CN110450188A - 一种机器人用三自由度柔性腕关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人用三自由度柔性腕关节，包括用以与执行工具连接的关节，关节在壳体内可进行轴向和径向的移动，且壳体为关节提供背压，在执行工具受到较大阻力时，关节进行轴向和径向的移动以避开执行工具与工件的硬接触，防止执行工具损坏，在避开之后关节可在负压状态下摆正复位，即整个执行工具摆正复位。

Description

一种机器人用三自由度柔性腕关节

技术领域

本发明属于机器人领域，更具体的说涉及一种机器人用三自由度柔性腕关节。

背景技术

目前工业机器人的应用越来越普遍，应用范围也越来越广，关节式工业机器人，由于自身结构的原因，重复精度相对较高，而定位精度较低。这个特点导致工业机器人在装配和加工领域应用受限。

现有的解决方式是采用高精度的六维力传感器，作为机器人和执行机构的过渡连接装置，六维力传感器能够检测x，y，z三个方向的力以及绕三个轴向的力矩。传感器所获得的力和力矩信号反馈给机器人的控制系统，从而使机器人做出相应的反应。但是该方式存在以下的不足：1.力传感器成本较高，反馈控制系统较复杂，不利于广泛的推广和应用。2.力反馈控制系统存在时间上的滞后性，碰撞发生以后系统延迟一定时间才会产生相应的动作，然而当控制系统作出响应时，工件可能已经被破坏了。

另一种解决方式是通过单轴气缸和伺服阀来控制气缸对工件的压力，但是该方式为单自由度机构只在一个方向上有作用，而工业中使用的六自由度机器人的运动自由度较多，执行工具和工件之间的接触通常是多维的。要满足需求就要采用多个单自由度机构串联起来，系统刚度降低，误差增大，控制变得复杂，成本上升。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可以多自由度移动，解决机器人在装配和加工过程中，因不能灵活移动或信号反馈延迟，而导致的碰撞损坏工件的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种机器人用三自由度柔性腕关节，包括：

外壳，其内部中空设置，顶部设置有上开口，底部或侧面设置有用以与外界气压或液压设备连通的输入口；

端盖，其与外壳的上开口固定连接，端盖上设置有连通外壳内部的开口槽，端盖朝向外壳内部一侧设置有定位凹槽；

密封环，与外壳之间形成密封腔室，密封腔室连通输入口，密封环上开设有多个沿轴向延伸的压力孔；

关节套，与外壳的内壁之间沿轴向滑动连接，关节套朝向密封环一侧设置有多个伸入压力孔的导向柱，导向柱与压力孔密封并滑动连接；关节，位于关节套内，一端伸入关节套内与关节套转动配合连接，另一端由端盖的开口槽伸出并与开口槽之间留有活动间隙，关节与关节套接触面均呈球面状，关节套与关节之间设置有阻止关节周向转动的防转机构；

浮动限位环，一侧固定于关节上，另一侧一侧伸入端盖的定位凹槽内，定位凹槽的尺寸大于限位环的尺寸。

进一步的所述防转机构包括限位滚珠，限位滚珠的球心与关节的球心处于同一水平面上，关节上开设有限位槽，限位槽的长度大于限位滚珠的直径宽度与限位滚珠的直径相同，限位滚珠设置于关节套上并伸入限位槽内。

进一步的所述防转机构还包括定位环，定位环固定于关节套上，并与关节套之间形成固定槽。

进一步的所述固定槽朝向关节一侧为内口，另一侧为外口，限位滚珠的直径大于外口的直径。

进一步的所述定位凹槽呈环状。

进一步的所述定位凹槽的截面呈锥形或弧形，浮动限位环的截面呈弧形。

进一步的所述外壳的底部设有内凸缘，内凸缘形成下开口，所述密封环位于壳体内部与内凸缘固定，输入口开设于内凸缘上。

进一步的所述密封环与内凸缘之间设置有密封圈。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过输入口向密封腔室内充入气体或液体使密封腔室形成背压，通过关节套上的导向柱推动关节套向外壳的上开口方向轴向移动；关节上连接的浮动限位环处于端盖的定位凹槽内，使关节摆正，关节伸出端盖一端连接执行工具，在工作时，执行工具受到工件的作用力较大时，关节能够进行偏转或沿轴向移动，以防止过大的作用力破坏工件或执行工具；在外力较小时，背压使关节套复位，并且浮动限位环与定位凹槽相互复位使关节摆正。

附图说明

图1为本发明机器人用三自由度柔性腕关节的立体结构图；

图2为本发明机器人用三自由度柔性腕关节的剖面视图；

图3为图2中A部的放大图；

图4为本发明中关节的立体结构图；

图5为本发明无外壳时的主视图；

图6为本发明无外壳时的立体结构图；

图7为本发明无外壳时的爆炸图一；

图8为本发明无外壳时的爆炸图二。

附图标记：1、外壳；12、内凸缘；125、输入口；2、端盖；22、开口槽；24、环槽；3、关节；31、杆部；32、球部；33、空心槽；34、螺孔；322、限位槽；4、浮动限位环；5、密封环；51、密封腔室；53、压力孔；6、关节套；61、定位环；612、固定槽；62、限位滚珠；63、导向柱。

