CN108098749A - 一种可调臂长高速三轴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种臂长可调的高速三轴机器人，第一臂、第二臂为可伸缩臂，可根据工况需求实时调整臂长，适用范围较广；第一臂、第二臂的驱动元件设置于旋转底座模块的平台上，第一臂、第二臂除了自身重量以及配套的零部件重量外，没有驱动元件的重量，可以进行高速的摆动或转动运动；同时，由于重量主要集中于平台上，臂的转动惯性大大减少，旋转底座模块可进行高速转动；旋转底座模块内的减速器可根据运动速度和负载的需求进行灵活设计，以适应不同工况，具有良好的实用性。

Description

一种可调臂长高速三轴机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及到一种臂长可调的高速三轴机器人。

背景技术

机器人可以分为并联机器人和串联机器人，其中，串联机器人常见的类型有关节机器人。常见的关节机器人，其每一臂的驱动元件安装于与前臂连接的关节上，随着臂数量的增多，每一臂的负载会相应增加，导致臂的驱动动力元件体积增加、臂的运动速度减慢、臂的精度减少等问题，不利于关节机器人末端的高速化。

另一方面，目前的三轴机器人的臂长不可调，只能在一固定的活动范围内工作，不能很好的适应小批量、多类型的现代化订制生产需求。

因此，需要一种臂长可调的高速三轴机器人。

发明内容

本发明提供了一种臂长可调的高速三轴机器人，包括旋转底座模块、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件，所述第一臂和/或第二臂为可伸缩臂；

所述旋转底座模块包括旋转底座电机、减速器、联轴器、平台；

所述旋转底座电机的外壳固定于一旋转底座电机支架上，转轴沿z正向布置并与所述减速器的输入端连接；

所述减速器的输出端与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与所述平台连接；

所述旋转底座电机经所述减速器和联轴器驱动所述平台旋转；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件上；

所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线分别与y轴平行；

所述第一臂始端铰接于所述第二基转轴上，末端与所述第二臂始端铰接；

所述第一连杆始端铰接于所述第一基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；

所述第二连杆末端铰接与所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；

所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

优选的实施方式，所述减速器包括减速器外壳、输入轴、输入齿轮、两个直齿轮、两根曲柄轴、第一行星架、齿数相等的第一RV齿轮和第二RV齿轮、第二行星架；

在所述减速器外壳内部，从z负向至z正向，依次安装有所述第二行星架、第二RV齿轮、第一RV齿轮、第一行星架；

所述第一行星架和第二行星架基于外周的角接触轴承配合在所述减速器外壳内壁；所述减速器外壳内壁对应于所述第一RV齿轮、第二RV齿轮的位置上，均匀安装有比所述第一RV齿轮和第二RV齿轮齿数数量多一的针齿；

所述输入轴和所述两根曲柄轴从减速器外壳z负向起，依次穿过所述第二行星架、第二RV齿轮、第一RV齿轮、第一行星架；

所述输入轴末端处于所述第一行星架的通孔中并与所述输入齿轮相连接，所述两根曲柄轴末端处于所述第一行星架的通孔中并分别与所述两个直齿轮相连接；

所述两个直齿轮对称布置于所述输入齿轮外并与所述输入齿轮啮合；

所述曲柄轴从z正向至z负向，分别为第一转轴部、第一曲柄部、第二曲柄部和第二转轴部；

在所述曲柄轴中，所述第一转轴部外周基于圆锥滚子轴承配合在所述第一行星架的通孔内壁；所述第二转轴部外周基于圆锥滚子轴承配合在所述第二行星架的通孔内壁；所述第一转轴部和第二转轴部的轴线共线并与所述输入轴轴线平行；

所述两根曲柄轴的第一曲柄部分别基于滚针轴承与所述第一RV齿轮连接；所述两根曲柄轴的第二曲柄部分别基于滚针轴承与所述第二RV齿轮的通孔内壁连接；

所述第一RV齿轮与所述第二RV齿轮在所述两根曲柄轴的带动下，啮合至所述针齿上；

所述第一行星架、第二行星架、第一RV齿轮和第二RV齿轮上，设置有散热孔。

优选的实施方式，在所述第一行星架上，设置有供动力输出的输出连接孔和用于所述圆锥棍子轴承接触的圆锥棍子轴承接触面；

所述散热孔距所述输出连接孔的距离，至少为所述输出连接孔直径的十分之一；

所述散热孔距所述圆锥棍子轴承接触面的距离，至少为所述圆锥棍子轴承接触面直径的十分之一。

优选的实施方式，在所述第一RV齿轮和第二RV齿轮上，分别设置有与所述曲柄轴第一曲柄部或第二曲柄部连接的曲柄部连接孔；

所述散热孔距所述曲柄部连接孔的距离至少为所述曲柄部连接孔直径的十分之一；

所述散热孔距所述第一RV齿轮的齿的齿底圆的距离，至少为所述第一RV 齿轮的齿的齿高；

在所述第二RV齿轮上，所述散热孔距所述第二RV齿轮的齿的齿底圆的距离，至少为所述第二RV齿轮的齿的齿高。

优选的实施方式，所述第一RV齿轮和所述第二RV齿轮的z正向面和z 负向面上，分别设置有耐磨陶瓷涂层。

优选的实施方式，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

优选的实施方式，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于一第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一臂包括第一臂螺丝、第一外臂和第一内臂，所述第一内臂滑动内套于所述第一外臂内；所述第一内臂在相对面上沿轴线分别开有长槽，所述第一外臂在对应所述长槽一点的位置上开有第一臂固定螺孔；

