CN105437227B - 平面关节型机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面关节型机器人，其中所述平面关节型机器人包括机架、设于机架的第一机械臂、设于所述机架和第一机械臂之间的第一电机、连接于所述第一机械臂的机械手，所述第一电机嵌入所述第一机械臂并直接驱动所述第一机械臂转动。本发明提供的平面关节型机器人及其控制系统工作效率更高、装配精度更高且成本较低。

Description

平面关节型机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种平面关节型机器人及其控制系统。

背景技术

随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，工业机器人将被更广泛地应用在制造业的各个领域。其中平面关节型机器人手臂大量地运用于装配作业，这一类机器人有结构轻便，响应速度快的优点。现有的平面关节型机器人手臂关节是通过谐波减速器或者RV减速器来联接，并通过伺服电机驱动减速器来达到快速驱动机械臂的目的。但由于使用了谐波减速器或RV减速器，且减速器中的啮合齿间存在侧隙，所以平面关节型机器人手臂工作时会存在不可避免的误差，从而影响装配精度。

另外，现有的平面关节型机器人的Z轴和绕Z轴旋转的实现是通过两个伺服电机分别驱动平行放置的滚珠丝杆和花键来实现的，而滚珠丝杆和花键通过一个连接块连接。上述方案在两伺服电机同时工作时会出现不可避免的微小抖动，从而影响装配的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供了一种平面关节型机器人及其控制系统，该平面关节型机器人及其控制系统工作效率更高、装配精度更高且成本较低。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种平面关节型机器人，其中所述平面关节型机器人包括机架、设于机架的第一机械臂、设于所述机架和第一机械臂之间的第一电机、连接于所述第一机械臂的机械手，所述第一电机嵌入所述第一机械臂并直接驱动所述第一机械臂转动。

优选的，所述平面关节型机器人还包括设于所述第一机械臂和机械手之间的第二机械臂，及嵌入所述第二机械臂并直接驱动所述第二机械臂转动的第二电机。

优选的，所述第一电机为内转子电机。

优选的，所述内转子电机包括动子轴、与所述动子轴过盈配合的第一动子、设于所述第一动子外围的第一定子，所述第一定子具有磁极，所述磁极上缠绕有线圈绕组，所述第一动子具有安装槽，所述安装槽内设有第一永磁体贴片，所述内转子电机还包括设于所述动子轴上的第一编码器。

优选的，所述第一编码器包括第一光栅片和电路板，所述第一光栅片设于所述动子轴上。

优选的，所述第一电机为外转子电机。

优选的，所述外转子电机包括定子轴、与所述定子轴相配接的第二定子、设于所述第二定子外围的第二动子，所述第二定子具有电枢，所述电枢上均匀缠绕有电枢绕组，所述第二动子的内壁上设有第二永磁体贴片，所述外转子电机还包括第二编码器，所述第二编码器包括与所述定子轴配合的第二光栅片。

优选的，所述第一机械臂为所述外转子电机的第二动子，当所述外转子电机转动时，所述第一机械臂绕所述定子轴转动，且所述第一机械臂的位置参数通过所述第二编码器反馈。

优选的，所述机械手包括上中空电机、下中空电机、丝杠、丝杠花键连接件、直线导轨及相对于所述直线导轨滑行的滑块，所述丝杠花键连接件设于所述滑块上，所述上中空电机和下中空电机同轴心设置，所述上中空电机具有上中空转轴，所述上中空转轴上设有上编码器和与所述丝杠配接的法兰螺母，且所述丝杠套入所述上中空转轴中，所述丝杠连接于所述丝杠花键连接件的上端，所述下中空电机具有下中空转轴，所述下中空转轴上设有下编码器，所述下中空转轴中套设有花键，所述花键设于所述丝杠花键连接件上，且所述直线导轨与所述上中空转轴和下中空转轴平行。