具体实施方式

参照图1至图8对本发明机器人用三自由度柔性腕关节的实施例做进一步说明。

一种机器人用三自由度柔性腕关节，包括：

外壳1，其内部中空设置，顶部设置有上开口，底部或侧面设置有用以与外界气压或液压设备连通的输入口125；

端盖2，其与外壳1的上开口固定连接，端盖2上设置有连通外壳1内部的开口槽22，端盖2朝向外壳1内部一侧设置有定位凹槽；

密封环5，与外壳1之间形成密封腔室51，密封腔室51连通输入口125，密封环5上开设有多个沿轴向延伸的压力孔53；

关节套6，与外壳1的内壁之间沿轴向滑动连接，关节套6朝向密封环5一侧设置有多个伸入压力孔53的导向柱63，导向柱63与压力孔53密封并滑动连接；

关节3，位于关节套6内，一端伸入关节套6内与关节套6转动配合连接，另一端由端盖2的开口槽22伸出并与开口槽22之间留有活动间隙，关节3与关节套6接触面均呈球面状，关节套6与关节3之间设置有阻止关节3周向转动的防转机构；

浮动限位环4，一侧固定于关节3上，另一侧一侧伸入端盖2的定位凹槽内，定位凹槽的尺寸大于限位环的尺寸。

如图2所示，为方便理解本实施例，以端盖2方向为上方，外壳1背向端盖2一侧为下方，垂直于外壳1轴线方向为横向平面。

如图1和2所示，外壳1和端盖2之间优选的采用螺栓固定，密封环5与外壳1之间采用螺栓固定，浮动限位环4与关节3之间采用螺栓固定。

其中关节3包括球部32和杆部31，关节套6内壁为球面状与关节3的球部32尺寸相同，球部32伸入关节套6内，而杆部31由端盖2的开口槽22伸出端盖2，杆部31用以连接执行工具(如工作主轴)，浮动限位环4固定于杆部31与球部32连接处。

本实施例中优选的关节3设置有贯通的空心槽33，即贯穿杆部31和球部32，在杆部31端部上开设有若干个螺孔34，螺孔34用以与主轴固定，当主轴尾部较长时，主轴可伸入空心槽33内甚至伸出。

外壳1固定于机器人上，由机器人带动走位，通过输入口125向密封腔室51内充入气体或液体形成背压(背压的参数根据执行工具的强度进行初始设定，如执行工具可承受的外力较小，那么背压设置较低，反之背压设置较高)，此时关节套6在背压的作用下通过导向柱63向端盖2方向移动，直至浮动限位环4伸入至定位凹槽的底部，此时浮动限位环4整体处于水平状态，即使得关节3的杆部31伸出开口槽22的距离达到上限，同时关节3的杆部31与外壳1同轴，即整个关节3达到摆正姿势，使执行工具能够作用于工件上。

在加工时，执行工具作用于工件上，若执行工具在轴向的阻力小于背压提供的支撑，那么整个柔性腕关节3保持原状，不会发生移动或转动情况，如图5所示，本实施例中由于关节套6采用多个导向柱63与多个压力孔53配合，可使得关节套6在周向上与密封环5相对固定，同样防转机构使关节3相对关节套6在周向固定；若执行工具在轴向遇到较大阻力(如在工件加工处遇到较大的凸起)，且大于背压，那么此时关节3将推动关节套6向密封环5方向运动，以避让工件上的凸起，防止执行工具的损坏；同理在执行工具在径向上遇到较大阻力时，此时关节3将在关节套6内转动，同时浮动限位环4在端盖2的定位凹槽内浮动，以使关节3的轴线与外壳1的轴线呈角度，使执行工具避让工件，当然在关节3沿关节套6转动时，关节套6也会进行径向移动，以使浮动限位环4能够顺利的浮动，也就是说关节3在轴向和径向可同步移动或单独的轴向移动。

本实施例关节3在转动过程中不与密封腔室51直接接触，即关节3与关节套6之间的摩擦并不会影响密封腔室51内的温度，而密封腔室51接触导向柱63和压力孔53，导向柱63在压力孔53内轴向运动其幅度小产热少，对密封腔室51温度影响微小，即背压不受影响，同时可降低密封腔室51泄露的风险。

本实施例优选的所述防转机构包括限位滚珠62，限位滚珠62的球心与关节3的球心处于同一水平面上，关节3上开设有限位槽322，限位槽322的长度大于限位滚珠62的直径宽度与限位滚珠62的直径相同，限位滚珠62设置于关节套6上并伸入限位槽322内。

