CN107972021A - 一种多轴机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴机械臂，包括基座、肩部安装座、主臂和前臂，肩部安装座与基座转动连接，主臂与肩部安装座转动连接，前臂与主臂转动连接，前臂上设有末端安装法兰和腕部摆动关节，末端安装法兰安装于腕部摆动关节上，前臂中部设有前臂旋转关节驱动装置，主臂与前臂间通过前臂旋转关节连接，前臂旋转关节驱动装置与前臂间传动连接，主臂中部设有腕部摆动驱动装置和末端法兰旋转驱动装置，腕部摆动驱动装置与腕部摆动关节传动连接，末端法兰旋转驱动装置与末端安装法兰传动连接。本发明可提高多轴机械臂的运行稳定性，且可降低成本，方便维护。

Description

一种多轴机械臂

技术领域

本发明涉及一种工业自动化设备，更具体地说，它涉及一种多轴机械臂。

背景技术

机械臂是工业机器人的一种，它由操作机，控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制，可重复编程，能在三维空间完成多种作业的自动化生产设备。机械臂可以极大提高生产效率，稳定和提高产品质量，改善工人劳动条件，提高工业生产机械化和自动化程度，在超常温度、高压、多粉尘、高噪音以及带有放射性和污染的场合，机械臂更是可以发挥出极大的功效，可代替入从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，完成繁重、单调的重复劳动，在焊接、喷漆、搬运等生产环节中应用极广。现有的传统机械臂结构，电机都安装在关节处，这种结构虽然简单紧凑，但应用在多关节机械臂中时，电机本身的重量成为悬臂自重的一部分，使下级关节的负荷急剧上升，同时增加悬臂的惯量，使运行稳定性降低。此外，目前市面上的多轴机械臂多采用电机+RV减速器或谐波减速器的方式传动，成本较高。公开号为CN105215986A的发明于2016年1月6日公开了一种一种多轴机械手，包括旋转座以及依次连接于旋转座的第二、三、四、五和六传动机构，第二传动机构包括机器人大臂和第二伺服电机，第三传动机构包括大臂圆管、第一机器人中臂、第二机器人中臂、第三伺服电机和第二减速器，第四传动机构包括中臂圆管、第四伺服电机和第三减速机，第五传动机构包括第一机器人小臂、安装腔、第二机器人小臂、第五伺服电机和第四减速机，第六传动机构包括旋转法兰、第六伺服电机和第五减速机。本发明采用高品质的伺服电机配合机器人专用的RV系列减速机的传动结构，实现高精度、高效率的机械传动，操作简单，结构紧凑，零部件少，故障率低，具有良好的环境适用性，保证精度和惯量。但该多轴机械手也如前所述，电机都安装在关节处，易使下级关节的负荷急剧上升，同时增加悬臂的惯量，使运行稳定性降低。

发明内容

现有的多轴机械臂上，电机一般都安装在关节处，易使下级关节的负荷急剧上升，同时增加悬臂的惯量，使运行稳定性降低，为克服这一缺陷，本发明提供了一种可减轻下级关节负荷，降低悬臂惯量，提高运行稳定性的多轴机械臂。

本发明的技术方案是：一种多轴机械臂，包括基座、肩部安装座、主臂和前臂，肩部安装座与基座转动连接，主臂与肩部安装座转动连接，前臂与主臂转动连接，前臂上设有末端安装法兰和腕部摆动关节，末端安装法兰安装于腕部摆动关节上，主臂中部设有前臂旋转关节驱动装置，主臂与前臂间通过前臂旋转关节连接，前臂旋转关节驱动装置与前臂间传动连接，前臂中部设有腕部摆动驱动装置和末端法兰旋转驱动装置，腕部摆动驱动装置与腕部摆动关节传动连接，末端法兰旋转驱动装置与末端安装法兰传动连接。前臂旋转关节驱动装置可驱动前臂相对于主臂运动，腕部摆动驱动装置驱动腕部摆动关节相对于前臂运动，末端法兰旋转驱动装置驱动末端安装法兰相对于腕部摆动关节运动。前臂旋转关节驱动装置、腕部摆动驱动装置、末端法兰旋转驱动装置都未安装在关节处，因此可克服现有常规多轴机械臂结构的缺陷，因此可减轻下级关节负荷，降低悬臂惯量，提高运行稳定性。

