CN104265854B - 六自由度Delta机器人传动机构 - Google Patents

Abstract

六自由度Delta机器人传动机构，涉及一种机器人传动机构，为满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能的需求。主驱动及辅助驱动电机固定在机体平台上，中空主运动臂与主驱动被动同步带轮连接，主驱动电机与主驱动同步带传动机构传动连接，辅助驱动连接轴通过两个万向节与中空主运动臂和锥齿轮副传动机构连接，平行四边形连杆机构与中空主运动臂及末端工作平台球铰接；辅助驱动同步带轮固套装在辅助驱动电机输出轴上，辅助驱动同步带轮与辅助转动被动同步带轮通过辅助驱动同步带连接，辅助驱动同步带轮轮轴与辅助转动被动同步带轮的轮轴交错90°设置，上万向节与辅助转动被动同步带轮轮轴转动连接。本发明用于Delta机器人上。

Description

六自由度Delta机器人传动机构

技术领域

本发明涉及一种机器人传动机构，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、包装机器人的首选机型，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，目前应用领域中六自由度Delta机器人主运动轴和辅助运动轴的传动机构主要有以下两种结构形式：

一、三个主动轴机构以并联形式安装布置在机座平台之上，其主轴中心线在同一平面重合并与平台平行；三个辅助运动轴机构以并联形式分别安装布置在三个主动轴机构的连杆机构上，这种结构形式的特点在于：辅助运动轴驱动电机及传动机构置于连杆机构之上，这种结构只需用一个万向节并且在理论上辅助运动轴工作中无需轴向的伸缩运动，既可实现机器人运动过程中末端平台在运动空间内的运动以及辅助运动轴的径向旋转功能。二、三个主动轴机构以并联形式安装布置在机座平台之上，其主轴中心线在同一平面重合并与平台平行；三个辅助运动轴机构也以并联形式安装布置在机座平台之上，辅助运动驱动电机中心线与机座平台垂直，各辅助运动驱动机构联接机器人末端平台的传动轴上下二端装有万向节，中间装有可轴向伸缩的滚珠花键轴以满足机器人运动过程中末端平台在运动空间内的运动和辅助运动轴的轴向伸缩和径向旋转功能。以上所述两种形式的六自由度Delta机器人运行过程中所存在的问题是：第一种形式，因为是将辅助运动驱动机构置于Delta机器人主动轴的连杆机构之上，这样就增加了主动轴驱动电机的负载，也限制了机器人的工作运动频率与效率；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。第二种形式，虽然辅助运动驱动电机是安装在Delta机器人机体平台之上，但是辅助驱动轴是滚珠花键轴，滚珠花键轴为合金钢材料制造，质量重、运动惯量大，给机器人的主驱动电机增加负荷；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。综上所述，为满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能的需求，六自由度Delta机器人传动机构现状仍有技术改革的必要。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的上述问题，提供一种六自由度Delta机器人传动机构，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：

六自由度Delta机器人传动机构，它包括机体平台、三个中空主运动臂、三个主动驱动传动机构、三个辅助交错轴驱动传动机构、三个平行四边形连杆机构及四、五、六轴传动机构，所述的中空主运动臂的一端设有固定套；所述的三个主动驱动传动机构均包括主驱动电机及主驱动同步带传动机构，所述的三个辅助交错轴驱动传动机构均包括辅助驱动电机、辅助驱动同步带轮、臂端座、辅助转动被动同步带轮及辅助驱动同步带；所述的四、五、六轴传动机构包括末端工作平台、三个上万向节、三个下万向节、三个辅助驱动连接轴及三对锥齿轮副传动机构；

