CN110315568A - 一种机器人腕部与机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人腕部，包括具有末端法兰连接端的腕部主体，腕部主体内设有垂直于末端法兰连接端的n‑1轴减速机安装架，n‑1轴减速机安装架将腕部主体内部空间分隔成第一腔室与第二腔室；第一腔室内安装有垂直于n‑1轴减速机安装架的n‑1轴减速机，第二腔室内安装有平行于n‑1轴减速机安装架的n轴驱动电机，并且n轴驱动电机的输出端朝向末端法兰连接端；n‑1轴减速机的输出端固定连接在n‑1轴减速机安装架上，其输入端从n‑2轴连杆接口外伸出腕部主体。本发明还公开了一种机器人，包括机器腕部、设有n轴减速机的末端法兰、设有n‑2轴减速机的n‑2轴连杆，n轴减速机与n‑2轴减速机同轴线。本发明能将腕部长度缩减，三轴相交于一点，减小作业空间，降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人腕部，以及一种机器人。
背景技术
机器人一般包括末端法兰、腕部、n-2轴连杆与n-3轴连杆等关节。现有技术中，机器人腕部体积较大，尤其是长度较长，主要原因在于中空减速机、中空电机、中空电机驱动器沿长度方向同轴线安装在腕部主体内，并且还会造成腕部重心前移，降低负载能力，并且中空元件的成本比非中空元件的成本要高出许多。
腕部长度较长需要占据的工作空间较大，则会导致腕部不得不相对于n-2轴偏心设置，参考图5所示，这样就会导致n轴、n-1轴与n-2轴不能三轴相交于一点，从而无法满足机器人运动学中的Pieper准则，机器人运动学逆解不能同时具备解析解和数值解，增加了机器人控制难度。
另外，在末端负载质量和末端负载质心距末端法兰距离相同的情况下，腕部较长的机器人普遍需要减速比更大的减速机或功率更高的伺服电机。高减速比的减速器会降低手腕的运动速度，从而减慢机器人的生产工作节拍。功率更高的伺服电机不仅质量、体积更大，还会增加工作能耗。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种机器人腕部，解决现有技术中腕部长度较长的技术问题；本发明还提供一种机器人，能够解决n轴、n-1轴与n-2轴不能三轴相交于一点的技术问题，能够减小所需工作空间，降低能耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种机器人腕部，包括腕部主体，腕部主体具有末端法兰连接端，其特征在于：腕部主体内设有垂直于所述末端法兰连接端的n-1轴减速机安装架，n-1轴减速机安装架将腕部主体内部空间分隔成第一腔室与第二腔室；所述腕部主体上位于第一腔室的一侧相对于n-1轴减速机安装架设有n-2轴连杆接口；第一腔室内安装有垂直于n-1轴减速机安装架的n-1轴减速机，第二腔室内安装有平行于n-1轴减速机安装架的n轴驱动电机，并且n轴驱动电机的输出端朝向末端法兰连接端；n-1轴减速机的输出端固定连接在n-1轴减速机安装架上，其输入端从n-2轴连杆接口外伸出腕部主体。
优选的，所述腕部主体为一体式结构，腕部主体上位于第二腔室的一侧连接有可拆卸的第一外盖。
优选的，腕部主体内设有位于末端法兰连接端的n轴减速机连接端面，n轴减速机连接端面中央设有过孔；n轴减速机连接端面垂直于n-1轴减速机安装架，n-1轴减速机安装架与n轴减速机连接端面一体成型或者可拆卸连接。
优选的，腕部主体内还安装有用于驱动n轴驱动电机的n轴电机驱动器，n轴电机驱动器包括若干围绕n-1轴减速机安装架的驱动电路板。
一种机器人，采用如本发明所述的机器人腕部，还包括末端法兰、n-2轴连杆与n-3轴连杆，末端法兰与腕部主体上的末端法兰连接端转动连接，n-2轴连杆上端与腕部主体上的n-2轴连杆接口转动连接，n-2轴连杆下端与n-3轴连杆转动连接；n-1轴减速机的壳体固定连接在n-2轴连杆上；