作为优选，肩部安装座包括安装座主体、旋转关节、旋转关节驱动装置、肩关节驱动装置和主臂旋转关节，安装座主体通过旋转关节与基座连接，主臂通过主臂旋转关节连接在安装座主体上，旋转关节驱动装置、肩关节驱动装置固设于安装座主体上，旋转关节驱动装置与旋转关节传动连接，旋转关节上连接有肩部链轮，肩部链轮同轴固定套接在旋转关节外，肩部链轮、旋转关节均固定于基座上，安装座主体与旋转关节转动连接，旋转关节驱动装置的输出端连有驱动链轮，驱动链轮与肩部链轮通过传动链条连接。本多轴机械臂的基座可直接固定在地面，也可固定在其它机架上。在旋转关节驱动装置驱动下，肩部安装座、主臂和前臂可围绕旋转关节作相对于基座的运动；在肩关节驱动装置驱动下，主臂和前臂可围绕主臂旋转关节作相对于肩部安装座的运动。

作为优选，主臂旋转关节转动连接在肩部安装座上，主臂旋转关节上固定连接有主臂链轮，主臂链轮固连在主臂上，肩关节驱动装置的输出端连有驱动同步带轮，驱动同步带轮通过传动带连接一主臂传动轮，主臂传动轮转动连接在安装座主体上，主臂传动轮的转轴上设有一主臂驱动链轮，且主臂传动轮与主臂驱动链轮传动连接，主臂驱动链轮与主臂链轮通过传动链条连接。通过这样的结构设置，可以简单的传动结构实现肩关节驱动装置对主臂的驱动，简化本多轴机械臂结构，降低造价。

作为优选，安装座主体上还设有平衡机构，平衡机构上设有张紧的拉绳，拉绳连接在一拉杆上，拉杆与主臂旋转关节固连。主臂上承载了前臂，主臂摆动时惯量较大，设置平衡机构可平衡部分力矩，减小运动冲击，使主臂运动更为平缓柔和。

作为优选，前臂旋转关节上转动连接有前臂旋转关节上固定连接有前臂从动链轮，主臂端部固设有关节套座，前臂旋转关节固连在前臂上并转动连接在关节套座上，前臂旋转关节驱动装置通过二级同步带传动机构与一前臂主动链轮连接，前臂主动链轮转动连接在主臂上，前臂主动链轮与前臂从动链轮通过传动链条连接。通过二级同步带传动机构的传动，前臂旋转关节驱动装置可在离前臂端部较远处驱动前臂主动链轮，前臂旋转关节驱动装置自身产生的相对于主臂旋转关节的负荷力矩相对更小，同时，二级同步带传动机构可进行充分减速，获取理想的运动速度。用二级同步带传动机构和一级链传动取代相对昂贵的RV减速器或者谐波减速器，有利于降低造价及使用、维护成本。

作为优选，前臂上设有腕部安装座，腕部安装座位于前臂自由端，腕部摆动关节转动连接在腕部安装座上，末端安装法兰位于腕部摆动关节上，腕部摆动驱动装置通过同步带传动机构与腕部摆动关节连接，末端法兰旋转驱动装置与末端安装法兰通过同步带传动机构和锥齿轮传动机构连接。腕部摆动驱动装置、末端法兰旋转驱动装置通过同步带传动机构可在离关节较远处分别驱动腕部摆动关节、末端安装法兰。

作为优选，所述锥齿轮传动机构包括前级锥齿轮和后级锥齿轮，前级锥齿轮转动连接在腕部摆动关节上，前级锥齿轮与末端法兰旋转驱动装置通过同步带连接，后级锥齿轮转动连接在腕部安装座上且与前级锥齿轮啮合，末端安装法兰固定于后级锥齿轮上。通过该锥齿轮传动机构，可使末端安装法兰上的最终扭矩输出实现方向转换，增强机械臂工作效能。

