CN104786234A - “摆-摆-转”型三自由度腕部机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，包括第一组合件、第二组合件、第三组合件、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构，所述第一组合件为初始端，第二组合件为中间部，安装在第一组合件上，第三组合件为末端，安装在第二组合件上；所述第一传动机构在第一组合件内部，将动力传至第一旋转轴；所述第二传动机构安装在第一组合件到第二组合件内，将动力传至第二旋转轴；所述第三传动机构贯穿第一组合件、第二组合件、第三组合件，将动力传至第三旋转轴。相对于常规的工业机器人4、5、6轴的“转-摆-转”型腕部，本发明消除“转-摆-转”型腕部第4轴、第6轴的轴线处于重合位置时，出现奇异点的问题。

Description

“摆-摆-转”型三自由度腕部机构

技术领域

本发明涉及一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，属于工业机器人操作臂技术领域。

背景技术

传统的工业机器人操作臂，其腕部第4、5、6轴通常是按照“转-摆-转”的顺序设置，当第4轴、第6轴的轴线处于重合位置时，会出现奇异点，此时第4轴、第6轴的转动速度会突然变得很大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，目的是提出一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，将腕部三个旋转自由度沿三个相互垂直方向布置，消除奇异点。本发明特别适合用作直角坐标机器人竖直朝下的三自由度腕部机构。

为达到上述目的，本发明通过以下的技术方案解决技术问题：

一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，包括第一组合件、第二组合件、第三组合件、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构，所述第一组合件为初始端，第二组合件为中间部，安装在第一组合件上，第三组合件为末端，安装在第二组合件上；所述第一传动机构在第一组合件内部，将动力传至第一旋转轴；所述第二传动机构安装在第一组合件到第二组合件内，将动力传至第二旋转轴；所述第三传动机构贯穿第一组合件、第二组合件、第三组合件，将动力传至第三旋转轴。

所述第一传动机构包括第一伺服电机、第一电机带轮、第一同步带、第一减速器带轮和第一减速器；所述第一伺服电机通过第一电机支架经螺栓连接固定在第一组合件壳体上；第一电机带轮的孔与第一伺服电机的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一减速器带轮的孔和第一减速器的输入端外圆配合，并通过螺栓连接紧固；所述第一电机带轮与第一减速器带轮通过第一同步带连接；所述第一减速器的外圈通过螺栓连接与第一组合件壳体紧固，第一减速器的输出端通过螺栓连接与第二组合件壳体紧固。

所述第二传动机构包括第二伺服电机、第二电机带轮、第二同步带、第一齿轮轴带轮、第一齿轮轴、第三齿轮轴、第三齿轮轴带轮、第四同步带、第二减速器传动轴带轮、第二减速器传动轴和第二减速器；所述第二伺服电机通过第二电机支架经螺栓连接固定在第一组合件壳体上；所述第二电机带轮的孔与第二伺服电机的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴带轮通过轴承定位并安装在中空的第二齿轮轴带轮上；所述第一齿轮轴贯穿于中空的第二齿轮轴，通过轴承定位并安装在第二齿轮轴上；所述第一齿轮轴带轮的孔与第一齿轮轴一端的外圆配合，并通过键定位；所述第二电机带轮与第一齿轮轴带轮通过第二同步带连接；所述第三齿轮轴贯穿于中空的第四齿轮轴，通过轴承定位并安装在第四齿轮轴上；所述第三齿轮轴带轮通过轴承定位并安装在中空的第四齿轮轴带轮上；所述第三齿轮轴带轮的孔与第三齿轮轴一端的外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴和第三齿轮轴另一端的锥齿轮相互啮合；所述第二减速器传动轴带轮通过轴承定位并安装在中空的第五齿轮轴带轮上；所述第二减速器传动轴带轮的孔与第二减速器传动轴的外圆配合，并通过键定位；所述第三齿轮轴带轮与第二减速器传动轴带轮通过第四同步带连接；所述第二减速器传动轴的另一端外圆与第二减速器输入端的孔配合，并通过键定位；所述第二减速器的外圈通过螺栓连接与第三组合件壳体紧固，第二减速器的输出端通过螺栓连接与第二组合件壳体紧固。