n-2轴连杆内还安装有n-1轴驱动电机与n-2轴减速机；n-1轴驱动电机的轴线平行于n-1轴减速机的轴线，n-1轴驱动电机的输出端通过带传动机构与n-1轴减速机的输入端连接；n-2轴减速机的轴线垂直于n-1轴驱动电机的轴线； n-2轴减速机的输入端伸入n-3轴连杆内，n-2轴减速机的输出端与n-2轴连杆固定连接，n-2轴减速机的输入端固定连接在n-3轴连杆上；
末端法兰内设有n轴减速机，n轴减速机的轴线平行于n轴驱动电机并且与n-2轴减速机同轴线，n轴减速机的输入端伸入腕部主体内，n轴减速机的输出端固连接在末端法兰上，n轴减速机的壳体固定在腕部主体上；n轴驱动电机的输出端通过带传动机构与n轴减速机的输入端连接。
优选的，n轴减速机、n-1轴减速机与n-2轴减速机均为中空减速机；n轴驱动电机与n-1轴电机均为非中空电机。
优选的，n-2轴连杆为一体式结构，n-2轴连杆两侧分别连接有两个可拆卸的第二外盖、第三外盖。
优选的，所述带传动机构为同步带轮机构；所述n轴减速机、n-1轴减速机与n-2轴减速机均为中空谐波减速机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、n-1轴减速机安装在腕部主体的第一腔室内，用于带动腕部旋转；但是将为n-1轴减速机的提供动力的n-1轴驱动电机，移出了腕部主体内，避免了将n-1轴减速机与n-1轴驱动电机同轴线安装；同时将n轴驱动电机安装在腕部主体的第二腔室内，从而n-1轴驱动电机与n-1轴减速机形成并行安装（避免了同轴线安装）；腕部长度由n轴减速机的厚度和n轴驱动电机的长度决定，在长度方向上省去了叠加n轴驱动器电路板的厚度，从而大大缩短了腕部长度；将n轴驱动电机偏置后，n轴驱动电机与n-1轴减速机基本上各占腕部主体总宽度的一半，布局更加紧凑，缩小了腕部主体的宽度。
2、腕部主体上设有可拆卸的外盖，提高了安装的可视化程度，安装和检修过程十分方便。
3、n轴减速机连接端面既能用于连接n-1轴减速机安装架，还能用于将n轴减速机的壳体固定在腕部主体上，n轴减速机连接端面上的过孔则用于n轴减速机的输入端伸入腕部主体内。
4、本发明将原本外置的n轴电机驱动器设置在腕部主体内部，使得n轴电机驱动器与n轴驱动电机之间的线路大大缩短，从而降低了对中空减速机空心轴的过线容量的需求，进而能够减小中空减速机的体积，使得腕部主体的体积也能随之减小。将驱动器电路板与n轴电机平行并列布局，缩小了腕部主体长度。将n轴电机驱动器放入手腕，大大减少进入手腕的线缆数量，较少的线缆在中空通道内扭转，有助于提高线缆寿命。
5、本发明的机器人以n轴减速机的轴线作为n轴旋转轴线，以n-1轴减速机的轴线作为n-1轴旋转轴线，以n-2减速机的轴线作为n-2轴旋转轴线，由于n轴旋转轴线与n-2轴旋转轴线同轴，n-1轴旋转轴线垂直于n轴旋转轴线，那么n轴旋转轴线、n-1轴旋转轴线与n-2轴旋转轴线相交于一点，满足机器人运动学中的Pieper准则，机器人运动学逆解同时具备解析解和数值解，降低了机器人控制难度。
6、由于腕部长度缩短，使得从n轴到0轴的旋转半径减小，从而减小了对作业空间的需求。
7、n轴减速机安装在末端法兰后的重心与n轴驱动电机安装在腕部主体后的重心近似关于n-1轴旋转轴线对称，能够降低n-1轴电机的负载率，从而降低能耗。
8、n-1轴驱动电机后移至n-2轴连杆内，减轻了腕部质量，降低了n-2轴至n-1轴的负载率，从而降低能耗。
附图说明
图1是本具体实施方式中机器人腕部的分解示意图；
图2是n轴驱动电机的结构示意图；
图3是n-2轴连杆分解示意图；
图4是机器人装配示意图；
图5是现有技术中各关节旋转轴线示意图；
