CN110000769A - 双臂协作机器人 - Google Patents

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丁宁
余鑫晨
张宇
徐春剑
陶明荣
韩亮
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Abstract

本发明公开了一种双臂协作机器人，包括机器人基座及对称分布的两个机器人手臂，机器人手臂包括依次串联连接的一个模块化双关节及五个模块化单关节：模块化双关节包括L管关节座及两个舵机，两个舵机保持垂直；模块化单关节包括直管关节座及一个舵机，五个模块化单关节分别为依次串联连接的第一、二、三、四与五单关节，第一单关节与第二舵机垂直连接，第一、三与五单关节的中心轴互不平行并共面，第一舵机的中心轴位于分布平面外并与分布平面平行，第二舵机、第二单关节与第四单关节的中心轴相互平行。该双臂协作机器人具有空间位置与姿态的任意性，可回避工作空间奇异及躲避工作空间中的障碍物，结构简单、易于实现精确装配。

Description

双臂协作机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种双臂协作机器人。
背景技术
机械臂是一种多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统，因其独特的灵活性，在工业领域的应用日益广泛。目前使用较为普遍的机械臂多为六自由度单臂，空间位置与姿态的任意性较为受限，无法满足复杂的工作要求。也有一些双臂机器人，在一定程度上满足任意性运动要求，但存在空间奇异、避障能力差等问题。同时，现有的机械臂往往结构复杂，安装比较困难、装配精度无法保证，装配制造成本高昂。在协作机器人应用领域，机械臂需要与人类在共同工作空间中发生近距离互动，使现有机械臂的不足更为突出，亟待解决。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双臂协作机器人，具有空间位置与姿态的任意性，可回避工作空间奇异及躲避工作空间中的障碍物，结构简单、易于实现精确装配，满足协作机器人的应用要求。
本发明提供的双臂协作机器人，包括机器人基座及对称分布的两个机器人手臂，所述机器人手臂包括依次串联连接的一个模块化双关节及五个模块化单关节：
所述模块化双关节包括L管关节座及两个舵机，所述两个舵机分别为第一舵机与第二舵机，所述第一舵机与所述第二舵机分别安装于所述L管关节座两端的开口部内，所述第一舵机与所述机器人基座连接，所述第一舵机与所述第二舵机保持垂直；
所述模块化单关节包括直管关节座及一个舵机，所述舵机安装于所述直管关节座一端的开口部内，所述五个模块化单关节分别为依次串联连接的第一单关节、第二单关节、第三单关节、第四单关节与第五单关节，所述第一单关节与所述第二舵机垂直连接，所述第一单关节、所述第三单关节与所述第五单关节的中心轴互不平行并位于同一分布平面内，所述第一舵机的中心轴位于所述分布平面之外并与所述分布平面平行，所述第二舵机、所述第二单关节与所述第四单关节的中心轴相互平行，所述第二舵机的中心轴与所述分布平面垂直。
进一步地，所述机器人手臂具有L型转接座，所述第二舵机与所述第一单关节之间、相邻的模块化单关节之间分别通过所述L型转接座连接。
进一步地，所述L型转接座具有L型板式构造，所述L型板式构造包括相互垂直的第一端板与第二端板：
当所述第二舵机与所述第一单关节之间通过所述L型转接座连接时，所述第二舵机安装于所述第二端板面向所述第一端板的一侧表面，所述第一单关节安装于所述第一端板背对所述第二端板的一侧表面；
当相邻的模块化单关节之间通过所述L型转接座连接时，所述相邻的模块化单关节中，一者安装于所述第一端板背对所述第二端板的一侧表面，另一者安装于所述第二端板面向所述第一端板的一侧表面。
进一步地，当两个所述L型转接座连接于同一模块化单关节时：所述两个L型转接座的第一端面保持相对并通过所述模块化单关节连接，或所述两个L型转接座的第二端面保持相对并通过所述模块化单关节连接。
进一步地，所述L型转接座与所述模块化单关节之间通过止口定位连接；和/或，所述L型转接座与所述第二舵机之间通过止口定位连接。
进一步地，所述模块化双关节的两个舵机分别包括驱动电机、编码器与谐波减速器，所述第一舵机的驱动电机与所述第二舵机的驱动电机分别安装于所述L管关节座两端的开口部内，所述编码器安装于所述驱动电机的定子端，所述谐波减速器安装于所述驱动电机的转子端，所述第一舵机的谐波减速器与所述机器人基座连接，所述第二舵机的谐波减速器与第一单关节的直管关节座连接。
进一步地，所述模块化单关节的舵机包括驱动电机、编码器与谐波减速器，所述驱动电机安装于所述直管关节座一端的开口部内，所述编码器安装于所述驱动电机的定子端，所述谐波减速器安装于所述驱动电机的转子端，所述谐波减速器与另一模块化单关节的直管关节座连接。