所述第三传动机构包括第三伺服电机、第三电机带轮、第三同步带、第二齿轮轴带轮、第二齿轮轴、第四齿轮轴、第四齿轮轴带轮、第五同步带、第五齿轮轴带轮、第五齿轮轴、第六齿轮轴、第三减速器和法兰盘；所述第三伺服电机通过第三电机支架经螺栓连接固定在第一组合件壳体上；所述第三电机带轮的孔与第三伺服电机的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第二齿轮轴带轮与第二齿轮轴通过螺栓连接固定；所述第三电机带轮与第二齿轮轴带轮通过第三同步带连接；所述第二齿轮轴贯穿于固定在第一组合件壳体上的第一套筒，通过轴承定位并安装在第一套筒上，从而与第一组合件定位；所述第四齿轮轴贯穿于固定在第二组合件壳体上的第二套筒，通过轴承定位并安装在第二套筒上，从而与第二组合件定位；所述第四齿轮轴带轮与第四齿轮轴通过螺栓连接固定；所述第二齿轮轴和第四齿轮轴另一端的锥齿轮相互啮合；所述第五齿轮轴贯穿于固定在第二组合件壳体上的第三套筒，通过轴承定位并安装在套第三套筒上，从而与第二组合件定位；所述第五齿轮轴带轮与第五齿轮轴通过螺栓连接固定；所述第四齿轮轴带轮与第五齿轮轴带轮通过第五同步带连接；所述第六齿轮轴通过轴承定位并安装在第三组合件壳体上，并与第三减速器输入端键配合；所述第五齿轮轴和第六齿轮轴另一端的锥齿轮相互啮合；所述第三减速器的外圈通过螺栓连接与第三组合件壳体紧固，第三减速器的输出端通过螺栓连接与法兰盘紧固。

本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和技术进步：

相对于常规的工业机器人操作臂的4、5、6轴，本发明具有三个轴线相互垂直的旋转自由度，消除常规工业机器人操作臂第4轴、第6轴的轴线处于重合位置时，出现奇异点。且本发明所有电机全布置在初始端，不会随着各关节运动而运动，降低电机驱动电缆及编码器电缆布线的难度。

附图说明

图1为本发明腕部机构的整体立体图。

图2为本发明腕部机构的总传动机构图。

图3为本发明腕部机构的第一传动机构图。

图4为本发明腕部机构的第二传动机构图。

图5为本发明腕部机构的第三传动机构图。

图6为本发明腕部机构的定位辅助图。

图7为本发明腕部机构的一轴局部剖视图。

图8为本发明腕部机构的二三轴局部剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例和工作原理进行详细描述。

参见图1-图8，一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，包括第一组合件1、第二组合件2、第三组合件3、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构，所述第一组合件1为初始端，第二组合件2为中间部，安装在第一组合件1上，第三组合件3为末端，安装在第二组合件2上；所述第一传动机构在第一组合件1内部，将动力传至第一旋转轴；所述第二传动机构安装在第一组合件1到第二组合件2内，将动力传至第二旋转轴；所述第三传动机构贯穿第一组合件1、第二组合件2、第三组合件3，将动力传至第三旋转轴。

如图3所示，所述第一传动机构包括第一伺服电机401、第一电机带轮402、第一同步带403、第一减速器带轮404和第一减速器405；所述第一伺服电机401通过第一电机支架701经螺栓连接固定在第一组合件1壳体上；第一电机带轮402的孔与第一伺服电机401的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一减速器带轮404的孔和第一减速器405的输入端外圆配合，并通过螺栓连接紧固；所述第一电机带轮402与第一减速器带轮404通过第一同步带403连接；所述第一减速器405的外圈通过螺栓连接与第一组合件1壳体紧固，第一减速器405的输出端通过螺栓连接与第二组合件2壳体紧固。