图6是本具体实施方式中的机器人三轴相交示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参考图1所示，一种机器人腕部，包括腕部主体，腕部主体具有末端法兰连接端，腕部主体内设有垂直于所述末端法兰连接端的n-1轴减速机安装架103，n-1轴减速机安装架103将腕部主体内部空间分隔成第一腔室与第二腔室；所述腕部主体上位于第一腔室的一侧相对于n-1轴减速机安装架103设有n-2轴连杆接口；第一腔室内安装有垂直于n-1轴减速机安装架103的n-1轴减速机，第二腔室内安装有平行于n-1轴减速机安装架103的n轴驱动电机2，并且n轴驱动电机2的输出端朝向末端法兰连接端；n-1轴减速机的输出端固定连接在n-1轴减速机安装架103上，其输入端从n-2轴连杆接口外伸出腕部主体。
n-1轴减速机安装在腕部主体的第一腔室内，用于带动腕部旋转；但是，将为n-1轴减速机的提供动力的n-1轴驱动电机，移出了腕部主体内，避免了将n-1轴减速机与n-1轴驱动电机同轴线安装；同时，将n轴驱动电机安装在腕部主体的第二腔室内，从而n-1轴驱动电机与n-1轴减速机形成并行安装（避免了同轴线安装），腕部长度由n轴减速机的厚度和n轴驱动电机的长度决定，在长度方向上省去了叠加n轴驱动器电路板的厚度，从而大大缩短了腕部长度；将n轴驱动电机偏置后，n轴驱动电机与n-1轴减速机基本上各占腕部主体总宽度的一半，布局更加紧凑，缩小了腕部主体的宽度。
本具体实施方式中，所述腕部主体101为一体式结构，腕部主体101上位于第二腔室的一侧连接有可拆卸的第一外盖102。
本具体实施方式中，末端法兰连接端设置在腕部主体101上；腕部主体101与外盖102之间相对连接的端面均为斜面，这样不仅能最大的留出安装减速机，电机，驱动器的安装操作空间而且还能保证腕部主体101与外盖102连接端面的一体性，没有接缝。
本具体实施方式中，n-1轴减速机为中空减速机，n-1轴减速机安装架103上对应n-1轴减速机的空心轴位置处设有过线孔，从而与n-1轴减速机的空心轴连通形成过线通道。
本具体实施方式中，腕部主体内设有位于末端法兰连接端的n轴减速机连接端面104，n轴减速机连接端面104中央设有过孔；n轴减速机连接端面104垂直于n-1轴减速机安装架103，n-1轴减速机安装架103与n轴减速机连接端面104一体成型或者可拆卸连接。n轴减速机连接端面104既能用于连接n-1轴减速机安装架103，还能用于将n轴减速机的壳体固定在腕部主体上，n轴减速机连接端面上的过孔则用于n轴减速机的输入端伸入腕部主体内。但是，在没n轴减速机连接端面104的情况下，同样可以采用别的方式实n-1轴减速机安装架103与n轴减速机5的固定，如将n-1轴减速机安装架103与n轴减速机5固定在腕部主体的内壁上。
本具体实施方式中，腕部主体内还安装有用于驱动n轴驱动电机2的n轴电机驱动器，n轴电机驱动器包括若干围绕n-1轴减速机安装架103的驱动电路板，参考图1所示，n轴电机驱动器包括驱动电路板301、驱动电路板302、驱动电路板303与驱动电路板304，驱动电路板302、驱动电路板303、驱动电路板304分别围绕在n-1轴减速机安装架103侧周，并且其上端固定在n轴减速机连接端面104上，驱动电路板301安装在n-1轴减速机安装架103下方，并且固定在驱动电路板304下端的支耳上。
本具体实施方式中，参考图2所示，n轴驱动电机2集成有编码器202与制动器203，这样就能节省安装编码器202与制动器203的空间，从而减小腕部体积。编码器202与制动器203均安装在电机轴201上，图中204为编码器保护盖，编码器202与制动器203分别与电机驱动器通过线缆连接。
