CN108972102B - 一种机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机器人手臂，属于工业机器人领域，特别涉及一种应用扩展功能附件的机器人手臂。包括依靠数控指令精确运动的机构以及动力头；动力头由摆动模块、摆动支撑、基体和变径装置组成；摆动模块与夹头旋转连接；摆动模块可以绕一个相对基体固定的点摆动；摆动模块的变径臂与变径装置连接，变径臂与变径装置间存在一个可以随变径装置调节的转点，且这个转点位于变径臂的中心线上；当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块产生摆动；变径装置由数控电机驱动。本发明当机器人手臂加工非刀具规格的孔时，编程简单、孔的精度高，解决了现有技术中存在的问题。

Description

一种机器人手臂

技术领域

本发明公开一种机器人手臂，属于工业机器人领域，特别涉及一种应用扩展功能附件的机器人手臂。

背景技术

现有技术机器人手臂在焊接、组装、搬运以及服务业的应用越来越广泛，并且具有承担部分数控机床加工的能力，特别是在木材、塑料、有色金属的加工领域应用优势较大，机器人手臂在加工孔特征时，目前还是较多的依靠钻头或铣刀的基础规格，如果没有合适的规格，则通过编程让刀具绕孔的轴线公转，用铣的方式加工孔特征，编程较复杂，且机器人手臂是悬臂结构，这种精细的动作对机器人手臂的运动精度要求较高，实际加工的孔的精度不好；

现有技术中，钻铣床加工孔特征时，需要根据孔径大小挑选对应的钻头，特别是产品试制、打样阶段，孔的规格与现有钻头规格不匹配，则需要额外采购，耽误制造进度且成本较高；

现有钻头的规格一般是以0.1mm间隔的等差数列，若所需规格不在此数列的数值时，要选择非标准钻头、或采用数控方式加工，成本较高；

现有钻孔技术，只能加工圆柱形孔，无法加工出外口小内部大的圆台形孔(沿孔轴线的剖面)，圆台形孔通常应用于特殊部件的连接用，如，室内装修石板挂孔、木材挂孔等。

综上，迫切需要设计一种机器人手臂，解决现有技术中的以下问题：

1、机器人手臂加工非刀具规格的孔时，编程复杂、孔的精度不好；

2、孔的加工依赖刀具的规格；

3、孔的加工范围不能无级变化；

4、现有技术不能加工外口小、内部大的圆台形孔。

发明内容

本发明主要旨在解决现有技术中：机器人手臂加工非刀具规格的孔时，编程复杂、孔的精度不好的问题，提供一种机器人手臂。

为了实现上述目的，所述的方案如下：

提供一种机器人手臂，其特征是，包括依靠数控指令精确运动的机构以及动力头；动力头由摆动模块、摆动支撑、基体和变径装置组成；摆动模块第一端与夹头旋转连接，夹头由摆动模块的动力单元驱动旋转；摆动支撑的第一端与摆动模块旋转连接，摆动支撑的第二端与基体固连，使得摆动模块可以绕一个相对基体固定的点摆动；摆动模块第二端的变径臂与变径装置连接，变径装置与基体固连，变径臂的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂与变径装置间存在一个可以随变径装置调节的转点，且这个转点位于变径臂的中心线上，当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合，摆动模块位于初始状态；当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块产生摆动；变径装置由数控电机驱动。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，摆动支撑由支架Ⅰ和支架Ⅱ组成，支架Ⅰ与摆动模块旋转连接；

支架Ⅰ下部与支架Ⅱ旋转连接；支架Ⅱ与基体固连。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，支架Ⅰ与摆动模块的旋转连接的轴线和夹头旋转的轴线相交；支架Ⅰ下部与支架Ⅱ旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ和摆动模块的旋转连接的轴线相交。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，支架Ⅰ和支架Ⅱ旋转连接的轴线与支架Ⅰ和摆动模块旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ和摆动模块旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，变径臂是拉伸体，变径臂的中心线与夹头旋转的轴线相交，变径臂绕夹头旋转的轴线转动；还包括变径块，变径块沿变径臂的长度方向滑动；还包括变径驱动板，变径块绕固定在变径驱动板上的点摆动；变径驱动板沿固定在基体的轴线移动。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，变径臂截面是圆形、中心线是直线；动力单元的输出轴，与变径臂固连；变径块中心的孔是圆孔，变径块外部是球面，球心在变径块中心的孔的轴线上，变径块外部的球面与变径驱动板对应的凹球面配合。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，变径臂截面是非正圆形。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，还包括滑块；变径驱动板与滑块固连，导轨与基体固连，滑块沿导轨导引的直线方向运动，直线的方向与初始状态夹头旋转的轴线平行；还包括螺杆；螺杆与滑块运动方向平行设置，螺杆第一端与变径驱动板上对应的螺旋槽配合，第二端与支架旋转连接，支架与基体固连，数控电机的输出端与螺杆同轴固连，数控电机壳体与基体固连。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，数控电机是可以将电信号转换为精确的转动角度的电机。