所述第一臂螺丝穿过所述第一臂固定螺孔和所述长槽；

当所述第一臂螺丝松开时，所述第一内臂可沿所述长槽在所述第一内臂内滑动；

当所述第一臂螺丝上紧时，所述第一内臂固定在所述第一内臂上。

优选的实施方式，所述第二臂上包括第二臂连接件、两块第二子臂和第二滑块；所述第二子臂截面呈L型结构，所述两块第二子臂上端通过第二臂连接件相互间固定；

所述第二滑块呈工字型，腰部卡在两块第二子臂下端之间，顶部基于螺丝分别锁紧于两块第二子臂上；

在第二滑块上安装有滑轮，在所述螺丝松开情况下，所述第二滑块可基于所述滑轮在所述两个第二子臂上沿轴向滑动。

本发明提供的臂长可调的高速三轴机器人，第一臂和第二臂为可伸缩臂，可针对不同的工作范围作出相应的调整，适用范围较广；减速器中的部件采用轻量化设计，有利于降低整机重量和旋转底座的体积；关节臂的驱动部件设置在平台上，臂的重量较轻，末端运行速度较快；基于旋转底座模块和四连杆机构控制末端的运行轨迹，控制难度较低。

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它的附图。

图1示出了本发明实施例臂长可调的高速三轴机器人的三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例臂长可调的高速三轴机器人的正视图；

图3示出了本发明实施例第一臂的正视图；

图4示出了本发明实施例第一连杆的正视图；

图5示出了本发明实施例第一臂螺丝松开时的第一臂的的剖面视图；

图6示出了本发明实施例第二臂剖视图；

图7示出了本发明实施例的运动结构简图；

图8示出了本发明实施例臂长可调的高速三轴机器人正视图的局部放大图；

图9示出了本发明实施例旋转底座模块正视全剖视图；

图10示出了本发明实施例减速器正视透视图一；

图11示出了本发明实施例减速器俯视图；

图12示出了本发明实施例减速器正视透视图二；

图13示出了本发明实施例第一行星架俯视图；

图14示出了本发明实施例第一RV齿轮俯视图；

图15示出了本发明实施例联轴器正视剖视图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种臂长可调的高速三轴机器人，该臂长可调的高速三轴机器人的旋转底座模块整体结构紧凑，在较小的体积内实现电机的减速，可承受较大的负载，具有良好的稳定性；减速器可视工作负载需求进行轻量化设计，能适用多种负载场合；第一臂和第二臂为可伸缩臂，可示工况需求调整长度，能适用于各种工作范围，使用较为灵活；第一臂和第二臂上没有重量较重的驱动元件和复杂的传动机构，工作末端的运动速度较快；基于旋转底座模块的旋转运动和四连杆机构原理控制该臂长可调的高速三轴机器人的运动，臂长可调的高速三轴机器人的末端轨迹计算较为简单，软件控制实现更为容易。

图1示出了本发明实施例臂长可调的高速三轴机器人的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例平面机械臂模块的前视图。

本发明实施例的臂长可调的高速三轴机器人包括旋转底座模块、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件；

所述旋转底座模块包括旋转底座电机、减速器、联轴器、平台；

所述旋转底座电机的外壳固定于一旋转底座电机支架上，转轴沿z正向布置并与所述减速器的输入端连接；

所述减速器的输出端与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与所述平台连接；

所述旋转底座电机经所述减速器和联轴器驱动所述平台旋转；

所述平台101与xy平面平行，具体实施中，平台101顶面为一平面，该平面与xy平面平行，形状不唯一。

以下先对位于平台上方的部件进行介绍，再对旋转底座模块进行介绍。

所述平台101与xy平面平行，一基转轴108基于基转轴连接件109固定于所述平台x正向上方。具体实施中，平台101顶面为一平面，该平面与xy平面平行，形状不唯一。在平台x正向的位置上，设置有供基转轴108安装的两个竖直布置的基转轴连接件109，基转轴108两端分别固定在两个基转轴基转轴连接件109 上。基转轴连接件109主要用于将基转轴悬空固定至一设定的高度上，使基转轴与平台之间留有空间供其余部件运动，避免产生干涉。在本发明实施例中，基转轴108的轴线与y轴平行。

图3示出了本发明实施例的第一臂结构正视图，具体实施中，第一臂102 可采用空心结构以减轻其自重。结合图1所示的整体结构可得，所述第一臂102 始端铰接于所述基转轴108上，末端与所述第二臂103始端铰接；为了供第一臂驱动组件107安装连接，第一臂102在始端背离末端的方向上，延伸出第一臂连接件，第一臂连接件与第一臂驱动组件的输出端铰接。需要说明的是第一臂连接件和第一臂是相对固定的，且第一臂连接件的轴向长度小于第一臂的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一臂连接件的微小位移，经基转轴108支点，放大至第一臂末端的大距离位移，有利于第一臂末端的快速运动。