进一步地，所述L管关节座具有一体成型的第一管段与第二管段，所述第一管段与所述第二管段相互垂直并保持贯通，所述第一管段远离所述第二管段的一端开口形成第一开口端，所述第二管段远离所述第一管段的一端开口形成第二开口端，所述第一管段与所述第二管段的连接处开口形成操作开口端，所述第一舵机安装于所述第一开口端内，所述第二舵机安装于所述第二开口端内。
进一步地，所述机器人基座具有T型构造，所述两个机器人手臂对称地安装于所述T型构造的两翼。
进一步地，所述机器人基座具有中空贯通构造，所述机器人基座与所述第一舵机之间通过止口定位连接，所述L管关节座与所述机器人基座保持贯通。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
以机器人基座及对称分布于机器人基座两侧的两个机器人手臂组成双臂协作机器人的基本构型，可到达工作空间中的任意位置及实现各类工作姿态，完成各类复杂的协同工作；
以严格限定空间分布关系的七个关节组成机器人手臂的基本构型，具有理想的运动灵活性，有效地回避了于工作空间中的奇异位形，防止运动失效与控制失效，并可灵活躲避工作空间中的障碍物，从而保证对周围人类的安全防护，满足协作式作业的安全要求；
以七个关节形成一个模块化双关节及五个模块化单关节的模块化构造，模块化程度高，各模块结构简洁、易于实现精确装配及后期便利式更换维护，降低装配制造成本并保证机械精度，满足批量快速生产的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的双臂协作机器人的主视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双臂协作机器人的轴测结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的左视结构示意图；
图4为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的轴测结构示意图；
图5为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的模块化双关节的轴测结构示意图；
图6为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的模块化双关节的L管关节座的轴测结构示意图；
图7为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的模块化双关节的剖视轴测结构示意图；
图8为本发明实施例提供的双臂协作机器人的机器人手臂的模块化双关节的直管关节座的剖视轴测结构示意图。
主要元件符号说明：
1-机器人基座，11-底部承载盘，12-纵向承载轴，13-横向承载轴，2-机器人手臂，21-模块化双关节，211-L管关节座，2111-第一开口端，2112-第二开口端，2113-操作开口端，212-操作端盖板，22-第一单关节，221-直管关节座，23-第二单关节，24-第三单关节，25-第四单关节，26-第五单关节，27-L型转接座，271-第一端板，272-第二端板，28-舵机，281-驱动电机，282-编码器，283-谐波减速器，28A-第一舵机，28B-第二舵机。
具体实施方式
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施例公开了双臂协作机器人的一种具体构造。请结合参阅图1-2，该双臂协作机器人包括机器人基座1及对称分布的两个机器人手臂2，机器人手臂2包括依次串联连接的一个模块化双关节21及五个模块化单关节，具有空间位置与姿态的任意性，可回避工作空间奇异及躲避工作空间中的障碍物，结构简单、易于实现精确装配，满足协作机器人的应用要求。
请结合参阅图5-7，模块化双关节21包括L管关节座211及两个舵机28。顾名思义，L管关节座211具有管式构造，并于两端分别形成开口部。两个舵机28分别为第一舵机28A与第二舵机28B，其中，第一舵机28A安装于L管关节座211一端的开口部内，并与机器人基座1连接；第二舵机28B安装于L管关节座211另一端的开口部内，且第一舵机28A与第二舵机28B保持垂直。
示范性地，L管关节座211具有一体成型的第一管段与第二管段。其中，第一管段与第二管段相互垂直并保持贯通，形成贯通的L型构造，具有理想的收容能力，从而收容舵机28及实现隐藏式走线。
其中，第一管段远离第二管段的一端开口形成第一开口端2111，用于收容安装第一舵机28A。第二管段远离第一管段的一端开口形成第二开口端2112，用于收容安装第二舵机28B。第一管段与第二管段的连接处开口形成操作开口端2113，用于提供安装操作空间。
可以理解，第一开口端2111、第二开口端2112与操作开口端2113保持连通，操作者可自操作开口端2113对第一舵机28A及第二舵机28B进行拆装操作。示范性地，操作开口端2113装设可拆卸的操作端盖板212，用于实现对操作开口端2113的开启与封闭。