作为优选，旋转关节驱动装置、肩关节驱动装置和前臂旋转关节驱动装置均为带有行星减速器和旋转编码器的步进电机。步进电机控制精度高，适合对短距离频繁动作的精准控制，采购及使用成本相对较低，结合同样成本较低的行星减速器后具有较好的经济性，与目前采用伺服电机、谐波减速器、RV减速器的多轴机械臂相比，成本明显更低。

作为优选，基座、肩部安装座、主臂和前臂上均设有保护壳体。保护壳体可对各组成部分上的动力装置及传动机构形成有效防护，减少机械硬损伤事故发生概率。

本发明的有益效果是：

提高运行稳定性。本发明中各活动段的驱动装置都未安装在关节处，因此可减轻下级关节负荷，降低悬臂惯量，从而提高机械臂的整体运行稳定性。

降低成本，方便维护。本发明采用相对简单、经济的驱动装置及传动结构，具有更好的经济性及可维护性。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的另一视角的结构示意图；

图3为本发明中腕部安装座的一种结构示意图；

图4为本发明移除保护壳体后的一种结构示意图；

图5为本发明移除保护壳体后的另一种结构示意图；

图6为本发明中锥齿轮传动机构的一种结构示意图；

图7为本发明中平衡机构的一种结构示意图；

图8为本发明中二级同步带传动机构的一种结构示意图。

图中，1-基座，2-肩部安装座，3-主臂，4-前臂，5-腕部安装座，6-末端安装法兰，7-旋转关节，8-旋转关节驱动装置，9-肩关节驱动装置，10-主臂旋转关节，11-前臂旋转关节驱动装置，12-前臂旋转关节，13-腕部摆动驱动装置，14-末端法兰旋转驱动装置，15-腕部摆动关节，16-前级锥齿轮，17-平衡机构，18-后级锥齿轮，19-安装座主体，20-肩部链轮，21-拉绳，22-拉杆，23-主臂传动轮，24-主臂链轮，25-主臂驱动链轮，26-驱动同步带轮，27-前臂从动链轮，28-关节套座，29-前臂主动链轮，30-前臂传动同步带轮，31-碟簧，32-第一滑轮，33-第二滑轮，34-滑轮组，35-碟簧安装座，36-滑动块，37-起点，38-前臂主动同步带轮，39-中间同步带轮，。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