机体平台为圆盘形状，机体平台的外圆周边缘沿径向开有三个开口，所述的三个开口沿机体平台的圆周均布设置，三个主驱动电机和三个辅助驱动电机均固定在机体平台上，且三个主驱动电机和三个辅助驱动电机分别沿机体平台的圆周均布设置，中空主运动臂与主驱动同步带传动机构的主驱动被动同步带轮连接，主驱动电机与主驱动同步带传动机构传动连接，主驱动被动同步带轮的轴线与辅助驱动电机输出轴轴线重合；三个中空主运动臂与机体平台上的三个开口一一对应设置；辅助驱动连接轴上端通过上万向节与中空主运动臂连接，平行四边形连杆机构上下两端分别与中空主运动臂及末端工作平台球铰接；辅助驱动同步带轮固套装在辅助驱动电机的输出轴上，且所述的辅助驱动同步带轮设置在中空主运动臂内部，辅助转动被动同步带轮转动安装在臂端座内部，辅助驱动同步带轮与辅助转动被动同步带轮通过辅助驱动同步带连接，辅助驱动同步带轮的轮轴与辅助转动被动同步带轮的轮轴交错90°设置，上万向节与辅助转动被动同步带轮轮轴转动连接；三对锥齿轮副传动机构设置在末端工作平台内，三个辅助驱动连接轴下端各通过一个下万向节与三对锥齿轮副传动机构传动连接。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

一、主驱动被动同步带轮的轴线与辅助驱动电机输出轴轴线重合；辅助驱动同步带轮的轮轴与辅助转动被动同步带轮的轮轴交错90°设置，通过辅助驱动电机带动辅助驱动同步带轮转动，辅助驱动同步带轮通过辅助驱动同步带带动臂端座上的辅助转动被动同步带轮转动，通过上万向节驱动辅助驱动连接轴，从而驱动三对锥齿轮副传动机构转动，实现末端的三自由度的辅助运动；由于辅助驱动电机与主驱动电机均安装在机体平台上，由于采取了主、辅两条传动路线，使得主驱动电机没有辅助部分负载，可有效提高机器人的工作效率和频率；另外，由于辅助驱动电机安装在机体平台上，在对电机的防护要求相对降低的同时，也降低了成本。

二、本发明整体结构合理、紧凑，减轻了机器人的主驱动电机负荷。

综上，本发明可满足我国工业快速发展过程中对Delta机器人性能不断提升的需求。

附图说明

图1是本发明的六自由度Delta机器人传动机构总体结构立体图；

图2是平行四边形连杆机构的钢板弹簧拆分图；

图3是平行四边形连杆机构的钢板弹簧装配图；

图4是辅助交错轴驱动传动机构拆分图；

图5是辅助交错轴驱动传动机构装配图；

图6是平行四边形连杆机构的长柱转动到与竖直方向成锐角状态的简图；

图7是平行四边形连杆机构的长柱与竖直方向平行状态的简图；

图8是四、五、六轴传动机构连接简图；

图9是图1中A范围内的局部放大图；

图10是图1中B范围内的局部放大图。

图中的零部件名称及标号如下：

中空主运动臂1、主驱动电机2、主驱动同步带轮3、主驱动同步带4、辅助驱动电机5、主驱动被动同步带轮6、辅助驱动连接轴7、固定套101、平行四边形连杆机构8、长柱801、机体平台9、开口901、钢板弹簧10、钢板101、连接孔1011、连板柱102、中心螺孔1021、内六角螺栓103、末端工作平台11、辅助驱动同步带轮12、臂端座17、辅助转动被动同步带轮18、辅助驱动同步带19、上万向节20、下万向节21、上球铰轴22、下球铰轴23、主驱动同步带传动机构24、六轴末端接口法兰4B、六轴锥齿轮轴12B、四轴主动锥齿轮14B、五轴主动锥齿轮15B、六轴主动锥齿轮16B、外转套一17B、轴套18B、外转套二19B、中心轴一20B、中心轴二21B。