于前述构造下，模块化双关节21具有理想的负载能力，足以负载依次串联连接于其上的五个模块化单关节，保证充裕的运动能力，进而保证运动灵活性。同时，模块化关节结构简洁，为两个舵机28提供统一的装配基准，从而保证装配精度，易于装配、精度理想，从而降低所需的加工精度等级要求及制造成本。
请结合参阅图1-4，前述的五个模块化单关节分别为依次串联连接的第一单关节22、第二单关节23、第三单关节24、第四单关节25与第五单关节26，第一单关节22与第二舵机28B垂直连接。相应地，第一单关节22由第二舵机28B驱动，第二单关节23由第一单关节22驱动，第三单关节24由第二单关节23驱动，第四单关节25由第三单关节24驱动，第五单关节26由第四单关节25驱动，第五单关节26用于驱动末端执行部件。
其中，第一单关节22、第三单关节24与第五单关节26的中心轴互不平行并位于同一分布平面内，第一舵机28A的中心轴位于分布平面之外并与分布平面平行，第二舵机28B、第二单关节23与第四单关节25的中心轴相互平行，第二舵机28B的中心轴与分布平面垂直。所谓中心轴，亦即旋转中心轴。
于前述分布关系下，机器人手臂2具有理想的运动灵活性，模块化双关节21及模块化单关节上均不存在奇异点，机器人手臂2于工作空间中不会发生奇异，从而有效地防止运动失效与控制失效，并灵活躲避工作空间中的障碍物，保证周围人类免受损害，满足协作式机器人的安全防护要求。
请参阅图8，模块化单关节包括直管关节座221及一个舵机28。顾名思义，直管关节座221具有直管构造，且至少一端开口而形成开口部。示范性地，直管关节座221两端分别开口，且直管关节座221内部保持贯通。该舵机28安装于直管关节座221一端的开口部内，并与另一模块化单关节的直管关节座221连接。
于模块化构造下，模块化双关节21与模块化单关节均具有模块化结构，模块化双关节21与模块化单关节之间、各模块化单关节之间仅通过特定的连接端实现连接，极大地简化了装配连接结构，且于后期维护中易于实现模块化更换，提高了装配便利性与维护便利性，节约装配维护成本，满足快速生产的要求。
请结合参阅图1-4，示范性地，机器人手臂2具有L型转接座27，第二舵机28B与第一单关节22之间、相邻的模块化单关节之间分别通过L型转接座27连接。其作用至少在于，使模块化双关节21与第一单关节22之间、各模块化单关节之间分别实现紧凑连接，节约空间以降低转动惯量，提高运动灵活性与灵敏度，并提高安全防护性能。
示范性地，L型转接座27具有L型板式构造。L型板式构造包括相互垂直的第一端板271与第二端板272，第一端板271与第二端板272分别用于实现对外连接。示范性地，第一端板271与第二端板272一体成型。
当第二舵机28B与第一单关节22之间通过L型转接座27连接时，第二舵机28B安装于第二端板272面向第一端板271的一侧表面，第一单关节22安装于第一端板271背对第二端板272的一侧表面。
当相邻的模块化单关节之间通过L型转接座27连接时，相邻的模块化单关节中，一者安装于第一端板271背对第二端板272的一侧表面，另一者安装于第二端板272面向第一端板271的一侧表面。例如，第一单关节22安装于第一端板271背对第二端板272的一侧表面，第二单关节23安装于第二端板272面向第一端板271的一侧表面。
示范性地，当两个L型转接座27连接于同一模块化单关节时：两个L型转接座27的第一端面保持相对并通过模块化单关节连接，或两个L型转接座27的第二端面保持相对并通过模块化单关节连接。
示范性地，L型转接座27与模块化单关节之间通过止口定位连接，降低安装难度、保证定位精度，易于安装到位。例如，L型转接座27具有凹止口，模块化单关节的舵机28具有凸止口，实现止口连接。
示范性地，L型转接座27与第二舵机28B之间通过止口定位连接，降低安装难度、保证定位精度，易于安装到位。例如，L型转接座27具有凹止口，第二舵机28B具有凸止口，实现止口连接。
示范性地，模块化双关节21的两个舵机28具有相同构造，任一舵机28包括驱动电机281、编码器282与谐波减速器283。其中，第一舵机28A的驱动电机281安装于L管关节座211的第一开口端2111内，第二舵机28B的驱动电机281安装于L管关节座211的第二开口端2112内；编码器282安装于驱动电机281的定子端，谐波减速器283安装于驱动电机281的转子端。其中，第一舵机28A的谐波减速器283与机器人基座1连接，第二舵机28B的谐波减速器283与第一单关节22的直管关节座221连接。
类似于模块化双关节21具有的舵机28，模块化单关节的舵机28亦包括驱动电机281、编码器282与谐波减速器283。其中，驱动电机281安装于直管关节座221一端的开口部内，编码器282安装于驱动电机281的定子端，谐波减速器283安装于驱动电机281的转子端，且该谐波减速器283与另一模块化单关节的直管关节座221连接。
示范性地，机器人基座1具有T型构造，两个机器人手臂2对称地安装于T型构造的两翼，保证结构的平衡性。示范性地，机器人基座1具有中空贯通构造，可收容控制电路部分。进一步地，机器人基座1与第一舵机28A之间通过止口定位连接。进一步地，L管关节座211与机器人基座1保持贯通，实现隐藏式走线而避免外露。