如图4所示，所述第二传动机构包括第二伺服电机501、第二电机带轮502、第二同步带503、第一齿轮轴带轮504、第一齿轮轴505、第三齿轮轴506、第三齿轮轴带轮507、第四同步带508、第二减速器传动轴带轮509、第二减速器传动轴510和第二减速器511；所述第二伺服电机501通过第二电机支架702经螺栓连接固定在第一组合件1壳体上；所述第二电机带轮502的孔与第二伺服电机501的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴带轮504通过轴承定位并安装在中空的第二齿轮轴带轮604上；所述第一齿轮轴505贯穿于中空的第二齿轮轴605，通过轴承定位并安装在第二齿轮轴605上；所述第一齿轮轴带轮504的孔与第一齿轮轴505一端的外圆配合，并通过键定位；所述第二电机带轮502与第一齿轮轴带轮504通过第二同步带503连接；所述第三齿轮轴506贯穿于中空的第四齿轮轴606，通过轴承定位并安装在第四齿轮轴606上；所述第三齿轮轴带轮507通过轴承定位并安装在中空的第四齿轮轴带轮607上；所述第三齿轮轴带轮507的孔与第三齿轮轴506一端的外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴505和第三齿轮轴506另一端的锥齿轮相互啮合；所述第二减速器传动轴带轮509通过轴承定位并安装在中空的第五齿轮轴带轮609上；所述第二减速器传动轴带轮509的孔与第二减速器传动轴510的外圆配合，并通过键定位；所述第三齿轮轴带轮507与第二减速器传动轴带轮509通过第四同步带508连接；所述第二减速器传动轴510的另一端外圆与第二减速器511输入端的孔配合，并通过键定位；所述第二减速器511的外圈通过螺栓连接与第三组合件3壳体紧固，第二减速器511的输出端通过螺栓连接与第二组合件2壳体紧固。

如图5所示，所述第三传动机构包括第三伺服电机601、第三电机带轮602、第三同步带603、第二齿轮轴带轮604、第二齿轮轴605、第四齿轮轴606、第四齿轮轴带轮607、第五同步带608、第五齿轮轴带轮609、第五齿轮轴610、第六齿轮轴611、第三减速器612和法兰盘613；所述第三伺服电机601通过第三电机支架703经螺栓连接固定在第一组合件1壳体上；所述第三电机带轮602的孔与第三伺服电机601的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第二齿轮轴带轮604与第二齿轮轴605通过螺栓连接固定；所述第三电机带轮602与第二齿轮轴带轮604通过第三同步带603连接；所述第二齿轮轴605贯穿于固定在第一组合件1壳体上的第一套筒704，通过轴承定位并安装在第一套筒704上，从而与第一组合件1定位；所述第四齿轮轴606贯穿于固定在第二组合件2壳体上的第二套筒705，通过轴承定位并安装在第二套筒705上，从而与第二组合件2定位；所述第四齿轮轴带轮607与第四齿轮轴606通过螺栓连接固定；所述第二齿轮轴605和第四齿轮轴606另一端的锥齿轮相互啮合；所述第五齿轮轴610贯穿于固定在第二组合件2壳体上的第三套筒706，通过轴承定位并安装在套第三套筒706上，从而与第二组合件2定位；所述第五齿轮轴带轮609与第五齿轮轴610通过螺栓连接固定；所述第四齿轮轴带轮607与第五齿轮轴带轮609通过第五同步带608连接；所述第六齿轮轴611通过轴承定位并安装在第三组合件3壳体上，并与第三减速器612输入端键配合；所述第五齿轮轴610和第六齿轮轴611另一端的锥齿轮相互啮合；所述第三减速器612的外圈通过螺栓连接与第三组合件3壳体紧固，第三减速器612的输出端通过螺栓连接与法兰盘613紧固。

本发明的具体工作原理：

所述第一传动机构4的第一减速器405，外圈与第一组合件1壳体紧固，输出端与第二组合件2壳体紧固，第一组合件1与第二组合件2构成相对转动，实现第一个转动自由度；所述第二传动机构5的第二减速器511，外圈与第三组合件3壳体紧固，输出端与第二组合件2壳体紧固，第二组合件2与第三组合件3构成相对转动，实现第二个转动自由度；所述第三传动机构6的第三减速器612，外圈与第三组合件3壳体紧固，输出端与法兰盘613紧固，第三组合件3与法兰盘613构成相对转动，实现第三个转动自由度；各转动自由度回转轴线分别通过相应减速器的轴心。所述第一个转动自由度、第二个转动自由度、第三个转动自由度的三个回转轴的轴线两两垂直，且第三个转动自由度的回转轴线与第一个转动自由度、第二个转动自由度的回转轴线相交，不存在偏置。

