CN110948511B - 一种交替步进式机器人供料装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交替步进式机器人供料装置，旋转筒通过圆柱副安装在底座上，柔性主大臂及柔性副大臂的一端分别与旋转筒相连，由旋转筒驱动同步反向转动，柔性主小臂及柔性副小臂的一端分别与柔性主大臂及柔性副大臂的另一端转动连接，柔性主小臂及柔性副小臂的另一端分别通过交替步进式腕关节与末端执行器相连；柔性主小臂及柔性副小臂的另一端通过同步齿轮机构进行同步耦合，柔性主小臂及柔性副小臂的另一端分别通过球铰与末端执行器相连，每个球铰的外侧均设有使末端执行器相对于底座直线运动的凸轮。本发明由于能让机械手的末端执行器避免倾摆振动，能有效抑制振动提高产品节拍和系统稳定时间，也让整机具有安全保护。

Description

一种交替步进式机器人供料装置

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)行业的机器人关节机构，具体地说是一种交替步进式机器人供料装置。

背景技术

真空机台内的真空机械手，手臂的普遍构型为水平关节型。目前，真空机台的机械手在满足功能的前提下，经济型优化是后续研发的重点方向。由于非线性有限分析、拓扑优化等技术的不断成熟，让手臂机构轻量化成为可能；所以机器人供料装置的手腕部位需要交替步进式机构，以期望补偿机械手结构的非线型柔性变形。

发明内容

为了满足机器人手臂轻量化的要求，本发明的目的在于提供一种交替步进式机器人供料装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括底座、旋转筒、柔性主大臂、柔性主小臂、柔性副大臂、柔性副小臂、交替步进式腕关节及末端执行器，其中旋转筒通过圆柱副安装在底座上，柔性主大臂及柔性副大臂的一端分别与所述旋转筒相连，由该旋转筒驱动同步反向转动，所述柔性主小臂及柔性副小臂的一端分别与柔性主大臂及柔性副大臂的另一端转动连接，该柔性主小臂及柔性副小臂的另一端分别通过交替步进式腕关节与末端执行器相连；所述交替步进式腕关节包括同步齿轮机构、球铰及凸轮，该柔性主小臂及柔性副小臂的另一端通过同步齿轮机构进行同步耦合，所述柔性主小臂及柔性副小臂的另一端分别通过球铰与末端执行器相连，每个所述球铰的外侧均设有使末端执行器相对于底座直线运动的凸轮；

其中：所述凸轮包括凸轮凹部及凸轮立柱，所述柔性主小臂另一端对应的为主凸轮凹部，柔性副小臂另一端对应的为副凸轮凹部，该主凸轮凹部与副凸轮凹部分别安装在末端执行器上，在主凸轮凹部与副凸轮凹部的下方分别设有安装在所述同步齿轮机构上的凸轮立柱，该凸轮立柱随同步齿轮机构转动，在转动的过程中，所述凸轮立柱的上端始终与主凸轮凹部与副凸轮凹部的下端面抵接；

所述主凸轮凹部与副凸轮凹部的下端面均为曲面，所述凸轮立柱的上端为圆弧状，该凸轮立柱的圆弧状上端在随所述同步齿轮机构转动过程中沿主凸轮凹部与副凸轮凹部的下端面转动，且始终与主凸轮凹部与副凸轮凹部的下端面抵接，实现所述末端执行器及承载的负载相对于底座直线运动；

所述主凸轮凹部与副凸轮凹部的下端面靠近旋转筒一侧的高度高于远离旋转筒另一侧的高度；

所述球铰包括球铰轴及球铰凸出端，所述柔性主小臂及柔性副小臂的另一端分别安装有球铰轴，所述末端执行器上与两个球铰轴对应的位置分别设有球铰凸出端，每个所述球铰凸出端均与对应的球铰轴相连，进而形成球铰；

所述同步齿轮机构为消隙齿轮，包括主消隙齿轮、副消隙正向端齿轮及副消隙反向端齿轮，该主消隙齿轮安装在所述柔性主小臂另一端的球铰轴上，所述副消隙正向端齿轮及副消隙反向端齿轮均安装在柔性副小臂另一端的球铰轴上，该副消隙正向端齿轮及副消隙反向端齿轮均与主消隙齿轮相啮合。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明由于能让机械手的末端执行器避免倾摆振动，能有效抑制振动提高产品节拍和系统稳定时间，也让整机具有安全保护。

