CN105965485B - 非正交六轴示教杆 - Google Patents

Abstract

本发明为一种非正交六轴示教杆，包括大臂、小臂、腕关节以及第一至第六转动轴。第一转动轴竖直设置，第一转动轴的上端固定第一拐臂，第一拐臂向第一转动轴的一侧水平伸出；大臂一端通过第二转动轴转动连接第一拐臂，第二转动轴的轴线与第一拐臂的伸出方向一致；大臂另一端通过第三转动轴转动连接第二拐臂，第二拐臂向大臂的一侧水平伸出，第三转动轴的轴线与第二转动轴的轴线平行；小臂一端与第二拐臂固定连接，另一端连接腕关节；第一转动轴、大臂所在的竖直平面、小臂所在的竖直平面均不重合；各个转动轴处设有电位器。本发明采用非正交形式，能满足更加复杂的空间作业轨迹示教，轨迹优化性强。腕关节结构紧凑、灵活性强，电位器性价比突出。

Description

非正交六轴示教杆

技术领域

本发明涉及机器人示教工具，尤其涉及一种非正交六轴示教杆。

背景技术

随着社会不断的进步，人们越来越重视工作环境对自身健康的影响，从而造成各种对人身伤害较大的岗位越来越难以招到人，用工成本也越来越高，甚至一些岗位出现了招不到人的现象。自2015年国家启动工业4.0规划，机器人应用的领域越来越广，但是机器人的操作编程需要操作者具有一定的专业知识和一定的编程经验，对操作者有极高的要求，而工厂内的员工大多都不满足要求，工厂又不可能去花时间培养这样的人才，为了适应工厂这种情况，需要研发一种即使普通工人也能操作的机器人，这个时候出现了几种解决方案。

1、示教盒编程(在线示教编程)。操作者通过操作机器人示教盒来控制机器人轨迹移动，并记录机器人当前位置坐标、各关节角度、末端直角坐标和机器人姿态信息，在线编程完成后控制器将整个轨迹运动数据转换成机器人执行代码并存储在机器人控制器中，操作者通过示教盒操作终端打开存储的程序并执行。由于在线示教编程在操作过程中需要编程者精细设计每一步运行轨迹，同时控制器需要记录机器人运行轨迹过程中多种信息(包含坐标、关节角度、姿态信息)每一次运行轨迹都需保存，最后由控制器转换为机器人可执行代码并控制机器人动作。示教编程操作相对复杂，对操作者有较高要求，需具有一定的相关专业知识，在使用者示教编程过程中易因人为操作失误造成危险碰撞，同时编程操作繁琐，易因为某个运动轨迹有误或某阶段运行轨迹未被保存而使整个轨迹规划失败，造成危险动作和时间上的浪费。编程繁琐复杂也同样带来对不同的工况应用上的不便，在工况相近的情况下，无法利用相似的程序，仍需重新编程且每一种工况都需要长时间的编程和优化，占用用户大量宝贵的时间。

2、离线编程。通过离线编程软件导入机器人及工件三维模型。利用三维模型仿真技术，通过对工件的三维轮廓曲线规划目标轨迹，并在离线状态下不断模拟优化达到最佳运行状态后生成机器人控制器可识别并编译执行控制机器人运动的代码。将代码导入到机器人控制器执行与离线状态下模拟的一比一的运行轨迹、动作姿态等。离线编程对使用者有较高的要求，需要使用者有较高的软件基础知识和结构知识；离线编程模拟仿真前需要对现场工况进行具体了解并对目标工件进行精确三维数据测量，同时工况环境的改变对机器人运行影响较大。

3、机器人拖动示教编程。通过在机器人本体上加装6自由度力矩传感器和液压助力装置，当拖动机器人本体模拟作业时，系统开始同步记录各关节编码器位置信息和传感器输出信号，模拟作业完成后系统将记录的数据生成机器人可执行的程序代码，机器人依照程序开始自动作业。机器人拖动示教编程中力矩传感器易受外界因素影响，造成动作的卡顿和不顺畅，增加操作者使用难度。对操作者有较高的依赖性，操作者需时间适应拖动示教中力矩传感器反馈带来动作上的变化；直接拖动机器人本体，在安全上有一定的隐患。