进一步的，还可以将第一臂102和/或第二臂103设置为可伸缩臂，以灵活调节该平面可调机械臂模块工作末端的运动范围和轨迹。

伸缩臂结构主要有套入式伸缩臂和滑移式伸缩臂两种。

如5示出了第一臂采用套入式伸缩臂结构时的轴向截面示意图。套入式伸缩臂是指该臂具有多段结构，后段结构内套于前段结构中，通过伸缩来调整总体长度。本发明实施例以第一臂采用套入式伸缩臂结构进行介绍。

第一臂包括第一外臂143和第一内臂142；第一内臂142相对的两面上沿轴向开有长槽，第一外臂143对应所述长槽位置上分别开有螺孔；一快拆螺丝145 头部外套有弹簧146，尾部从第一外臂143一端的螺孔伸入，依次穿过第一内臂 142的两条长槽，从第一外臂143另一端的螺孔穿出并在尾部铰接有快拆扳手 144；当快拆扳手144绕图示的顺时针方向运动时，可压紧第一外臂143，使第一外臂143的管径稍微减少，并将内部的第一内臂142压紧完成紧固。

同理，为了保持第二连杆与第一臂长度相等，第二连杆亦可设置为如第一臂结构的伸缩结构；具体实施中，第二连杆与第一臂长度可以不相等。

第一内臂142可沿着长槽运动，当位置调节完毕后，通过快拆扳手144的锁紧作用，可快速的将第一内臂142和第一外臂143固定，实现长度的调节。

图6示出了第二臂采用滑移式伸缩臂结构时的径向截面示意图。滑移式伸缩臂是指通过调整末端在臂上的距离实现改变臂长度的目的。本发明实施例以第二臂采用滑移式伸缩臂结构进行介绍。

所述第二臂包括两块第二子臂137和第二滑块141。第二子臂137截面呈L 型结构，所述两块第二子臂137上端通过第二臂连接件139相互间固定；第二滑块141呈工字型，腰部卡在两块第二子臂137下端之间，顶部基于螺丝138分别锁紧于两块第二子臂137上；

在第二滑块141上安装有滑轮140，在所述螺丝138松开情况下，所述第二滑块141可基于所述滑轮140在所述两个第二子臂137上沿轴向滑动。

工作末端安装于第二滑块141上，通过调整第二滑块141在第二臂上的距离，可实现调整工作末端至第二臂始端的距离，相当于调节第二臂的长度。

图4示出了本发明实施例的第一连杆结构正视图，第二臂103由两块第二臂盖板组成，所述两块第二臂盖板之间通过一个以上的第二臂固定件固定。结合图1所示的整体结构，所述第一连杆105始端铰接于所述基转轴上，末端与所述第二连杆104始端铰接；为了供第一连杆驱动组件103安装连接，第一连杆105 在始端背离末端的方向上，延伸出第一连杆连接件，第一连杆连接件与第一连杆驱动组件106的输出端铰接。需要说明的是第一连杆连接件和第一连杆是相对固定的，且第一连杆连接件的轴向长度小于第一连杆的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一连杆连接件的微小位移，经基转轴支点，放大至第一连杆末端的大距离位移，有利于第一连杆末端的快速运动。

所述第二连杆104末端铰接与所述第二臂上。

进一步的，第一臂102和第二臂103可采用密度较小的铝或铝合金作为材料，以进一步减轻其重量。

图7示出了该平面可调机械臂模块的结构简图，结合图2的平面可调机械臂模块正视图，分别用直线代替第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆，分别用圆圈代替各个铰接点，其中，各铰接点的命名如下：基转轴，即第一臂102始端与第一连杆105始端的铰接点为第一铰接点121，第一连杆105末端与第二连杆104始端的铰接点为第二铰接点122，第一臂102末端与第二臂103始端的铰接点为第三铰接点123，第二连杆104末端与第二臂103的铰接点为第四铰接点 124，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构。

具体实施中，可将第二臂103的末端设置在第四铰接点124上，由于此时第二臂103的末端距离第四铰接点124较近，基于杠杆原理可知，第二臂103的末端相对于第二臂103的始端的位移呈缩小作用，有利于提高第二臂103的末端控制精度；但基于四连杆机构的结构限制，该设置方式会导致第二臂103的活动范围较小。

因此，具体实施中，亦可延长第二臂的长度，使末端外伸出第四铰接点124，该设置方式有利于增加第二臂的活动范围，使其能适合更多的工作环境。

该四连杆机构具有两个动连杆，分别为第一臂102和第一连杆105，通过控制第一臂102和第一连杆105，可实现第二臂末端的运动。

具体实施中，虽然任意结构的四连杆机构均可实现第二臂末端的相应位移控制，但为了使第二臂末端的控制计算更为方便，本发明实施例的四连杆机构的各边长可设置为如下参数：所述第一臂102与所述第二连杆104平行且长度相等；所述第一连杆105平行于所述第二臂103；此时，本发明实施例的四连杆机构呈平行四边形，第一臂和102第二连杆104的姿态相同，第二臂103和第一连杆105的姿态相同，末端的计算可基于第一连杆长度、第一臂长度、第二臂长度、第一连杆与第一臂之间夹角快速得出，使软件的控制更为简单。