进一步地，所述的一种机器人手臂附件，其特征是，动力单元由主电机、主减速器、副减速器和壳体组成；主电机、主减速器和副减速器均与壳体固连；主电机的第一输出轴与主减速器固连，主减速器的输出轴与夹头固连；主电机的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机的第二输出轴与副减速器固连，副减速器的输出轴与变径臂固连。

本发明机器人手臂加工非刀具规格的孔时，编程简单、孔的精度好，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是动力头侧视图；

图2是图1中A-A剖面；

图3是图1中B-B剖面放大图；

图4是动力头立体视图；

图5是动力单元外壳剖开视图；

图6是动力头摆动示意图；

图7是摆动的几何关系分析；

图8是用定距工装安装刀具示意图；

图9是使用数控电机的动力头方案立体视图；

图10是安装动力头的机床立体视图；

图11是安装动力头的机器人手臂立体视图。

图中标记为：

1、动力头；

11、摆动模块；111、动力单元；1111、主减速器；1112、主电机；1113、副电机；1114、副减速器；1115、壳体；112、变径臂；

12、摆动支撑；121、支架Ⅰ；122、支架Ⅱ；

13、基体

14、变径装置；141、变径块；142、变径驱动板；143、滑块；144、导轨；145、制动器；146、螺杆；147、支架；148、变径手轮；149、数控电机；

2、机床；

3、机器人手臂；

4、定距工装。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，动力头1(即机器人手臂附件)由摆动模块11、摆动支撑12、基体13和变径装置14组成；

摆动模块11第一端与夹头旋转连接，夹头用以夹持现有技术中的刀具(钻头或铣刀)，夹头由摆动模块11的动力单元111驱动旋转；

摆动支撑12的第一端与摆动模块11旋转连接，摆动支撑12的第二端与基体13固连，摆动支撑12自身设有一个旋转自由度，使得摆动模块11可以绕一个相对基体13固定的点摆动，这个固定的点与夹头旋转的轴线重合；

摆动模块11第二端的变径臂112与变径装置14连接，变径装置14与基体13固连，变径臂112的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂112由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂112与变径装置14间存在一个可以随变径装置14调节的转点，且这个转点位于变径臂112的中心线上，当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块11即位于初始状态，即无论变径臂112是否绕夹头的轴线转动，摆动模块11的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合；如图6所示，当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，摆动模块11即位于偏摆状态，变径臂112绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块11产生摆动。

具体的，

动力头1，方案一，

如图1所示，动力单元111第一端设有一个输出轴，与夹头同轴固连；动力单元111第二端设有一个输出轴，与变径臂112固连。

如图1和图2所示，摆动支撑12由支架Ⅰ121和支架Ⅱ122组成，支架Ⅰ呈Y形，其上部设有两个支撑臂，支撑臂的顶部各设有一个轴套，这两个支撑臂顶部的轴套是同轴的；摆动模块11两侧各设有一个凸轴，更具体的，动力单元111的两侧各设有一个凸轴，这两个凸轴同轴设置，并且过夹头旋转的轴线，这两个凸轴分别装配在支架Ⅰ121支撑臂顶部对应的轴套中，实现支架Ⅰ121与摆动模块11的旋转连接，为了支架Ⅰ121与摆动模块11在轴向无窜动，摆动模块11两侧的凸轴端面分别与支架Ⅰ121支撑臂顶部对应的轴套底部接触；根据具体的边界和结构设计，支架Ⅰ121与摆动模块11的旋转连接除了上述的两个旋转支撑，也可以设计为单边的旋转支撑。

