CN107042509B

CN107042509B - 一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人

Info

Publication number: CN107042509B
Application number: CN201710456872.2A
Authority: CN
Inventors: 张良安; 赵学峰; 刘俊; 卢杰; 张壮; 叶增林
Original assignee: Anhui Hiseed Robot Co ltd
Current assignee: Anhui Hiseed Robot Co ltd
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2037-06-16
Also published as: CN107042509A

Abstract

本发明公开一种连杆与同步带联合传动的平面关节四自由度机器人，属于工业机器人技术领域，包括机架、运动上支链、运动下支链和末端执行机构。运动上支链位于运动下支链上方，运动上支链包括X轴电机、Z轴电机、三级同步带传动装置、第一主动臂和第一从动臂；运动下支链包括Y轴电机、R轴电机、二级同步带传动装置、第二主动臂、第二从动臂。驱动电机均置于机架，X轴和Y轴动力依靠单级同步带与连杆传递，Z轴和R轴动力依靠多级同步带传递。该机器人转动惯量小，刚性好，响应速度快。

Description

一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人。

背景技术

轻工、医药、食品和电子等行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装等作业往往需要末端执行器在空间中进行高速作业的机械手。一般关节机器人，驱动装置布置在关节上，该种布置方式存在转动惯量大、刚度差、响应速度慢的缺点，在操作空间大和大负载的工作环境中，缺点表现的尤为明显。

发明内容

针对所存在的技术问题，本发明提供了一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人，该平面关节型机器人相比传统平面关节型机器人，具有转动惯量小、刚度好、响应速度快的优点。

为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人，包括：机架、运动上支链、运动下支链和末端执行机构，运动上支链位于运动下支链上方。

运动上支链包括X轴电机、Z轴电机、三级同步带传动装置、第一主动臂和第一从动臂，三级同步带传动装置包括：主动带轮A、从动带轮A、同步带A、主动带轮B、从动带轮B、同步带B、主动带轮C、从动带轮C和同步带C。

所述运动下支链包括Y轴电机、R轴电机、二级同步带传动装置、第二主动臂和第二从动臂，所述二级同步带传动装置包括主动带轮D、从动带轮D、同步带D、主动带轮E、从动带轮E和同步带E。

所述X轴电机与X轴减速器通过键联接，X轴减速器与机架通过安装板A连接，上主动带轮固定安装在X轴减速器上，上主动带轮与上从动带轮通过上同步带传递动力，上从动带轮通过第一螺钉与套筒A连接，套筒A与传动轴A同轴心间隙配合，套筒A与安装在机架上的轴承配合，套筒A下端部与第一主动臂通过第二螺钉连接，从而带动第一主动臂一起转动，套筒B与第一主动臂通过第三螺钉连接，套筒B与传动轴B同轴心间隙配合,套筒B与安装在第一从动臂上的轴承配合，从而第一从动臂可相对套筒B轴线转动，传动轴C与安装在第一从动臂上的轴承配合，传动轴C下端部与安装在安装板C上的轴承配合，安装板C与第二从动臂固定连接；所述Y轴电机与Y轴减速器通过键联接，Y轴减速器与机架通过安装板B固定连接，下主动带轮固定安装在Y轴减速器上，下主动带轮与下从动带轮通过下同步带传递动力，下从动带轮与套筒D通过第四螺钉固定连接，套筒D与传动轴D同轴心间隙配合，套筒D与安装在机架上的轴承配合，套筒D上端部与第二主动臂通过第五螺钉连接，从而带动第二主动臂一起转动；套筒E与第二主动臂通过第六螺钉连接，套筒E与传动轴E同轴心间隙配合，套筒E与安装在第二从动臂上轴承配合，从而第二从动臂可相对套筒E轴线转动；机架、第一主动臂、第一从动臂、第二主动臂和第二从动臂组成平面并联五杆机构。