如图1至图8所示，一种多轴机械臂，包括基座1、肩部安装座2、主臂3和前臂4，基座1直接固定在地面或其它机架上，肩部安装座2与基座1转动连接，主臂3与肩部安装座2转动连接，前臂4与主臂3转动连接，前臂4上设有腕部安装座5、末端安装法兰6、腕部摆动驱动装置13、末端法兰旋转驱动装置14和腕部摆动关节15，末端安装法兰安装于腕部摆动关节15上，主臂3中部设有前臂旋转关节驱动装置11，前臂旋转关节驱动装置11位于前臂4框架内部，主臂3与前臂4间通过前臂旋转关节12连接，前臂旋转关节驱动装置11与前臂4间传动连接，前臂4中部设有腕部摆动驱动装置13和末端法兰旋转驱动装置14，腕部摆动驱动装置13与腕部摆动关节15传动连接，末端法兰旋转驱动装置14与末端安装法兰6传动连接。肩部安装座2包括安装座主体19、旋转关节7、旋转关节驱动装置8、肩关节驱动装置9和主臂旋转关节10，安装座主体19通过旋转关节7与基座1连接，主臂3通过主臂旋转关节10连接在安装座主体19上，旋转关节驱动装置8、肩关节驱动装置9固设于安装座主体19上，旋转关节驱动装置8与旋转关节7传动连接，旋转关节7上连接有肩部链轮20，肩部链轮20同轴固定套接在旋转关节7外，肩部链轮20、旋转关节7均固定于基座1上，安装座主体19与旋转关节7通过轴承转动连接，旋转关节驱动装置8的输出端连有驱动链轮，驱动链轮与肩部链轮20通过传动链条连接，肩关节驱动装置9与主臂旋转关节10传动连接。安装座主体19上还设有平衡机构17。安装座主体19上还设有平衡机构17，平衡机构17包括一对碟簧31、第一滑轮32、第二滑轮33、滑轮组34、碟簧安装座35、滑动块36、一对导柱、拉绳21，碟簧安装座35通过螺钉与安装座主体19固连；导柱通过螺钉与碟簧安装座35固连，碟簧31套在导柱上。滑动块36的两个内孔中安装有塑料轴承，方便滑动块36在导柱上滑动。第一滑轮32与滑动块36固连；第二滑轮33与碟簧安装座35固连；滑轮组34与安装座主体19固连。拉绳21的起点37与碟簧安装座35固连，然后通过第一滑轮32，从碟簧安装座35上的孔穿出，然后通过第二滑轮33，再通过滑轮组34，最后末端连接到一拉杆22上，拉杆22与主臂旋转关节10固连。主臂旋转关节10转动连接在肩部安装座2上，主臂旋转关节10上固定连接有主臂链轮24，主臂链轮24固连在主臂3上，肩关节驱动装置9的输出端连有驱动同步带轮26，驱动同步带轮26通过传动带连接一主臂传动轮23，主臂传动轮23转动连接在安装座主体19上，主臂传动轮23的转轴上设有一主臂驱动链轮25，且主臂传动轮23与主臂驱动链轮25传动连接，主臂驱动链轮25与主臂链轮24通过传动链条连接。前臂旋转关节12上固定连接有前臂从动链轮27，主臂3端部固设有关节套座28，前臂旋转关节12固连在前臂4上并转动连接在关节套座28上，前臂旋转关节驱动装置11通过二级同步带传动机构与一前臂主动链轮29连接，前臂主动链轮29转动连接在主臂3上，前臂主动链轮29与前臂从动链轮27通过传动链条连接。所述二级同步带传动机构包括前臂主动同步带轮38、中间同步带轮39和前臂传动同步带轮30，前臂主动同步带轮38与前臂旋转关节驱动装置11的输出端键连接，前臂主动同步带轮38与中间同步带轮39间、中间同步带轮39与前臂传动同步带轮30间通过均同步带连接，前臂传动同步带轮30与前臂主动链轮29固连于同一根轴上。腕部安装座5位于前臂4自由端，腕部摆动关节15位于腕部安装座5上，腕部摆动关节15转动连接在腕部安装座5上，末端安装法兰6位于腕部摆动关节15上，腕部摆动驱动装置13通过同步带传动机构与腕部摆动关节15连接，末端法兰旋转驱动装置14与末端安装法兰6通过同步带传动机构和锥齿轮传动机构连接。所述锥齿轮传动机构包括前级锥齿轮16和后级锥齿轮18，前级锥齿轮16转动连接在腕部摆动关节15上，前级锥齿轮16与末端法兰旋转驱动装置14通过同步带连接，后级锥齿轮18转动连接在腕部安装座5上且与前级锥齿轮16啮合，末端安装法兰6固定于后级锥齿轮18上。旋转关节驱动装置8、肩关节驱动装置9、前臂旋转关节驱动装置11、腕部摆动驱动装置13和末端法兰旋转驱动装置14均为带有行星减速器和旋转编码器的步进电机。基座1、肩部安装座2、主臂3和前臂4上均设有保护壳体。

在旋转关节驱动装置8驱动下，肩部安装座、主臂和前臂可围绕旋转关节作相对于基座的运动；在肩关节驱动装置驱动下，主臂和前臂可围绕主臂旋转关节作相对于肩部安装座的运动。前臂旋转关节驱动装置11可驱动前臂4相对于主臂3运动，腕部摆动驱动装置13驱动腕部摆动关节15相对于前臂4转动，末端法兰旋转驱动装置14驱动末端安装法兰6相对于腕部摆动关节15转动。前臂旋转关节驱动装置11、腕部摆动驱动装置13、末端法兰旋转驱动装置14都未安装在关节处，因此可克服现有常规多轴机械臂结构的缺陷，因此可减轻下级关节负荷，降低悬臂惯量，提高运行稳定性。

Claims (9)