支架Ⅰ121下部与支架Ⅱ122旋转连接，其旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ121和摆动模块11的旋转轴线相交；支架Ⅰ121下部设有一个光轴，光轴插入支架Ⅱ122对应的孔中，为了使得他们之间轴向无窜动，光轴根部的端面与支架Ⅱ122对应的孔端面接触，光轴略微超出孔的另一个端面，光轴顶部设有螺纹，螺母拧紧后实现支架Ⅰ121下部与支架Ⅱ122的旋转连接；根据具体的边界和结构设计，支架Ⅰ121上部也可以在设置一个光轴，支架Ⅱ122延伸至上方，在形成一个旋转支撑，与下面的旋转支撑同轴。

支架Ⅱ122底部与基体13固连，支架Ⅱ122超出基体13边界可以获得较大加工范围，为了便于拆卸与保持精度，支架Ⅱ122底部与基体13预设定位销，并使用螺纹紧固件固连，也可以把支架Ⅱ122底部与基体13一体化设计。

作为优选，支架Ⅰ121和支架Ⅱ122旋转连接的轴线与支架Ⅰ121和摆动模块11旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ121和摆动模块11旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

如图1和图3所示，变径臂112是拉伸体，其截面优选圆形、中心线(引导线)优选直线，中心线与夹头旋转的轴线相交，动力单元111第二端设有一个输出轴，与变径臂112固连，进一步的，动力单元111第二端的输出轴与一节径向的短臂固连，变径臂112的第一端与短臂的远端固连，变径臂122往过夹头旋转的轴向方向延伸。变径臂122穿过变径块141中心的孔，这个孔优选圆孔，变径块141外部优选球面，球心在其中心的孔的轴线上，变径块141外部的球面与变径驱动板142对应的凹球面配合(类似鱼眼标准件)，这样随着变径驱动板的移动，带动变径块141沿变径臂112的中心线移动，从而实现调整摆动模块11摆动的幅度。

由于只需要满足动力单元111第二端的输出轴带动变径臂112绕夹头旋转的轴线转动，以及变径驱动板142的移动。变径臂112与变径驱动板142之间仅需要存在一个滑动自由度和一个摆动自由度即可。即变径块141沿变径臂112的长度方向滑动，变径块141绕固定在变径驱动板142上的点摆动。也就是说，本段中的变径臂112的截面与对应的变径块141内孔截面可以是非正圆截面；还可以变径块141与变径驱动板142之间再增加一个过度支架，过度支架与变径块141转动连接，过度支架与变径驱动板142转动连接，两个转动连接的轴线相互垂直，两个转动连接的轴线均过变径臂112的中心线。

如图1和图4所示，变径驱动板142与滑块143固连，导轨144与基体13固连，滑块143沿导轨144导引的直线方向运动，滑块143被导轨144导引的直线方向与摆动模块11位于初始状态(见具体实施方式的第5段定义)时夹头旋转的轴线平行；导轨144与滑块143之间设置可以锁定其相对位置的制动器145；滑块143与导轨144，优选直线轴承与直线导轨；可选，燕尾槽结构滑轨。

为了变径驱动板142移动的距离可控，设置变径驱动机构，螺杆146与滑块143运动方向平行设置，螺杆146第一端与变径驱动板142上对应的螺旋槽配合，第二端与支架147旋转连接，螺杆146不能够相对支架147沿轴向窜动，支架147与基体13固连，螺杆146的第二端与变径手轮148同轴固连，转动变径手轮148带动螺杆146转动，从而带动变径驱动板142移动。

变径手轮148圆周面均布刻度，支架147上部设有划线标记，读取变径手轮148圆周面转动的刻度得出变径驱动板142移动的距离；还可以在变径驱动板142与基体13之间设置位移传感器、位移指示表等量具读取变径驱动板142相对基体13移动的距离。