相应地，一种平面关节型机器人的控制系统，其中所述平面关节型机器人包括第一电机、第二电机、上中空电机和下中空电机，所述控制系统包括计算机、控制器、第一电机驱动器、第一编码器、第二电机驱动器、第二编码器、上中空电机驱动器、上编码器、下中空电机驱动器、下编码器，所述计算机和控制器通过以太网线连接，并且可以交互信息，通过所述计算机对控制器进行编程，控制器将系统反馈的参数传送给计算机显示出来，从而根据程序分别对第一电机驱动器、第二电机驱动器、上中空电机驱动器及下中空电机驱动器发出相应的脉冲信号。

本发明的有益效果是，不使用RV减速器和谐波减速器，通过电机直接驱动机械臂，速度比较快，从而大大提高了工作效率；另外因为减少了中间环节，从而避免了使用RV减速器和谐波减速器产生的误差。再者，减少了中间的零部件，从而进一步降低了制造成本。因此，该平面关节型机器人及其控制系统工作效率更高、装配精度更高且制造成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的平面关节型机器人的立体示意图。

图2是本发明第一实施例提供的平面关节型机器人的第一电机的局部剖视图。

图3是图2中A-A处的剖视图。

图4是本发明第一实施例提供的平面关节型机器人的第二电机的局部剖视图。

图5是本发明第一实施例提供的平面关节型机器人的第二电机的俯视图。

图6是本发明实施例提供的平面关节型机器人的机械手的主视图。

图7是本发明实施例提供的平面关节型机器人的控制系统示意图。

图8是本发明第二实施例提供的平面关节型机器人的立体示意图。

图9是本发明第二实施例提供的平面关节型机器人的第一电机的局部剖视图。

图10是本发明第二实施例提供的平面关节型机器人的第一电机的俯视图。

图11是本发明第二实施例提供的平面关节型机器人的第二电机的局部剖视图。

图12是本发明第二实施例提供的平面关节型机器人的第二电机的俯视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明的第一优选实施例，一种平面关节型机器人，其中平面关节型机器人包括机架1、设于机架1的第一机械臂2、设于机架1和第一机械臂2之间的第一电机3、连接于第一机械臂2的机械手4，第一电机3嵌入第一机械臂2并直接驱动第一机械臂2转动。从而第一机械臂2带动机械手4移动。

本优选实施例中，不使用RV减速器和谐波减速器，通过第一电机3直接驱动第一机械臂2，速度比较快，从而大大提高了工作效率；另外因为减少了中间环节，从而避免了使用RV减速器和谐波减速器产生的误差，使得该平面关节型机器人的精度更高。再者，减少了中间的零部件，从而进一步降低了制造成本。因此该平面关节型机器人的结构更加优化、且性能得到了大大的改善，从而使得该平面关节型机器人工作效率更高、装配精度更高且成本较低。

机械手4包括连接于第一机械臂2的操作机构(未图示)，操作机构为机械手4的终端执行机构，可以为：夹爪，用于自动抓取、插件等；或为吸嘴，用于贴片、晶圆切割；或为焊接机，用于焊锡等。本优选实施例中，第一电机直接驱动第一机械臂2的传动精度高、响应快、体积小，且成本较低。

进一步，平面关节型机器人还包括设于第一机械臂2和机械手4之间的第二机械臂5，及嵌入第二机械臂5并直接驱动第二机械臂5转动的第二电机6。如此设置了第二机械臂5，进一步扩大了机械手4的移动范围，从而使得平面关节型机器人的操作范围更大，适应更多的使用需求。

本优选实施例中，第一电机3为内转子电机。第二电机6也采用内转子电机。当然，第一电机3和第二电机6也可采用外转子电机。具体请参见第二实施例的详细描述。

第一电机3包括动子轴12、与动子轴12过盈配合的第一动子14、设于第一动子14外围的第一定子16。其中第一定子16具有磁极(未图示)，磁极上缠绕有线圈绕组18，第一动子14具有安装槽(未图示)，安装槽内设有第一永磁体贴片20，第一电机3还包括设于动子轴12上的第一编码器22。

本优选实施例中，第一编码器22设于动子轴12上，使得该内转子电机结构简单、体积较小、成本较低。

本优选实施例中，第一机械臂2通过键26连接于动子轴12，动子轴12带动第一机械臂25转动，其中第一机械臂2的位置参数通过第一编码器22反馈。具体的，动子轴12上设有键槽28，第一机械臂2上设有凹槽30，键26设于键槽28和凹槽30中，从而将第一机械臂2与动子轴12连接在一起。