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4~图10所示，六自由度Delta机器人传动机构，它包括机体平台9、三个中空主运动臂1（也称为一、二、三轴，三个中空主运动臂1哪根作为一、二或三轴，根据需要确定），三个主动驱动传动机构、三个辅助交错轴驱动传动机构、三个平行四边形连杆机构8及四、五、六轴传动机构，所述的主运动臂1的一端设有固定套101；所述的三个主动驱动传动机构均包括主驱动电机2及主驱动同步带传动机构24，所述的三个辅助交错轴驱动传动机构均包括辅助驱动电机5、辅助驱动同步带轮12、臂端座17、辅助转动被动同步带轮18及辅助驱动同步带19；所述的四、五、六轴传动机构包括末端工作平台11、三个上万向节20、三个下万向节21、三个辅助驱动连接轴7及三对锥齿轮副传动机构；

机体平台9为圆盘形状，机体平台9的外圆周边缘沿径向开有三个开口901，给中空主运动臂1在运动时提供了空间，所述的三个开口901沿机体平台9的圆周均布设置，三个主驱动电机2和三个辅助驱动电机5均固定在机体平台9上，且三个主驱动电机2和三个辅助驱动电机5分别沿机体平台9的圆周均布设置，中空主运动臂1与主驱动同步带传动机构24的主驱动被动同步带轮6连接，优选通过螺栓连接，主驱动电机2与主驱动同步带传动机构24传动连接，主驱动被动同步带轮6的轴线与辅助驱动电机5输出轴轴线重合；三个中空主运动臂1与机体平台9上的三个开口901一一对应设置；辅助驱动连接轴7上端通过上万向节20与中空主运动臂1连接，平行四边形连杆机构8上下两端分别与中空主运动臂1及末端工作平台11球铰接，即：平行四边形连杆机构8上端与中空主运动臂1通过上球铰轴22球铰接，下端与工作平台11通过下球铰轴23球铰接；辅助驱动同步带轮12固套装在辅助驱动电机5的输出轴上，且所述的辅助驱动同步带轮12设置在中空主运动臂1内部，辅助转动被动同步带轮18转动安装在臂端座17内部，辅助驱动同步带轮12与辅助转动被动同步带轮18通过辅助驱动同步带19连接，辅助驱动同步带轮12的轮轴与辅助转动被动同步带轮18的轮轴交错90°设置，上万向节20与辅助转动被动同步带轮18轮轴转动连接；三对锥齿轮副传动机构设置在末端工作平台11内，三个辅助驱动连接轴7下端各通过一个下万向节21与三对锥齿轮副传动机构传动连接。

具体实施方式二：如图1、图9所示，具体实施方式一所述的六自由度Delta机器人传动机构，每个平行四边形连杆机构8均包括两根长柱801及两个钢板弹簧10；两根长柱801平行设置在两个钢板弹簧10内，且两个钢板弹簧10平行设置在两根长柱801的两端，两个钢板弹簧10与两根长柱801铰接。

具体实施方式三：如图2、图3所示，具体实施方式二所述的六自由度Delta机器人传动机构，每个钢板弹簧10均包括两块钢板101、两个连板柱102及四个内六角螺栓103；两块钢板101平行设置，两个连板柱102平行设置于两块钢板101之间，每个连板柱102沿长度方向设有中心螺孔1021，每块钢板101上与连接柱102的中心螺孔1021相对应的位置设有连接孔1011，每块钢板101通过穿入连接孔1011内的内六角螺栓103与连板柱102的中心螺孔1021螺纹连接。

具体实施方式四：如图1所示，具体实施方式一所述的六自由度Delta机器人传动机构，主驱动同步带传动机构24包括主驱动同步带轮3、主驱动同步带4及主驱动被动同步带轮6；主驱动同步带轮3固定在主驱动电机2的输出轴上，主驱动同步带轮3与主驱动被动同步带轮6通过主驱动同步带4连接。

具体实施方式五：如图1、图6~图9所示，具体实施方式一所述的六自由度Delta机器人传动机构，所述的三对锥齿轮副传动机构包括第一对锥齿轮副传动机构、第二对锥齿轮副传动机构及第三对锥齿轮副传动机构；第一对锥齿轮副传动机构包括四轴锥齿轮轴、四轴主动锥齿轮14B、四轴被动锥齿轮及外转套一17B；第二对锥齿轮副传动机构包括五轴锥齿轮轴、五轴主动锥齿轮15B、五轴被动锥齿轮一、五轴被动锥齿轮二、五轴被动锥齿轮三、轴套18B及外转套二19B；第三对锥齿轮副传动机构包括六轴锥齿轮轴12B、六轴主动锥齿轮16B、六轴被动锥齿轮一、六轴被动锥齿轮二、六轴被动锥齿轮三、六轴被动锥齿轮四、六轴被动锥齿轮五、六轴末端接口法兰4B、中心轴一20B及中心轴二21B；