4、拖动示教杆示教。当前市面上的拖动示教杆与机器人DH值相同，长度尺寸相同，安装有6个编码器，每个关节轴安装阻尼器；人工拖动示教杆的同时6个编码器实时反馈数据给控制器，控制器通过软件计算生成人工拖动轨迹的程序，机器人开始依照生成的轨迹程序运行。此拖动示教杆由于为正交构型，空间自由度不够，关节角度小，末端空间运用不够灵活，且目前市面上示教杆采用6个高精度编码器，价格高昂，占示教杆总成本的70％，对客户来说不够经济实惠。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种非正交六轴示教杆，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非正交六轴示教杆，由于采用了非正交的结构形式，能满足更加复杂的空间作业轨迹示教，轨迹优化性强。

本发明的另一目的在于提供一种非正交六轴示教杆，其腕关节灵活性强，能在空间小、工况复杂的情况下灵活操作。

本发明的又一目的在于提供一种非正交六轴示教杆，在各个关节处采用电位器，保证高精度的同时极大降低制造成本，性价比突出。

本发明的目的是这样实现的，一种非正交六轴示教杆，所述非正交六轴示教杆包括：

第一转动轴，所述第一转动轴竖直设置，所述第一转动轴的上端固定第一拐臂，所述第一拐臂向所述第一转动轴的一侧水平伸出；

大臂，所述大臂的第一端通过第二转动轴转动连接所述第一拐臂，所述第二转动轴的轴线与所述第一拐臂的伸出方向一致；所述大臂的第二端通过第三转动轴转动连接第二拐臂，所述第二拐臂向所述大臂的一侧水平伸出，所述第三转动轴的轴线与所述第二转动轴的轴线平行；

小臂，所述小臂垂直于所述第二拐臂；所述小臂的第一端与所述第二拐臂固定连接，所述小臂的第二端连接腕关节；

其中，所述第一转动轴的轴线、所述大臂所在的竖直平面、所述小臂所在的竖直平面均不重合。

在本发明的一较佳实施方式中，所述腕关节包括：

第三拐臂，所述第三拐臂固定在所述小臂的第二端；所述第三拐臂向所述小臂的一侧水平伸出；

第一腕臂，所述第一腕臂的一端通过第四转动轴与所述第三拐臂转动连接；所述第四转动轴的轴线与所述第三转动轴的轴线平行；

第二腕臂，所述第二腕臂的一端通过第五转动轴与所述第一腕臂转动连接；所述第五转动轴的轴线与所述第四转动轴的轴线垂直相交；

末端固定件，所述末端固定件通过第六转动轴与所述第二腕臂转动连接；所述第六转动轴的轴线与所述第五转动轴的轴线垂直相交。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一转动轴的轴线、所述大臂所在的竖直平面、所述小臂所在的竖直平面、所述第一腕臂所在的竖直平面均不重合。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一转动轴至所述第六转动轴均同轴连接有电位器；所述电位器用于记录与其连接的转动轴的转动位置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述小臂上套设有吊块，所述吊块能在所述小臂上滑动，并通过紧固螺钉与所述小臂相对固定。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一转动轴通过轴承转动安装在所述安装底座中；所述第二转动轴通过轴承同轴安装在所述第一拐臂中，所述第二转动轴的一端与所述大臂的第一端固定连接；所述第三转动轴通过轴承同轴安装在所述第二拐臂中，所述第三转动轴的一端与所述大臂的第二端固定连接；所述第一转动轴至所述第三转动轴均同轴连接有电位器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第四转动轴通过轴承同轴安装在所述第三拐臂中，所述第四转动轴的一端与所述第一腕臂的一端固定连接；所述第五转动轴通过轴承同轴安装在所述第一腕臂中，所述第五转动轴的一端与所述第二腕臂的一端固定连接；所述第六转动轴通过轴承同轴安装在所述第二腕臂中，所述第六转动轴的一端与所述末端固定件固定连接；所述第四转动轴至所述第六转动轴均同轴连接有电位器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述末端固定件上设有工具安装孔；所述第六转动轴的一端固定有把手连接件，所述把手连接件上设有把手安装孔，把手穿设在所述把手安装孔中并通过锁紧螺钉固定。

