CN110919689B - 关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法 - Google Patents

关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供大大提高了控制轴和机器人关节轴驱动的驱动力、稳度和精度，满足机器人工作的实际需求的关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法。包括封装壳体、贯穿设置于封装壳体内的控制轴，其特征在于：还包括固设于控制轴上且位于封装壳体内的偏心轮盘、呈星型设于控制轴的周围与偏心轮盘连接且用于驱动偏心轮盘围绕控制轴的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件。

Description

关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法。
背景技术
随着技术的进步、人力成本的上升，对机器人的需求在全球范围内不断扩大，而中国的机器人市场已经成为全球增速最快的市场之一。2013年至2016年，中国连续三年成为全球第一大工业机器人消费市场，市场空间巨大。随着本世纪对机器人需求的高速增长和国内外工业机器人的快速发展，与机器人领域相关的各行各业取得了突飞猛进的发展，工业机器人伺服驱动器作为机器人的核心部件，就是其中之一。
工业机器人伺服驱动器是指控制机器人伺服电机的专用控制器，可通过位置、速度和转矩三种方式对工业机器人伺服电机进行闭环控制。伺服电机一般安装在机器人的“关节”处，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。
目前市场上，机器人的控制轴和机器人关节轴驱动的驱动力、稳度和精度较低，无法满足机器人工作的实际需求。本发明提出了关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供大大提高了控制轴和机器人关节轴驱动的驱动力、稳度和精度，满足机器人工作的实际需求的关节驱动装置、具有驱动装置的关节机器人及驱动方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：
关节驱动装置，包括封装壳体、贯穿设置于封装壳体内的控制轴，还包括固设于控制轴上且位于封装壳体内的偏心轮盘、呈星型设于控制轴的周围与偏心轮盘连接且用于驱动偏心轮盘围绕控制轴的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件。
进一步改进的是：所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体、设置于电动缸体上的伺服电机、设置于伺服电机驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘连接。
进一步改进的是：所述增力驱动组件包括设置于伺服电机驱动端的丝杠导轨、丝杠导轨上设置有用于将丝杠导轨的旋转运动转化为直线运动的往返螺母。
进一步改进的是：所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨作往复直线运动且与往返螺母连接的导管、连接导管与偏心轮盘的连杆。
基于同一发明构思，本发明还提供一种关节机器人，包括关节驱动装置、用于控制关节驱动装置的伺服控制器，所述关节驱动装置包括封装壳体、贯穿设置于封装壳体内的控制轴，套设在控制轴上用于反馈控制轴位置的圆光栅编码器，关节驱动装置还包括固设于控制轴上且位于封装壳体内的偏心轮盘、呈星型设于控制轴的周围与偏心轮盘连接且用于驱动偏心轮盘围绕控制轴的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件，偏心轮盘上固设有贯穿封装壳体的机器人关节轴，机器人关节轴通过联轴器与法兰连接。
进一步改进的是：所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体、设置于电动缸体上的伺服电机、设置于伺服电机驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘连接。
进一步改进的是：所述增力驱动组件包括设置于伺服电机驱动端的丝杠导轨、丝杠导轨上设置有用于将丝杠导轨的旋转运动转化为直线运动的往返螺母。
进一步改进的是：所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨作往复直线运动且与往返螺母连接的导管、连接导管与偏心轮盘的连杆。
基于同一发明构思，本发明还提供一种关节机器人的驱动方法，计算得到控制轴的各位置下伺服电机分别驱动往返螺母到达的位置以及对应时刻的速度，由伺服控制器将相关指令分别下达给各伺服电机，通过各伺服电机的同步运动来达到对控制轴和机器人关节轴的精准控制。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：大大提高了控制轴和机器人关节轴驱动的驱动力、稳度和精度，满足机器人工作的实际需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中关节机器人的结构示意图；
图2是本发明中关节驱动装置的结构示意图；
图3是本发明中2号连杆所在电动缸体的局部放大示意图；
图4是本发明中伺服控制器工作状态下，连杆运动时的位置示意图。
附图标记说明：封装壳体1、控制轴2、偏心轮盘3、电动缸体41、伺服电机42、丝杠导轨51、往返螺母52、导管61、连杆62、机器人关节轴7、法兰8、圆光栅编码器9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域所属的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式中的特征可以相互组合。