第一电机3还包括防止第一机械臂2沿动子轴12的轴向窜动的止动垫片32，止动垫片32通过螺栓34连接于动子轴12。止动垫片32设于动子轴12的端部以止挡第一机械臂2，从而将第一机械臂2可靠稳定地与动子轴12连接在一起，使得动子轴12带动第一机械臂2的转动平稳可靠。

进一步的，第一编码器22包括光栅片和电路板，光栅片设于动子轴12上。光栅片顶到动子轴12响应的位置上。

进一步参照图4和图5，示意了第二机械臂5所用的第二电机6，具体的，第二电机6也采用内转子电机，包括动子轴35、与动子轴35过盈配合的第一动子36、设于第一动子36外围的第一定子37。本优选实施例中，第一机械臂2作为第二电机6的第一定子37，从而使得第二电机嵌入第一机械臂2中，使得本发明结构紧凑、成本更低。另外，第二机械臂5所采用的第二电机6的其它结构与第一机械臂2所采用的第一电机3类似，在此不再做更详细赘述。

如图6所示，机械手4包括上中空电机44、下中空电机46、丝杠48、丝杠花键连接件50、直线导轨52及相对于直线导轨52滑行的滑块54，丝杠花键连接件50设于滑块54上，上中空电机44和下中空电机46同轴心设置，上中空电机44具有上中空转轴，上中空转轴上设有上编码器56和与丝杠48配接的法兰螺母58，其中通过紧定螺钉将上编码器56固定于上中空转轴上。另外丝杠48套入上中空转轴中，且丝杠48连接于丝杠48花键连接件50的上端。其中本优选实施例中，丝杠48通过螺母固定于丝杠48花键连接件50的上端。另外，花键62上套设有外筒63，保证外筒63可以顺滑带动花键62的转动。

下中空电机46具有下中空转轴，下中空转轴上设有下编码器60。具体的，下编码器60通过紧定螺钉固定于下中空转轴上。下中空转轴中套设有花键62，花键62设于丝杠花键连接件50上。且直线导轨52与上中空转轴和下中空转轴平行。花键62最底端可以用法兰连接操作机构来完成夹取物体和插件等。

进一步的，丝杆的螺纹升角λ<当量摩擦角Φv，以防止自锁，保证良好传动性。

本优选实施例中，上中空电机44的中空转子转动带动法兰螺母58和上编码器56，从而法兰螺母58带动丝杆48上下移动，上编码器56反馈上中空电机44的位置信号，丝杆48通过丝杆花键连接件50带动花键62上下移动。下中空电机46的中空转轴带动外筒63和下编码器60，外筒63带动花键62转动，下编码器60反馈下中空电机46的位置信号。

本优选实施例中，上中空电机44、下中空电机46、丝杆48和花键62在同一条轴上，丝杆48和花键62通过空心轴直接联接，避免了上中空电机44和下中空电机46同时工作时引起的震动，实现了直线运动和旋转运动的解耦，结构简单、使机构体积进一步缩小。

进一步参照图7，本优选实施例中平面关节型机器人的控制系统，其包括计算机64、控制器66、第一电机驱动器68、第一编码器69、第二电机驱动器70、第二编码器71、上中空电机驱动器72、上编码器56、下中空电机驱动器74、下编码器60，所述计算机64和控制器66通过以太网线连接，并且可以交互信息，通过所述计算机64对控制器66进行编程，控制器66将系统反馈的参数传送给计算机64显示出来，从而根据程序分别对第一电机驱动器68、第二电机驱动器70、上中空电机驱动器72及下中空电机驱动器74发出相应的脉冲信号。

具体的，控制器66与第一电机驱动器68、第二电机驱动器70、上中空电机驱动器72和下中空电机驱动器74分别通过并行总线连接。控制器66将所计算出来的脉冲数分别传送到以上各自驱动器中，各自驱动器也将输出相应的信号分别驱动各自电机。

