CN104708624A - 同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构，包括底座组件、长臂组件、短臂组件和工作臂组件，底座组件上安装有同轴心嵌套的第一组传动轴和驱动第一组传动轴中各轴独立转动的动力机构；长臂组件的一端安装在第一组传动轴中其中一根轴上，另一端设置有与第一组传动轴中其余轴对应的同轴心嵌套的第二组传动轴；短臂组件的一端安装在第二组传动轴的其中一根轴上，另一端与工作臂组件固定联接，工作臂组件设置有与第二组传动轴中其余轴对应的工作臂，由于取消了各运动臂上的动力机构，使各运动臂的运动重量大大减轻，降低了各运动臂的运动惯量，可以大大提高机器人手臂的工作效率，降低了产品的生产成本，能够保证运动精度。

Description

同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构

技术领域

本发明涉及一种机器人手臂传动机构，特别是一种水平关节和垂直关节的多关节机器人手臂运动传动机构。

背景技术

目前的工业机器人一般有线性运动、旋转运动和两种运动方式的组合三种运动方式。线性运动采用类似机床的运动方式，通过导轨和丝杆实现三坐标的空间线性运动，旋转运动则采用多旋转关节加手臂机构实现平面或者三维空间运动。

传统的多关节机器人手臂一般由底座组件、长臂组件、短臂组件和可以自转动和直线移动的工作臂组件组成。底座组件是支撑整个多关节机械手臂的支架，是用来固定整机的。长臂组件和短臂组件一端做旋转运动，另一端做圆弧运动。所有的转动关节一般都由驱动电机、减速器、传动关节机构组成。工作臂组件的线性运动和自转动也是采用两套驱动电机、减速器和一套滚珠丝杆和滚动花键或者双导杆驱动来实现。长臂组件转动是将长臂组件的一端和底座组件做成转动关节、相应的驱动电机和减速器固定在底座组件上并直接驱动长臂组件的转动关节作旋转运动。短臂组件的转动是将短臂组件的一端和长臂组件的另一端做成转动关节，相应的驱动电机和减速器固定在长臂组件上，并直接驱动短臂组件的转动关节作旋转运动。工作臂组件与短臂组件的一端固定在一起，是一个可以自转动和直线移动的机构，驱动工作臂组件的两套电机和减速器都固定在短臂组件上、直线运动的滚珠丝杆和滚动花键或者双导杆机构也固定在短臂组件上，这种结构的多关节机器人手臂的优点是：机械结构简单，精度容易保证，也是目前多关节机器人手臂常用的结构。

当多关节机器人手臂运动时，长臂组件的运动端上不但要加上短臂组件和工作臂组件自身的重量，而且还要加上三套驱动电机和减速器（以下简称动力机构）的重量以及其他必要的机械构件重量，再加之长臂组件和短臂组件都有一定的工作长度，这样导致机械手臂高速运转时会形成很大的机械惯量。

按照一般的电机驱动原理，要求驱动电机的惯量是整个运动机械惯量的1/5，长短臂组件的长度越长，总质量越大，运动时的机械惯量就越大，对电机的机械惯量要求也越高。按照经典的机械惯量计算，机械惯量与运动部件的质量和质量位置的距离平方成正比，而且在整个多关节机器人手臂中，三套驱动电机和减速器的质量占整个运动部件的1/3，因此，各个运动臂的运动惯量大小决定了驱动电机的惯量大小，驱动电机惯量的大小决定了电机本身的规格大小和速度位移等控制性能的要求。

尤其是对于高速运动的机器人手臂来说，对驱动电机的技术要求更高，同时由于采用减速器减速，对减速器的精度和重量也要求很高，甚至像驱动电机和减速器之类的基础元件要采用高性能产品才可以满足使用要求，使机器人手臂的工作速度受限，生产成本也居高不下。