在本发明的一较佳实施方式中，所述把手相对所述把手连接件对称设置，所述把手的两端安装有按钮盒。

在本发明的一较佳实施方式中，所述大臂为中空结构，所述大臂中穿设线缆；所述大臂、所述小臂、各个拐臂及腕臂均采用铝合金材料制成并具有氧化处理表面。

由上所述，本发明的非正交六轴示教杆与现有采用正交方式的拖动示教杆不同，非正交六轴示教杆的第一转动轴的轴线、大臂所在的竖直平面、小臂所在的竖直平面、第一腕臂所在的竖直平面均不重合，此为非正交形式，该种形式更利于操作人员示教，当操作人员拖动示教时，示教杆很轻松的避开人的肩膀，更随意、更灵活，空间的扩展性更强，机器人姿态更加灵活，能满足更加复杂的空间作业轨迹示教，轨迹优化性强。腕关节采用三轴设计，三个转动轴依次连接，结构紧凑、灵活性强，能在空间小、工况复杂的情况下灵活操作。第一转动轴至所述第六转动轴均同轴连接有电位器，通过电位器记录与其连接的转动轴的转动位置，保证高精度的同时极大降低制造成本，性价比突出。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明非正交六轴示教杆的结构示意图。

图2：为本发明非正交六轴示教杆的平面投影位置示意图。

图3：为本发明中腕关节的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种非正交六轴示教杆，所述非正交六轴示教杆主要包括大臂12、小臂20、腕关节以及六个转动轴，六个转动轴分别为第一转动轴5至第六转动轴36。安装底座1垂直设置在水平面上，所述第一转动轴5通过轴承3和轴承4转动安装在所述安装底座1中，第一转动轴5的轴线竖直设置。所述第一转动轴5的上端固定连接第一拐臂6，第一转动轴5的下端同轴连接有高精度电位器2，利用高精度电位器2来记录第一转动轴5的转动位置。所述第一拐臂6朝向所述第一转动轴5的一侧水平伸出，第一拐臂6可以绕第一转动轴5在水平面内作正负180度的摆动旋转。第一拐臂6为一个圆形套筒零件，所述第一拐臂6中同轴安装有第二转动轴9，第二转动轴9上安装有轴承10和轴承11，所述第二转动轴9的一端与所述大臂12的第一端固定连接，实施时大臂12的第一端可以通过大臂连接件8与第二转动轴9连接；从而所述大臂12的第一端通过第二转动轴9与所述第一拐臂6转动连接，且所述第二转动轴9的轴线与所述第一拐臂6的伸出方向一致，使大臂12能围绕第二转动轴9在垂直于第一拐臂6的竖直平面内作正负180度的摆动；第二转动轴9的另一端同轴连接有高精度电位器7。

所述大臂12的第二端通过第三转动轴13与第二拐臂18转动连接，第二拐臂18垂直于大臂12并向所述大臂12的一侧水平伸出，第二拐臂18为圆形套筒零件，其朝向第一转动轴5的一侧伸出。所述第三转动轴13的轴线与所述第二转动轴9的轴线平行，所述第三转动轴13通过轴承15和轴承16同轴安装在所述第二拐臂18中，所述第三转动轴13的一端与所述大臂12的第二端固定连接，实施时大臂12的第二端可以通过大臂连接件14与第三转动轴13连接，所述第三转动轴13的另一端同轴连接有高精度电位器17。所述小臂20垂直于所述第二拐臂18；所述小臂20的第一端与所述第二拐臂18固定连接，实施时小臂20的第一端可以通过小臂连接件19与第二拐臂18固定连接，所述小臂20随所述第二拐臂18一起围绕第三转动轴13在与第二拐臂18垂直的竖直平面内作正负160度摆动旋转，所述小臂20的第二端连接腕关节。

