CN107671836A - 一种平面关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及工业领域，公开了一种平面关节机器人。本发明中，提供了一种平面关节机器人，包括：具有凹形结构的基座，在基座的凹腔内与基座连接的大臂，与大臂位于基座凹腔外的一端连接的前臂以及设置在前臂末端的工具端；其中，基座内设置有控制大臂水平方向转动的第一电机和控制前臂水平方向转动的第二电机，大臂内设置有控制工具端水平方向旋转的第三电机，前臂内设置有控制工具端竖直方向运动的第四电机。通过将平面机器人中前臂中的一部分电机后置，降低了前臂尺寸及运动惯量，并且在进行竖直运动时只需带动前臂末端的工具端，无需大臂和前臂均进行竖直运动，提高了运动的响应速度和进行操作时的稳定性。

Description

一种平面关节机器人

技术领域

本发明实施例涉及工业领域，特别涉及一种平面关节机器人。

背景技术

工业机器人是集精密化、柔性化、智能化以及软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。目前应用比较广泛的平面关节机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA)是一种适用于在水平面工作的多轴机器人。通常SCARA机器人包括一个固定轴，例如固定在桌面上的基座。该机器人还设置有可以相对固定轴运动，通常是可以竖直轴线旋转的大臂。另外该机器人还装有可以加装工具的例如末端法兰的结构，可以在该结构上加装磨具或夹具等工具。该结构装在可以相对机器人大臂旋转的前臂上并可以相对前臂旋转。

目前主流的SCARA机器人如图1所示由4个电机分别驱动大臂和前臂的水平方向旋转，以及末端机构的水平方向旋转和竖直方向运动。其中用于驱动大臂水平方向旋转的电机位于基座内，其余三个电机位于前臂内。这种电机存在的缺陷是前臂上要布置3个电机和相关的驱动线路，一方面造成了前臂在竖直方向的尺寸过大，这导致机器人不能在狭窄的作业区域内部进行作业例如压力机下方，因此大大降低了该机器人的多功能能力；另一方面由于这种机器人的很大一部分质量集中在前臂，明显增加了机器人运动时的惯量，使得机器人完成一个循环所需的时间显著增加，降低了工作效率；另外，线缆是在防护罩外由基座引至前臂，造成机器人在运动过程中易造成线缆弯折，限制了机器人的运动范围。

图2所示的是现有技术中的第一种改进方式的机器人结构，其对图1所示的机器人进行了改进，将线缆进行内置，克服了线缆易弯折的情况但图1所示机器人前臂尺寸过大和惯量过大的的问题依然存在。

图3所示的是现有技术中的第二种改进方式的机器人结构，该机器人对图2结构进行改进，将控制前臂转动的第2电机设置在大臂上，将控制竖直运动的第4电机设置在基座上。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：图3所示的机器人结构上虽然减小了机器人前臂的尺寸和大臂前臂转动运行时的惯量，但是将末端竖直方向的运动改为由基座和大臂连接处执行，导致机器人末端竖直方向运动时需要带动前臂和大臂，使得竖直运行时驱动的负载质量及惯量大大增加，需要较大功率的执行电机且响应变慢，而且当大臂和前臂臂展较长时，这种长悬臂结构在竖直方向的运动容易引起前臂甚至整机的晃动，严重影响末端精度及平稳性。因此针对现有技术SCARA机器人结构所存在的问题，迫切需要一种既能够减少SCARA机器人前臂的尺寸和运动时的惯量同时又能够使得机器人在进行竖直方向的操作时能够更加稳定的SCARA机器人结构。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种平面关节机器人，降低了平面关节机器人的前臂尺寸及运动惯量，提高了该平面关节机器人的响应速度和进行操作时的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种平面关节机器人，包括：具有凹形结构的基座，在基座的凹腔内与基座连接的大臂，与大臂位于基座凹腔外的一端连接的前臂以及设置在前臂末端的工具端；其中，基座内设置有控制大臂水平方向转动的第一电机和控制前臂水平方向转动的第二电机，大臂内设置有控制工具端水平方向旋转的第三电机，前臂内设置有控制工具端竖直方向运动的第四电机。

本发明实施方式相对于现有技术而言，将分别用于驱动大臂、前臂水平方向转动的功率需求量最大的第一电机和第二电机设置于基座内，将驱动工具端水平方向转动和竖直方向运动的小功率第三电机和第四电机分别设置于大臂和前臂中，有效降低了平面关节机器人大臂和前臂的尺寸、质量及惯量，从而提高了运动和响应速度。并且将平面关节机器人前臂内的电机进行后置，因此前臂内只有用于驱动竖直方向运动的第四电机位，在进行竖直运动时只需带动前臂末端的工具端，而无需带动前臂和大臂进行竖直移动，使平面关机机器人进行竖直方向操作时更加的稳定。