以上为本发明实施例的机械结构介绍，在本发明实施例中，该四连杆机构具有两个动连杆，分别为第一臂和第一连杆，通过控制第一臂和第一连杆，可实现第二臂末端的运动，以下对第一臂和第一连杆的驱动进行介绍。

需要说明的是，第一臂始端和第一连杆始端分别铰接于基转轴上，共同以基转轴作为回转支点，但二者直接的运动时相对独立的，相互间不干扰。

图8示出了本发明实施例的第一连杆驱动组件的局部放大图。所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座130、第一连杆驱动电机131、第一连杆驱动连接件133、第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135；

所述第一连杆驱动底座130铰接所述平台的x负向上，第一连杆驱动电机 131固定于所述第一连杆驱动底座130上；第一连杆驱动电机131的转轴伸入第一连杆驱动底座130内；所述第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动丝杆滑块 135安装于第一连杆驱动外壳136内，所述第一连杆驱动丝杆滑块135套在所述第一连杆驱动丝杆134上，所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动丝杆滑块135连接固定；所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动丝杆 134同轴，并与所述第一连杆105始端连接固定；

所述第一连杆驱动外壳136与所述第一连杆驱动电机131并排固定于所述第一连杆驱动底座130上；所述第一连杆驱动电机131的转轴和所述第一连杆驱动丝杆134的一端在所述第一连杆驱动底座130内基于齿轮连接传动。

具体实施中，通过第一连杆驱动电机驱动第一连杆驱动丝杆滑块机构的丝杆转动，并带动滑套沿第一连杆驱动丝杆滑块机构的轴向运动；与第一连杆驱动丝杆滑块机构的滑块连接一体的第一连杆连接件收到驱动并绕基转轴转动，通过杠杆原理带动第一连杆绕基转轴转动。

同理，第一臂驱动组件结构与第一连杆驱动组件结构相同，不再重复介绍。

以下对位于平台下方的旋转底座模块进行介绍。

图1示出了本发明实施例旋转底座模块三维结构示意图，图9示出了本发明实施例的减速器全剖视图，其中，由于减速器207的剖视图较为复杂，在整体结构图上表达不清晰，后面会就减速器207的具体结构进行介绍。

本发明实施例提供的旋转底座模块包括包括旋转底座电机206、减速器 207、联轴器208、平台101。

旋转底座电机206的外壳固定于一旋转底座电机支架201上，转轴沿z正向布置并与所述减速器的输入端连接。在本发明实施例中，旋转底座电机支架201 同时充当整个旋转底座模块的支撑件，因此，本发明实施例的旋转底座电机支架201为圆桶状，底板背离圆心向外延伸，在底板和旋转底座电机支架201之间设置有多个加强肋，以提供更好的稳定性能，具体实施中，该旋转底座电机支架201可通过铸造的方式进行一体加工，此外，在该旋转底座电机支架201顶部通过一块中部开有通孔的顶板进行封盖，在为减速器支架202提供固定点的同时，减少灰尘的进入。旋转底座电机201固定在旋转底座电机支架201内腔中，具体位置为底板的中部上，转轴朝向z正向。

具体实施中，结合本发明实施例的旋转底座模块结构特点，旋转底座电机支架201和后文介绍的减速器支架202、联轴器支架203可通过一体铸造进行成型，以增强旋转底座模块的整体刚性。

在旋转底座电机206上方的为减速器207，减速器207的输入端与旋转底座电机206的转轴连接，输出端与联轴器的输入端连接。

本发明实施例的减速器安装在减速器支架202的中部，图10示出了本发明实施例的减速器的透视视图一，因为减速器具有对称性，因此只示出对称平面其中一侧的视图，便于理解。本发明实施例的减速器包括减速器外壳216、输入轴210、输入齿轮211、两个直齿轮213、两根曲柄轴212、第一行星架214、齿数相等的第一RV齿轮218和第二RV齿轮219、第二行星架226。

在减速器外壳216内部，从z负向至z正向，依次安装有第二行星架226、第二RV齿轮219、第一RV齿轮218、第一行星架214。

其中，所述第一行星架226和第二行星架214基于外周的角接触轴承215安装于所述减速器外壳216内壁；所述减速器外壳216内壁对应于所述第一RV齿轮 218、第二RV齿轮219的位置上，均匀安装有比所述第一RV齿轮和第二RV齿轮齿数数量多一的针齿217。

所述第一行星架214上中部设置有供输入齿轮转动的输入齿轮通孔261，所述输入齿轮通孔对称向外延伸出供直齿轮转动的直齿轮通孔262；输入齿轮211 安装在输入齿轮通孔中，两个直齿轮213分别安装在两个直齿轮通孔中；两个直齿轮213对称布置于所述输入齿轮211外并与所述输入齿轮211啮合。

所述输入轴210和所述两根曲柄轴212从外壳z负向起，依次穿过所述第二行星架226、第二RV齿轮219、第一RV齿轮218、第一行星架214；所述输入轴210 末端处于所述第一行星架214的输入齿轮通孔中并与其中的输入齿轮211相连接，所述两根曲柄轴212末端处于所述第一行星架的直齿轮通孔中并分别与其中的所述两个直齿轮213相连接。