Z轴电机与Z轴减速器通过键联接，Z轴减速器与机架通过螺钉连接；Z轴减速器输出轴与传动轴A通过联轴器联接，传动轴A为阶梯轴，传动轴A上端部与安装在上主动带轮上的轴承配合，下端部与安装在套筒A上的轴承配合，传动轴A与主动带轮A固定连接，主动带轮A与从动带轮A通过同步带A传递动力，从动带轮A固定安装在传动轴B下端部，传动轴B下端部与安装在套筒B上的轴承配合,上端部与安装在上压盖的轴承配合，传动轴B与主动带轮B固定连接，主动带轮B与从动带轮B通过同步带B传递动力，从动带轮B固定安装在传动轴C上,主动带轮C固定在传动轴C上，主动带轮C和从动带轮C通过同步带C传递动力，从动带轮C固定在末端执行机构上；R轴电机与R轴减速器通过键联接，R轴减速器、电机安装板和安装板D通过螺钉连接，传动轴D一端部为连接法兰，R轴减速器与传动轴D固定连接，传动轴D下端部与主动带轮D固定连接，传动轴D下端部与安装在下从动带轮上的轴承配合，上端部与安装在套筒D上的轴承配合，主动带轮D与从动带轮D通过同步带D传递动力，从动带轮D固定安装在传动轴E上端部，传动轴E上端部与安装在套筒E上的轴承配合，传动轴E下端部与安装在下压盖上的轴承配合，与主动带轮E固定连接，主动带轮E与从动带轮E通过同步带E传递动力，从动带轮E固定安装在末端执行机构上。

优选的，末端执行机构包括丝杠花键一体轴、丝杆螺母、花键螺母和套杯；丝杠螺母与从动带轮C固定连接，花键螺母与从动带轮E固定连接，丝杠螺母和花键螺母通过套杯固定在第二从动臂上。

优选的，X轴减速器、Y轴减速器、Z轴减速器为行星减速器、R轴减速器为谐波减速器。

本发明具有如下的优点：

1.四套驱动装置均采用后置形式，大大地减小了机械臂的转动惯量，可以可快响应，这为机器人能够完成快速定位，取放产品成提供了保证；

2.四套驱动装置均采用后置形式，提高了机器人刚性，可以适应大负载和较大的操作空间；

3.套筒和传动轴配合使用，把关节的转动和同步带的传动分开进行，结构紧凑。

附图说明

图1 是本发明极限位置的剖视示意图。

图2 是本发明的立体示意图。

图3 是图1中传动轴A处的放大图。

图4 是图1中传动轴B处的放大图。

图5 是图1中传动轴D处的放大图。

图6 是图1中传动轴E处的放大图。

上述图中的标记均为：1、机架；2、上主动带轮；3、安装板A；4、上同步带；5、X轴减速器；6、X轴电机；7、Z轴电机；8、Z轴减速器；9、联轴器；10、传动轴A；11、第一螺钉；12、上从动带轮；13、套筒A；14、第二螺钉；15、主动带轮A；16、同步带A；17、第一主动臂；18、从动带轮A；19、第三螺钉；20、套筒B；21、第一从动臂；22、主动带轮B；23、传动轴B；24、上压盖；25、同步带B；26、从动带轮B；27、传动轴C；28、主动带轮C；29、安装板C；30、同步带C；31、直线轴承；32、光轴；33、从动带轮C；34、轴端限位块；35、丝杠花键轴；36、丝杆螺母；37、套杯；38、第二从动臂；39、花键螺母；40、从动带轮E；41、连接架；42、连接法兰；43、同步带E；44、主动带轮E；45、传动轴E；46、下压盖；47、套筒E；48、第六螺钉；49、从动带轮D；50、第二主动臂；51、同步带D；52、主动带轮D；53、传动轴D；54、第五螺钉；55、套筒E；56、下从动带轮；57、第四螺钉；58、R轴减速器；59、安装板D；60、电机安装板；61、R轴电机；62、Y轴电机；63、安装板B；64、Y轴减速器；65、下主动带轮；66、下同步带。

具体实施方式

如图1-6所示，本连杆与同步带联合传动的平面性关节四自由度机器人，包括机架、运动上支链、运动下支链和末端执行机构；运动上支链包括X轴电机6、X轴减速器5、Z轴电机7、Z轴减速器8、三级同步带传动装置、第一主动臂17和第一从动臂21；三级同步带传动装置包括主动带轮A15、从动带轮A18、同步带A16、主动带轮B22、从动带轮B26、同步带B25、主动带轮C28、从动带轮C33和同步带C30。

运动下支链包括Y轴电机62、Y轴减速器64、R轴电机61、R轴减速器60、二级同步带传动装置、第二主动臂50和第二从动臂38；二级同步带传动装置包括主动带轮D52、从动带轮D49、同步带D51、主动带轮E44、从动带轮E48和同步带E43。

X轴电机6输出端与X轴减速器5输入端通过键联接，X轴减速器5连接法兰与机架1通过安装板A3固定连接，上主动带轮2通过胀紧套安装在X轴减速器5输出端上，上主动带轮2与上从动带轮12通过上同步带4传递动力，上从动带轮12与套筒A13通过第一螺钉11连接，套筒A13与传动轴A10同轴心间隙配合，套筒A13中部与安装在机架1上的轴承配合，套筒A13下端部与第一主动臂17通过第二螺钉14连接，从而带动第一主动臂17一起转动，套筒B20与第一主动臂17通过第三螺钉19连接，套筒B20与传动轴B23同轴心间隙配合,套筒B20与安装在第一从动臂21上的轴承配合，从而第一从动臂21可相对套筒B20轴线转动，传动轴C27与安装在第一从动臂21上的轴承配合，传动轴C27下端部与安装在安装板C29上的轴承配合，安装板C29与第二从动臂38固定连接，传动轴C28可绕自身轴线相对第一从动臂21和第二从动臂38转动。