2.本发明的柔性主小臂及柔性副小臂与末端执行器之间通过交替步进式腕关节连接，让整机能轻量化和小型化，量产经济型更好，产品竞争力量更强，降低直驱电机功率，达到节能环保的目的。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图之一；

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的结构俯视图；

图4为本发明的立体结构示意图之二；

图5为图1中的A处局部放大图；

图6为本发明的爆炸图之一；

图7为图6中的B处局部放大图；

图8为本发明的爆炸图之二；

图9为图8中的C处局部放大图；

其中：1为底座，2为旋转筒，3为柔性主大臂，4为柔性主小臂，5为球铰，501为球铰轴，502为球铰凸出端，6为凸轮，601为主凸轮凹部，602为副凸轮凹部，603为凸轮立柱，7为末端执行器，8为负载，9为柔性副小臂，10为柔性副大臂，11为主消隙齿轮，12为副消隙正向端齿轮，13为副消隙反向端齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明的交替步进式机器人供料装置可以携带负载8做真空环境下的搬运运动。如图1～9所示，本发明包括底座1、旋转筒2、柔性主大臂3、柔性主小臂4、柔性副大臂10、柔性副小臂9、交替步进式腕关节及末端执行器7，其中旋转筒2通过圆柱副安装在底座1上，底座1静止不动，旋转筒2可以相对于底座1做升降Y轴方向直线运动和旋转运动；柔性主大臂3及柔性副大臂10的一端分别与旋转筒2相连(本实施例采用的是空间铰链连接)，由该旋转筒2驱动同步反向转动，柔性主小臂4及柔性副小臂9的一端分别与柔性主大臂3及柔性副大臂10的另一端转动连接(本实施例采用的是空间铰链连接)，该柔性主小臂4及柔性副小臂9的另一端分别通过交替步进式腕关节与末端执行器7相连。

交替步进式腕关节包括同步齿轮机构、球铰5及凸轮6，该柔性主小臂4及柔性副小臂9的另一端通过同步齿轮机构进行同步耦合，柔性主小臂4及柔性副小臂9的另一端分别通过球铰5与末端执行器7相连，每个球铰5的外侧均设有使末端执行器7相对于底座1直线运动的凸轮6。

本发明的凸轮6包括凸轮凹部及凸轮立柱603，柔性主小臂4另一端对应的为主凸轮凹部601，柔性副小臂9另一端对应的为副凸轮凹部602，该主凸轮凹部601与副凸轮凹部602分别安装在末端执行器7上，主凸轮凹部601与副凸轮凹部602的下端面均为曲面，主凸轮凹部601与副凸轮凹部602的下端面靠近旋转筒2一侧的高度高于远离旋转筒2另一侧的高度。在主凸轮凹部601与副凸轮凹部602的下方分别设有安装在同步齿轮机构上的凸轮立柱603，该凸轮立柱603的上端为圆弧状，随同步齿轮机构转动，在转动的过程中，凸轮立柱603的圆弧状上端沿主凸轮凹部601与副凸轮凹部602的下端面转动，且始终与主凸轮凹部601与副凸轮凹部602的下端面抵接，实现末端执行器7及承载的负载8相对于底座1直线运动。

本发明的球铰5包括球铰轴501及球铰凸出端502，柔性主小臂4及柔性副小臂9的另一端分别安装有球铰轴501，末端执行器7上与两个球铰轴501对应的位置分别固接有球铰凸出端502，每个球铰凸出端502均与对应的球铰轴501相连，进而形成球铰5。