需要说明的是，输入齿轮和直齿轮之间通过直齿啮合，因此，输入齿轮和直齿轮之间只会在xy平面上存在相互作用力，z方向上的作用力几乎接近于零，因此，在进行结构设计、受力计算等方面设计时，只需着重考虑xy平面上的作用力即可；在z向上，只需要考虑输入齿轮和直齿轮的自重及安装方式，而不用进行有关于z向受力的计算。

两根曲柄轴212的结构相同，其中，每根曲柄轴212包括分别位于所述曲柄轴两端的转轴部和中部的第一曲柄部、第二曲柄部，从z负向开始，依次为第二转轴部225、第二曲柄部224、第一曲柄部223、第一转轴部222。

其中，直齿轮213安装于第一转轴部222的端部，具体实施中，还可以将第一转轴部222的端部外周加工为直齿面；位于直齿轮213和第一曲柄部223之间的第一转轴部222上套有圆锥滚子轴承220，曲柄轴212基于该圆锥滚子轴承220 与第一行星架214配合连接。需要说明的是，两根曲柄轴212在该位置上的圆锥滚子轴承220同时与第一行星架214连接。

曲柄轴212的第一曲柄部223基于滚针轴承221与第一RV齿轮连接；曲柄轴 212的第二曲柄部224基于滚针轴承221与第二RV齿轮连接；需要说明的是，两根曲柄轴212的第一曲柄部223同时与第一RV齿轮连接，连接位置关于第一RV 齿轮的轴线对称，由于两根曲柄轴212的第一曲柄部223分别为转向相反的偏心转动运动，第一RV齿轮的运动轨迹为摆线运动；同理，第二RV齿轮的运动轨迹为外摆线轨迹；由于第一RV齿轮和第二RV齿轮外周为与其相配合的针齿，第一 RV齿轮和第二RV齿轮的齿相继啮合在针齿上，进行力的传递。

以上为减速器各部件之间的连接关系，本发明实施例的减速器在实际运行中，主要由前级减速和后级减速组成

前级减速为由输入齿轮和两个直齿轮之间组成的正齿轮减速机构；后级减速主要由曲柄轴、RV齿轮、外壳上的针齿之间组成的差动齿轮减速机构。

在前级的正齿轮减速机构中，输入齿轮和直齿轮按照齿数比进行减速，如本发明实施例的输入齿轮为12齿，直齿轮为42齿，减速比为3.5，即输入轴带动输入齿轮转动3.5圈，直齿轮转动1圈。

在后级的差动齿轮减速机构中，具体为摆线针轮减速机构，本发明实施例的RV齿轮齿数为39，减速机外壳的针齿数量较RV齿轮齿数大一，为40；曲柄轴转一周，RV齿轮和减速机外壳之间相对转动1个齿的角度，即RV齿轮和减速机外壳之间相对转动1周，曲柄轴需要转动40周，因此，后级的差动齿轮减速机构的减速比为40，因此，本发明实施例的减速器的总减速比为140。

如果将第一行星架和第二行星架固定，则曲柄轴的转轴轴向相对应固定，此时，可使用减速器外壳作为减速器的输出端；如果将减速器外壳固定，则第一行星架和第二行星架可作为输出端。考虑到减速器安装的环境，常用的实施方式为将减速器外壳固定，使用第一行星架和第二行星架作为减速器的输出端。

具体实施中，还要考虑到减速器外壳内的部件z方向上的固定方式，由于本发明实施例的减速器主要依靠齿的啮合传递功率，且输入齿轮和直齿轮、RB 齿轮和齿针之间均为直齿配合，各部件主要在xy平面上受力，因此，z向上只需提供一定的支撑力，保证零部件不从减速器外壳内脱出即可。

图12示出了本发明实施例的减速器透视视图二，该透视视图主要用于显示第一行星架214和第二行星架226之间的连接方式。本发明实施例依靠第一行星架214、第二行星架226和减速器外壳216间的配合方式实现减速器外壳内的零部件在z向上的固定。具体固定方式为：

第一行星架214在其角接触轴承215上方，线径增加，在重力作用压在角接触轴承上；第二行星架226基于贯穿第二RV齿轮219和第一RV齿轮218的螺钉263 与第一行星架214连接紧固一体；第二行星架在其角接触轴承下方，线径增加，在螺钉263锁紧时，压紧在角接触轴承上。

结合图11示出的本发明实施例减速器俯视图，本发明实施例的第一行星架214和第二行星架226共使用四组螺钉263进行锁紧，一方面，第一行星架214 和第二行星架226之间形成一个夹紧力，将二者之间的第一RV齿轮和第二RV齿轮夹紧，确保其能在对应于减速器外壳的针齿位置上啮合；另一方面，第一行星架214和第二行星架226分别安装于第一RV齿轮和第二RV齿轮的两侧，并连接至两根曲柄轴上，可较为平衡的对减速器外壳给予RB齿轮的反作用力进行输出。

具体运行中，输入轴210为输入端；输入轴210与输入齿轮211连接，输入齿轮211的转速与输入轴210转速相同；输入齿轮211与直齿轮213连接进行前级减速。

直齿轮213带动曲柄轴212转动，曲柄轴212带动第一RV齿轮218和第二RV 齿轮219交错摆动，相继与减速机外壳的针齿进行啮合；由于本发明实施例的减速机外壳216固定，减速机后级减速的具体表现为曲柄轴212绕输入轴缓慢周转；由于第一行星架214和第二行星架226与两根曲柄轴212连接，因此，第一行星架214在曲柄轴212的带动下，绕输入轴210缓慢周转，可作为输出端与其他零部件进行连接。

