦服务机器人中腕部自转机构的结构示意图。

图中：1-下底板、2-腰转支撑柱、3-腰部转动电机、4-下支撑板、5-下轴承、6-下极限板、7-腰转法兰、8-导套、9-后臂左右板、10-丝杆螺母、11-支柱、12-导向柱、13-丝杆、14上极限板、15-上支撑板、16-上轴承、17-上底板、18-升降电机、19-后臂上下板、20-前臂水平摆动电机、21-摆动轴、22-前臂回转电机、23-前臂上下板、24-前臂回转连接座、25-前臂滚子轴承、26-前臂回转法兰、27-前臂U形回转连接座、28-前臂U形连接板、29-腕部自转电机、30-腕部L形座、31-腕部法兰盘、32-腕部俯仰电机、33-回转轴、34-腕部俯仰U形支座、35-限位传感器A、36-限位传感器B、37-限位传感器C、38-限位传感器D、39-限位传感器E、40-限位传感器F、41-限位传感器G、42-限位传感器H。

具体实施方式

本机器人包括机座以及实现六个自由度的相关机构，其中机座包括上底板17、下底板1和支柱11，上底板18和下底板1相互平行，支柱11分别与上底板17和下底板18相垂直且固连。六自由度相关机构有腰转机构、丝杆机构、前臂水平摆动机构、前臂回转机构、腕部俯仰机构和腕部自转机构。

腰转机构实现机器人腰部转动工作，即：使机械臂绕丝杆13来回摆动，与前臂水平摆动机构配合实现机械臂末端在XOY平面的移动。如图4所示，腰转机构涉及到腰部转动电机3、腰转法兰7、下轴承5、上轴承16、腰转下支撑板4、上支撑板15和腰转支撑柱2。其中，腰转支撑柱2与腰转下支撑板4固连且垂直，下轴承5内圈与腰转下支撑板4固连，腰转法兰7与下轴承5外圈固连，腰转法兰7与下极限板6固连，上轴承16内圈与上支撑板15固连，上轴承16外圈与机器人上底板17固连。腰部转动由腰部转动电机3驱动腰转法兰7，再由腰转法兰带动固定在其上的丝杆机构，通过丝杆机构带动机械臂转动。

升降机构实现机械臂的升降，涉及到升降电机18、丝杆13、丝杆螺母10、导向柱12、导套8、后臂上下板19、后臂左右板9、下极限板6和上极限板14。其中升降机构中包含垂直导向机构，该垂直导向机构包括对称于丝杆13平行设置的2根导向柱12、空套在导向柱12上且固定设置在后臂上下板19上的导套8，导向柱12穿过上极限板14，该导向柱12下端固定设置在下极限板6上。升降电机18与上极限板14固连，后臂左右板9与后臂上下板19固连，导套8与导向柱12构成移动副，机械臂升降由升降电机18带动丝杆13做旋转运动，通过丝杆13与丝杆螺母10的配合将旋转运动转变为机械臂在上极限板和下极限板之间的直线运动。另外为了防止升降机构中丝杆螺母10超预设范围运行，在上极限板14上设置有用于限制升降机构上极限位置的限位传感器A35，下极限板6上设置有用于限制升降机构下极限位置的限位传感器B36。

前臂摆动机构实现前臂在XOY平面内的水平摆动，与腰转机构配合实现机械臂末端在XOY平面内的移动。前臂水平摆动机构涉及前臂水平摆动电机20、前臂水平摆动轴21和前臂上下板23。其中，前臂水平摆动电机20与后臂上板固连，后臂左右板9与后臂上下板19固连，前臂水平摆动轴21与后臂上下板19垂直且固连，通过轴承构成转动副。前臂水平摆动电机20带动前臂水平摆动轴21，前臂水平摆动轴21带动前臂上下板23做旋转运动。另外为了防止前臂摆动机构超预设范围运行，在后臂上下板19上分别设置有限制前臂摆动机构前极限位置和后极限位置的限位传感器C37和限位传感器D38。

前臂回转机构实现前臂单独的回转运动，涉及前臂回转电机22、前臂回转连接座24、前臂回转法兰26、前臂回转U型连接座27和前臂滚子轴承25。其中，前臂回转电机22与前臂回转法兰26同轴线，并带动法兰旋转，前臂回转法兰26与前臂滚子轴承25内圈固连，前臂回转法兰26与前臂回转U型连接座27固连，前臂回转U型连接座27与前臂U型联接板28固连，前臂滚子轴承25外圈与前臂回转连接座24固连，前臂回转连接座24与前臂上下板23固连，前臂回转连接座24、前臂回转U型连接座27和前臂回转法兰26通过前臂滚子轴承25构成旋转副。前臂回转电机22驱动前臂回转法兰26，再由前臂回转法兰26带动固定在其上的前臂回转U型连接座27即整个前臂做回转运动。

