CN110788847A - 一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人 - Google Patents
一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人,该机器人是在底座上设置有臂座,并通过臂座驱动单元驱动,在臂座两侧夹持键之间的顶端设置有大臂,并由大臂驱动单元与辅助驱动单元通过差动轮系运动合成驱动,在大臂的顶端设置有小臂,并通过小臂驱动单元驱动。本发明可以在机器人空载运行,运行需求功率较小时,使用单驱动单元工作并处于高效率区,提高能效;在机器人负载运行,运行需求功率较大时,辅助驱动单元同大臂驱动单元同时工作并同时处在各自的高效率区,提高工作效率,并且本发明机器人小臂驱动单元靠近基座,可减轻运动部分的重量和惯性,优化机器人的动力学性能,利于机器人的控制。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域,特别是一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人。
背景技术
工业机器人因其较大的灵活性和通用性广泛应用于工业的各个领域。如今,我国连续五年成为工业机器人全球第一大应用市场,而工业机器人是能源密集型的,在其运作过程中存在能量的不合理利用,造成能量的大量浪费。以汽车制造业为例,工业机器人消耗的电能占车身制造能耗总量的一半以上、占工厂总电能消耗的8%,白车身车间机器人消耗的电能约占车间总电能消耗的30%。在具体的制造过程中,机器人只有在负载运行过程中,驱动单元才以较高的能效运行,在空载运行过程中驱动单元的能效较低,存在大量的能量损失。同时机器人运动部分质量较大、惯性大,不易控制。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术存在的不足,提供一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人,以期能在机器人空载运行、且运行需求功率较小时,使用单驱动单元工作,从而使该单元负载处于高效率区域,提高能效;在机器人负载运行、且运行需求功率较大时,辅助驱动单元同大臂驱动单元同时工作,从而使得大臂驱动单元、辅助驱动单元都处于高效率区域,能效高。
本发明为解决上述问题采用如下技术方案:
本发明一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人的特点是:在底座上设置有臂座,并通过臂座驱动单元驱动,在所述臂座两侧夹持键之间的顶端设置有大臂,并由大臂驱动单元以及辅助驱动单元通过差动轮系运动合成驱动;
所述差动轮系由中心轮、行星轮、齿圈、行星架构成,且所述差动轮系是以所述中心轮和齿圈为输入端,以所述行星架为输出端;
在所述大臂的顶端设置有小臂,并通过小臂驱动单元驱动;所述臂座驱动单元、大臂驱动单元、小臂驱动单元与辅助驱动单元均由一个电机与一个减速器组成;
所述臂座驱动单元设置在所述底座内部,在所述臂座驱动单元的输出轴上设置有臂座第一齿轮;所述臂座第一齿轮与臂座第二齿轮相啮合,所述臂座第二齿轮处于所述底座内部且其传动轴的顶部设置有所述臂座;
所述辅助驱动单元设置在所述底座内部,所述辅助驱动单元的输出轴贯穿所述臂座第二齿轮的传动轴并在其顶部通过离合器设置有辅助斜齿轮;且所述离合器与辅助斜齿轮设置于臂座内部;
在所述臂座的夹持键外侧设置有所述大臂驱动单元,在所述大臂驱动单元的传动轴上,并处于所述臂座的夹持键内侧设置有中心轮,所述中心轮与设置在所述行星架一端上的行星轮啮合,所述行星轮与所述齿圈的内齿圈啮合;所述齿圈的外齿圈与所述辅助斜齿轮啮合;
所述行星架上还装有第一齿轮,且所述第一齿轮与所述中心轮、齿圈同轴心;所述第一齿轮与设置在所述大臂下端内侧上的第二齿轮啮合;所述第二齿轮的传动轴与所述大臂固连;
