CN105196276A

CN105196276A - 一种五自由度机械手

Info

Publication number: CN105196276A
Application number: CN201510731869.8A
Authority: CN
Inventors: 秦训鹏; 金磊; 张将; 华林; 陈浩冉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-10-31
Filing date: 2015-10-31
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明是一种五自由度机械手，其包括关节组，以及依次相连的底座(1)、内立柱(2)、外立柱(3)，关节组有五个关节，其中：第一关节(4)作上下移动且根据五自由度机械手规格大小具有不同的移动行程，除第一关节外其它四个关节均含有转动端以及与转动端转动平面相垂直的固定端；第一关节的移动端与外立柱的侧部相连；第二关节(9)的固定端固定在外立柱的上部，其转动端和第三关节的固定端相连；第三关节的转动端和第四关节的固定端相连，第四关节的转动端和第五关节的固定端相连。本发明可以解决传统六自由度机械手在进行大负荷加工时由于刚度不足而引起的振动问题，并通过减少一个关节从而在保证需求的同时能简化结构、提高性能。

Description

一种五自由度机械手

技术领域

本发明涉及机械工程领域，具体而言，涉及一种五自由度机械手。

背景技术

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，技术附加值高，应用范围广。

作为最早的一种工业机器人，机械手的应用将会减轻劳动强度，降低生产成本，提高生产效率。传统六自由度机械手通用性强、重复精度高、稳定可靠，但也存在以下缺点：

1.传统六自由度机械手在进行大负荷加工时，机械臂会因刚度不足出现振动，这种振动不仅会影响工作精度，而且还会造成机器人部件的容易损坏。

2.机构复杂，制造成本高。

3.设备的维修和保养费用高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种五自由度机械手，通过增大机械臂的刚度以解决传统六自由度机械手振动的问题，并且在保证需求的同时可以减化结构，提高性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的五自由度机械手，其包括关节组，以及依次相连的底座、内立柱、外立柱，关节组有五个关节，其中：第一关节作上下移动且根据五自由度机械手规格大小具有不同的移动行程，除第一关节外其它四个关节均含有转动端以及与转动端转动平面相垂直的固定端；第一关节的移动端与外立柱的侧部相连；第二关节的固定端固定在外立柱的上部，其转动端和第三关节的固定端相连；第三关节的转动端和第四关节的固定端相连，第四关节的转动端和第五关节的固定端相连。

所述的第一、二关节均采用水平结构，以增大机械臂的刚度并且减小机械手的振动，第一关节作垂直上下运动，第二关节绕外立柱作旋转运动。

所述第一关节包括伺服电机、传动装置、调节装置，其中：伺服电机固定在带轮减速箱的外侧，该伺服电机通过传动装置以及调节装置的滚珠丝杠副带动第一关节升降，该升降方向垂直于第二关节的转动平面。

所述的调节装置包括滚珠丝杠副、螺母连接套、螺母上下护套以及轴承压帽，其中滚珠丝杠副的一端在带轮减速箱内部与被动同步带轮连接，滚珠丝杠副通过与其相连的螺母连接套与第一关节上部固连，螺母上下护套和轴承压帽在滚珠丝杠副外侧起到保护防尘作用，螺母上下护套可以伸缩。

所述的第二关节包括力矩电机、传动装置、支撑装置和走线管，其中：力矩电机装在内立柱上，该力矩电机通过传动装置带动第二关节以及和它相连的第一关节绕外立柱旋转，走线管布置在带轮减速箱的外侧。

所述的传动装置设有顶盖和带轮减速箱，其中：顶盖的一侧与外立柱相连，顶盖的另一侧连接带轮减速箱；带轮减速箱的外侧固定有第一关节的伺服电机，带轮减速箱的内侧布置有第一关节的传动装置。

所述的支撑装置设有两个气缸及气缸连接板，每个气缸穿过第二关节并通过气缸连接板与外立柱以气缸连接螺柱固连，其中润滑油通过压配式注油杯导入到输油管中，在上铜套和下铜套循环，从而对第二关节和外立柱起到了润滑作用。

所述的第一关节、第二关节和其它三个关节，其内部用于控制电机的相关线束通过拖链和走线管及内部的空心管状结构从内立柱下端的孔导出。

所述每一关节的伺服电机均由统一的数控系统进行控制。

所述的数控系统，其使用方法有示教编程和代码编程两种，分别通过交流伺服电机控制五个关节，其中：数控系统的输入装置有键盘式和示教器两种；除通过数控程序控制各交流伺服电机动作外，该数控系统的操作面板上还分别设有五个关节的手动控制按钮。