1.一种多轴机械臂，包括基座（1）、肩部安装座（2）、主臂（3）和前臂（4），肩部安装座（2）与基座（1）转动连接，主臂（3）与肩部安装座（2）转动连接，前臂（4）与主臂（3）转动连接，前臂（4）上设有末端安装法兰（6）和腕部摆动关节（15），末端安装法兰安装于腕部摆动关节上，其特征是主臂（3）中部设有前臂旋转关节驱动装置（11），主臂（3）与前臂（4）间通过前臂旋转关节（12）连接，前臂旋转关节驱动装置（11）与前臂（4）间传动连接，前臂（4）中部设有腕部摆动驱动装置（13）和末端法兰旋转驱动装置（14），腕部摆动驱动装置（13）与腕部摆动关节（15）传动连接，末端法兰旋转驱动装置（14）与末端安装法兰（6）传动连接，肩关节驱动装置（9）与主臂旋转关节（10）传动连接。

2.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是肩部安装座（2）包括安装座主体（19）、旋转关节（7）、旋转关节驱动装置（8）、肩关节驱动装置（9）和主臂旋转关节（10），安装座主体（19）通过旋转关节（7）与基座（1）连接，主臂（3）通过主臂旋转关节（10）连接在安装座主体（19）上，旋转关节驱动装置（8）、肩关节驱动装置（9）固设于安装座主体（19）上，旋转关节驱动装置（8）与旋转关节（7）传动连接，旋转关节（7）上连接有肩部链轮（20），肩部链轮（20）同轴固定套接在旋转关节（7）外，肩部链轮（20）、旋转关节（7）均固定于基座（1）上，安装座主体（19）与旋转关节（7）转动连接，旋转关节驱动装置（8）的输出端连有驱动链轮，驱动链轮与肩部链轮（20）通过传动链条连接。

3.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是主臂旋转关节（10）转动连接在肩部安装座（2）上，主臂旋转关节（10）上固定连接有主臂链轮（24），主臂链轮（24）固连在主臂（3）上，肩关节驱动装置（9）的输出端连有驱动同步带轮（26），驱动同步带轮（26）通过传动带连接一主臂传动轮（23），主臂传动轮（23）转动连接在安装座主体（19）上，主臂传动轮（23）的转轴上设有一主臂驱动链轮（25），且主臂传动轮（23）与主臂驱动链轮（25）传动连接，主臂驱动链轮（25）与主臂链轮（24）通过传动链条连接。

4.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是安装座主体（19）上还设有平衡机构（17），平衡机构（17）上设有张紧的拉绳（21），拉绳（21）连接在一拉杆（22）上，拉杆（22）与主臂旋转关节（10）固连。

5.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是前臂旋转关节（12）上固定连接有前臂从动链轮（27），主臂（3）端部固设有关节套座（28），前臂旋转关节（12）固连在前臂（4）上并转动连接在关节套座（28）上，前臂旋转关节驱动装置（11）通过二级同步带传动机构与一前臂主动链轮（29）连接，前臂主动链轮（29）转动连接在主臂（3）上，前臂主动链轮（29）与前臂从动链轮（27）通过传动链条连接。

6.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是前臂（4）上设有腕部安装座（5），腕部安装座（5）位于前臂（4）自由端，腕部摆动关节（15）位于腕部安装座（5）上，腕部摆动关节（15）转动连接在腕部安装座（5）上，末端安装法兰（6）位于腕部摆动关节（15）上，腕部摆动驱动装置（13）通过同步带传动机构与腕部摆动关节（15）连接，末端法兰旋转驱动装置（14）与末端安装法兰（6）通过同步带传动机构和锥齿轮传动机构连接。

7.根据权利要求6所述的多轴机械臂，其特征是所述锥齿轮传动机构包括前级锥齿轮（16）和后级锥齿轮（18），前级锥齿轮（16）转动连接在腕部摆动关节（15）上，前级锥齿轮（16）与末端法兰旋转驱动装置（14）通过同步带连接，后级锥齿轮（18）转动连接在腕部安装座（5）上且与前级锥齿轮（16）啮合，末端安装法兰（6）固定于后级锥齿轮（18）上。

8.根据权利要求1所述的多轴机械臂，其特征是旋转关节驱动装置（8）、肩关节驱动装置（9）和前臂旋转关节驱动装置（11）均为带有行星减速器和旋转编码器的步进电机。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多轴机械臂，其特征是基座（1）、肩部安装座（2）、主臂（3）和前臂（4）上均设有保护壳体。