如图5所示，优选，动力单元111由主电机1112、主减速器1111、副减速器1114和圆柱形壳体1115组成，主电机1112、主减速器1111和副减速器1114位于壳体1115内部，并且均与壳体1115固连；主电机1112的第一输出轴与主减速器1111固连，主减速器1111的输出轴与夹头固连，主减速器1111将主电机1112输入的转动能量，减速增扭后驱动夹头转动；主电机1112的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机1112的第二输出轴与副减速器1114固连，副减速器1114的输出轴与变径臂112固连，副减速器1114将主电机1112输入的转动能量，减速增扭后变径臂112绕夹头旋转的轴线转动；主减速器1111输出轴的转速高于副减速器1114输出轴的转速。还可以选择，取消主电机1112的第二输出轴与副减速器1114固连，增加副电机1113，副电机1113的输出轴与副减速器1114固连。

如图6所示，当调节变径驱动板142移动，使得初始状态时变径臂112的中心线与夹头摆动轴线的交点发生偏移，在动力单元1111两端输出轴的驱动下，配合其他可以将动力头1沿初始状态时的夹头轴线进给的设备、机床或机器人手臂，实现进给，从而使得钻头或铣刀实际切削直径大于刀具(钻头或铣刀)本身的直径，也就是说代加工的孔特征内径，不取决刀具直径；调整变径手轮148可以无级的加工期望的孔特征；在加工孔特征的后期，将摆动模块11产生摆动动作，刀具的运动包络呈现圆台形，再将摆动模块11调整至非摆动模式退出，实现加工外口小、内部大的圆台形孔。

如图7所示，为了能精确的得出变径驱动板142的移动量与刀具的切削直径之间的关系，做以下解析。图7中，水平方向的点划线是摆动模块11位于初始状态时夹头旋转的轴线；a值是刀具安装在夹头后，刀具端面与摆动模块11摆动点的距离；b值是变径臂112的中心线与夹头旋转的轴线交点和摆动模块11摆动点的距离；m值是变径驱动板142的移动量；r值是刀具自身的切削半径；θ值是摆动模块11摆动的角度；α值是变径臂112的中心线与夹头旋转的轴线夹角；R值是刀具的切削半径。问题转化为求解R值与m值之间的关系即R＝f(m)，解析结果如下，由①式求解出θ值，带入②式得出R值，。

R＝asinθ+rcosθ.......................②

如图7和图8所示，R＝f(m)的关系中，除了a值和r值以外，都是可以通过动力头1的制造和生产、以及出厂前的调试来保证的，r值可以通过外径测量设备方便的测量获得，刀具的重复装夹会导致实际a值与预设值的不相符，为了避免这个问题出现，设计定距工装4便于装配刀具时获得与预设值相符的a值。定距工装4由两个支撑腿和限位面组成，支撑腿和限位面之间有确定稳固的距离关系，摆动模块11第一端设有与定距工装4的支撑腿配合的支撑面，支撑面与摆动模块11摆动点具有确定稳固的距离关系。安装刀具时，将定距工装4的支撑腿与摆动模块11对应的支撑面贴合，将刀具的端面与定距工装4的限位面贴合，即使得刀具端面与摆动模块11摆动点距离与预设值相符。

动力头1，方案二，

如图9所示，在动力头方案一的基础上，将变径装置14由变径手轮148驱动，更换由数控电机149驱动，数控电机149可以是步进电机、伺服电机等可以将电信号转换为精确的转动角度的电机，数控电机149的输出端与螺杆146同轴固连，数控电机149壳体与基体13固连。由于数控电机149具有自锁的特性，故可以取消制动器145。另外，数控电机149可以执行上位机发出的指令驱动变径驱动板142移动，上位机计算R＝f(m)的关系，可以迅速的调节刀具位于需求的加工半径值的状态；还有一个好处，使用不同规格的刀具、重新装夹刀具后，只要将刀具直径r值、实测的刀具端面相对摆动模块11摆动点距离a值，输入上位机，就可以更新R＝f(m)的关系，使得与动力头1实际几何关系匹配。

动力头1应用实例一，

如图10所示，机床2包括具有可以使得动力头1和待加工物按照精确可控的路径相对运动的机构。更具体的，机床2基于钻床或者铣床结构，动力头1的基体13与Z轴升降机构固连，夹头旋转的轴线与Z轴平行。动力头1相对待加工物沿Z轴运动可以加工出孔特征，或者外口小内口大的圆台孔特征；当动力头1摆动时，动力头1相对待加工物在XY平面运动可以加工出燕尾槽特征。