发明内容

为了克服现有技术中由于驱动电机和减速器要随着机械手臂一起运动所带来机械惯量大，工作速度受限，生产成本居高不下的不足，本发明提供一种机械手臂运动惯量小，工作速度高，生产成本低，传动精度高的同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构，包括底座组件、长臂组件、短臂组件和工作臂组件，所述底座组件上安装有同轴心嵌套的第一组传动轴和驱动第一组传动轴中各轴独立转动的动力机构；所述长臂组件的一端安装在第一组传动轴中其中一根轴上，另一端设置有与第一组传动轴中其余轴对应的同轴心嵌套的第二组传动轴，所述第二组传动轴与其对应的第一组传动轴通过第一组皮带联接，所述短臂组件的一端安装在第二组传动轴的其中一根轴上，所述另一端与所述工作臂组件固定联接，所述工作臂组件设置有与第二组传动轴中其余轴对应的工作臂，所述工作臂与其对应的第二组传动轴通过第二组皮带联接。

所述第一组传动轴中各轴之间安装有支撑轴承；所述第二组传动轴中各轴之间也安装有支撑轴承。

所述长臂组件与第一组传动轴中位于最外侧的一根轴固定联接；所述短臂组件与第二组传动轴中位于最外侧的一根轴固定联接。

所述长臂组件、短组件臂和工作臂组件的转动部位设置有旋转编码器。

所述工作臂组件的直线运动部位设置有位移传感器。

本发明的有益效果是：本发明的第一组传动轴、第二组传动轴采用同轴心嵌套方式，动力机构安装在底座组件内，通过同轴心嵌套的第一组传动轴、第二组传动轴实现动力传递，在长臂组件、短臂组件和工作臂组件各运动臂运动过程中，动力机构不会跟随各运动臂组件一起运动，由于取消了各运动臂组件上的动力机构，使各运动臂组件的运动重量大大减轻，降低了各运动臂组件的运动惯量，在同等驱动电机功率下，可以大大提高机器人手臂的工作速度，能够提高工作效率，同时，在各运动臂组件的运动速度相同的情况下，可以相对减小驱动电机的功率和电机惯量，降低了对驱动电机和减速器之类的基础元件技术要求，降低了产品的生产成本。

在长臂组件、短臂组件和工作臂组件的转动部位设置有旋转编码器，在工作臂组件的直线运动部位设置有位移传感器，可以通过相应运动控制器实现对各运动臂组件的旋转运动和线性运动的全反馈控制，能够保证运动精度和运动性能。

由于使用筒状内置双导杆机构，使得工作臂的传动机构紧奏而且封闭，可以在恶劣环境下工作，提高了工作寿命，同时可以在外部洁净工作要求下工作，防止对外产生油污污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的传动机构整体结构示意图；