第一编码器69、第二编码器71、上编码器56、下编码器60分别与第一电机驱动器68、第二电机驱动器70、上中空电机驱动器72和下中空电机驱动器74通过并行总线连接。第一编码器69、第二编码器71、上编码器56、下编码器60将各自电机所在的位置参数反馈给各自电机所对应的驱动器，从而判断电机是否运动到相应的位置。其中，各自驱动器、电机、编码器构成了一个闭环控制回路，这样的回路可以保证电机的工作精度。从而，进一步提高了装配精度。

如图8、图9和图10所示，本发明的第二优选实施例，本优选实施例与第一实施例的不同是，第一电机76和第二电机78为外转子电机。因此其它部分不再做详细赘述，下面先以第一电机76为例做详细描述。

第一电机76包括定子轴80、与定子轴80相配接的第二定子82、设于第二定子80外围的第二动子84，第二定子82具有电枢，电枢上均匀缠绕有电枢绕组86，第二动子84的内壁上设有第二永磁体贴片88，第一电机76还包括第二编码器90，第二编码器90包括与定子轴80配合的第二光栅片。

本优选实施例中，由于第二编码器90的第二光栅片设于定子轴80上，使得该第一电机结构简单、体积较小、成本较低。

优选的，第一机械臂为第一电机76的第二动子84，当第一电机76转动时，第一机械臂绕定子轴80转动，且第一机械臂的位置参数通过第二编码器90反馈。

本优选实施例中，第二定子82通过连接键94与定子轴80配接。当然，也可采用其它连接方式。

另外，本优选实施例中，第二编码器90通过以太网反馈机械臂的位置参数。使得控制更加方便、准确。

本优选实施例中，第二永磁体贴片88粘贴于第二动子84的内壁。当然，也可采用其它设置方法。具体的，也就是粘贴于机械臂的内壁。

如图11和图12，示意了第二电机78(参见图8)，具体的，第二电机78也采用外转子电机，包括定子轴100、与定子轴100相配接的第二定子102、设于第二定子100外围的第二动子104，本优选实施例中，第二机械臂作为第二电机78的第二动子104，从而使得第二电机嵌入第二机械臂中，使得本发明结构紧凑、成本更低。另外，第二机械臂所采用的第二电机78的其它结构与第一机械臂所采用的第一电机76(参见图8)类似，在此不再做更详细赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种平面关节型机器人，其特征在于：所述平面关节型机器人包括机架、设于机架的第一机械臂、设于所述机架和第一机械臂之间的第一电机、连接于所述第一机械臂的机械手，所述第一电机嵌入所述第一机械臂并直接驱动所述第一机械臂转动，所述第一电机为内转子电机，所述内转子电机包括动子轴、与所述动子轴过盈配合的第一动子、设于所述第一动子外围的第一定子，所述第一定子具有磁极，所述磁极上缠绕有线圈绕组，所述第一动子具有安装槽，所述安装槽内设有第一永磁体贴片，所述内转子电机还包括设于所述动子轴上的第一编码器。

2.根据权利要求1所述的平面关节型机器人，其特征在于：所述平面关节型机器人还包括设于所述第一机械臂和机械手之间的第二机械臂，及嵌入所述第二机械臂并直接驱动所述第二机械臂转动的第二电机。

3.根据权利要求1所述的平面关节型机器人，其特征在于：所述第一编码器包括第一光栅片和电路板，所述第一光栅片设于所述动子轴上。

4.根据权利要求1所述的平面关节型机器人，其特征在于：所述机械手包括上中空电机、下中空电机、丝杠、丝杠花键连接件、直线导轨及相对于所述直线导轨滑行的滑块，所述丝杠花键连接件设于所述滑块上，所述上中空电机和下中空电机同轴心设置，所述上中空电机具有上中空转轴，所述上中空转轴上设有上编码器和与所述丝杠配接的法兰螺母，且所述丝杠套入所述上中空转轴中，所述丝杠连接于所述丝杠花键连接件的上端，所述下中空电机具有下中空转轴，所述下中空转轴上设有下编码器，所述下中空转轴中套设有花键，所述花键设于所述丝杠花键连接件上，且所述直线导轨与所述上中空转轴和下中空转轴平行。