第一转动自由度传动路线：所述第一伺服电机401、第一电机带轮402通过键配合，经第一同步带403将动力传至第一减速器带轮404；第一减速器带轮404和第一减速器405通过螺栓紧固，从而动力传至第一减速器405；第一减速器405外圈与第一组合件1壳体紧固，第一减速器405输出端与第二组合件2壳体紧固，实现第一个转动自由度。

第二转动自由度传动路线：所述第二伺服电机501、第二电机带轮502通过键配合，经第二同步带503将动力传至第一齿轮轴带轮504；第一齿轮轴带轮504与第一齿轮轴505通过键配合，动力经第一齿轮轴505通过锥齿轮配合传至第三齿轮轴506；第三齿轮轴506和第三齿轮轴带轮507通过键配合，动力经第四同步带508传至第二减速器传动轴带轮509；第二减速器传动轴带轮509与第二减速器传动轴510通过键配合，动力最终从第二减速器传动轴510传送至第二减速器511；第二减速器511外圈与第三组合件3壳体紧固，第二减速器511输出端与第二组合件2壳体紧固，实现第二个转动自由度。

第三转动自由度传动路线：所述第三伺服电机601、第三电机带轮602通过键配合，经第三同步带603将动力传至第二齿轮轴带轮604；第二齿轮轴带轮604与第二齿轮轴605通过螺栓配合，动力经第二齿轮轴605通过锥齿轮配合传至第四齿轮轴606；第四齿轮轴606和第四齿轮轴带轮607通过螺栓配合，动力经第五同步带608传至第五齿轮轴带轮609；第五齿轮轴带轮609与第五齿轮轴610通过螺栓配合，动力经第五齿轮轴610通过锥齿轮配合传送至第六齿轮轴611，动力最终从第六齿轮轴611经键配合传送至第三减速器612；第三减速器612外圈与第三组合件3壳体紧固，第三减速器612输出端与法兰盘613紧固，实现第三个转动自由度。

Claims (4)

1.一种“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，其特征在于：包括第一组合件（1）、第二组合件（2）、第三组合件（3）、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构，所述第一组合件（1）为初始端，第二组合件（2）为中间部，安装在第一组合件（1）上，第三组合件（3）为末端，安装在第二组合件（2）上；所述第一传动机构在第一组合件（1）内部，将动力传至第一旋转轴；所述第二传动机构安装在第一组合件（1）到第二组合件（2）内，将动力传至第二旋转轴；所述第三传动机构贯穿第一组合件（1）、第二组合件（2）、第三组合件（3），将动力传至第三旋转轴。

2.根据权利要求1所述的“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，其特征在于：所述第一传动机构包括第一伺服电机（401）、第一电机带轮（402）、第一同步带（403）、第一减速器带轮（404）和第一减速器（405）；所述第一伺服电机（401）通过第一电机支架（701）经螺栓连接固定在第一组合件（1）壳体上；第一电机带轮（402）的孔与第一伺服电机（401）的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一减速器带轮（404）的孔和第一减速器（405）的输入端外圆配合，并通过螺栓连接紧固；所述第一电机带轮（402）与第一减速器带轮（404）通过第一同步带（403）连接；所述第一减速器（405）的外圈通过螺栓连接与第一组合件（1）壳体紧固，第一减速器（405）的输出端通过螺栓连接与第二组合件（2）壳体紧固。