三根辅助驱动连接轴7的任意一根辅助驱动连接轴7的下端通过下万向节21与四轴锥齿轮轴的上端传动连接，四轴主动锥齿轮14B固套装在四轴锥齿轮轴的下端，四轴锥齿轮轴驱动四轴主动锥齿轮14B转动，四轴主动锥齿轮14B与四轴被动锥齿轮啮合，从而实现四轴转动，四轴被动锥齿轮固套装在外转套一17B上；余下的两个辅助驱动连接轴7的任意一个辅助驱动连接轴7的下端通过下万向节21与五轴锥齿轮轴的上端传动连接，五轴主动锥齿轮15B固套装在五轴锥齿轮轴的下端，五轴锥齿轮轴驱动五轴主动锥齿轮15B转动，五轴主动锥齿轮15B与五轴被动锥齿轮一啮合，五轴被动锥齿轮一与五轴被动锥齿轮二均固套装在轴套18B上，轴套18B设置在外转套一17B内且二者同轴设置，五轴被动锥齿轮一带动五轴被动锥齿轮二转动，五轴被动锥齿轮二与五轴被动锥齿轮三啮合，五轴被动锥齿轮二驱动五轴被动锥齿轮三实现五轴转动，五轴被动锥齿轮三固套装在外转套二19B上；剩余的一个辅助驱动连接轴7的下端通过下万向节21与六轴锥齿轮轴12B的上端传动连接，六轴主动锥齿轮16B固套装在六轴锥齿轮轴的下端，六轴锥齿轮轴带动六轴主动锥齿轮16B转动,六轴主动锥齿轮16B与六轴被动锥齿轮一啮合，六轴被动锥齿轮一与六轴被动锥齿轮二均固套装在中心轴一20B上，中心轴一20B设置在轴套18B内且二者同轴设置，六轴被动锥齿轮一带动六轴被动锥齿轮二转动,六轴被动锥齿轮二与六轴被动锥齿轮三啮合，六轴被动锥齿轮三与六轴被动锥齿轮四均固套装在中心轴二21B上，六轴被动锥齿轮三带动六轴被动锥齿轮四转动，中心轴二21B设置在外转套二19B内且二者同轴设置，六轴被动锥齿轮四与六轴被动锥齿轮五啮合，六轴被动锥齿轮五与六轴末端接口法兰4B均固套装在中心轴三上，六轴被动锥齿轮五带动六轴末端接口法兰4B转动，从而实现六轴转动，六轴末端接口法兰4B设置在转套二外部。

工作过程：三个主驱动电机2同步转动，带动主驱动同步带轮3转动，通过主驱动同步带4将扭矩传递到主驱动被动同步带轮6，同时带动三个中空主运动臂1按设定好的角度转动，三个中空主运动臂1的转动带动三个平行四边形连杆机构8及末端工作平台11进行一定空间范围的移动，平行四边形连杆机构8下端特制的钢板弹簧10结构在两个受拉点中间形成一个固定的空间，在保证平行四边形连杆机构8与上球铰轴22、下球铰轴23无间隙配合的同时，还保证了辅助驱动连接轴7合理的安装空间。

三个辅助驱动电机5同步转动，带动辅助驱动同步带轮12转动，辅助驱动同步带轮12通过辅助驱动同步带19带动臂端座17上的辅助转动被动同步带轮18转动，通过上万向节20驱动辅助驱动连接轴7，三根辅助驱动联接轴7通过三个下万向节21与分别与四轴锥齿轮轴、五轴锥齿轮轴、六轴锥齿轮轴12B连接，实现辅助运动四、五、六轴转动。