同理，第二行星架226也可作为输出端。

由以上所述的减速器结构可知，第一行星架、第一RV齿轮、第二RV齿轮和第二行星架之间，z向上主要通过夹紧的方式进行固定；由于该减速器运作时，第一行星架、第一RV齿轮、第二RV齿轮和第二行星架相互间是相互转动的，接触面之间为相互滑动的，因此，具体实施中，第一行星架、第一RV齿轮、第二 RV齿轮和第二行星架的z向的接触面需加工成光滑表面，以减少摩擦力。由于第一行星架、第一RV齿轮、第二RV齿轮和第二行星架材质常采用金属材质，因此，在减速器静止时，光滑接触面之间可能会发生分子运动，形成粘连，容易对减速器造成磨损。

因此，具体实施中，可采用在曲柄轴上，第一行星架、第一RV齿轮、第二 RV齿轮和第二行星架之间的接触位置，增加垫圈，以将第一行星架、第一RV 齿轮、第二RV齿轮和第二行星架分隔开；增加垫圈后，第一行星架、第一RV 齿轮、第二RV齿轮相互间可以形成一定的间隙，但由于垫圈与各部件的接触面积较少，高速运动时容易发生磨损造成损耗；垫圈磨损掉出的粉末容易混合进润滑脂内，润滑脂性能下降，对减速器的性能造成影响。

因此，还可以在第一RV齿轮和第二RV齿轮的z正向面和z负向面上，设置耐磨陶瓷涂层。

耐磨陶瓷是以AL2O3为主要原料，以稀有金属氧化物为熔剂，经一千七百度高温焙烧而成的特种刚玉陶瓷，再分别用特种橡胶和高强度的有机/无机粘合剂组合而成的产品，具有硬度大、耐磨性能极好、重量轻、粘接牢固、耐热性能好等优良特点，结构较为稳定。在本发明实施例的减速器中，用于作为第一行星架、第一RV齿轮、第二RV齿轮和第二行星架之间的隔离介质，可防止第一行星架、第一RV齿轮、第二RV齿轮和第二行星架因长期静止发生分子运动，形成粘连；需要说明的是，耐磨陶瓷表面需要打磨光滑，以减少摩擦阻力。

进一步的，本发明实施例的减速器主要用于负载较重的应用场景中，具有体积小，减速比大等特点；当负载较低，转速较快时，可对该减速器进行轻量化设计，以减轻该减速器重量。

图11示出了本发明实施例减速器的俯视图，图13示出了本发明实施例改进后的第一行星架俯视图，第二行星架结构与第一行星架结构类似，不再做重复介绍。在图13中，粗实线表示主要受力位置第一行星架的主要受力位置，第一行星架214上的设计如下：

第一行星架214上开有用于容纳输入轴211和输入齿轮211的输入齿轮通孔 261、用于容纳曲柄轴212和直齿轮213的直齿轮通孔262。除此以外，为了实现第一行星架214的安装和动力输出，还设置有用于连接螺钉263的螺纹孔和用于与外部零部件连接的输出连接孔264。

第一行星架214主要受力的位置包括输出连接孔264和与圆锥滚子轴承220 接触的圆锥滚子轴承安装面270，在图13所示的俯视图中，由于视角的关系，圆锥滚子轴承安装面270以虚线进行示出。其中，输出连接口264与外部的零部件输出连接，受力较大；圆锥棍子轴承安装面270主要受到减速器外壳经RV齿轮给予曲柄轴的反作用力。由于圆锥棍子轴承与圆锥棍子轴承安装面270之间为环状面接触，圆锥棍子轴承安装面270主要受力为沿曲柄轴圆周运动的切线方向，以图13所示的顺时针运动方向为例，曲柄轴基于圆锥棍子轴承给予圆锥棍子轴承安装面270的力的朝向为图13中圆锥棍子轴承安装面270上的箭头引线所示方向。

具体实施中，为了本发明实施例减速器的轻量化，可在第一行星架214和第二行星架上开有散热孔，一方面，减轻行星架的重量，从而减轻减速器的重量；另一方面，增大其外露面积，用于加快减速器内部的散热速度，使其能在更高转速下工作。

需要说明的是，考虑到上文所述的第一行星架的受力特点，为了避免圆锥棍子轴承安装面270和输出连接孔264因四周壁厚过薄，因应力集中而造成第一行星架的损坏，散热孔的设置因避免离圆锥滚子轴承安装面270和输出连接孔 264过近；具体实施中，假如圆锥棍子轴承安装面270的半径为D1，则为了避免产生应力集中，散热孔距圆锥棍子轴承安装面270的距离至少为0.1D1；同理，输出连接孔264四周的散热孔至少距输出连接孔的距离为输出连接孔直径的十分之一。