另外，基座凹形结构的上端还设置有第一减速机，第一减速机的上端连接口与基座连接，第一减速机的下端连接口与大臂的上表面连接，第一电机通过第一减速机的电机输入口驱动第一减速机转动，第一减速机驱动与其相连接的大臂沿水平方向转动，其中，大臂的下表面通过第一轴承与基座凹形结构的下端连接。通过在基座凹形结构的上端设置第一减速机，当第一电机启动时通过控制第一减速机的转动直接驱动大臂在水平方向上进行转动。

另外，大臂内还设置有具有轴向通孔的第二减速机，第二减速机的上端连接口与前臂连接，第二减速机的下端连接口与大臂连接。通过在大臂内设置第二减速机，当第二电机启动时，能够通过控制第二减速机的转动驱动前臂在水方向上的转动。

另外，基座凹腔结构的下端还固定设置有第一中空轴，与第一电机和第一中空轴下端连接的同步带轮相连的第一同步带；大臂的内腔设置有与第一中空轴上端连接的同步带轮和第二减速机下端的同步带轮连接的第二同步带，其中，第二电机通过第一同步带和第二同步带的两级同步带传动，驱动第二减速机转动，第二减速机带动与其相连的前臂沿水平方向转动。

第二电机通过第一同步带、第一中空轴、第二同步带和第二减速机的连接关系，控制第二减速机的转动再带动前臂的转动，通过两级同步带的传输方式间接驱动前臂在水平方向上的转动，实现第二电机即使设置在基座上也能实现对前臂的控制，解决了把第二电机设置在前臂上才能完成对前臂控制的问题。

另外，大臂的内腔还包含第二中空轴，其中第二中空轴穿过第二减速机的轴向通孔，第二中空轴的上端通过第二轴承与前臂连接，第二中空轴的下端通过第三轴承与第二减速机下端的同步带轮连接。

另外，大臂的内腔还包含与第三电机和第二中空轴下端的同步带轮相连的第三同步带，前臂的内腔包含与第二中空轴上端的同步带轮和工具端相连的第四同步带，其中，第三电机通过第三同步带和第四同步带的两级同步带传动，驱动工具端在水平方向旋转。

第三电机通过第三同步带、第二中空轴和第四同步带的连接关系，控制工具端在水平方向的转动，通过两级同步带的传输方式间接驱动工具端在水平方向上的转动，实现了第三电机即使设置在大臂上也能实现对工具端的控制，解决了把第三电机设置在前臂上才能完成对工具端控制的问题。

另外，前臂的内腔包含与第四电机和工具端相连的第五同步带，其中，第四电机通过第五同步带的传动，驱动工具端在竖直方向运动。

另外，第一中空轴的轴向通孔中设置有一根连接基座的内腔与大臂的内腔的第一过线套。

另外，第二减速机的轴向通孔中设置有一根连接前臂的内腔与大臂的内腔的第二过线套。

另外，第一过线套和第二过线套用于将外部电缆或气管在第一过线套的内腔和第二过线套的内腔进行走线。通过将外部电缆或气管在第一过线套的内腔和第二过线套的内腔进行穿插，使得在平面关节机器人运动过程中可以有更大的运动范围。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术中主流的平面关节机器人的结构示意图；

图2是现有技术第一种改进方式的平面关节机器人的结构示意图；

图3是现有技术中第二种改进方式的平面关节机器人的结构示意图；

图4是本发明第一实施方式的平面关节机器人的立体图；

图5是本发明第一实施方式的平面关节机器人的纵向剖视结构示意图；

图6式本发明第二实施方式的平面关节机器人的纵向剖视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种平面关节机器人。如图4所示为本实施例中平面关节机器人的立体图，由基座10、大臂11、前臂12和工具端13组成。

其中，基座10为具有凹腔结构的底座，大臂11的一端位于凹腔内，并且位于凹腔内的大臂11一端的上表面与基座10具有凹腔结构的上端连接，位于凹腔内的大臂11一端的下表面与基座10具有凹腔结构的下端连接。大臂11位于基座10凹腔外的一端与前臂12连接，在前臂12的末端设置工具端13。

另外，图5所示为本实施方式中平面关节机器人的纵向剖视结构示意图。在基座10的内腔设置有第一电机21和第二电机22，在大臂11内腔设置有第三电机23，在前臂12内腔设置有第四电机24。其中，第一电机21用于控制大臂11以大臂11与基座10的连接处为圆心在水平方向转动，第二电机22用于控制前臂12以前臂12与大臂11的连接处为圆心在水平方向转动，第三电机23用于控制工具端13的水平方向旋转，第四电机24用于控制工具端13的竖直方向运动。并且大臂、前臂分别是在平行于基座所在的平面上进行转动，工具端既可以在平行于基座所在的平面进行旋转，又可以在垂直于基座所在的平面上进行运动。