本发明与现有的技术相比具有以下的主要的优点：

1.将第一、二关节设计成水平机构可以增大机械臂25％的刚度并且减小了机械手的振动，通过减少了一个关节，在保证需求的同时简化结构，提高性能。

2.所有的操作都是通过数控系统来控制，自动化程度高，而且加工后的工件尺寸具有良好的统一性。

3.数控系统有示教编程和代码编程两种使用方法，程序编制简单，易操作。

附图说明

图1是本发明的五自由度机械手的正视图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中的第一关节和第二关节剖视图；

图4是图3的局部放大图；

图5是图1中的第二关节支撑装置剖视图。

图中：1.底座；2.内立柱；3.外立柱；4.第一关节；5.腕关节；6.末端执行器；7.小摆臂；8.大摆臂；9.第二关节；10.数控系统；11.操作面板；12.配电柜；13.力矩电机；14.顶盖；15.带轮减速箱；16.走线管；17.拖链；18.伺服电机；19.传动装置；20.调节装置；21.气缸连接板；22.气缸连接螺柱；23.气缸；24.上铜套；25.下铜套；26.压配式注油杯；27.输油管。

具体实施方式

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供的五自由度机械手，其结构如图1和图2所示，包括关节组，以及依次相连的底座1、内立柱2、外立柱3。关节组包括五个关节，其中：第一关节4作上下移动且根据五自由度机械手规格大小具有不同的移动行程，除第一关节4外其它四个关节均含有转动端以及与转动端转动平面相垂直的固定端；第一关节4的移动端与外立柱3的侧部相连；第二关节9的固定端固定在外立柱3的上部，其转动端和第三关节的固定端相连；第三关节的转动端和第四关节的固定端相连，第四关节的转动端和第五关节的固定端相连；第三、四、五关节的具体连接方式、驱动方式、传动方式与传统六自由度机器手最后三个关节机构类似。

如图1所示，根据本发明实施例的五自由度机械手主要创新点体现在第一关节4、第二关节9及数控系统10。

第一、二关节均采用水平结构可以增大机械臂的刚度并且减小了机械手的振动，第一关节4作垂直上下运动，第二关节9绕外立柱3作旋转运动。

如图1、图3、图4所示，第一关节4包括伺服电机18、传动装置19、调节装置20。第一关节4的升降方向垂直于第二关节9的转动平面。所述的传动装置19包括带轮、同步带，所述的调节装置20包括滚珠丝杠副、螺母连接套、螺母上下护套以及轴承压帽，其中滚珠丝杠副的一端在带轮减速箱15内部与被动同步带轮连接，滚珠丝杠副通过与其相连的螺母连接套与第一关节4上部固连，螺母上下护套和轴承盖在滚珠丝杠副外侧起到保护防尘作用，螺母上下护套可以伸缩。伺服电机18固定在带轮减速箱15的外侧，并在内部与带轮相连。因此，伺服电机18通过带轮、同步带以及滚珠丝杠副带动第一关节4的垂直上下运动。

如图1、图3、图4、图5所示，第二关节9包括力矩电机13、传动装置、支撑装置和走线管16。力矩电机13安装在内立柱2上。所述的传动装置有顶盖14和带轮减速箱15，其中顶盖14的一侧与外立柱3相连，顶盖14的另一侧连接带轮减速箱15。带轮减速箱15的外侧固定有第一关节4的伺服电机18，带轮减速箱15的内侧布置有第一关节4的传动装置19。所述的支撑装置为两个气缸23及相应的气缸连接板21，气缸23穿过第二关节9并通过气缸连接板21与外立柱3以气缸连接螺柱22固连，其中润滑油通过压配式注油杯26导入到输油管27中，在上铜套24和下铜套25循环，从而对第二关节9和外立柱3起到了润滑作用，走线管布置在带轮减速箱15的外侧。因此，在力矩电机13驱动下，第二关节9以及和它相连的第一关节4就能绕外立柱3旋转。

如图1、图3、图4所示，第一关节4、第二关节9和其他三个关节内部用于控制电机的相关线束通过拖链17和走线管16及内部的空心管状结构从内立柱2下端的孔导出。

所述的第三关节包括伺服电机、谐波减速器，具体连接、驱动、传动方式与传统的六关节机械手类似。

所述的第四关节包含伺服电机、电机安装座、带轮、同步带、短筒减速机、传动轴，具体的连接、驱动、传动方式与传统的六关节机械手类似。

所述的第五关节包含伺服电机、电机安装座、带轮、同步带、传动轴、谐波减速机，具体的连接、驱动、传动方式与传统的六关节机械手类似。

所述每一关节的伺服电机均由统一的数控系统进行控制。

所述的数控系统10为常规的五轴联动数控系统，在对常规五轴联动数控系统进行二次开发基础上，其使用方法有示教编程和代码编程两种，分别通过交流伺服电机控制第一关节4、第二关节9、小摆臂7、腕关节5以及末端执行器6的手动控制按钮动作。如图1所示，所述操作面板11上安装有数控系统10的输入装置和各种按钮、按键、电源指示灯，用于输入数控程序和加工中心的开关。与配电柜12相连的数控系统10的输入装置有键盘式和示教器两种。除通过数控程序控制各交流伺服电机动作外，操作面板11上还分别设有第一关节4、第二关节9、和其他三个关节手动控制按钮动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出去若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