进一步，如图3所示，所述腕关节采用三轴的形式，包括第三拐臂25、第一腕臂28、第二腕臂34和末端固定件39。所述第三拐臂25垂直于小臂20并固定在所述小臂20的第二端；所述第三拐臂25向所述小臂20的一侧水平伸出，第三拐臂25为圆形套筒零件，其朝向第一转动轴5的一侧伸出。所述第一腕臂28的一端通过第四转动轴29与所述第三拐臂25转动连接；所述第四转动轴29的轴线与所述第三转动轴13的轴线平行。所述第四转动轴29通过轴承26和轴承27同轴安装在所述第三拐臂25中，所述第四转动轴29的一端与所述第一腕臂28的一端固定连接；第四转动轴29的另一端同轴连接有高精度电位器24。第一腕臂28能围绕第四转动轴29在垂直于第三拐臂25的竖直平面内作正负180度的摆动旋转。所述第二腕臂34的一端通过第五转动轴31与所述第一腕臂28转动连接，所述第五转动轴31的轴线与所述第四转动轴29的轴线垂直相交。第一腕臂28为中空结构的圆柱形套筒，所述第五转动轴31通过轴承32和轴承33同轴安装在所述第一腕臂28中，所述第五转动轴31的一端与所述第二腕臂34的一端固定连接，第五转动轴31的另一端同轴连接有高精度电位器30。所述第二腕臂34能围绕第五转动轴31在垂直于第一腕臂28的平面内作正负180度摆动旋转。所述末端固定件39通过第六转动轴36与所述第二腕臂34转动连接；所述第六转动轴36的轴线与所述第五转动轴31的轴线垂直相交。第二腕臂34为中空结构的圆柱形套筒，所述第六转动轴36通过轴承37和轴承38同轴安装在所述第二腕臂34中，所述第六转动轴36的一端与所述末端固定件39固定连接，第六转动轴36的另一端同轴连接高精度电位器35。末端固定件39能围绕第六转动轴36在垂直于第二腕臂34的平面内作正负180度旋转，末端固定件39用于连接作业工具，例如喷枪。如图3中的箭头所示，该腕关节可以绕第四转动轴的轴线51、第五转动轴的轴线52和第六转动轴的轴线53旋转，该腕关节的结构简单紧凑，并且针对复杂的动作更灵活，尤其是在空间小、工况复杂的情况下，极大的体现出该腕关节的灵活性。

目前拖动示教杆在喷涂行业应用较为广泛，但现有的拖动示教杆采用的是正交结构的形式，所谓正交结构形式，其含义是拖动示教杆的各个操作臂位于同一个竖直平面内，即在同一个平面内进行动作，空间自由度不够，关节角度小。本发明的非正交六轴示教杆采用非正交形式，如图2所示，所谓非正交形式是指所述第一转动轴5的轴线a1、所述大臂12所在的竖直平面a2、所述小臂20所在的竖直平面a3、所述第一腕臂28所在的竖直平面a4均不重合。显然以上所说的竖直平面均是指零件的对称中心平面。采用非正交形式更利于操作人员示教，当操作人员拖动示教时，示教杆很轻松的避开人的肩膀，更随意、更灵活，空间的扩展性更强，机器人姿态更加灵活，能满足更加复杂的空间作业轨迹示教，轨迹优化性强。另外，第一转动轴5至第六转动轴36均同轴连接有高精度电位器，通过电位器记录与其连接的转动轴的转动位置，保证高精度的同时极大降低制造成本，性价比突出。电位器可以采用IP67防护等级，防尘防水，适用于恶劣工厂环境中。

进一步，所述小臂20上套设有吊块21，所述吊块21能在所述小臂20上沿着箭头的方向22或箭头的方向23滑动，并通过紧固螺钉与所述小臂20相对固定。吊块21用来与辅助吊装设备配合，将小臂20进行辅助吊起，以减轻操作人员的负担。

进一步，所述末端固定件39上设有工具安装孔40，用于连接喷枪等作业工具。所述第六转动轴36的一端还固定有把手连接件，把手连接件包括把手连接杆41和连接在把手连接杆41一端的把手旋转固定件42，把手旋转固定件42上设有把手安装孔，把手45穿设在所述把手安装孔中并通过锁紧螺钉固定，可以通过锁紧螺钉的松紧来旋转把手45的角度。所述把手45相对所述把手旋转固定件42对称设置，所述把手45的两端安装有按钮盒43，按钮盒43上开孔安装按钮44。操作人员握住两端的把手45进行操作和控制。所述大臂12为中空结构，所述大臂12中穿设有与电位器连接的线缆。所述大臂12、所述小臂20、各个拐臂及腕臂均采用铝合金材料制成并具有氧化处理表面。