图2是本发明实施例的底座组件结构示意图；

图3是本发明实施例的第一组传动轴的轴剖图；

图4是本发明实施例的第二组传动轴的轴剖图；

图5是本发明实施例的第三组传动轴的轴剖图；

图6是本发明实施例的工作臂的轴剖图。

其中，上述附图中各部件名称标记如下：

101—底座上固定板；

102—长臂外壳；

103—皮带轮；

104—驱动电机；

105—底座下固定板；

106—底座支架及外壳；

107—皮带轮；

108—驱动电机；

109—驱动电机；

110—减速器；

111—皮带轮；

112—驱动电机；

113—减速器；

114—皮带轮；

115—第一组传动轴中的第一根轴；

116—第一、第二轴支撑轴承；

117—第一组传动轴中的第二根轴；

118—第二、第三轴支撑轴承；

119—第一组传动轴中的第三根轴；

120—第三、第四支撑轴承；

121—第四轴、长臂外壳支承轴承；

122—第一组传动轴中的第四根轴；

201—长臂组件；

202—旋转法兰；

203—皮带轮；

204—皮带轮；

205—皮带轮；

206—皮带轮；

207—皮带轮；

208—皮带轮；

209—旋转编码器；

210—短臂轴承外壳；

211—第二组传动轴中的第一根轴；

212—第一、二轴支承轴承；

213—第二组传动轴中的第二根轴；

214—第二、三轴支承轴承；

215—第二组传动轴中的第三根轴；

216—第三轴、短臂轴承外壳支承轴；

217—短臂联接法兰；

301—短臂组件；

302—旋转编码器；

303—皮带轮；

304—皮带轮；

305—皮带轮；

306—第三组传动轴外壳；

307—皮带轮；

308—支承轴承；

309—第三组传动轴；

401—工作臂转角驱动筒；

402—转角驱动轮；

403—丝杆螺母固定法兰；

404—工位轴；

405—工位轴联接法兰；

406—工作臂转角驱动筒盖；

407—双轴线性导向杆；

408—转角驱动盘；

409—转角支撑轴；

410—支撑轴承；

411—旋转编码器；

412—转角支撑轴外壳；

413—螺母套；

414—丝杆螺母支撑轴承；

415—丝杆螺母；

416—皮带轮。

具体实施方式

参照图1至图6，一种同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构，包括底座组件、长臂组件、短臂组件和工作臂组件，所述底座组件上安装有同轴心嵌套的第一组传动轴和驱动第一组传动轴中各轴独立转动的动力机构；所述长臂组件的一端安装在第一组传动轴中其中一根轴上，另一端设置有与第一组传动轴中其余轴对应的同轴心嵌套的第二组传动轴，所述第二组传动轴与其对应的第一组传动轴通过第一组皮带联接，所述短臂组件的一端安装在第二组传动轴的其中一根轴上，所述另一端与所述工作臂组件固定联接，所述工作臂组件设置有与第二组传动轴中其余轴对应的工作臂，所述工作臂与其对应的第二组传动轴通过第二组皮带联接，当然，皮带作为一种常用的传动部件，也可以更换为链条传动等。

本发明以第一组传动轴为四根来进行说明。第一组传动轴中，中心的一根轴可以为实心轴，也可以为空心轴，其余的三根轴为空心轴，各轴之间同轴心嵌套，通过轴承支撑安装。

在本实施例中，所述底座组件由底座上固定板101、底座下固定板105和底座支架及外壳106组成一个完整的整机刚性支撑系统，所述底座下固定板105设置有相应的地脚螺丝孔，地脚螺丝孔用于和地面等安装平台通过螺丝刚性联接。

所述动力机构包括安装在所述底座上固定板101上的四只驱动电机104、108、109、112以及与四只驱动电机对应的减速器110、113（减速器110、113分别与驱动电机109、112对应，与驱动电机104、108对应的减速器图中未画出）。每只减速器的输出轴上以及第一组传动轴中四根轴的下端均设置有皮带轮103、111、107、114，对应的皮带轮之间通过皮带啮合实现动力传递，四只驱动电机在控制系统的控制下可以独立工作，带动第一组传动轴中四根轴独立转动。

第一组传动轴中，其中一根轴用来实现底座组件和长臂组件201的转动关节联接固定，其余三根轴上设置有皮带轮，用于把固定在底座组件上的其余三根驱动电机的动力传递至短臂组件及工作臂组件等。

所述第一组传动轴包括筒状的长臂外壳102，长臂外壳102用来实现与底座上固定板101固定联接，以保证整机的支撑刚性。所述第一组传动轴中各轴之间安装有支撑轴承，如图3所示，第一根轴115和第二根轴117通过第一、第二轴支撑轴承116实现相互支撑和各自独立转动；第三根轴119和第二根轴117之间通过第二、第三轴支撑轴承118实现相互支撑和各自独立的转动。第四根轴122和第三根轴119通过第三、第四支撑轴承120实现相互支撑和各自独立的转动。

所述长臂组件201与第一组传动轴中位于最外侧的一根轴固定联接，在本实施例中，第四根轴122位于最外侧，即所述第四根轴122的上端和长臂组件201的一端固定联接，具体来说，第四根轴122的上端与长臂组件201一端的旋转法兰202固定联接。第四根轴122转动时，长臂组件201绕着旋转法兰202旋转，实现长臂组件201的旋转运动，第四根轴122和长臂外壳102之间通过第四轴、长臂外壳支承轴承121实现转动支撑。在第四根轴122和旋转法兰202之间设置有旋转编码器，以便实现长臂组件201的运动位置反馈，提高位置和运动的控制精度。