本发明中，三个中空主运动臂1采用并联方式，四、五、六轴传动机构采用串联方式，由三个中空主运动臂1的三自由度的主运动和末端四、五、六轴传动机构的三自由度的辅助运动，共同构成六自由度的机器人传动机构。

六自由度Delta机器人传动机构所采用的电机的技术参数见表1：

表1

主驱动电机2和辅助驱动电机5均为伺服电机。

Claims (5)

1.一种六自由度Delta机器人传动机构，其特征是：它包括机体平台（9）、三个中空主运动臂（1）、三个主动驱动传动机构、三个辅助交错轴驱动传动机构、三个平行四边形连杆机构（8）及四、五、六轴传动机构，所述的中空主运动臂（1）的一端设有固定套；所述的三个主动驱动传动机构均包括主驱动电机（2）及主驱动同步带传动机构（24），所述的三个辅助交错轴驱动传动机构均包括辅助驱动电机（5）、辅助驱动同步带轮（12）、臂端座（17）、辅助转动被动同步带轮（18）及辅助驱动同步带（19）；所述的四、五、六轴传动机构包括末端工作平台（11）、三个上万向节（20）、三个下万向节（21）、三个辅助驱动连接轴（7）及三对锥齿轮副传动机构；

机体平台（9）为圆盘形状，机体平台（9）的外圆周边缘沿径向开有三个开口（901），所述的三个开口（901）沿机体平台（9）的圆周均布设置，三个主驱动电机（2）和三个辅助驱动电机（5）均固定在机体平台（9）上，且三个主驱动电机（2）和三个辅助驱动电机（5）分别沿机体平台（9）的圆周均布设置，中空主运动臂（1）与主驱动同步带传动机构（24）的主驱动被动同步带轮（6）连接，主驱动电机（2）与主驱动同步带传动机构（24）传动连接，主驱动被动同步带轮（6）的轴线与辅助驱动电机（5）输出轴轴线重合；三个中空主运动臂（1）与机体平台（9）上的三个开口（901）一一对应设置；辅助驱动连接轴（7）上端通过上万向节（20）与中空主运动臂（1）连接，平行四边形连杆机构（8）上下两端分别与中空主运动臂（1）及末端工作平台（11）球铰接；辅助驱动同步带轮（12）固套装在辅助驱动电机（5）的输出轴上，且所述的辅助驱动同步带轮（12）设置在中空主运动臂（1）内部，辅助转动被动同步带轮（18）转动安装在臂端座（17）内部，辅助驱动同步带轮（12）与辅助转动被动同步带轮（18）通过辅助驱动同步带（19）连接，辅助驱动同步带轮（12）的轮轴与辅助转动被动同步带轮（18）的轮轴交错90°设置，上万向节（20）与辅助转动被动同步带轮（18）轮轴转动连接；三对锥齿轮副传动机构设置在末端工作平台（11）内，三个辅助驱动连接轴（7）下端各通过一个下万向节（21）与三对锥齿轮副传动机构传动连接。

2.根据权利要求1所述的六自由度Delta机器人传动机构，其特征是：每个平行四边形连杆机构（8）均包括两根长柱（801）及两个钢板弹簧（10）；两根长柱（801）平行设置在两个钢板弹簧（10）内，且两个钢板弹簧（10）平行设置在两根长柱（801）的两端，两个钢板弹簧（10）与两根长柱（801）铰接。

3.根据权利要求2所述的六自由度Delta机器人传动机构，其特征是：每个钢板弹簧（10）均包括两块钢板、两个连板柱（102）及四个内六角螺栓（103）；两块钢板（平行设置，两个连板柱（102）平行设置于两块钢板之间，每个连板柱（102）沿长度方向设有中心螺孔（1021），每块钢板上与连板柱（102）的中心螺孔（1021）相对应的位置设有连接孔（1011），每块钢板通过穿入连接孔（1011）内的内六角螺栓（103）与连板柱（102）的中心螺孔（1021）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的六自由度Delta机器人传动机构，其特征是：主驱动同步带传动机构（24）包括主驱动同步带轮（3）、主驱动同步带（4）及主驱动被动同步带轮（6）；主驱动同步带轮（3）固定在主驱动电机（2）的输出轴上，主驱动同步带轮（3）与主驱动被动同步带轮（6）通过主驱动同步带（4）连接。