图14示出了改进后的第一RV齿轮俯视示意图。同理，在第一RV齿轮和第二 RV齿轮上也可在设定的范围内开有散热孔。考虑到第一RV齿轮和第二RV齿轮的受力位置，分别为与曲柄轴第一曲柄部或第二曲柄部连接的曲柄部连接孔272，因此，假设曲柄部连接孔272的直径为D2，则散热孔距曲柄部连接孔的距离至少为0.1D2；除此以外，第一RV齿轮和第二RV齿轮的受力位置还包括四周的齿，因此，RV齿轮在开设散热孔设置还需注意，散热孔与外齿的齿底圆之间，至少保持一个齿高的距离。

需要说明的是，本发明实施例提供的减速器的散热孔形状并没有限定，可针对实际负载需求和加工需求进行设计，通过散热孔的开孔面积，使该减速器在负载力和转速上取得平衡，以适应各种工况。

经过改进的减速器，虽然因散热孔的设置，额定载荷小于未开散热孔前的额定载荷，但由于重量减轻和散热孔的设置，可适用于高速轻载运动，有利于减少该减速器的生产成本和扩展该减速器的应用场景。

本发明实施例的减速器从动力输入端至动力输出端，共经过两级减速和两级传动，各级的减速和传动中均为线接触或面接触，负载较大；各个零部件的布置充分利用了空间，使该减速器在较小的体积内实现较大减速比的减速；行星架和RV齿轮的散热孔设置，可使该减速器应用至高转速、低负载的使用场合中，增加其适用范围。

联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器不具有缓冲性和补偿两轴线相对位移的能力，要求两轴严格对中，但此类联轴器结构简单，制造成本较低，装拆维护方便，能保证两轴有较高的对中性，传递转矩较大，应用广泛。常用的有凸缘联轴器、套筒联轴器和夹壳联轴器等。

挠性联轴器又可分为无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴线相对位移的能力，但不能缓冲减振，常见的有滑块联轴器、齿式联轴器、万向联轴器和链条联轴器等；后一类因含有弹性元件，除具有补偿两轴线相对位移的能力外，还具有缓冲和减振作用，但传递的转矩因受到弹性元件强度的限制，一般不及无弹性元件挠性联轴器，常见的有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形联轴器、轮胎式联轴器、蛇形弹簧联轴器和簧片联轴器等。

图15示出了本发明实施例的联轴器结构示意图。本发明实施例采用刚性联轴器，该刚性联轴器包括联轴器支架232、联轴器外壳233、联轴器本体231、联轴器底盖230、联轴器轴承236、联轴器减速器油封234；

所述联轴器支架232固定于所述减速器支架202上，所述联轴器外壳233安装于所述联轴器支架232中部；

所述联轴器底盖230安装于所述联轴器外壳233的z负向并与所述减速器的第一行星架214连接固定；所述联轴器本体231z正向与所述平台101连接固定，具体的，与平台101的多孔圆盘205连接固定。

联轴器本体231从所述联轴器外壳233的z正向伸入所述联轴器外壳233内腔，从所述联轴器外壳233的z负向穿出，与所述联轴器底盖230连接固定；

所述联轴器减速器油封234数量为两个，分别安装于所述联轴器本体231 和所述联轴器外壳233z正向和z负向的接触位置上。

为了避免重复更换润滑油或润滑脂的麻烦，可在两个联轴器减速器油封234之间注满润滑油或润滑脂235。

在位于z正向的联轴器减速器油封234上方，设置有联轴器轴承236，该联轴器轴承236用于减少联轴器运行时的摩擦力。

平台101可以为多种形式，由于平台101与联轴器208的连接为刚性连接，长期运行中容易因损坏、疲劳等问题造成松动、脱落。为了减少平台101的维护成本，具体实施中，在在平台101上安装一多孔圆盘205，多孔圆盘205基于过盈配合配合在平台101上，平台101基于多孔圆盘205与联轴器本体205连接固定。维护时只需更换多孔圆盘205即可，维护成本较低。

本发明实施例提供的臂长可调的高速三轴机器人，其中旋转底座模块为第一轴，负责控制平台的转动；由于旋转底座模块的减速器变速比大，力负载性能和运转速度可以进行配合设计，因此，能适用于多种工况，具有良好的实用性；第一臂、第二臂分别为该臂长可调的高速三轴机器人的第二轴、第三轴，其驱动元件均安装在平台上；由于重量主要集中在平台上而不是臂上，在旋转底座模块高速旋转时，臂的惯性较小，有利于旋转底座模块的高速转动；同时，由于第一臂和第二臂上没有布置驱动元件，臂重量较轻，因此，工作末端可以达到很高的运动速度；第一臂和第二臂为可伸缩臂，可针对不同的工况实时调整长度，具有良好的实用性和较广泛的应用范围。

本发明实施例提供的臂长可调的高速三轴机器人第一臂、第二臂的驱动元件安装于平台上，因此，第一臂、第二臂负载较少，均可以进行高速运动；同时，由于臂的重量减轻，臂的旋转惯性减少，旋转底座模块亦可进行高速运动；旋转底座模块的减速器可根据实际工况进行负载与速度的平衡设计，以满足更多的工作情况，具有良好的实用性；第一臂和第二臂为可伸缩臂，可针对不同的工况实时调整长度，具有良好的实用性和较广泛的应用范围。