所述臂座的另一夹持键外侧设置有所述小臂驱动单元,在所述小臂驱动单元的传动轴上,并处于所述臂座的另一夹持键内侧设置有第三齿轮,所述第三齿轮与设置在所述大臂下端另一内侧上的第四齿轮啮合,所述第四齿轮同轴安装有第一同步轮,且所述第一同步轮与所述第二齿轮同轴心;所述第一同步轮与第二同步轮通过同步带传动,所述第二同步轮固连于所述小臂下端。
本发明所述的一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人的特点也在于:
当机器人空载运行时,所述辅助驱动单元不工作且刹车抱死,所述离合器分断,所述中心轮、行星轮、齿圈、行星架构成定轴轮系转动;
所述臂座驱动单元以转动角速度ω1a,1驱动臂座第一齿轮,使得所述臂座第一齿轮驱动所述臂座第二齿轮转动,并通过其传动轴驱动所述臂座以转动角速度ω2b,1转动,且所述臂座的转动角速度ω2b,1与臂座驱动单元的转动角速度ω1a,1满足式(1):
式(1)中:Z4a为臂座第一齿轮的齿数,Z4b为臂座第二齿轮的齿数;
所述大臂驱动单元以转动角速度ω1b,1驱动中心轮转动,使得所述中心轮驱动行星轮转动,所述行星轮通过行星架驱动第一齿轮转动,并带动第二齿轮转动,使得所述第二齿轮带动大臂以转动角速度ω3a,1转动,且大臂的转动角速度ω3a,1与大臂驱动单元的转动角速度ω1b,1满足式(2):
所述小臂驱动单元以转动角速度ω1c,1驱动第三齿轮转动,并带动第四齿轮转动,使得所述第四齿轮驱动第一同步轮转动,并通过同步带驱动第二同步轮转动,所述第二同步轮带动小臂以转动角速度ω3b,1转动,且小臂的转动角速度ω3b,1与小臂驱动单元的转动角速度ω1c,1满足式(3):
式(3)中:Z5i为第三齿轮的齿数,Z5j为第四齿轮齿数,Z6a为第一同步轮的齿数,Z6c第二同步轮的齿数;
当机器人负载运行时,所述辅助驱动单元工作,离合器结合,所述大臂驱动单元与辅助驱动单元输出功率在差动轮系上实现功率叠加;
所述臂座驱动单元以转动角速度ω1a,2驱动臂座第一齿轮转动,并带动臂座第二齿轮转动,使得所述臂座第二齿轮通过其传动轴驱动臂座以转动角速度ω2b,2转动,且臂座的转动角速度ω2b,2与臂座驱动单元的转动角速度ω1a,2满足式(4):
所述辅助驱动单元以转动角速度ω1d通过离合器驱动辅助斜齿轮转动,所述齿圈一方面受到辅助斜齿轮的作用以自身轴心作旋转运动,另一方面随臂座作旋转运动,两种运动合成驱动齿圈;
所述大臂驱动单元以转动角速度ω1b,2驱动中心轮转动,并带动所述行星轮转动,所述行星轮与齿圈运动合成驱动行星架;所述行星架驱动第一齿轮转动,并带动第二齿轮转动,使得所述第二齿轮带动大臂以转动角速度ω3a,2转动,且大臂的转动角速度ω3a,2与辅助驱动单元的转动角速度ω1d、大臂驱动单元的转动角速度ω1b,2满足式(5):
所述小臂驱动单元以转动角速度ω1c,2驱动第三齿轮转动,并带动第四齿轮转动,所述第四齿轮驱动第一同步轮转动,并通过同步带驱动第二同步轮转动,使得所述第二同步轮带动小臂以转动角速度ω3b,2转动,且小臂的转动角速度ω3b,2与小臂驱动单元的转动角速度ω1c,2满足式(6):
与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明工业机器人空载运行时,运行需求功率较低,只有一个驱动单元工作,且该单元负载处于高效率区域,提高了能效;在机器人负载运行时,运行需求功率较高,辅助驱动单元与大臂驱动单元同时工作,此时大臂驱动单元、辅助驱动单元都处于高效率区域,能效高。
2、本发明将工业机器人的小臂驱动单元移至靠近基座的位置,减小了机器人运动部分的重量和惯性,优化了该工业机器人的动力学性能,更便于机器人的控制,同时减少了大臂驱动单元驱动大臂上下举升过程中因克服小臂驱动单元重力所做的功的能耗。
附图说明:
图1为本发明工业机器人机械结构示意图;