Y轴电机62输出端与Y轴减速器64输入端通过键联接，Y轴减速器64连接法兰与机架1通过安装板B63固定连接，下主动带轮65通过胀紧套安装在Y轴减速器64输出端上，下主动带轮65与下从动带轮56通过下同步带66传递动力，下从动带轮56与套筒E55通过第四螺钉57连接，套筒D55与传动轴D53同轴心间隙配合，套筒D55与安装在机架1上的轴承配合，套筒D55上端部与第二主动臂50通过第五螺钉54连接，从而带动第二主动臂50一起转动,套筒E47与第二主动臂50通过第六螺钉48连接，套筒E47与传动轴E45同轴心间隙配合，套筒E47与安装在第二从动臂38上轴承配合，从而第二从动臂38可相对套筒E47轴线转动，第一从动臂21与第二从动臂38通过连接轴C27铰链；机架1、第一主动臂17、第一从动臂21、第二主动臂50和第二从动臂38组成平面并联五杆机构；X轴电机6和Y轴电机62驱动平面并联五杆机构，转化成动平台的的X、Y向运动。

Z轴电机7输出端与Z轴减速器8输入端通过键联接，Z轴减速器8连接法兰与机架1通过螺钉连接；Z轴减速器8输出轴与传动轴A10上端部通过联轴器9联接，传动轴A10为阶梯轴，传动轴A10上端部与安装在上主动带轮12上的轴承配合，下端部与安装在套筒A13上的轴承配合，主动带轮A15通过胀紧套安装在传动轴A10，主动带轮A15与从动带轮A18通过同步带A16传递动力，从动带轮A18通过胀紧套安装在传动轴B23下端部，传动轴B24下端部与安装在套筒B20上的轴承配合,上端部与安装在上压盖24的轴承配合，主动带轮B22通过胀紧套安装在传动轴B23上，主动带轮B22与从动带轮B26通过同步带B25传递动力，从动带轮B26通过胀紧套安装在传动轴C27上,主动带轮C28通过胀紧套安装在传动轴C27上，主动带轮C28和从动带轮C33通过同步带C30传递动力，从动带轮C33固定在末端执行机构上。

R轴电机61输出端与R轴减速器58输入端通过键联接，R轴减速器58、电机安装板60和安装板D59通过螺钉连接，传动轴D53一端部为连接法兰，R轴减速器58输出端与传动轴D53通过螺钉连接，主动带轮D52通过胀紧套安装在传动轴D53下端部，传动轴D53下端部与安装在从动带轮D56上的轴承配合，上端部与安装在套筒D55上的轴承配合，主动带轮D52与从动带轮D49通过同步带D51传递动力，从动带轮D49通过胀紧套安装在传动轴E45上端部，传动轴E45上端部与安装在套筒E47上的轴承配合，下端部与安装在下压盖46上的轴承配合，主动带轮E44通过胀紧套安装在传动轴E45下端部，主动带轮E44与从动带轮E40通过同步带E43传递动力，从动带轮E40固定安装在末端执行机构上。

末端执行机构包括：轴端限位块34、丝杠花键轴35、丝杆螺母36、花键螺母39、套杯37、光轴32、直线轴承31、连接架41、连接法兰42；丝杠螺母36与从动带轮C33固定连接，花键螺母39与从动带轮E40固定连接，丝杠螺母36和花键螺母39通过套杯37固定在第二从动臂38上，光轴32与丝杠花键轴35通过连接架41固定连接，光轴32用来增加末端执行机构的刚性。丝杠花键轴35下端部与安装在连接架41的轴承配合，连接法兰42通过螺钉安装在丝杠花键轴35下端部，用来连接末端抓手。