示范性地，机器人基座1包括底部承载盘11、纵向承载轴12与横向承载轴13。纵向承载轴12安装于底部承载盘11上，横向承载轴13安装于纵向承载轴12上。其中，纵向承载轴12支撑于横向承载轴13的中部，二者形成T型分布。示范性地，底部承载盘11、纵向承载轴12与横向承载轴13均为中空的轴盘类零件，降低装配难度、减少安装误差，便于电气线路走线排布。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种双臂协作机器人，其特征在于，包括机器人基座及对称分布的两个机器人手臂，所述机器人手臂包括依次串联连接的一个模块化双关节及五个模块化单关节：
所述模块化双关节包括L管关节座及两个舵机，所述两个舵机分别为第一舵机与第二舵机，所述第一舵机与所述第二舵机分别安装于所述L管关节座两端的开口部内，所述第一舵机与所述机器人基座连接，所述第一舵机与所述第二舵机保持垂直；
所述模块化单关节包括直管关节座及一个舵机，所述舵机安装于所述直管关节座一端的开口部内，所述五个模块化单关节分别为依次串联连接的第一单关节、第二单关节、第三单关节、第四单关节与第五单关节，所述第一单关节与所述第二舵机垂直连接，所述第一单关节、所述第三单关节与所述第五单关节的中心轴互不平行并位于同一分布平面内，所述第一舵机的中心轴位于所述分布平面之外并与所述分布平面平行，所述第二舵机、所述第二单关节与所述第四单关节的中心轴相互平行，所述第二舵机的中心轴与所述分布平面垂直。
2.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述机器人手臂具有L型转接座，所述第二舵机与所述第一单关节之间、相邻的模块化单关节之间分别通过所述L型转接座连接。
3.根据权利要求2所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述L型转接座具有L型板式构造，所述L型板式构造包括相互垂直的第一端板与第二端板：
当所述第二舵机与所述第一单关节之间通过所述L型转接座连接时，所述第二舵机安装于所述第二端板面向所述第一端板的一侧表面，所述第一单关节安装于所述第一端板背对所述第二端板的一侧表面；
当相邻的模块化单关节之间通过所述L型转接座连接时，所述相邻的模块化单关节中，一者安装于所述第一端板背对所述第二端板的一侧表面，另一者安装于所述第二端板面向所述第一端板的一侧表面。
4.根据权利要求3所述的双臂协作机器人，其特征在于，当两个所述L型转接座连接于同一模块化单关节时：所述两个L型转接座的第一端面保持相对并通过所述模块化单关节连接，或所述两个L型转接座的第二端面保持相对并通过所述模块化单关节连接。
5.根据权利要求2所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述L型转接座与所述模块化单关节之间通过止口定位连接；和/或，所述L型转接座与所述第二舵机之间通过止口定位连接。
6.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述模块化双关节的两个舵机分别包括驱动电机、编码器与谐波减速器，所述第一舵机的驱动电机与所述第二舵机的驱动电机分别安装于所述L管关节座两端的开口部内，所述编码器安装于所述驱动电机的定子端，所述谐波减速器安装于所述驱动电机的转子端，所述第一舵机的谐波减速器与所述机器人基座连接，所述第二舵机的谐波减速器与第一单关节的直管关节座连接。
7.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述模块化单关节的舵机包括驱动电机、编码器与谐波减速器，所述驱动电机安装于所述直管关节座一端的开口部内，所述编码器安装于所述驱动电机的定子端，所述谐波减速器安装于所述驱动电机的转子端，所述谐波减速器与另一模块化单关节的直管关节座连接。
8.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述L管关节座具有一体成型的第一管段与第二管段，所述第一管段与所述第二管段相互垂直并保持贯通，所述第一管段远离所述第二管段的一端开口形成第一开口端，所述第二管段远离所述第一管段的一端开口形成第二开口端，所述第一管段与所述第二管段的连接处开口形成操作开口端，所述第一舵机安装于所述第一开口端内，所述第二舵机安装于所述第二开口端内。
9.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述机器人基座具有T型构造，所述两个机器人手臂对称地安装于所述T型构造的两翼。
10.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述机器人基座具有中空贯通构造，所述机器人基座与所述第一舵机之间通过止口定位连接，所述L管关节座与所述机器人基座保持贯通。
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