本发明的非正交六轴示教杆与非正交六轴机器人配合进行工作，只需要工人以平时工作时的动作去操作该示教杆即可，与示教杆连接的控制器会通过串口通讯时时采集每个转动轴处电位器的数值，通过软件计算得出示教杆的实时坐标，并生成机器人可执行代码，工人只需要操作示教杆完成后，生成轨迹即可。例如针对不同的喷涂对象，操作示教杆进行实际喷涂作业，待完成后存储此次操作形成的轨迹，后续根据不同的喷涂对象选择对应的喷涂程序，机器人根据相应的轨迹进行喷涂作业。可以解决现有的机器人示教编程操作繁琐、耗时较长的问题，提高工作效率；降低了企业使用门槛，实现机器人傻瓜式示教，降低企业对机器人操作者的专业要求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种非正交六轴示教杆，其特征在于，所述非正交六轴示教杆包括：

第一转动轴，所述第一转动轴竖直设置，所述第一转动轴的上端固定第一拐臂，所述第一拐臂向所述第一转动轴的一侧水平伸出；

大臂，所述大臂的第一端通过第二转动轴转动连接所述第一拐臂，所述第二转动轴的轴线与所述第一拐臂的伸出方向一致；所述大臂的第二端通过第三转动轴转动连接第二拐臂，所述第二拐臂向所述大臂的一侧水平伸出，所述第三转动轴的轴线与所述第二转动轴的轴线平行；

小臂，所述小臂垂直于所述第二拐臂；所述小臂的第一端与所述第二拐臂固定连接，所述小臂的第二端连接腕关节；

其中，所述第一转动轴的轴线、所述大臂所在的竖直平面、所述小臂所在的竖直平面均不重合；

所述腕关节包括：

第三拐臂，所述第三拐臂固定在所述小臂的第二端；所述第三拐臂向所述小臂的一侧水平伸出；

第一腕臂，所述第一腕臂的一端通过第四转动轴与所述第三拐臂转动连接；所述第四转动轴的轴线与所述第三转动轴的轴线平行；

第二腕臂，所述第二腕臂的一端通过第五转动轴与所述第一腕臂转动连接；所述第五转动轴的轴线与所述第四转动轴的轴线垂直相交；

末端固定件，所述末端固定件通过第六转动轴与所述第二腕臂转动连接；所述第六转动轴的轴线与所述第五转动轴的轴线垂直相交。

2.如权利要求1所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述第一转动轴的轴线、所述大臂所在的竖直平面、所述小臂所在的竖直平面、所述第一腕臂所在的竖直平面均不重合。

3.如权利要求1所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述第一转动轴至所述第六转动轴均同轴连接有电位器；所述电位器用于记录与其连接的转动轴的转动位置。

4.如权利要求1所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述小臂上套设有吊块，所述吊块能在所述小臂上滑动，并通过紧固螺钉与所述小臂相对固定。

5.如权利要求1所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述第一转动轴通过轴承转动安装在安装底座中；所述第二转动轴通过轴承同轴安装在所述第一拐臂中，所述第二转动轴的一端与所述大臂的第一端固定连接；所述第三转动轴通过轴承同轴安装在所述第二拐臂中，所述第三转动轴的一端与所述大臂的第二端固定连接；所述第一转动轴至所述第三转动轴均同轴连接有电位器。

6.如权利要求1所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述第四转动轴通过轴承同轴安装在所述第三拐臂中，所述第四转动轴的一端与所述第一腕臂的一端固定连接；所述第五转动轴通过轴承同轴安装在所述第一腕臂中，所述第五转动轴的一端与所述第二腕臂的一端固定连接；所述第六转动轴通过轴承同轴安装在所述第二腕臂中，所述第六转动轴的一端与所述末端固定件固定连接；所述第四转动轴至所述第六转动轴均同轴连接有电位器。

7.如权利要求1或6所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述末端固定件上设有工具安装孔；所述第六转动轴的一端固定有把手连接件，所述把手连接件上设有把手安装孔，把手穿设在所述把手安装孔中并通过锁紧螺钉固定。

8.如权利要求7所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述把手相对所述把手连接件对称设置，所述把手的两端安装有按钮盒。

9.如权利要求8所述的非正交六轴示教杆，其特征在于，所述大臂为中空结构，所述大臂中穿设线缆；所述大臂、所述小臂、各个拐臂及腕臂均采用铝合金材料制成并具有氧化处理表面。