CN110948512B - 一种倾摆补偿式直驱真空机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾摆补偿式直驱真空机器人，旋转筒通过圆柱副安装在底座上，柔性大臂的一端与旋转筒相连，另一端与柔性小臂的一端转动连接，柔性小臂的另一端通过倾摆补偿式腕关节与末端执行器的一端转动连接，末端执行器的另一端用于承载负载；倾摆补偿式腕关节包括球铰及凸轮，柔性小臂的另一端通过球铰与末端执行器的一端相连，球铰内设有柔性传动波纹管，柔性传动波纹管的两端分别与球铰及末端执行器连接，柔性小臂的另一端与末端执行器的一端之间设有使末端执行器及承载的负载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。

Description

一种倾摆补偿式直驱真空机器人

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)行业的机器人关节机构，具体地说是一种倾摆补偿式直驱真空机器人。

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；所以直驱真空机器人的手腕部位需要倾摆补偿式机构，以期望补偿机械手结构的非线型柔性变形。

发明内容

为了满足直驱真空机器人的手腕部位需要，本发明的目的在于提供一种倾摆补偿式直驱真空机器人。

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、柔性大臂、柔性小臂、倾摆补偿式腕关节、末端执行器及柔性传动波纹管，其中旋转筒通过圆柱副安装在底座上，所述柔性大臂的一端与旋转筒相连，另一端与所述柔性小臂的一端转动连接，该柔性小臂的另一端通过倾摆补偿式腕关节与所述末端执行器的一端转动连接，该末端执行器的另一端用于承载负载；所述倾摆补偿式腕关节包括球铰及凸轮，该柔性小臂的另一端通过球铰与末端执行器的一端相连，所述球铰内设有柔性传动波纹管，该柔性传动波纹管的两端分别与所述球铰及末端执行器连接，所述柔性小臂的另一端与末端执行器的一端之间设有使末端执行器及承载的负载相对于底座直线运动的凸轮；

其中：所述球铰包括球铰轴及球铰凸出端，该球铰轴转动安装于所述柔性小臂的另一端内，所述末端执行器的一端设有球铰凸出端，该球铰凸出端与所述球铰轴相连，进而形成球铰；

所述球铰轴及球铰凸出端均为内部中空结构，该球铰凸出端插入球铰轴内部，所述球铰轴通过轴承转动安装在柔性小臂的另一端内；所述柔性传动波纹管容置于球铰凸出端内，上端与末端执行器连接，下端与所述球铰轴相连；

所述凸轮包括凸轮本体、凸轮立柱及凸轮滑道，该凸轮本体安装在柔性小臂的另一端、位于球铰的外围，所述凸轮本体的上表面设有凸轮滑道；所述凸轮立柱安装在末端执行器的一端下表面，该凸轮立柱的下端始终与所述凸轮滑道抵接；

所述凸轮滑道的表面为曲面，凸轮立柱的下端为球面，该凸轮立柱的球面在柔性小臂转动过程中沿所述凸轮滑道转动，且始终与凸轮滑道的曲面抵接，实现所述末端执行器及承载的负载相对于底座的直线运动；

所述凸轮滑道分为形状相同的外侧凸轮滑道及内侧凸轮滑道，该外侧凸轮滑道及内侧凸轮滑道分别设置在凸轮本体的上表面，且外侧凸轮滑道及内侧凸轮滑道的表面均为曲面；所述末端执行器一端的下表面上分别安装有外侧凸轮立柱及内侧凸轮立柱，该外侧凸轮立柱及内侧凸轮立柱在柔性小臂的转动过程中分别沿所述外侧凸轮滑道及内侧凸轮滑道转动，且始终分别与外侧凸轮滑道及内侧凸轮滑道抵接。

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。

2.本发明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，量产经济型理好，产品竞争力更强，降低电机功率，达到节能环保的目的。