工作时，由于所有的驱动电机都会处于自锁状态，加之传动皮带采用无侧隙的传动带，所以，无论是每一根第一组传动轴单独运动或者四根同时运动，都不会造成第一组传动轴中各轴之间的运动干扰，可以保证第一组传动轴中每根轴的独立性和准确性。

在第一根轴115、第二根轴117和第三根轴119上分别安装有皮带轮203、204、205，所述短臂组件301的末端设置有三根第二组传动轴，三根第二组传动轴上均安装有与皮带轮203、204、205对应的三只皮带轮206、207、208，三只第二组传动轴上的皮带轮与三只第一组传动轴上的皮带轮通过第一组皮带啮合实现动力传递，第二组传动轴中，其中一根轴215用来实现长臂组件201和短臂组件301之间的关节联接，其余两根轴用于把第一组传动轴中其余轴传递过来的动力传递至工作臂组件。

所述第二组传动轴的各轴之间安装有支撑轴承，即第一根轴211、第二根轴213之间通过第一、二轴支承轴承212实现相互支撑和各自独立转动；第三根轴215和第二根轴213之间通过第二、三轴支承轴承214实现相互支撑和各自独立转动，第三根轴215和短臂轴承外壳210之间通过第三轴、短臂轴承外壳支承轴承216实现转动支撑。

所述短臂组件与第二组传动轴中位于最外侧的轴固定联接，在本实施例中，第三根轴215位于最外侧，即第三根轴215与短臂组件301前端联接，具体来说，所述第三根轴215与短臂组件301前端的短臂联接法兰217固定联接，实现短臂组件301相对于长臂组件旋转运动。在第三根轴215和短臂联接法兰217之间设置有短臂组件旋转编码器209，在长臂组件201与短臂轴承外壳之间安装有旋转编码器302，可以检测短臂组件301相对于长臂组件201的转动角度，用于短臂组件301转动位置的反馈控制，提高位置和运动的控制精度。

所述工作臂能够实现工位轴404的转动和线性运动。所述工位轴404由于有工作臂转角驱动筒盖406、双轴线性导向杆407、转角驱动盘408的定位，只能沿双轴线性导向杆407上下作直线运动而不能周向转动。工位轴404的上下线性运动是通过丝杆螺母415、螺母套413和与丝杆螺母415固定联接的皮带轮416组成的驱动链来实现的，皮带轮416转动可实现工位轴404的上下直线运动，同时在工作臂转角驱动筒401和转角驱动盘408之间设置位置有传感器（图上未标注），实现工位轴404上下线性运动的位置检测，反馈控制功能。所述螺母套413通过丝杆螺母支撑轴承414和丝杆螺母固定法兰403组成可独立转动的支撑系统。双轴线性导向杆407和转角驱动盘408之间可以是滑动摩擦副也可以是滚动摩擦副。

所述丝杆螺母固定法兰403和短臂组件301的一端固定联接。工位轴404的转动采用筒式内置双导杆机构，把转角驱动轮402、转角支撑轴409、工作臂转角驱动筒401、工作臂转角驱动筒盖406固定联接在一起，工作臂转角驱动筒盖406和双轴线性导向杆407固定联接在一起，转角驱动盘408的两个导杆孔和双轴线性导向杆407可以沿着导杆轴线相对运动。转角驱动盘408和工位轴404上端是固定联接，并通过支撑轴承410和转角支撑轴外壳412组成支撑系统及独立转动功能，通过转角驱动轮402的转动实现工位轴404的转动，同时丝杆螺母415转动时的摩擦力传递到工位轴联接法兰405时，工位轴404不会跟着一起转动，在工作臂组件转动的同时通过控制系统来驱动螺母套413转动，运动实现工位轴404转动的同时做上下线性运动。在转角驱动轮402和转角支撑轴外壳412之间设置有旋转编码器411，用于检测工位轴404的转动角度和运动控制。