参看图1至图4所示，本具体实施方式采用的技术方案是：
关节驱动装置，包括封装壳体1、贯穿设置于封装壳体1内的控制轴2，还包括固设于控制轴2上且位于封装壳体1内的偏心轮盘3、呈星型设于控制轴2的周围与偏心轮盘3连接且用于驱动偏心轮盘3围绕控制轴2的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件。回转角度速度驱动部件数量为奇数且数量在五个以上。可根据实际需求对回转角度速度驱动部件的数量进行调整，增加控制轴2的驱动力，其结构原理与计算公式的推导过程类似。所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体41、设置于电动缸体41上的伺服电机42、设置于伺服电机42驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘3连接。所述增力驱动组件包括设置于伺服电机42驱动端的丝杠导轨51、丝杠导轨51上设置有用于将丝杠导轨51的旋转运动转化为直线运动的往返螺母52。由伺服电机42提供动力，以往返螺母52、丝杠导轨51这种丝杠螺母副的增力方式产生更大的驱动力，其更大的驱动力可使控制轴2和机器人关节轴7运动更加平稳，大大提高了控制轴2和机器人关节轴7驱动的驱动力、稳度和精度，满足机器人工作的实际需求。所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨51作往复直线运动且与往返螺母52连接的导管61、连接导管61与偏心轮盘3的连杆62。导管61为不锈钢材质。
基于同一发明构思，本发明还提供一种关节机器人，包括关节驱动装置、用于控制关节驱动装置的伺服控制器(图中未示出)，所述关节驱动装置包括封装壳体1、贯穿设置于封装壳体1内的控制轴2，套设在控制轴2上用于反馈控制轴2位置的圆光栅编码器9，关节驱动装置还包括固设于控制轴2上且位于封装壳体1内的偏心轮盘3、呈星型设于控制轴2的周围与偏心轮盘3连接且用于驱动偏心轮盘3围绕控制轴2的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件，偏心轮盘3上固设有贯穿封装壳体1的机器人关节轴7，机器人关节轴7通过联轴器(图中未示出)与法兰8连接。法兰8用于与机器人抓取装置(图中未示出)连接。通过伺服控制器(图中未示出)同时对五个伺服电机42进行位置和速度控制，进而控制控制轴2和机器人关节轴7回转的角度位置与速度，并通过在控制轴2上套设的圆光栅编码器9完成控制轴2的位置反馈，形成闭环控制。由于五个伺服电机40之间的位置、速度具有耦合关系，这种方式大大提高了回转的角度位置和速度精度。所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体41、设置于电动缸体41上的伺服电机42、设置于伺服电机42驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘3连接。所述增力驱动组件包括设置于伺服电机42驱动端的丝杠导轨51、丝杠导轨51上设置有用于将丝杠导轨51的旋转运动转化为直线运动的往返螺母52。所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨51作往复直线运动且与往返螺母52连接的导管61、连接导管61与偏心轮盘3的连杆62。
基于同一发明构思，本发明还提供一种关节机器人的驱动方法，计算得到控制轴2的各位置下伺服电机42分别驱动往返螺母52到达的位置以及对应时刻的速度，由伺服控制器(图中未示出)将相关指令分别下达给各伺服电机42，通过各伺服电机42的同步运动来达到对控制轴2和机器人关节轴7的精准控制。
一种关节机器人的驱动方法具体步骤为：连杆62长度设为L；导管61端点到控制轴2轴心线，即偏心轮盘3运行轨迹轴心线的距离设为X；控制轴2轴心设为O，偏心轮盘3的圆心设为OO，偏心轮盘3圆心到控制轴2轴心线的距离OOO设为R；如图3将五个连杆62分别进行编号，1号连杆的一端记作O1，1号连杆端点与控制轴2轴心线之间的连线记为OO1，长度设为b1,OO1与其对应电动缸体41的丝杠导轨51之间的角度设为A1，其余连杆以此类推；控制轴2的运动位置基准设为图4所示时刻OO1的位置，记作OO0；OO1与OO2之间的角度、OO1与OO5之间的角度记为A’，OO2与OO3之间的角度、OO4与OO5之间的角度记为A”；控制轴2的起始角度为∠O0OO1，设为A0，图中OO1与OO0重合，故此时控制轴2起始角度为0；控制轴2的运动角度设为A。
若在伺服控制器(图中未示出)工作状态下，各部件运动不发生干涉，则需满足下述条件：连杆62运动在运动过程中，连杆62杆面与电动缸体41之间的最短距离e应始终大于0。具体参数可以参考标准活塞连杆机构。
以2号连杆所在电动缸体41为例进行位置分析，记导管61端点为点P，则对于△OO2P，有余弦公式：
Figure GDA0003059300580000061
经过三角变换可以推导出：
Figure GDA0003059300580000062
其中，b2，L，A’已知，A2＝72°-A’-A0-A，则有如下公式：
Figure GDA0003059300580000063
通过上式可以得到对于2号连杆，导管61端点到控制轴2轴心线的距离X与控制轴2的运动角度A之间的关系。
同理可得，对于1号连杆，导管61端点到控制轴2轴心线的距离X与控制轴2的运动角度A之间的关系为：
Figure GDA0003059300580000064