本发明提供的上述五自由度机械手，可以用来进行大负荷加工，具体工作过程是：向数控系统10中输入加工程序，加工程序是根据待加工工件的尺寸和形状由编程人员经过一定的设计规划得到的。根据加工程序可将五自由度机械手调整为加工时的指定位姿，图1中五自由度机械手的位置作为初始状态.首先伺服电机18通过带轮、同步带以及滚珠丝杠副带动第一关节4向下移动到指定高度，然后力矩电机13、顶盖14和带轮减速箱15带动第二关节9和第一关节4绕外立柱3旋转到指定位置，通过第三关节的大摆臂8以及第四关节的小摆臂7的旋转作为微调，最后通过第五关节末端执行器6的旋转使五自由度机械手到达指定位姿，即可开始对工件进行大负荷加工。

Claims

1.一种五自由度机械手，其特征在于包括关节组，以及依次相连的底座(1)、内立柱(2)、外立柱(3)，关节组有五个关节，其中：第一关节(4)作上下移动且根据五自由度机械手规格大小具有不同的移动行程，除第一关节(4)外其它四个关节均含有转动端以及与转动端转动平面相垂直的固定端；第一关节(4)的移动端与外立柱(3)的侧部相连；第二关节(9)的固定端固定在外立柱(3)的上部，其转动端和第三关节的固定端相连；第三关节的转动端和第四关节的固定端相连，第四关节的转动端和第五关节的固定端相连。

2.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于第一、二关节均采用水平结构，以增大机械臂的刚度并且减小机械手的振动，第一关节(4)作垂直上下运动，第二关节(9)绕外立柱(3)作旋转运动。

3.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于所述第一关节(4)包括伺服电机(18)、传动装置(19)、调节装置(20)，其中：伺服电机(18)固定在带轮减速箱(15)的外侧，该伺服电机通过传动装置(19)以及调节装置(20)的滚珠丝杠副带动第一关节(4)升降，该升降方向垂直于第二关节(9)的转动平面。

4.根据权利要求3所述的五自由度机械手，其特征在于所述的调节装置(20)包括滚珠丝杠副、螺母连接套、螺母上下护套以及轴承压帽，其中滚珠丝杠副的一端在带轮减速箱(15)内部与被动同步带轮连接，滚珠丝杠副通过与其相连的螺母连接套与第一关节(4)上部固连，螺母上下护套和轴承压帽在滚珠丝杠副外侧起到保护防尘作用，螺母上下护套可以伸缩。

5.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于所述的第二关节(9)包括力矩电机(13)、传动装置、支撑装置和走线管(16)，其中：力矩电机(13)装在内立柱(2)上，该力矩电机通过传动装置带动第二关节(9)以及和它相连的第一关节(4)绕外立柱(3)旋转，走线管布置在带轮减速箱(15)的外侧。

6.根据权利要求5所述的五自由度机械手，其特征在于所述的传动装置设有顶盖(14)和带轮减速箱(15)，其中：顶盖(14)的一侧与外立柱(3)相连，顶盖(14)的另一侧连接带轮减速箱(15)；带轮减速箱(15)的外侧固定有第一关节(4)的伺服电机(18)，带轮减速箱(15)的内侧布置有第一关节(4)的传动装置(19)。

7.根据权利要求5所述的五自由度机械手，其特征在于所述的支撑装置设有两个气缸(23)及气缸连接板(21)，每个气缸(23)穿过第二关节(9)并通过气缸连接板(21)与外立柱(3)以气缸连接螺柱(22)固连，其中润滑油通过压配式注油杯(26)导入到输油管(27)中，在上铜套(24)和下铜套(25)循环，从而对第二关节(9)和外立柱(3)起到了润滑作用。

8.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于所述的第一关节(4)、第二关节(9)和其他三个关节，其内部用于控制电机的相关线束通过拖链(17)和走线管(16)及内部的空心管状结构从内立柱(2)下端的孔导出。

9.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于所述每一关节的伺服电机均由统一的数控系统进行控制。

10.根据权利要求1所述的五自由度机械手，其特征在于所述的数控系统(10)，其使用方法有示教编程和代码编程两种，分别通过交流伺服电机控制五个关节，其中：数控系统的输入装置有键盘式和示教器两种；除通过数控程序控制各交流伺服电机动作外，该数控系统的操作面板上还分别设有五个关节的手动控制按钮。