参考图1至图4所示，一种机器人，采用本具体实施方式中的机器人腕部，还包括末端法兰9、n-2轴连杆7与n-3轴连杆，末端法兰9与腕部主体1上的末端法兰9连接端转动连接，n-2轴连杆7上端与腕部主体1上的n-2轴连杆接口转动连接，n-2轴连杆7下端与n-3轴连杆转动连接，n-2轴连杆和n-3轴连杆是通过n-2轴减速机内部的交叉轴承旋转连接；n-1轴减速机6的壳体固定连接在n-2轴连杆7上；各关节之间的转动连接方式均为现有技术，在此不再赘述，各转动连接的关节之间留缝以避免运动干涉，同时在转动连接接口处通过密封圈进行密封以防水防尘；
n-2轴连杆7内还安装有n-1轴驱动电机8与n-2轴减速机10；n-1轴驱动电机8的轴线平行于n-1轴减速机6的轴线，n-1轴驱动电机8的输出端通过带传动机构4与n-1轴减速机6的输入端连接；n-2轴减速机10的轴线垂直于n-1轴驱动电机8的轴线； n-2轴减速机10的输入端伸入n-3轴连杆内，n-2轴减速机10的输出端与n-2轴连杆7固定连接，n-2轴减速机10的输入端固定连接在n-3轴连杆上；
末端法兰9内设有n轴减速机5，n轴减速机5的轴线平行于n轴驱动电机2并且与n-2轴减速机10同轴线，n轴减速机5的输入端伸入腕部主体1内，n轴减速机5的输出端固连接在末端法兰9上，n轴减速机5的壳体固定在腕部主体1上；n轴驱动电机2的输出端通过带传动机构4与n轴减速机5的输入端连接。
本具体实施方式中，n-2轴连杆7内还安装有n-1轴电机驱动器，n-1轴电机驱动器包括驱动电路板801、驱动电路板802、驱动电路板803与驱动电路板804。将原本外置的n-1轴电机驱动器设置在n-2轴连杆7内部，使得n-1轴电机驱动器与n-1轴驱动电机8之间的线路大大缩短，从而降低了对中空减速机空心轴的过线容量的需求，进而能够减小中空减速机的体积，使得n-2轴连杆7的体积也能随之减小。
本具体实施方式中，n轴减速机5、n-1轴减速机6与n-2轴减速机10均为中空减速机；n轴驱动电机2与n-1轴驱动电机8均为非中空电机；所述带传动机构4为同步带轮机构；所述n轴减速机5、n-1轴减速机6与n-2轴减速机10均为中空谐波减速机与交叉轴承构成的减速机总成。中空减速机能够形成过线通道，由于电机相对于减速机偏置，因此电机可采用非中空电机，能够节约成本，减小体积；同步带轮传动精确度高，传动平稳，噪声小；谐波减速机体积较小，能够减小各关节体积。
本具体实施方式中，n-2轴连杆7为一体式结构，n-2轴连杆7两侧分别连接有两个可拆卸的第二外盖702、第三外盖703；第二外盖702与n-1轴驱动电机8的输出端同侧。
从n-3轴到n轴可以形成如下的过线通道：线缆从n-2轴减速机10空心轴进入到n-2轴连杆内，沿着第三外盖703与n-1轴驱动电机8之间的空间，穿过同步带，进入n-1轴减速机6的空心轴，穿过n-1轴减速机安装架103上的过线孔，伸入n轴减速机5的空心轴中，然后从转接器901（扭力传感器902固定在，末端法兰9的内端面上，n轴减速机5的输出端通过转接器901与扭力传感器固定连接）上的过线槽伸出，连接到末端法兰9上的电气接头上。
本发明的机器人以n轴减速机5的轴线作为n轴旋转轴线，以n-1轴减速机6的轴线作为n-1轴旋转轴线，以n-2减速机的轴线作为n-2轴旋转轴线，由于n轴旋转轴线与n-2轴旋转轴线同轴，n-1轴旋转轴线垂直于n轴旋转轴线，那么如图6所示，n轴旋转轴线、n-1轴旋转轴线与n-2轴旋转轴线相交于一点，满足机器人运动学中的Pieper准则，机器人运动学逆解同时具备解析解和数值解，降低了机器人控制难度。
另外，由于腕部长度大大缩短，使得从n轴到0轴的旋转半径大大减小，从而减小了对作业空间的需求。n轴减速机5安装在末端法兰9后的重心与n轴驱动电机2安装在腕部主体1后的重心近似关于n-1轴旋转轴线对称，能够降低n-1轴驱动电机的负载率，从而降低能耗。n-1轴驱动电机8后移至n-2轴连杆7内，减轻了腕部质量，降低了n-1轴的转动惯量，从而降低了能耗。