3.本发明能让机械手的末端执行器碰撞，让整机有安全保护。

附图说明

图1为本发明伸展状态的立体结构示意图；

图2为本发明伸展状态的结构主视图；

图3为本发明伸展状态的结构侧视图；

图4为图3中A处的局部放大图；

图5为本发明伸展状态的结构俯视图；

图6为本发明收缩状态的结构示意图；

图7为图6中的E—E剖视图；

图8为图7中B处的局部放大图；

图9为本发明收缩状态的结构俯视图；

图10为本发明收缩状态的立体结构示意图；

图11为本发明的结构爆炸图之一；

图12为图11中的C处局部放大图；

图13为本发明的结构爆炸图之二；

图14为图13中的D处局部放大图；

其中：1为底座，2为旋转筒，3为柔性大臂，4为柔性小臂，5为轴承，6为球铰，601为球铰轴，602为球铰凸出端，7为末端执行器，701为叉型基体，8为负载，9为凸轮，901为凸轮本体，902为外侧凸轮滑道，903为内侧凸轮滑道，904为外侧凸轮立柱，905为内侧凸轮立柱，10为柔性传动波纹管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明的倾摆补偿式直驱真空机器人可以携带负载8做真空环境下的搬运运动。如图1～14所示，本发明包括底座1、旋转筒2、柔性大臂3、柔性小臂4、倾摆补偿式腕关节、末端执行器7及柔性传动波纹管10，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；柔性大臂3的一端与旋转筒2固定连接，另一端与柔性小臂4的一端转动连接(本实施例采用的是空间铰链连接)，柔性小臂5的另一端与末端执行器6的一端通过倾摆补偿式腕关节与末端执行器7的一端转动连接，该末端执行器7的另一端用于承载负载8，可以对负载8进行静摩擦托举。

倾摆补偿式腕关节包括球铰6及凸轮9，该柔性小臂4的另一端通过球铰6与末端执行器7的一端相连，球铰6内设有柔性传动波纹管10，该柔性传动波纹管10的两端分别与球铰6及末端执行器7连接，柔性小臂4的另一端与末端执行器7的一端之间设有使末端执行器7及承载的负载8相对于底座1直线运动的凸轮9。

本发明的球铰6包括球铰轴601及球铰凸出端602，该球铰轴601及球铰凸出端602均为内部中空结构，球铰凸出端602的上端固接在末端执行器7的一端下表面，下端插入球铰轴601内部、与球铰轴601相连，进而形成球铰6，球铰轴601通过轴承5转动安装在柔性小臂4的另一端内。柔性传动波纹管10容置于球铰凸出端602内，上端与末端执行器7连接，下端与球铰轴601相连。

本发明的凸轮9包括凸轮本体901、凸轮立柱及凸轮滑道，该凸轮本体901安装在柔性小臂4的另一端、位于球铰轴601的外围，凸轮本体901的上表面设有凸轮滑道。凸轮立柱安装在末端执行器7的一端下表面，该凸轮立柱的下端始终与凸轮滑道抵接。凸轮滑道的表面为曲面，凸轮立柱的下端为球面，该凸轮立柱的球面在柔性小臂4转动过程中沿凸轮滑道转动，且始终与凸轮滑道的曲面抵接，实现末端执行器7及承载的负载8相对于底座1的直线运动。本发明的凸轮滑道分为形状相同的外侧凸轮滑道902及内侧凸轮滑道903，该外侧凸轮滑道902及内侧凸轮滑道903分别设置在凸轮本体901的上表面，且外侧凸轮滑道902及内侧凸轮滑道903的表面均为曲面。末端执行器7一端的下表面上分别安装有外侧凸轮立柱904及内侧凸轮立柱905，该外侧凸轮立柱904及内侧凸轮立柱905在柔性小臂4的转动过程中分别沿外侧凸轮滑道902及内侧凸轮滑道903转动，且始终分别与外侧凸轮滑道902及内侧凸轮滑道903抵接。

本发明的末端执行器7为叉型基体701，具有适合高真空、耐高温和洁净的结构属性。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的尾端下表面分别安装有外侧凸轮立柱904、内侧凸轮立柱905及球铰凸出端602。

本发明的工作原理为：

本发明的倾摆补偿式直驱真空机器人在携带负载8远离和接近底座1的过程中，由于重力场的作用，柔性大臂3和柔性小臂4所受的倾覆力矩不同，柔性小臂4与末端执行器7连接的倾摆补偿式腕关节的轴线将会由于柔性大臂3和柔性小臂4非线性变形而产生柔性小臂4与末端执行器7连接的倾摆补偿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，倾摆补偿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。倾摆补偿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601通过轴承5与柔性小臂4的腕端形成铰链连接。球铰轴601可以通过钢丝绳传动与柔性大臂3进行行星传动，球铰轴601与球铰凸出端602形成球铰6，让球铰轴601与末端执行器7的六个空间自由度减少了三个自由度，减少的三个自由度是三个移动，剩下三个自由度分别是Y轴方向旋转、X轴方向侧翻和Z轴方向倾摆。柔性传动波纹管10的一端连接末端执行器7，另一端连接球铰轴601，消除了球铰轴601与末端执行器7的六个空间自由度的Y轴方向旋转，同时能补偿X轴方向侧翻和Z轴方向倾摆，避免柔性小臂4与末端执行器7的机械传动过定义。本发明的凸轮9与柔性小臂4的另一端固定连接，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、柔性传动波纹管10、凸轮9的外侧凸轮滑道902与末端执行器7上的外侧凸轮立柱904的接触力、凸轮9的内侧凸轮滑道903与末端执行器7上的内侧凸轮立柱905的接触力四个空间力动态空间汇焦，所以摆补偿式直驱真空机器人可以携带负载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。凸轮9的外侧凸轮滑道902与末端执行器7上的外侧凸轮立柱904的接触运动轨迹和凸轮9的内侧凸轮滑道903与末端执行器7上的内侧凸轮立柱905的接触运动轨迹是正好动态补偿，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，柔性大臂3和柔性小臂4所受的倾覆力矩不同，柔性小臂4与末端执行器7连接的倾摆补偿式腕关节轴线将会由于柔性大臂3和柔性小臂4非线性变形而产生柔性小臂4与末端执行器7连接的倾摆补偿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，柔性大臂3和柔性小臂4所受的倾覆力矩将会渐变，导致产生柔性大臂3和柔性小臂4非线性变形，柔性大臂3和柔性小臂4所形成的向下凹的挠曲线将会变小趋势，导致柔性小臂4与末端执行器7连接的倾摆补偿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，所以不赘述。