3.根据权利要求1所述的“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，其特征在于：所述第二传动机构包括第二伺服电机（501）、第二电机带轮（502）、第二同步带（503）、第一齿轮轴带轮（504）、第一齿轮轴（505）、第三齿轮轴（506）、第三齿轮轴带轮（507）、第四同步带（508）、第二减速器传动轴带轮（509）、第二减速器传动轴（510）和第二减速器（511）；所述第二伺服电机（501）通过第二电机支架（702）经螺栓连接固定在第一组合件（1）壳体上；所述第二电机带轮（502）的孔与第二伺服电机（501）的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴带轮（504）通过轴承定位并安装在中空的第二齿轮轴带轮（604）上；所述第一齿轮轴（505）贯穿于中空的第二齿轮轴（605），通过轴承定位并安装在第二齿轮轴（605）上；所述第一齿轮轴带轮（504）的孔与第一齿轮轴（505）一端的外圆配合，并通过键定位；所述第二电机带轮（502）与第一齿轮轴带轮（504）通过第二同步带（503）连接；所述第三齿轮轴（506）贯穿于中空的第四齿轮轴（606），通过轴承定位并安装在第四齿轮轴（606）上；所述第三齿轮轴带轮（507）通过轴承定位并安装在中空的第四齿轮轴带轮（607）上；所述第三齿轮轴带轮（507）的孔与第三齿轮轴（506）一端的外圆配合，并通过键定位；所述第一齿轮轴（505）和第三齿轮轴（506）另一端的锥齿轮相互啮合；所述第二减速器传动轴带轮（509）通过轴承定位并安装在中空的第五齿轮轴带轮（609）上；所述第二减速器传动轴带轮（509）的孔与第二减速器传动轴（510）的外圆配合，并通过键定位；所述第三齿轮轴带轮（507）与第二减速器传动轴带轮（509）通过第四同步带（508）连接；所述第二减速器传动轴（510）的另一端外圆与第二减速器（511）输入端的孔配合，并通过键定位；所述第二减速器（511）的外圈通过螺栓连接与第三组合件（3）壳体紧固，第二减速器（511）的输出端通过螺栓连接与第二组合件（2）壳体紧固。

4.根据权利要求1所述的“摆-摆-转”型三自由度腕部机构，其特征在于：所述第三传动机构包括第三伺服电机（601）、第三电机带轮（602）、第三同步带（603）、第二齿轮轴带轮（604）、第二齿轮轴（605）、第四齿轮轴（606）、第四齿轮轴带轮（607）、第五同步带（608）、第五齿轮轴带轮（609）、第五齿轮轴（610）、第六齿轮轴（611）、第三减速器（612）和法兰盘（613）；所述第三伺服电机（601）通过第三电机支架（703）经螺栓连接固定在第一组合件（1）壳体上；所述第三电机带轮（602）的孔与第三伺服电机（601）的输出轴外圆配合，并通过键定位；所述第二齿轮轴带轮（604）与第二齿轮轴（605）通过螺栓连接固定；所述第三电机带轮（602）与第二齿轮轴带轮（604）通过第三同步带（603）连接；所述第二齿轮轴（605）贯穿于固定在第一组合件（1）壳体上的第一套筒（704），通过轴承定位并安装在第一套筒（704）上，从而与第一组合件（1）定位；所述第四齿轮轴（606）贯穿于固定在第二组合件（2）壳体上的第二套筒（705），通过轴承定位并安装在第二套筒（705）上，从而与第二组合件（2）定位；所述第四齿轮轴带轮（607）与第四齿轮轴（606）通过螺栓连接固定；所述第二齿轮轴（605）和第四齿轮轴（606）另一端的锥齿轮相互啮合；所述第五齿轮轴（610）贯穿于固定在第二组合件（2）壳体上的第三套筒（706），通过轴承定位并安装在套第三套筒（706）上，从而与第二组合件（2）定位；所述第五齿轮轴带轮（609）与第五齿轮轴（610）通过螺栓连接固定；所述第四齿轮轴带轮（607）与第五齿轮轴带轮（609）通过第五同步带（608）连接；所述第六齿轮轴（611）通过轴承定位并安装在第三组合件（3）壳体上，并与第三减速器（612）输入端键配合；所述第五齿轮轴（610）和第六齿轮轴（611）另一端的锥齿轮相互啮合；所述第三减速器（612）的外圈通过螺栓连接与第三组合件（3）壳体紧固，第三减速器（612）的输出端通过螺栓连接与法兰盘（613）紧固。