Claims (10)
1.一种机器人腕部，包括腕部主体，腕部主体具有末端法兰连接端，其特征在于：腕部主体内设有垂直于所述末端法兰连接端的n-1轴减速机安装架，n-1轴减速机安装架将腕部主体内部空间分隔成第一腔室与第二腔室；所述腕部主体上位于第一腔室的一侧相对于n-1轴减速机安装架设有n-2轴连杆接口；第一腔室内安装有垂直于n-1轴减速机安装架的n-1轴减速机，第二腔室内安装有平行于n-1轴减速机安装架的n轴驱动电机，并且n轴驱动电机的输出端朝向末端法兰连接端；n-1轴减速机的输出端固定连接在n-1轴减速机安装架上，其输入端从n-2轴连杆接口外伸出腕部主体。
2.根据权利要求1所述的机器人腕部，其特征在于：所述腕部主体为一体式结构，腕部主体上位于第二腔室的一侧连接有可拆卸的第一外盖。
3.根据权利要求2所述的机器人腕部，其特征在于：腕部主体与外盖之间相对连接的端面均为斜面。
4.根据权利要求2所述的机器人腕部，其特征在于：n-1轴减速机为中空减速机，n-1轴减速机安装架上对应n-1轴减速机的空心轴位置处设有过线孔，从而与n-1轴减速机的空心轴连通形成过线通道。
5.根据权利要求1所述的机器人腕部，其特征在于：腕部主体内设有位于末端法兰连接端的n轴减速机连接端面，n轴减速机连接端面中央设有过孔；n轴减速机连接端面垂直于n-1轴减速机安装架，n-1轴减速机安装架与n轴减速机连接端面一体成型或者可拆卸连接。
6.根据权利要求1所述的机器人腕部，其特征在于：腕部主体内还安装有用于驱动n轴驱动电机的n轴电机驱动器，n轴电机驱动器包括若干围绕n-1轴减速机安装架的驱动电路板。
7.一种机器人，其特征在于：采用如权利要求1至6中任一所述的机器人腕部，还括末端法兰、n-2轴连杆与n-3轴连杆，末端法兰与腕部主体上的末端法兰连接端转动连接，n-2轴连杆上端与腕部主体上的n-2轴连杆接口转动连接，n-2轴连杆下端与n-3轴连杆转动连接；n-1轴减速机的输入端固定连接在n-2轴连杆上；
n-2轴连杆内还安装有n-1轴驱动电机与n-2轴减速机；n-1轴驱动电机的轴线平行于n-1轴减速机的轴线，n-1轴驱动电机的输出端通过带传动机构与n-1轴减速机的输入端连接；n-2轴减速机的轴线垂直于n-1轴驱动电机的轴线； n-2轴减速机的输入端伸入n-3轴连杆内，n-2轴减速机的输出端与n-2轴连杆固定连接，n-2轴减速机的壳体固定连接在n-3轴连杆上；
末端法兰内设有n轴减速机，n轴减速机的轴线平行于n轴驱动电机并且与n-2轴减速机同轴线，n轴减速机的输入端伸入腕部主体内，n轴减速机的输出端固连接在末端法兰上，n轴减速机的壳体固定在腕部主体上；n轴驱动电机的输出端通过带传动机构与n轴减速机的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：n轴减速机、n-1轴减速机与n-2轴减速机均为中空减速机；n轴驱动电机与n-1轴电机均为非中空电机。
9.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：n-2轴连杆为一体式结构，n-2轴连杆两侧分别连接有可拆卸的第二外盖、第三外盖。
10.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：所述带传动机构为同步带轮机构；所述n轴减速机、n-1轴减速机与n-2轴减速机均为中空谐波减速机与交叉轴承构成的减速机总成。
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