5.根据权利要求1所述的六自由度Delta机器人传动机构，其特征是：所述的三对锥齿轮副传动机构包括第一对锥齿轮副传动机构、第二对锥齿轮副传动机构及第三对锥齿轮副传动机构；第一对锥齿轮副传动机构包括四轴锥齿轮轴、四轴主动锥齿轮（14B）、四轴被动锥齿轮及外转套一（17B）；第二对锥齿轮副传动机构包括五轴锥齿轮轴、五轴主动锥齿轮（15B）、五轴被动锥齿轮一、五轴被动锥齿轮二、五轴被动锥齿轮三、轴套（18B）及外转套二（19B）；第三对锥齿轮副传动机构包括六轴锥齿轮轴（12B）、六轴主动锥齿轮（16B）、六轴被动锥齿轮一、六轴被动锥齿轮二、六轴被动锥齿轮三、六轴被动锥齿轮四、六轴被动锥齿轮五、六轴末端接口法兰（4B）、中心轴一（20B）及中心轴二（21B）；

三根辅助驱动连接轴（7）的任意一根辅助驱动连接轴（7）的下端通过下万向节（21）与四轴锥齿轮轴的上端传动连接，四轴主动锥齿轮（14B）固套装在四轴锥齿轮轴的下端，四轴锥齿轮轴驱动四轴主动锥齿轮（14B）转动，四轴主动锥齿轮（14B）与四轴被动锥齿轮啮合，四轴被动锥齿轮固套装在外转套一（17B）上；余下的两个辅助驱动连接轴（7）的任意一个辅助驱动连接轴（7）的下端通过下万向节（21）与五轴锥齿轮轴的上端传动连接，五轴主动锥齿轮（15B）固套装在五轴锥齿轮轴的下端，五轴锥齿轮轴驱动五轴主动锥齿轮（15B）转动，五轴主动锥齿轮（15B）与五轴被动锥齿轮一啮合，五轴被动锥齿轮一与五轴被动锥齿轮二均固套装在轴套（18B）上，轴套（18B）设置在外转套一（17B）内且二者同轴设置，五轴被动锥齿轮一带动五轴被动锥齿轮二转动，五轴被动锥齿轮二与五轴被动锥齿轮三啮合，五轴被动锥齿轮三固套装在外转套二（19B）上；剩余的一个辅助驱动连接轴（7）的下端通过下万向节（21）与六轴锥齿轮轴（12B）的上端传动连接，六轴主动锥齿轮（16B）固套装在六轴锥齿轮轴（12B）的下端，六轴锥齿轮轴（12B）带动六轴主动锥齿轮（16B）转动,六轴主动锥齿轮（16B）与六轴被动锥齿轮一啮合，六轴被动锥齿轮一与六轴被动锥齿轮二均固套装在中心轴一（20B）上，中心轴一（20B）设置在轴套（18B）内且二者同轴设置，六轴被动锥齿轮一带动六轴被动锥齿轮二转动,六轴被动锥齿轮二与六轴被动锥齿轮三啮合，六轴被动锥齿轮三与六轴被动锥齿轮四均固套装在中心轴二（21B）上，六轴被动锥齿轮三带动六轴被动锥齿轮四转动，中心轴二（21B）设置在外转套二（19B）内且二者同轴设置，六轴被动锥齿轮四与六轴被动锥齿轮五啮合，六轴被动锥齿轮五与六轴末端接口法兰（4B）均固套装在中心轴三上，六轴被动锥齿轮五带动六轴末端接口法兰（4B）转动，六轴末端接口法兰（4B）设置在外转套二外部。