对于3号连杆，导管61端点到控制轴2轴心线的距离X与控制轴2的运动角度A之间的关系为：
Figure GDA0003059300580000065
对于4号连杆，导管61端点到控制轴2轴心线的距离X与控制轴2的运动角度A之间的关系为：
Figure GDA0003059300580000066
对于5号连杆，导管61端点到控制轴2轴心线的距离X与控制轴2的运动角度A之间的关系为：
Figure GDA0003059300580000067
此时，根据上述五个公式，在确定关节驱动装置的各尺寸后，L，b1，b2，b3，b4，b5，A’，A”为已知，确定控制轴2的起始角度A0，则可以由控制轴2的运动角度A计算得到各连杆62所在电动缸体41中往返螺母52相对于电动缸41体起点的位移。对于关节机器人，则对应为对伺服控制器(图中未示出)输入一个给定运动角度，通过上述公式计算各往返螺母52的移动距离，分别输出到各电动缸体41的伺服电机42，实现相关控制。
接下来以2号连杆所在电动缸体为例进行速度分析，首先计算出往返螺母52相对于控制轴2的运动角度A的速度，这一点很容易通过对*式求导得到，计算结果如下：
Figure GDA0003059300580000071
设往返螺母52相对于时间的速度为v，控制轴2回转角速度为ω，根据链式法则，又有：
Figure GDA0003059300580000072
其中
Figure GDA0003059300580000073
n为控制轴2每分钟转数。
此即在控制轴2的不同运动角度下，往返螺母52所对应的速度，同理可得到其他往返螺母在整个运动过程中的速度值，可由控制器2对各伺服电机42进行控制。
本发明的工作原理：通过伺服控制器(图中未示出)同时对五个伺服电机42进行位置和速度控制，伺服电机42驱动丝杠导轨51旋转，通过往返螺母52将丝杠导轨51的旋转运动转化为直线运动，并推动导管61沿丝杠导轨51作往复直线运动，导管61与偏心轮盘3之间用连杆62进行连接，驱动偏心轮盘3围绕控制轴2的轴线作回转运动，进而控制控制轴2和机器人关节轴7回转的角度位置与速度，并通过在控制轴2上套设的圆光栅编码器6完成控制轴2的位置反馈，形成闭环控制。由于五个伺服电机42之间的位置、速度具有耦合关系，这种方式大大提高了回转的角度位置和速度精度。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：大大提高了控制轴和机器人关节轴驱动的驱动力、稳度和精度，满足机器人工作的实际需求。
伺服控制器(图中未示出)、圆光栅编码器9是公知技术，不是本发明改进点与保护的要点，文中不做详细介绍。伺服控制器(图中未示出)、圆光栅编码器9、伺服电机42均与电源装置(图中未示出)电性连接，伺服控制器(图中未示出)与圆光栅编码器9电性连接。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.关节驱动装置，包括封装壳体、贯穿设置于封装壳体内的控制轴，其特征在于：还包括固设于控制轴上且位于封装壳体内的偏心轮盘、呈星型设于控制轴的周围与偏心轮盘连接且用于驱动偏心轮盘围绕控制轴的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件；所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体、设置于电动缸体上的伺服电机、设置于伺服电机驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘连接。
2.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于：所述增力驱动组件包括设置于伺服电机驱动端的丝杠导轨、丝杠导轨上设置有用于将丝杠导轨的旋转运动转化为直线运动的往返螺母。
3.根据权利要求2所述的关节驱动装置，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨作往复直线运动且与往返螺母连接的导管、连接导管与偏心轮盘的连杆。
4.一种关节机器人，包括关节驱动装置、用于控制关节驱动装置的伺服控制器，所述关节驱动装置包括封装壳体、贯穿设置于封装壳体内的控制轴，套设在控制轴上用于反馈控制轴位置的圆光栅编码器，其特征在于：关节驱动装置还包括固设于控制轴上且位于封装壳体内的偏心轮盘、呈星型设于控制轴的周围与偏心轮盘连接且用于驱动偏心轮盘围绕控制轴的轴线作回转运动的回转角度速度驱动部件，偏心轮盘上固设有贯穿封装壳体的机器人关节轴，机器人关节轴通过联轴器与法兰连接；所述回转角度速度驱动部件包括电动缸体、设置于电动缸体上的伺服电机、设置于伺服电机驱动端用于将旋转运动转化为直线运动的增力驱动组件、增力驱动组件上设置有用于沿增力驱动组件作往复直线运动的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与偏心轮盘连接。
5.根据权利要求4所述的一种关节机器人，其特征在于：所述增力驱动组件包括设置于伺服电机驱动端的丝杠导轨、丝杠导轨上设置有用于将丝杠导轨的旋转运动转化为直线运动的往返螺母。
6.根据权利要求5所述的一种关节机器人，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括沿丝杠导轨作往复直线运动且与往返螺母连接的导管、连接导管与偏心轮盘的连杆。
7.一种关节机器人的驱动方法，其用于控制如权利要求6所述的关节机器人，其特征在于：计算得到控制轴的各位置下伺服电机分别驱动往返螺母到达的位置以及对应时刻的速度，由伺服控制器将相关指令分别下达给各伺服电机，通过各伺服电机的同步运动来达到对控制轴和机器人关节轴的精准控制。
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