如图2和3所示，关节3的球心即为关节3上球部32的球心，限位滚珠62的球心与关节3的球心连线垂直于外壳1的轴线，如图4所示，限位槽322开设于球部32的表面，且沿限位滚珠62的上下两个方向延伸。

关节3沿周向方向由于限位滚珠62和限位槽322的阻挡，关节3无法转动，而在在图2所示状态沿左右或向纸内和纸外方向均可自由转动。

如图3所示，本实施例优选的所述防转机构还包括定位环61，定位环61固定于关节套6上，并与关节套6之间形成固定槽612，其中关节套6的球面部分不高于关节3的球心所在水平面，此时便于关节3放入关节套6内，定位环61的内径不小于关节3的球部32直径，定位环61可与关节套6分体成型，而后通过螺钉固定连接，或者定位环61与关节套6一体加工成型，而后在开设出固定槽612将限位滚珠62放入。

本实施例优选的所述固定槽612朝向关节3一侧为内口，另一侧为外口，限位滚珠62的直径大于外口的直径。

限位滚珠62放入固定槽612内，限位滚珠62则被卡在固定槽612内部无法脱出，使得限位滚珠62能够始终连接关节套6和限位槽322接触配合，此时固定槽612为一通孔槽；当然本实施例中的固定槽612还可仅有内口而外侧为封闭状，此时固定槽612为一沉孔槽。

本实施例优选的所述定位凹槽呈环状，即定位凹槽沿整个端盖2圆周开设，浮动限位环4与定位凹槽接触面积大，浮动限位环4负责摆正关节3，即控制关节3径向的移动，而阻止关节3周向移动由关节套6上的防转机构和导向柱63联合配合，工作时，上述每个部分均不受到剪切力，可延长其正常使用的寿命期限。

如图2、图7和图8所示本实施例优选的所述定位凹槽的截面呈锥形或弧形，浮动限位环4的截面呈弧形，在关节3径向移动时，浮动限位环4将在定位凹槽内移位，浮动限位环4与定位凹槽的形状能够使浮动限位环4移动顺利，摩擦小，同时始终具有复位的趋势，在执行工具受到阻力较小时，由背压的挤压，使浮动限位环4与定位凹槽完全对齐，关节3摆正复位。

本实施例优选的所述外壳1的底部设有内凸缘12，内凸缘12形成下开口，所述密封环5位于壳体内部与内凸缘12固定，输入口125开设于内凸缘12上。

如图2和图6所示，本实施例中是以密封环5上开设一环槽24，此环槽24与外壳1的内凸缘12形成密封腔室51，当然也可在内凸缘12上开设环槽24，所有压力孔53连通密封腔室51，即所有压力孔53处所受压力完全相同。

本实施例优选的所述密封环5与内凸缘12之间设置有密封圈，增加密封腔室51的密封性。

本实施例中关节套6朝向外壳1的内凸缘12方向通透，使得关节3的球部32能够与外界直接连通，根据需要球部32背向杆部31一侧可设置额外部件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于，包括：

外壳，其内部中空设置，顶部设置有上开口，底部或侧面设置有用以与外界气压或液压设备连通的输入口；

端盖，其与外壳的上开口固定连接，端盖上设置有连通外壳内部的开口槽，端盖朝向外壳内部一侧设置有定位凹槽；

密封环，与外壳之间形成密封腔室，密封腔室连通输入口，密封环上开设有多个沿轴向延伸的压力孔；

关节套，与外壳的内壁之间沿轴向滑动连接，关节套朝向密封环一侧设置有多个伸入压力孔的导向柱，导向柱与压力孔密封并滑动连接；

关节，位于关节套内，一端伸入关节套内与关节套转动配合连接，另一端由端盖的开口槽伸出并与开口槽之间留有活动间隙，关节与关节套接触面均呈球面状，关节套与关节之间设置有阻止关节周向转动的防转机构；

浮动限位环，一侧固定于关节上，另一侧一侧伸入端盖的定位凹槽内，定位凹槽的尺寸大于限位环的尺寸。

2.根据权利要求1所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述防转机构包括限位滚珠，限位滚珠的球心与关节的球心处于同一水平面上，关节上开设有限位槽，限位槽的长度大于限位滚珠的直径宽度与限位滚珠的直径相同，限位滚珠设置于关节套上并伸入限位槽内。

3.根据权利要求2所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述防转机构还包括定位环，定位环固定于关节套上，并与关节套之间形成固定槽。

4.根据权利要求3所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述固定槽朝向关节一侧为内口，另一侧为外口，限位滚珠的直径大于外口的直径。

5.根据权利要求1所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述定位凹槽呈环状。

6.根据权利要求5所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述定位凹槽的截面呈锥形或弧形，浮动限位环的截面呈弧形。

7.根据权利要求1所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述外壳的底部设有内凸缘，内凸缘形成下开口，所述密封环位于壳体内部与内凸缘固定，输入口开设于内凸缘上。

8.根据权利要求7所述的机器人用三自由度柔性腕关节，其特征在于：所述密封环与内凸缘之间设置有密封圈。