本发明的同步齿轮机构为消隙齿轮，包括主消隙齿轮11、副消隙正向端齿轮12及副消隙反向端齿轮13，该主消隙齿轮11安装在柔性主小臂4另一端的球铰轴501上，副消隙正向端齿轮12及副消隙反向端齿轮13均安装在柔性副小臂9另一端的球铰轴501上、且上下设置，副消隙反向端齿轮13位于副消隙正向端齿轮12的上面，该副消隙正向端齿轮12及副消隙反向端齿轮13均与主消隙齿轮11相啮合。本发明的消隙齿轮为现有技术，副消隙正向端齿轮12及副消隙反向端齿轮13上分别装有凸耳，用拉簧一端钩在凸耳上，另一端钩在固定螺钉上，螺母用来调整螺钉的伸出长度和锁紧，此结构利用了拉簧的张力，使副消隙正向端齿轮12的齿左侧和副消隙反向端齿轮13的齿右侧，分别紧贴在主消隙齿轮11的齿槽左、右两侧，通过这种错齿结构就消除了齿侧间隙，反向时就不会产生空程误差。两个凸轮6中的凸轮立柱603分别安装在主消隙齿轮11和副消隙反向端齿轮13上。

本发明的末端执行器7为叉型基体701，该叉型基体701的叉型端可以对负载8进行静摩擦托举，叉型基体701的尾端分别与主凸轮凹部601、副凸轮凹部602固接。

本发明的工作原理为：

本发明的交替步进式机器人供料装置在携带负载8远离和接近底座1的过程中，由于重力场的作用，柔性主大臂3和柔性主小臂4所受的倾覆力矩不同，柔性主小臂4与末端执行器7连接的交替步进式腕关节的轴线将会由于柔性主大臂3和柔性主小臂4非线性变形而产生柔性主小臂4与末端执行器7连接的交替步进式腕关节轴线相对于底座1的轴线倾摆。

本发明在携带负载8远离和接近底座1的过程中，交替步进式腕关节进行同步无源补偿，达到本发明可以携带负载8远离和接近底座1的过程中负载8和末端执行器7相对于底座1直线运动，没有倾摆的目的。交替步进式腕关节在本发明携带负载8接近底座1的过程中，由X轴(图1中的水平方向)的负方向运动的过程中，球铰轴501与球铰凸出端502为球铰链连接。柔性主小臂4和柔性副小臂9通过同步齿轮机构进行消减自由度耦合。同步齿轮机构中的主消隙齿轮11与柔性主小臂4可相对转动，主消隙齿轮11通过与副消隙正向端齿轮12的齿轮副将正向与柔性副小臂9进行同步耦合，主消隙齿轮11通过与副消隙反向端齿轮13齿轮副将反向与柔性副小臂9进行同步耦合。球铰轴501与空间球铰凸出端502为空间球铰链连接，底座1与末端执行器7的六个空间自由度减少了五个自由度，减少的五个自由度分别是三个移动、Y轴方向旋转和X轴方向侧翻，剩下Z轴方向倾摆。凸轮接触副和外力场控制Z方向倾摆，本发明的凸轮接触副有两个，分别为凸轮接触副A及凸轮接触副B，凸轮接触副A由主凸轮凹部601和其中一个球铰凸出端502组成，对称另外一侧的凸轮接触副B由副凸轮凹部602和另一个球铰凸出端502组成。由X轴的负方向运动的过程中，在负载8和末端执行器7的重力倾覆力矩、凸轮接触副A的接触力、凸轮接触副B的接触力、末端执行器7和柔性副小臂9上的球铰轴接触力、末端执行器7和柔性主小臂4上的球铰轴5接触力，共计五个空间力动态空间汇焦，所以机器人在携带负载8接近底座1的过程中负载8和末端执行器7相对于底座1直线运动。凸轮接触副A和凸轮接触副B接触运动轨迹正好动态补偿，本发明在携带负载8接近底座1的过程中由于重力场的作用，柔性主大臂3和柔性主小臂4所受的倾覆力矩不同，柔性主小臂4与末端执行器7连接的交替步进式腕关节轴线将会由于柔性主大臂3和柔性主小臂4非线性变形而产生柔性主小臂4与末端执行器7连接的交替步进式腕关节轴线相对于底座1的轴线倾摆，所以本发明可以携带负载8接近底座1的过程中负载8和末端执行器7相对于底座1直线运动。本发明在携带负载8接近底座1的过程中，由X轴的负方向运动的过程中，柔性主大臂3和柔性主小臂4所受的倾覆力矩将会渐变，导致产生柔性主大臂3和柔性主小臂4非线性变形，柔性主大臂3和柔性主小臂4所形成的向下凹的挠曲线将会变小趋势，导致柔性主小臂4与末端执行器7连接的交替步进式腕关节轴线相对于底座1的轴线相对倾覆角度变小的趋势。对于本发明携带负载8远离底座1的过程中负载8和末端执行器7相对于底座1直线运动的原理与接近的动态过程原理相同，所以不再赘述。