在第二组传动轴中，所述第一根轴211、第二根轴213上分别安装有皮带轮303、304，皮带轮303与皮带轮416对应，皮带轮304与转角驱动轮402对应，之间通过第二组皮带联接。在本实施例中，由于皮带轮304与转角驱动轮402的位置关系，不能直接通过皮带联接，因此，在短臂组件301上设置了第三组传动轴309，第三组传动轴309通过第三组传动轴外壳306安装在短臂组件301上，第三组传动轴309与第三组传动轴外壳306之间安装有支承轴承308，第三组传动轴309的下端装有皮带轮305，上端安装有皮带轮307，皮带轮304与皮带轮305通过皮带联接，皮带轮307与转角驱动轮402通过皮带联接实现动力传输。

本发明的第一组传动轴、第二组传动轴采用同轴心安装方式，四套驱动电机和减速器等动力机构全部固定在底座组件内，通过同轴心嵌套的第一组传动轴、第二组传动轴实现动力传递，在长臂组件、短臂组件和工作臂组件各运动臂运动时，动力机构不会跟随各运动臂一起运动，由于取消了各运动臂上的动力机构，使各运动臂的运动重量大大减轻，降低了各运动臂的运动惯量，在同等驱动电机功率下，可以大大提高各运动臂的工作速度，能够提高工作效率，同时，在各运动臂的运动速度相同的情况下，可以相对减小驱动电机的功率和电机惯量，降低了对驱动电机和减速器之类的基础元件技术要求，降低了产品的生产成本。

本发明在长臂组件、短臂组件和工作臂组件的转动部位设置有旋转编码器（不限于旋转编码器外的所有角度传感器），在工作臂组件的直线运动部位设置有位移传感器，可以通过相应运动控制器实现对各运动臂的旋转运动和线性运动的全反馈控制，能够保证运动精度和运动性能。

本发明工作臂的转动机构采用筒式内置双导杆机构，使得工作臂的线性运动可以封闭在一个密封的环境内，一方面可以提高外界环境对机构工作寿命的影响，也可以适应洁净环境下，防止油污对工作环境的影响。

基于本发明的原理，主动轴的数量、传动轴的数量和工作臂的数量可以根据机械臂的关节和运动坐标的需要而增加或减少，同样筒式内置双导杆导向机构因为形状的改变也是本发明的范围，以上的实施例不能限定本发明的保护范围，本领域技术人员阅读本申请文件后，基于本发明创造的构思，在不付出创造性劳动的前提下，根据机械手臂的运动需要所做的改进与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (7)

1.一种同轴式间接驱动多关节机器人手臂的传动机构，包括底座组件、长臂组件、短臂组件和工作臂组件，其特征在于所述底座组件上安装有同轴心嵌套的第一组传动轴和驱动第一组传动轴中各轴独立转动的动力机构；所述长臂组件的一端安装在第一组传动轴中其中一根轴上，另一端设置有与第一组传动轴中其余轴对应的同轴心嵌套的第二组传动轴，所述第二组传动轴与其对应的第一组传动轴通过第一组皮带联接，所述短臂组件的一端安装在第二组传动轴的其中一根轴上，所述另一端与所述工作臂组件固定联接，所述工作臂组件设置有与第二组传动轴中其余轴对应的工作臂，所述工作臂与其对应的第二组传动轴通过第二组皮带联接。

2.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述第一组传动轴中各轴之间安装有支撑轴承。

3.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述第二组传动轴中各轴之间安装有支撑轴承。

4.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述长臂组件与第一组传动轴中位于最外侧的一根轴固定联接。

5.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述短臂组件与第二组传动轴中位于最外侧的一根轴固定联接。

6.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述长臂组件、短组件臂和工作臂组件的转动部位设置有旋转编码器。

7.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于所述工作臂组件的直线运动部位设置有位移传感器。