当机床2是数控机床时，动力头1的数控电机149受控于机床2的控制器。

动力头1应用实例二，

如图11所示，机器人手臂3是现有技术中依靠数控指令精确运动的机构，动力头1的基体13与机器人手臂3远端的手部固连，动力头1的数控电机149受控于机器人手臂3的控制器。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器人手臂，其特征是，包括依靠数控指令精确运动的机构以及动力头(1)；

动力头(1)由摆动模块(11)、摆动支撑(12)、基体(13)和变径装置(14)组成；

摆动模块(11)第一端与夹头旋转连接，夹头由摆动模块(11)的动力单元(111)驱动旋转；

摆动支撑(12)的第一端与摆动模块(11)旋转连接，摆动支撑(12)的第二端与基体(13)固连，使得摆动模块(11)可以绕一个相对基体(13)固定的点摆动；

摆动模块(11)第二端的变径臂(112)与变径装置(14)连接，变径装置(14)与基体(13)固连，变径臂(112)的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂(112)由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂(112)与变径装置(14)间存在一个可以随变径装置(14)调节的转点，且这个转点位于变径臂(112)的中心线上，

当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块(11)的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合，摆动模块(11)位于初始状态；

当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂(112)绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块(11)产生摆动；

变径装置(14)由数控电机(149)驱动。

2.根据权利要求1所述的一种机器人手臂，其特征是，摆动支撑(12)由支架Ⅰ(121)和支架Ⅱ(122)组成，

支架Ⅰ(121)与摆动模块(11)旋转连接；

支架Ⅰ(121)下部与支架Ⅱ(122)旋转连接；

支架Ⅱ(122)与基体(13)固连。

3.根据权利要求2所述的一种机器人手臂，其特征是，支架Ⅰ(121)与摆动模块(11)的旋转连接的轴线和夹头旋转的轴线相交；

支架Ⅰ(121)下部与支架Ⅱ(122)旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)的旋转连接的轴线相交。

4.根据权利要求3所述的一种机器人手臂，其特征是，支架Ⅰ(121)和支架Ⅱ(122)旋转连接的轴线与支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

5.根据权利要求1所述的一种机器人手臂，其特征是，变径臂(112)是拉伸体，变径臂(112)的中心线与夹头旋转的轴线相交，变径臂(112)绕夹头旋转的轴线转动；

还包括变径块(141)，变径块(141)沿变径臂(112)的长度方向滑动；

还包括变径驱动板(142)，变径块(141)绕固定在变径驱动板(142)上的点摆动；

变径驱动板(142)沿固定在基体(13)的轴线移动。

6.根据权利要求5所述的一种机器人手臂，其特征是，变径臂(112)截面是圆形、中心线是直线；动力单元(111)的输出轴，与变径臂(112)固连；

变径块(141)中心的孔是圆孔，变径块(141)外部是球面，球心在变径块(141)中心的孔的轴线上，变径块(141)外部的球面与变径驱动板(142)对应的凹球面配合。

7.根据权利要求5所述的一种机器人手臂，其特征是，

还包括滑块(143)；

变径驱动板(142)与滑块(143)固连，导轨(144)与基体(13)固连，滑块(143)沿导轨(144)导引的直线方向运动，直线的方向与初始状态夹头旋转的轴线平行；

还包括螺杆(146)；

螺杆(146)与滑块(143)运动方向平行设置，螺杆(146)第一端与变径驱动板(142)上对应的螺旋槽配合，第二端与支架(147)旋转连接，支架(147)与基体(13)固连，数控电机(149)的输出端与螺杆(146)同轴固连，数控电机(149)壳体与基体(13)固连。

8.根据权利要求7所述的一种机器人手臂，其特征是，数控电机(149)是可以将电信号转换为精确的转动角度的电机。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种机器人手臂，其特征是，动力单元(111)由主电机(1112)、主减速器(1111)、副减速器(1114)和壳体(1115)组成；

主电机(1112)、主减速器(1111)和副减速器(1114)均与壳体(1115)固连；

主电机(1112)的第一输出轴与主减速器(1111)固连，主减速器(1111)的输出轴与夹头固连；

主电机(1112)的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机(1112)的第二输出轴与副减速器(1114)固连，副减速器(1114)的输出轴与变径臂(112)固连。