图中标号:1a臂座驱动单元,1b大臂驱动单元,1c小臂驱动单元,1d辅助驱动单元,2a底座,2b臂座,3a大臂,3b小臂,4a臂座第一齿轮,4b臂座第二齿轮,5a中心轮,5b行星轮,5c齿圈,5d行星架,5f辅助斜齿轮,5g第一齿轮,5h第二齿轮,5i第三齿轮,5j第四齿轮,6a第一同步轮,6b同步带,6c第二同步轮,7a离合器。
具体实施方式
参见图1,本实施例中的有辅助驱动单元的节能型工业机器人,是在底座2a上设置有臂座2b,并通过臂座驱动单元1a驱动,在臂座2b两侧夹持键之间的顶端设置有大臂3a,并由大臂驱动单元1b以及辅助驱动单元1d通过差动轮系运动合成驱动;
差动轮系由中心轮5a、行星轮5b、齿圈5c、行星架5d构成,且差动轮系是以中心轮5a和齿圈5c为输入端,以行星架5d为输出端;
在大臂3a的顶端设置有小臂3b,并通过小臂驱动单元1c驱动;臂座驱动单元1a、大臂驱动单元1b、小臂驱动单元1c与辅助驱动单元1d均由一个电机与一个减速器组成;
臂座驱动单元1a设置在底座2a内部,在臂座驱动单元1a的输出轴上设置有臂座第一齿轮4a;臂座第一齿轮4a与臂座第二齿轮4b相啮合,臂座第二齿轮4b处于底座2a内部且其传动轴的顶部设置有臂座2b;
辅助驱动单元1d设置在底座2a内部,辅助驱动单元1d的输出轴贯穿臂座第二齿轮4b的传动轴并在其顶部通过离合器7a设置有辅助斜齿轮5f;且离合器7a与辅助斜齿轮5f设置于臂座2b内部;
在臂座2b的夹持键外侧设置有大臂驱动单元1b,在大臂驱动单元1b的传动轴上,并处于臂座2b的夹持键内侧设置有中心轮5a,中心轮5a与设置在行星架5d一端上的行星轮5b啮合,行星轮5b与齿圈5c的内齿圈啮合;齿圈5c的外齿圈与辅助斜齿轮5f啮合;
行星架5d上还装有第一齿轮5g,且第一齿轮5g与中心轮5a、齿圈5c同轴心;第一齿轮5g与设置在大臂3a下端内侧上的第二齿轮5h啮合;第二齿轮5h的传动轴与大臂3a固连;
臂座2b的夹持键另一外侧设置有小臂驱动单元1c,在小臂驱动单元1c的传动轴上,并处于臂座2b的另一夹持键内侧设置有第三齿轮5i,第三齿轮5i与设置在大臂3a下端另一内侧上的第四齿轮5j啮合,第四齿轮5j同轴安装有第一同步轮6a,且第一同步轮6a与第二齿轮5h同轴心;第一同步轮6a与第二同步轮6c通过同步带6b传动,第二同步轮6c固连于小臂3b下端。
通过上述结构设计,通过将以往设置在小臂3b下端的小臂驱动单元1c移至大臂3a下端,降低了机器人运动部分的重量和惯性,优化了该机器人的动力学性能,使得该机器人更易于控制,同时降低了大臂驱动单元1b驱动大臂3a上下举升过程中因克服小臂驱动单元1c重力所做功的能耗;
具体实施中,当机器人空载运行时,运行需求功率较小,大臂驱动单元1b单独工作并处于高效率区,辅助驱动单元1d不工作且刹车抱死,离合器7a分断,中心轮5a、行星轮5b、齿圈5c、行星架5d构成定轴轮系转动;
臂座驱动单元1a以转动角速度ω1a,1驱动臂座第一齿轮4a,使得臂座第一齿轮4a驱动臂座第二齿轮4b转动,并通过其传动轴驱动臂座2b以转动角速度ω2b,1转动,且臂座2b的转动角速度ω2b,1与臂座驱动单元1a的转动角速度ω1a,1满足式(1):
式1中:Z4a为臂座第一齿轮4a的齿数,Z4b为臂座第二齿轮4b的齿数;
大臂驱动单元1b以转动角速度ω1b,1驱动中心轮5a转动,使得中心轮5a驱动行星轮5b转动,行星轮5b通过行星架5d驱动第一齿轮5g转动,并带动第二齿轮5h转动,使得第二齿轮5h带动大臂3a以转动角速度ω3a,1转动,且大臂3a的转动角速度ω3a,1与大臂驱动单元1b的转动角速度ω1b,1满足式(2):
小臂驱动单元1c以转动角速度ω1c,1驱动第三齿轮5i转动,并带动第四齿轮5j转动,使得第四齿轮5j驱动第一同步轮6a转动,并通过同步带6b驱动第二同步轮6c转动,第二同步轮6c带动小臂3b以转动角速度ω3b,1转动,且小臂3b的转动角速度ω3b,1与小臂驱动单元1c的转动角速度ω1c,1满足式(3):
式3中:Z5i为第三齿轮5i的齿数,Z5j为第四齿轮5j齿数,Z6a为第一同步轮6a的齿数,Z6c第二同步轮6c的齿数;