以上对本发明实施例所提供的一种臂长可调的高速三轴机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，包括旋转底座模块、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件，所述第一臂和/或第二臂为可伸缩臂；

所述旋转底座模块包括旋转底座电机、减速器、联轴器、平台；

所述旋转底座电机的外壳固定于一旋转底座电机支架上，转轴沿z正向布置并与所述减速器的输入端连接；

所述减速器的输出端与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与所述平台连接；

所述旋转底座电机经所述减速器和联轴器驱动所述平台旋转；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件上；

所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线分别与y轴平行；

所述第一臂始端铰接于所述第二基转轴上，末端与所述第二臂始端铰接；

所述第一连杆始端铰接于所述第一基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；

所述第二连杆末端铰接与所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；

所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

2.如权利要求1所述的臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述减速器包括减速器外壳、输入轴、输入齿轮、两个直齿轮、两根曲柄轴、第一行星架、齿数相等的第一RV齿轮和第二RV齿轮、第二行星架；

在所述减速器外壳内部，从z负向至z正向，依次安装有所述第二行星架、第二RV齿轮、第一RV齿轮、第一行星架；

所述第一行星架和第二行星架基于外周的角接触轴承配合在所述减速器外壳内壁；所述减速器外壳内壁对应于所述第一RV齿轮、第二RV齿轮的位置上，均匀安装有比所述第一RV齿轮和第二RV齿轮齿数数量多一的针齿；

所述输入轴和所述两根曲柄轴从减速器外壳z负向起，依次穿过所述第二行星架、第二RV齿轮、第一RV齿轮、第一行星架；

所述输入轴末端处于所述第一行星架的通孔中并与所述输入齿轮相连接，所述两根曲柄轴末端处于所述第一行星架的通孔中并分别与所述两个直齿轮相连接；

所述两个直齿轮对称布置于所述输入齿轮外并与所述输入齿轮啮合；

所述曲柄轴从z正向至z负向，分别为第一转轴部、第一曲柄部、第二曲柄部和第二转轴部；

在所述曲柄轴中，所述第一转轴部外周基于圆锥滚子轴承配合在所述第一行星架的通孔内壁；所述第二转轴部外周基于圆锥滚子轴承配合在所述第二行星架的通孔内壁；所述第一转轴部和第二转轴部的轴线共线并与所述输入轴轴线平行；

所述两根曲柄轴的第一曲柄部分别基于滚针轴承与所述第一RV齿轮连接；所述两根曲柄轴的第二曲柄部分别基于滚针轴承与所述第二RV齿轮的通孔内壁连接；

所述第一RV齿轮与所述第二RV齿轮在所述两根曲柄轴的带动下，啮合至所述针齿上；

所述第一行星架、第二行星架、第一RV齿轮和第二RV齿轮上，设置有散热孔。

3.如权利要求2所述的臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，在所述第一行星架上，设置有供动力输出的输出连接孔和用于所述圆锥棍子轴承接触的圆锥棍子轴承接触面；

所述散热孔距所述输出连接孔的距离，至少为所述输出连接孔直径的十分之一；

所述散热孔距所述圆锥棍子轴承接触面的距离，至少为所述圆锥棍子轴承接触面直径的十分之一。

4.如权利要求3所述的臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，在所述第一RV齿轮和第二RV齿轮上，分别设置有与所述曲柄轴第一曲柄部或第二曲柄部连接的曲柄部连接孔；

所述散热孔距所述曲柄部连接孔的距离至少为所述曲柄部连接孔直径的十分之一；

所述散热孔距所述第一RV齿轮的齿的齿底圆的距离，至少为所述第一RV齿轮的齿的齿高；

在所述第二RV齿轮上，所述散热孔距所述第二RV齿轮的齿的齿底圆的距离，至少为所述第二RV齿轮的齿的齿高。

5.如权利要求4所述的臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第一RV齿轮和所述第二RV齿轮的z正向面和z负向面上，分别设置有耐磨陶瓷涂层。

6.如权利要求1至5所述的任意一项臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

7.如权利要求1至5所述的任意一项臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于一第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

8.如权利要求1至5所述的任意一项臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

9.如权利要求1至5所述的任意一项臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第一臂包括第一臂螺丝、第一外臂和第一内臂，所述第一内臂滑动内套于所述第一外臂内；所述第一内臂在相对面上沿轴线分别开有长槽，所述第一外臂在对应所述长槽一点的位置上开有第一臂固定螺孔；

所述第一臂螺丝穿过所述第一臂固定螺孔和所述长槽；

当所述第一臂螺丝松开时，所述第一内臂可沿所述长槽在所述第一内臂内滑动；

当所述第一臂螺丝上紧时，所述第一内臂固定在所述第一内臂上。

10.如权利要求1至5所述的任意一项臂长可调的高速三轴机器人，其特征在于，所述第二臂上包括第二臂连接件、两块第二子臂和第二滑块；所述第二子臂截面呈L型结构，所述两块第二子臂上端通过第二臂连接件相互间固定；

所述第二滑块呈工字型，腰部卡在两块第二子臂下端之间，顶部基于螺丝分别锁紧于两块第二子臂上；

在第二滑块上安装有滑轮，在所述螺丝松开情况下，所述第二滑块基于所述滑轮在所述两个第二子臂上沿轴向滑动。