另外，通过大臂与凹形结构基座的双侧支撑，可以更大的提高大臂11运行时的平稳度。并且本实施方式中的平面关节机器人既可用于桌面安装也可用于壁挂安装，使其既可以在水平桌面上使用又可以在竖直墙壁上使用，具有更强的适用性和更广泛的应用环境。

相对于现有技术而言，在前臂仅安装用于控制工具端竖直方向运动的第四电机，很大程度上减小了前臂的体积和质量，从而使得前臂的运动惯量减小；基座设置为凹腔结构，使得大臂与基座形成双侧支撑，并且平面关节机器人在进行竖直运动时，只需带动工具端运动，都使得平面关节机器人在进行操作时更加的稳定。

本发明的第二实施方式涉及一种平面关节机器人。第二实施方式是对第一实施方式中平面关节机器人结构的具体介绍和电机传递动力过程的具体说明。

如图6所示为本实施例中平面关节机器人的纵向剖视结构示意图。具体包括：位于基座10内的：第一电机21、第二电机22、第一减速机211、第一同步带321、第一中空轴42、第一中空轴下端连接的同步带轮421、第一过线套51、用于连接大臂下表面与基座的第一轴承61；位于大臂11内的：第三电机23、第二同步带322、第三同步带331、第二减速机221、第一中空轴上端连接的同步带轮422、第二中空轴43、第二中空轴下端连接的同步带轮431、第二过线套52、用于连接第二中空轴上端与前臂下表面的第二轴承62、通过第三轴承63与第二减速机下端相连的同步带轮222；位于前臂12内的第四电机24、第四同步带332、第五同步带341、第二中空轴上端的同步带轮432；位于工具端13的：滚珠丝杠组件141、滚珠花键组件142、传动轴15。

需要说明的是，第一电机21固定在凹形结构基座10的内腔，第一减速机211设置于基座10凹腔结构的上端，第一减速机211的上端连接口与基座10连接，第一减速机211的下端连接口与大臂11的上表面连接，第一电机21通过第一减速机211的电机输入口驱动第一减速机转动，第一减速机211同时驱动与其相连接的大臂11沿水平方向转动，其中大臂11的下表面是通过第一轴承61与基座10凹形结构的下端连接。

值得一提的是，第一减速机211的作用是对第一电机21的输出转速进行降转速提高转矩，如果对于基座10和大臂11之间转动轴的输出转矩精度要求不高的情况下，可以省略第一减速机211。

需要说明的是，第一中空轴42固定设置在基座10凹形结构的下端，第二减速机221的上端连接口与前臂12连接，第二减速机221的下端连接口与大臂11连接。第二电机22通过第一同步带321与第一中空轴下端连接的同步带轮421连接，第一中空轴上端连接的同步带轮422通过第二同步带322与第二减速机下端的同步带轮222连接。当第二电机22启动时通过第一同步带321和第二同步带322的两级同步带传动，驱动第二减速机221转动，第二减速机221带动与其相连的前臂12沿水平方向转动。

值得一提的是，第二减速机221与第一减速机211的结构不同，第二减速机221是具有轴向通孔的，以便于第二中空轴43穿过轴向通孔与前臂12连接。第二减速机221的作用是对通过两级同步带传输过来的第二电机22的输出转速进行降转速提高扭矩，如果对于大臂11和前臂12之间转动轴的输出扭矩和精度要求不高的情况下，可以省略第二减速机221。

需要说明的是，第二中空轴43的上端通过第二轴承62与前臂12连接，第二中空轴的下端通过第三轴承63与第二减速机下端的同步带轮222间接连接。第三电机23通过第三同步带331与第二中空轴下端连接的同步带轮431连接，第二中空轴上端连接的同步带轮432通过第四同步带332与工具端13内的滚珠花键组件142连接，驱动工具端13的传动轴15在水平方向转动。

需要说明的是，第四电机24通过第五同步带连接工具端13内的滚珠丝杠组件141，第四电机24启动时驱动传动轴15在竖直方向运动。

另外，通过在第一中空轴42的轴向通孔中设置有一根连接基座10的内腔与大臂11的内腔的第一过线套51，第二减速机221的轴向通孔中设置有一根连接前臂12的内腔与大臂11的内腔的第二过线套52，来实现内部走线。将原有的外部电缆、气管全部放入底座10、大臂11及前臂12的内腔中，借助第一过线套51、第二过线套52以及第一过线套51和第二过线套52两端设置的固线装置实现电缆、气管在底座10内腔、大臂11内腔及前臂12内腔中来回穿插，满足安装在底座10、大臂11及前臂12内的供电部件及供气部件的电气需求。