当机器人负载运行时,运行需求功率大,大臂驱动单元1b与辅助驱动单元1d同时工作并同时处于各自的高效率区,离合器7a结合,大臂驱动单元1b与辅助驱动单元1d输出功率在差动轮系上实现功率叠加;
臂座驱动单元1a以转动角速度ω1a,2驱动臂座第一齿轮4a转动,并带动臂座第二齿轮4b转动,使得臂座第二齿轮4b通过其传动轴驱动臂座2b以转动角速度ω2b,2转动,且臂座2b的转动角速度ω2b,2与臂座驱动单元1a的转动角速度ω1a,2满足式(4):
辅助驱动单元1d以转动角速度ω1d通过离合器7a驱动辅助斜齿轮5f转动,齿圈5c一方面受到辅助斜齿轮5f的作用以自身轴心作旋转运动,另一方面随臂座2b作旋转运动,两种运动合成驱动齿圈5c;
大臂驱动单元1b以转动角速度ω1b,2驱动中心轮5a转动,并带动行星轮5b转动,行星轮5b与齿圈5c运动合成驱动行星架5d;行星架5d驱动第一齿轮5g转动,并带动第二齿轮5h转动,使得第二齿轮5h带动大臂3a以转动角速度ω3a,2转动,且大臂3a的转动角速度ω3a,2与辅助驱动单元1d的转动角速度ω1d、大臂驱动单元1b的转动角速度ω1b,2满足式(5):
大臂驱动单元1b与辅助驱动单元1d通过差动轮系实现功率叠加,保证机器人负载运行工作正常的同时,提高了工作效率;
小臂驱动单元1c以转动角速度ω1c,2驱动第三齿轮5i转动,并带动第四齿轮5j转动,第四齿轮5j驱动第一同步轮6a转动,并通过同步带6b驱动第二同步轮6c转动,使得第二同步轮6c带动小臂3b以转动角速度ω3b,2转动,且小臂3b的转动角速度ω3b,2与小臂驱动单元1c的转动角速度ω1c,2满足式(6):
Claims (2)
1.一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人,其特征是:在底座(2a)上设置有臂座(2b),并通过臂座驱动单元(1a)驱动,在所述臂座(2b)两侧夹持键之间的顶端设置有大臂(3a),并由大臂驱动单元(1b)以及辅助驱动单元(1d)通过差动轮系运动合成驱动;
所述差动轮系由中心轮(5a)、行星轮(5b)、齿圈(5c)、行星架(5d)构成,且所述差动轮系是以所述中心轮(5a)和齿圈(5c)为输入端,以所述行星架(5d)为输出端;
在所述大臂(3a)的顶端设置有小臂(3b),并通过小臂驱动单元(1c)驱动;所述臂座驱动单元(1a)、大臂驱动单元(1b)、小臂驱动单元(1c)与辅助驱动单元(1d)均由一个电机与一个减速器组成;
所述臂座驱动单元(1a)设置在所述底座(2a)内部,在所述臂座驱动单元(1a)的输出轴上设置有臂座第一齿轮(4a);所述臂座第一齿轮(4a)与臂座第二齿轮(4b)相啮合,所述臂座第二齿轮(4b)处于所述底座(2a)内部且其传动轴的顶部设置有所述臂座(2b);
所述辅助驱动单元(1d)设置在所述底座(2a)内部,所述辅助驱动单元(1d)的输出轴贯穿所述臂座第二齿轮(4b)的传动轴并在其顶部通过离合器(7a)设置有辅助斜齿轮(5f);且所述离合器(7a)与辅助斜齿轮(5f)设置于臂座(2b)内部;
在所述臂座(2b)的夹持键外侧设置有所述大臂驱动单元(1b),在所述大臂驱动单元(1b)的传动轴上,并处于所述臂座(2b)的夹持键内侧设置有中心轮(5a),所述中心轮(5a)与设置在所述行星架(5d)一端上的行星轮(5b)啮合,所述行星轮(5b)与所述齿圈(5c)的内齿圈啮合;所述齿圈(5c)的外齿圈与所述辅助斜齿轮(5f)啮合;
所述行星架(5d)上还装有第一齿轮(5g),且所述第一齿轮(5g)与所述中心轮(5a)、齿圈(5c)同轴心;所述第一齿轮(5g)与设置在所述大臂(3a)下端内侧上的第二齿轮(5h)啮合;所述第二齿轮(5h)的传动轴与所述大臂(3a)固连;
所述臂座(2b)的另一夹持键外侧设置有所述小臂驱动单元(1c),在所述小臂驱动单元(1c)的传动轴上,并处于所述臂座(2b)的另一夹持键内侧设置有第三齿轮(5i),所述第三齿轮(5i)与设置在所述大臂(3a)下端另一内侧上的第四齿轮(5j)啮合,所述第四齿轮(5j)同轴安装有第一同步轮(6a),且所述第一同步轮(6a)与所述第二齿轮(5h)同轴心;所述第一同步轮(6a)与第二同步轮(6c)通过同步带(6b)传动,所述第二同步轮(6c)固连于所述小臂(3b)下端。