Z轴电机动力经过三级同步带传动装置传递到丝杆螺母36，丝杠螺母36与丝杠花键轴35啮合，转化成动平台的Z向运动。

R轴电机经过二级同步带传动装置传递到花键螺母39，花键螺母39与丝杠花键轴35啮合，转化成动平台绕自身轴线转动。

进一步地，X轴减速器5、Y轴减速器64和Z轴减速器8为行星减速器、R轴减速器58为谐波减速器。

四套驱动装置均采用后置形式，大大地减小了机械臂的转动惯量，可以可快响应，这为机器人能够完成快速定位，取放产品成提供了保证；提高了机器人刚性，可以适应大负载和较大的操作空间，套筒和传动轴配合使用，把关节的转动和同步带的传动分开进行，结构紧凑。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种连杆与同步带联合传动的平面关节型四自由度机器人，其特征在于：包括机架、运动上支链、运动下支链和末端执行机构，所述运动上支链位于运动下支链上方；所述运动上支链包括X轴电机、Z轴电机、三级同步带传动装置、第一主动臂和第一从动臂，所述三级同步带传动装置包括、主动带轮A、从动带轮A、同步带A、主动带轮B、从动带轮B、同步带B、主动带轮C、从动带轮C和同步带C；所述运动下支链包括Y轴电机、R轴电机、二级同步带传动装置、第二主动臂、第二从动臂，所述二级同步带传动装置包括主动带轮D、从动带轮D、同步带D、主动带轮E、从动带轮E和同步带E；所述X轴电机与X轴减速器通过键联接，X轴减速器与机架通过安装板A连接，上主动带轮固定安装在X轴减速器上，上主动带轮与上从动带轮通过上同步带传递动力，上从动带轮通过第一螺钉与套筒A连接，套筒A与传动轴A同轴心间隙配合，套筒A与安装在机架上的轴承配合，套筒A下端部与第一主动臂通过第二螺钉连接，从而带动第一主动臂一起转动，套筒B与第一主动臂通过第三螺钉连接，套筒B与传动轴B同轴心间隙配合,套筒B与安装在第一从动臂上的轴承配合，从而第一从动臂可相对套筒B轴线转动，传动轴C与安装在第一从动臂上的轴承配合，传动轴C下端部与安装在安装板C上的轴承配合，安装板C与第二从动臂固定连接；所述Y轴电机与Y轴减速器通过键联接，Y轴减速器与机架通过安装板B固定连接，下主动带轮固定安装在Y轴减速器上，下主动带轮与下从动带轮通过下同步带传递动力，下从动带轮与套筒D通过第四螺钉连接，套筒D与传动轴D同轴心间隙配合，套筒D与安装在机架上的轴承配合，套筒D上端部与第二主动臂通过第五螺钉连接，从而带动第二主动臂一起转动；套筒E与第二主动臂通过第六螺钉连接，套筒E与传动轴E同轴心间隙配合，套筒E与安装在第二从动臂上轴承配合，从而第二从动臂可相对套筒E轴线转动；机架、第一主动臂、第一从动臂、第二主动臂和第二从动臂组成平面并联五杆机构； Z轴电机与Z轴减速器通过键联接，Z轴减速器与机架通过螺钉连接；Z轴减速器输出轴与传动轴A通过联轴器联接，传动轴A为阶梯轴，传动轴A上端部与安装在上主动带轮上的轴承配合，下端部与安装在套筒A上的轴承配合，传动轴A与主动带轮A固定连接，主动带轮A与从动带轮A通过同步带A传递动力，从动带轮A固定安装在传动轴B下端部，传动轴B下端部与安装在套筒B上的轴承配合,上端部与安装在上压盖的轴承配合，传动轴B与主动带轮B固定连接，主动带轮B与从动带轮B通过同步带B传递动力，从动带轮B固定安装在传动轴C上，主动带轮C固定在传动轴C上，主动带轮C和从动带轮C通过同步带C传递动力，从动带轮C固定在末端执行机构上；R轴电机与R轴减速器通过键联接，R轴减速器、电机安装板和安装板D通过螺钉连接，传动轴D一端部为连接法兰，R轴减速器与传动轴D固定连接，传动轴D下端部与主动带轮D固定连接，传动轴D下端部与安装在下从动带轮上的轴承配合，上端部与安装在套筒D上的轴承配合，主动带轮D与从动带轮D通过同步带D传递动力，从动带轮D固定安装在传动轴E上端部，传动轴E上端部与安装在套筒E上的轴承配合，传动轴E下端部与安装在下压盖上的轴承配合，传动轴E下端部与主动带轮E固定连接，主动带轮E与从动带轮E通过同步带E传递动力，从动带轮E固定安装在末端执行机构上；所述末端执行机构包括丝杠花键轴、丝杆螺母、花键螺母和套杯，丝杠螺母与从动带轮C固定连接，花键螺母与从动带轮E固定连接，丝杠螺母和花键螺母通过套杯固定在第二从动臂上；X轴减速器、Y轴减速器、Z轴减速器为行星减速器，R轴减速器为谐波减速器。