值得一提的是，本实施例中，由于每个电机对应两根电缆气管线，并且需要将每个电机对应的电缆气管线连接到基座10上，因此在大臂11和前臂12的转轴处仅需要通过第四电机24的两根线，基座10和大臂11之间的转轴处也只需通过第三电机23和第四电机24的四根线，第一电机21和第二电机22的电机线在基座10上固定不动，因此相互运动产生的磨损会减少，并且电缆气管线不会受外界其他因素的影响。

相对于现有技术而言，本实施方式涉及的平面关节机器人，通过电机后置的方式将用于驱动大臂、前臂水平方向转动的功率需求量最大的第一电机和第二电机设置于基座内，将分别驱动工具端水平方向转动和竖直方向运动的小功率第三电机和第四电机分别设置于大臂和前臂中，有效降低了平面关节机器人运动时大臂前臂的体积、质量及惯量，在同等负载的条件下能够达到节省能源提高响应速度的效果。并且用于驱动竖直方向运动的第四电机位于前臂，因此执行竖直方向运动的只有前臂末端的工具端，无需由前臂和大臂均进行竖直移动，使平面关机机器人进行竖直方向操作时更加的稳定。电机的后置连接到前臂的电缆气管线的数目减少，使过线套的直径减小，可以承受的弯曲幅度更大。并且通过腔内走线的方式，避免了电缆线和气管的弯折，增加了大臂和前臂的运动范围。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种平面关节机器人，其特征在于，包括：具有凹腔结构的基座，在所述基座的凹腔内与所述基座连接的大臂，与所述大臂位于所述基座凹腔外的一端连接的前臂以及设置在所述前臂末端的工具端；其中，所述基座内设置有控制所述大臂水平方向转动的第一电机和控制所述前臂水平方向转动的第二电机，所述大臂内设置有控制所述工具端水平方向旋转的第三电机，所述前臂内设置有控制所述工具端竖直方向运动的第四电机。

2.根据权利要求1所述的平面关节机器人，其特征在于，所述基座凹形结构的上端还设置有第一减速机，所述第一减速机的上端连接口与所述基座连接，所述第一减速机的下端连接口与所述大臂的上表面连接，所述第一电机通过所述第一减速机的电机输入口驱动所述第一减速机转动，所述第一减速机驱动与其相连接的所述大臂沿水平方向转动，其中，所述大臂的下表面通过第一轴承与所述基座凹形结构的下端连接。

3.根据权利要求1所述的平面关节机器人，其特征在于，所述大臂内还设置有具有轴向通孔的第二减速机，所述第二减速机的上端连接口与所述前臂连接，所述第二减速机的下端连接口与所述大臂连接。

4.根据权利要求3所述的平面关节机器人，其特征在于，所述基座凹腔结构的下端还固定设置有第一中空轴，将所述第一电机和所述第一中空轴下端连接的同步带轮进行相连的第一同步带；所述大臂的内腔设置有将所述第一中空轴上端连接的同步带轮和所述第二减速机下端的同步带轮进行相连的第二同步带，其中，所述第二电机通过所述第一同步带和所述第二同步带的两级同步带传动，驱动所述第二减速机转动，所述第二减速机带动与其相连的所述前臂沿水平方向转动。

5.根据权利要求3所述的平面关节机器人，其特征在于，所述大臂的内腔还包含第二中空轴，其中所述第二中空轴穿过所述第二减速机的轴向通孔，所述第二中空轴的上端通过第二轴承与所述前臂连接，所述第二中空轴的下端通过第三轴承与所述第二减速机下端的同步带轮连接。

6.根据权利要求5所述的平面关节机器人，其特征在于，所述大臂的内腔还包含与所述第三电机和所述第二中空轴下端的同步带轮相连的第三同步带，所述前臂的内腔包含与所述第二中空轴上端的同步带轮和所述工具端相连的第四同步带，其中，所述第三电机通过所述第三同步带和所述第四同步带的两级同步带传动，驱动所述工具端在水平方向旋转。

7.根据权利要求1所述的平面关节机器人，其特征在于，所述前臂的内腔包含与所述第四电机和所述工具端相连的第五同步带，其中，所述第四电机通过所述第五同步带的传动，驱动所述工具端在竖直方向运动。

8.根据权利要求4所述的平面关节机器人，其特征在于，所述第一中空轴的轴向通孔中设置有一根连接所述基座的内腔与所述大臂的内腔的第一过线套。

9.根据权利要求3所述的平面关节机器人，其特征在于，所述第二减速机的轴向通孔中设置有一根连接所述前臂的内腔与所述大臂的内腔的第二过线套。

10.根据权利要求8或9所述的平面关节机器人，其特征在于，所述第一过线套和所述第二过线套用于将外部电缆或气管在所述第一过线套的内腔和所述第二过线套的内腔进行走线。