2.根据权利要求1所述的一种有辅助驱动单元的节能型工业机器人,其特征是:
当机器人空载运行时,所述辅助驱动单元(1d)不工作且刹车抱死,所述离合器(7a)分断,所述中心轮(5a)、行星轮(5b)、齿圈(5c)、行星架(5d)构成定轴轮系转动;
所述臂座驱动单元(1a)以转动角速度ω1a,1驱动臂座第一齿轮(4a),使得所述臂座第一齿轮(4a)驱动所述臂座第二齿轮(4b)转动,并通过其传动轴驱动所述臂座(2b)以转动角速度ω2b,1转动,且所述臂座(2b)的转动角速度ω2b,1与臂座驱动单元(1a)的转动角速度ω1a,1满足式(1):
式(1)中:Z4a为臂座第一齿轮(4a)的齿数,Z4b为臂座第二齿轮(4b)的齿数;
所述大臂驱动单元(1b)以转动角速度ω1b,1驱动中心轮(5a)转动,使得所述中心轮(5a)驱动行星轮(5b)转动,所述行星轮(5b)通过行星架(5d)驱动第一齿轮(5g)转动,并带动第二齿轮(5h)转动,使得所述第二齿轮(5h)带动大臂(3a)以转动角速度ω3a,1转动,且大臂(3a)的转动角速度ω3a,1与大臂驱动单元(1b)的转动角速度ω1b,1满足式(2):
式(2)中:Z5a为中心轮(5a)齿数,为齿圈(5c)内齿圈齿数,Z5g为第一齿轮(5g)齿数,Z5h为第二齿轮(5h)齿数;
所述小臂驱动单元(1c)以转动角速度ω1c,1驱动第三齿轮(5i)转动,并带动第四齿轮(5j)转动,使得所述第四齿轮(5j)驱动第一同步轮(6a)转动,并通过同步带(6b)驱动第二同步轮(6c)转动,所述第二同步轮(6c)带动小臂(3b)以转动角速度ω3b,1转动,且小臂(3b)的转动角速度ω3b,1与小臂驱动单元(1c)的转动角速度ω1c,1满足式(3):
式(3)中:Z5i为第三齿轮(5i)的齿数,Z5j为第四齿轮(5j)齿数,Z6a为第一同步轮(6a)的齿数,Z6c第二同步轮(6c)的齿数;
当机器人负载运行时,所述辅助驱动单元(1d)工作,离合器(7a)结合,所述大臂驱动单元(1b)与辅助驱动单元(1d)输出功率在差动轮系上实现功率叠加;
所述臂座驱动单元(1a)以转动角速度ω1a,2驱动臂座第一齿轮(4a)转动,并带动臂座第二齿轮(4b)转动,使得所述臂座第二齿轮(4b)通过其传动轴驱动臂座(2b)以转动角速度ω2b,2转动,且臂座(2b)的转动角速度ω2b,2与臂座驱动单元(1a)的转动角速度ω1a,2满足式(4):
所述辅助驱动单元(1d)以转动角速度ω1d通过离合器(7a)驱动辅助斜齿轮(5f)转动,所述齿圈(5c)一方面受到辅助斜齿轮(5f)的作用以自身轴心作旋转运动,另一方面随臂座(2b)作旋转运动,两种运动合成驱动齿圈(5c);
所述大臂驱动单元(1b)以转动角速度ω1b,2驱动中心轮(5a)转动,并带动所述行星轮(5b)转动,所述行星轮(5b)与齿圈(5c)运动合成驱动行星架(5d);所述行星架(5d)驱动第一齿轮(5g)转动,并带动第二齿轮(5h)转动,使得所述第二齿轮(5h)带动大臂(3a)以转动角速度ω3a,2转动,且大臂(3a)的转动角速度ω3a,2与辅助驱动单元(1d)的转动角速度ω1d、大臂驱动单元(1b)的转动角速度ω1b,2满足式(5):
所述小臂驱动单元(1c)以转动角速度ω1c,2驱动第三齿轮(5i)转动,并带动第四齿轮(5j)转动,所述第四齿轮(5j)驱动第一同步轮(6a)转动,并通过同步带(6b)驱动第二同步轮(6c)转动,使得所述第二同步轮(6c)带动小臂(3b)以转动角速度ω3b,2转动,且小臂(3b)的转动角速度ω3b,2与小臂驱动单元(1c)的转动角速度ω1c,2满足式(6):
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