本发明的交替步进式腕关节，让柔性主大臂3和柔性主小臂4能轻量化和小型化，还有就是扁平化柔性主大臂3和柔性主小臂4在Y轴(图1中的竖直方向)方向尺寸更小，即是让量产经济型更好，产品竞争力量更强，降低直驱电机功率，达到节能环保的目的。交替步进式腕关节能让负载8和末端执行器7避免倾摆振动，能有效抑制振动提高产品节拍和系统稳定时间。交替步进式腕关节能让负载8和末端执行器7避免碰撞，造成对本发明的损伤，让整机有安全保护。

Claims (3)

1.一种交替步进式机器人供料装置，其特征在于：包括底座(1)、旋转筒(2)、柔性主大臂(3)、柔性主小臂(4)、柔性副大臂(10)、柔性副小臂(9)、交替步进式腕关节及末端执行器(7)，其中旋转筒(2)通过圆柱副安装在底座(1)上，柔性主大臂(3)及柔性副大臂(10)的一端分别与所述旋转筒(2)相连，由该旋转筒(2)驱动，实现所述柔性主大臂(3)和柔性副大臂(10)同步反向转动，所述柔性主小臂(4)的一端与柔性主大臂(3)的另一端转动连接，所述柔性副小臂(9)的一端与柔性副大臂(10)的另一端转动连接，该柔性主小臂(4)及柔性副小臂(9)的另一端分别通过交替步进式腕关节与末端执行器(7)相连；所述交替步进式腕关节包括同步齿轮机构、球铰(5)及凸轮(6)，该柔性主小臂(4)及柔性副小臂(9)的另一端通过同步齿轮机构进行同步耦合，所述柔性主小臂(4)及柔性副小臂(9)的另一端分别通过球铰(5)与末端执行器(7)相连，每个所述球铰(5)的外侧均设有使末端执行器(7)相对于底座(1)直线运动的凸轮(6)；

所述凸轮(6)包括凸轮凹部及凸轮立柱(603)，所述凸轮凹部分为主凸轮凹部(601)和副凸轮凹部(602)，所述柔性主小臂(4)另一端对应的为主凸轮凹部(601)，柔性副小臂(9)另一端对应的为副凸轮凹部(602)，该主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)分别安装在末端执行器(7)上，在主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下方分别设有安装在所述同步齿轮机构上的凸轮立柱(603)，该凸轮立柱(603)随同步齿轮机构转动，在转动的过程中，所述凸轮立柱(603)的上端始终与主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下端面抵接，实现所述末端执行器(7)及承载的负载(8)相对于底座(1)直线运动；

所述球铰(5)包括球铰轴(501)及球铰凸出端(502)，所述柔性主小臂(4)及柔性副小臂(9)的另一端分别安装有球铰轴(501)，所述末端执行器(7)上与两个球铰轴(501)对应的位置分别设有球铰凸出端(502)，每个所述球铰凸出端(502)均与对应的球铰轴(501)相连；

所述同步齿轮机构为消隙齿轮，包括主消隙齿轮(11)、副消隙正向端齿轮(12)及副消隙反向端齿轮(13)，该主消隙齿轮(11)安装在所述柔性主小臂(4)另一端的球铰轴(501)上，所述副消隙正向端齿轮(12)及副消隙反向端齿轮(13)均安装在柔性副小臂(9)另一端的球铰轴(501)上，该副消隙正向端齿轮(12)及副消隙反向端齿轮(13)均与主消隙齿轮(11)相啮合。

2.根据权利要求1所述的交替步进式机器人供料装置，其特征在于：所述主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下端面均为曲面，所述凸轮立柱(603)的上端为圆弧状，该凸轮立柱(603)的圆弧状上端在随所述同步齿轮机构转动过程中沿主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下端面转动，且始终与主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下端面抵接。

3.根据权利要求2所述的交替步进式机器人供料装置，其特征在于：所述主凸轮凹部(601)与副凸轮凹部(602)的下端面靠近旋转筒(2)一侧的高度高于远离旋转筒(2)另一侧的高度。

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