本发明的倾摆补偿式腕关节，让柔性大臂3和柔性小臂4能轻量化和小型化，还有就是扁平化柔性大臂3和柔性小臂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。倾摆补偿式腕关节能让负载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。倾摆补偿式腕关节能让负载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。

本发明的球铰轴601通过钢丝绳传动与柔性大臂3进行行星传动为现有技术，可以包含领域内任何常用机构，例如钢带传动，皮带传动，圆弧齿型带传动，齿轮传动等任何能替代钢丝绳行星传动的形式。

Claims (2)

1.一种倾摆补偿式直驱真空机器人，其特征在于：包括底座（1）、旋转筒（2）、柔性大臂（3）、柔性小臂（4）、倾摆补偿式腕关节、末端执行器（7）及柔性传动波纹管（10），其中旋转筒（2）通过圆柱副安装在底座（1）上，所述柔性大臂（3）的一端与旋转筒（2）相连，另一端与所述柔性小臂（4）的一端转动连接，该柔性小臂（4）的另一端通过倾摆补偿式腕关节与所述末端执行器（7）的一端转动连接，该末端执行器（7）的另一端用于承载负载（8）；所述倾摆补偿式腕关节包括球铰（6）及凸轮（9），该柔性小臂（4）的另一端通过球铰（6）与末端执行器（7）的一端相连，所述球铰（6）内设有柔性传动波纹管（10），该柔性传动波纹管（10）的两端分别与所述球铰（6）及末端执行器（7）连接，所述柔性小臂（4）的另一端与末端执行器（7）的一端之间设有使末端执行器（7）及承载的负载（8）相对于底座（1）直线运动的凸轮（9）；

所述球铰（6）包括球铰轴（601）及球铰凸出端（602），该球铰轴（601）转动安装于所述柔性小臂（4）的另一端内，所述末端执行器（7）的一端设有球铰凸出端（602），该球铰凸出端（602）与所述球铰轴（601）相连；

所述球铰轴（601）及球铰凸出端（602）均为内部中空结构，该球铰凸出端（602）插入球铰轴（601）内部，所述球铰轴（601）通过轴承（5）转动安装在柔性小臂（4）的另一端内；所述柔性传动波纹管（10）容置于球铰凸出端（602）内，上端与末端执行器（7）连接，下端与所述球铰轴（601）相连；

所述凸轮（9）包括凸轮本体（901）、凸轮立柱及凸轮滑道，所述凸轮立柱分为外侧凸轮立柱（904）及内侧凸轮立柱（905），该凸轮本体（901）安装在柔性小臂（4）的另一端、且位于球铰（6）的外围，所述凸轮本体（901）的上表面设有凸轮滑道；

所述凸轮滑道分为形状相同的外侧凸轮滑道（902）及内侧凸轮滑道（903），该外侧凸轮滑道（902）及内侧凸轮滑道（903）分别设置在凸轮本体（901）的上表面，且外侧凸轮滑道（902）及内侧凸轮滑道（903）的表面均为曲面；所述末端执行器（7）一端的下表面上分别安装有外侧凸轮立柱（904）及内侧凸轮立柱（905），该外侧凸轮立柱（904）及内侧凸轮立柱（905）在柔性小臂（4）的转动过程中分别沿所述外侧凸轮滑道（902）及内侧凸轮滑道（903）转动，且始终分别与外侧凸轮滑道（902）及内侧凸轮滑道（903）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）的直线运动。

2.根据权利要求1所述的倾摆补偿式直驱真空机器人，其特征在于：所述外侧凸轮立柱（904）及内侧凸轮立柱（905）的下端均为球面。

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