腕部俯仰机构实现腕部的俯仰动作，涉及腕部俯仰电机32、腕部回转轴33和前臂U型联接板28和腕部俯仰U型支座34。其中，腕部俯仰电机32与前臂U型联接板28固连，腕部俯仰U型支座34与腕部回转轴33固连。腕部俯仰电机32带动腕部回转轴33和腕部自转机构旋转，形成俯仰运动。另外为了防止腕部俯仰机构超预设范围运行，在前臂U形回转连接座27上分别设置有限制腕部俯仰机构上极限位置和下极限位置的限位传感器E39和限位传感器F40。

腕部自转机构实现腕部单独的旋转运动，包括腕部自转电机29、腕部L型座30和腕部法兰盘31。其中，腕部自转电机29与腕部L型座30固连，腕部L型座30与腕部俯仰U型支座34固连。腕部自转电机29带动腕部法兰盘31做旋转运动。另外为了防止腕部自转机构超预设范围运行，在前臂U形连接板30上分别设置有限制腕部自转机构左极限位置和右极限位置的限位传感器H42和限位传感器G41。

以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种平动半解耦服务机器人，其特征在于包括：

驱动机械臂沿Z轴升降的升降机构，所述升降机构包括中心轴线竖直设置的丝杆、设置于所述丝杆上方且与所述丝杆直连的升降电机、螺纹连接在所述丝杆上的丝杆螺母，所述丝杆螺母固连在后臂上下板上，所述后臂上下板固连在上所述后臂左右板上，所述升降电机固连在上极限板上；

驱动机械臂绕Z轴摆动的腰转机构，所述腰转机构包括设置于所述丝杆下方的腰部转动电机、位于所述腰部转动电机与所述丝杆间的下轴承和腰转法兰，所述腰部转动电机固连在下支撑板上，该下轴承外圈与所述下支撑板固连，该下轴承内圈与所述腰转法兰固连，所述腰转法兰固连在下极限板上，所述丝杆固定在所述下极限板上；

绕Z轴转动的前臂摆动机构，所述前臂摆动机构固定连接在所述后臂上下板上，包括竖直设置且固定在后臂上下板上的前臂水平摆动电机、固定在所述前臂水平摆动电机的摆动轴上的前臂上下板，所述后臂上下板固连在所述后臂上下板上；

绕X轴转动的前臂回转机构，所述前臂回转机构固连在所述前臂摆动机构中的所述前臂上下板上，包括水平设置且固定连接在前臂回转连接座上的前臂回转电机、前臂滚子轴承、前臂回转法兰、前臂U形回转连接座，所述前臂回转连接座固定连接在所述前臂上下板上，所述前臂滚子轴承外圈固定连接在所述前臂回转连接座上，所述前臂滚子轴承内圈固定连接在所述前臂回转法兰上，所述前臂回转法兰连接在所述前臂U形回转连接座上；

绕Y轴转动的腕部俯仰机构，所述腕部俯仰机构固定连接在所述前臂回转机构中的所述前臂U形回转连接座上，包括水平设置且固定连接在前臂U形连接板上的腕部俯仰电机、腕部俯仰U形支座，所述前臂U形连接板固连在所述前臂U形回转连接座上，所述腕部俯仰U形支座固定连接在所述腕部俯仰电机的回转轴上；

绕Z轴转动的腕部自转机构，所述腕部自转机构固定连接在所述腕部俯仰机构中的所述腕部俯仰U形支座上，包括垂直设置且固定设置在腕部L形座上的腕部自转电机、腕部法兰盘，所述腕部L形座固定连接在所述腕部俯仰U形支座上，所述腕部法兰盘与所述腕部自转电机直连。

2.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述升降机构上设置有垂直导向机构，所述垂直导向机构包括对称于所述丝杆平行设置的2根导向柱、空套在所述导向柱上且固定设置在所述后臂上下板上的导套，所述导向柱穿过所述上极限板，该导向柱下端固定设置在所述下极限板上，该导向柱上端固定设置在上支撑板上，所述升降电机穿过所述上支撑板。

3.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述升降机构上设置有机座，所述机座由上底板、下底板以及设置与所述上底板与所述下底板间的支柱组成，所述上底板与所述上支撑板间设置有上轴承，该上轴承内圈固定连接所述上支撑板，该上轴承外圈固定连接所述上底板，所述下底板与所述下支撑板间固定设置有腰转支撑柱。

4.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述上极限板上设置有用于限制所述升降机构上极限位置的限位传感器A，所述下极限板上设置有用于限制所述升降机构下极限位置的限位传感器B。

5.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述后臂上下板上分别设置有限制所述前臂摆动机构前极限位置和后极限位置的限位传感器C和限位传感器D。

6.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述前臂U形回转连接座上分别设置有限制所述腕部俯仰机构上极限位置和下极限位置的限位传感器E和限位传感器F。

7.如权利要求1所述的一种平动半解耦服务机器人，其特征在于：所述前臂U形连接板上分别设置有限制所述腕部自转机构左极限位置和右极限位置的限位传感器H和限位传感器G。