CN111376231A - 一种协作机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协作机器人。本发明的协作机器人包括：底座，J1肩关节，J2上臂关节，J3前臂关节，J4手腕关节，以及J5前端回转关节；所述底座上设置有J1驱动装置以及J1蜗轮减速器，所述J1肩关节进行回转运动；所述J1肩关节上设置有J2驱动装置，以及J2蜗轮减速器，所述J2上臂关节进行俯仰运动；所述J2上臂关节上设置有J3驱动装置以及J3蜗轮减速器；所述J3蜗轮减速器驱动所述J3前臂关节进行俯仰运动；所述J3前臂关节上设置有J4驱动装置以及J4蜗轮减速器；所述J5驱动装置用于驱动所述J5前端回转关节进行回转；所述J5前端回转关节包括J5轴承座以及设置在轴承座上的末端法兰。本发明提供的协作机器人具有成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种协作机器人。
背景技术
目前各国适龄劳动人数的减少，人工成本逐年提高，直接导致在产品装配、产品检测和教学演示等领域，协作机器人的需求量逐年增加。协作机器人顾名思义是能够在同一空间内与人进行协同作业的机器人，而结构简单，低成本且高安全性则成为了对协作机器人最基本的要求。目前，在工业生产领域中，并联协作机器人应用较广，而串联协作机器人由于较高的成本和较大的运动惯量，导致其很难保证人机协作的安全性以及低成本的大量配置。国外的少数串联型协作机器人由于不可控的高成本及本身自重大的原因，不仅限制了其应用范围，且无法真正实现交互式的人机协作。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种协作机器人。所述协作机器人包括：底座，J1肩关节，J2上臂关节，J3前臂关节，J4手腕关节，以及J5前端回转关节；
所述底座上设置有J1驱动装置以及与所述J1驱动装置连接的J1蜗轮减速器，所述J1蜗轮减速器在所述J1驱动装置的驱动下驱动所述J1肩关节进行回转运动；
所述J1肩关节上设置有J2驱动装置，以及与所述J2驱动装置连接的J2蜗轮减速器，所述J2蜗轮减速器在所述J2驱动装置的驱动下驱动所述J2上臂关节进行俯仰运动；
所述J2上臂关节上设置有J3驱动装置以及与J3驱动装置连接的J3蜗轮减速器；所述J3蜗轮减速器在所述J3驱动装置的驱动下驱动所述J3前臂关节进行俯仰运动；
所述J3前臂关节上设置有J4驱动装置以及与所述J4驱动装置连接的J4蜗轮减速器；所述J4蜗轮减速器在所述J4驱动装置的驱动下驱动所述J4手腕关节进行俯仰运动；
所述J4手腕关节上设置有J5驱动装置，所述J5驱动装置用于驱动所述J5前端回转关节进行回转；
所述J5前端回转关节包括J5轴承座以及设置在轴承座上的末端法兰。
在一些实施例中，所述底座包括：减速器支撑法兰，J1驱动装置以及与所述J1驱动装置连接的J1蜗轮减速器，
所述减速器支撑法兰与所述J1蜗轮减速器连接，所述J1蜗轮减速器在所述J1驱动装置的驱动下驱动所述J1肩关节进行回转运动。
在一些实施例中，所述J1肩关节包括：肩关节连接法兰，肩关节固定法兰，J2驱动装置，以及与所述J2驱动装置连接的J2蜗轮减速器，所述肩关节连接法兰将所述J1蜗轮减速器与J1肩关节连接在一起；所述肩关节固定法兰，分别连接所述肩关节连接法兰和所述J2蜗轮减速器；所述J2蜗轮减速器在所述J2驱动装置的驱动下驱动所述J2上臂关节进行俯仰运动。
在一些实施例中，所述J2上臂关节包括：上臂连接法兰，上臂碳纤维侧板，J3驱动装置以及与J3驱动装置连接的J3蜗轮减速器；所述上臂连接法兰将所述J2蜗轮减速器与J2上臂关节连接在一起；所述上臂碳纤维侧板直接与所述J3蜗轮减速器集成；所述J3蜗轮减速器在所述J3驱动装置的驱动下驱动所述J3前臂关节进行俯仰运动。
在一些实施例中，所述J3前臂关节包括：前臂连接法兰，前臂碳纤维侧板，J4驱动装置以及与所述J4驱动装置连接的J4蜗轮减速器；所述前臂连接法兰将所述J3蜗轮减速器与J3前臂关节连接在一起；所述前臂碳纤维侧板直接与所述J4蜗轮减速器集成；
所述J4蜗轮减速器在所述J4驱动装置的驱动下驱动所述J4手腕关节进行俯仰运动。
在一些实施例中，所述J1驱动装置、J2驱动装置、J3驱动装置、J4驱动装置以及J5驱动装置均为电机与减速器集成的驱动装置。
在一些实施例中，所述J1驱动装置、J2驱动装置、J3驱动装置、J4驱动装置以及J5驱动装置均为电机与减速器集成的驱动装置。
在一些实施例中，所述上臂碳纤维侧板与所述J3蜗轮减速器的外回转轴承环集成在一起。
在一些实施例中，所述上臂碳纤维侧板的内侧设置有横向拉杆。
在一些实施例中，所述前臂碳纤维侧板的内侧设置有横向拉杆。
本发明的技术效果：本发明公开的协作机器人的多个关节通过驱动装置与蜗轮减速器直连，在转换动力传输的方向的同时，降低结构的复杂性，提高动力传输效率，且蜗轮减速器具有反向自锁的特性，不仅实现了不上电的位姿固定，同时也不需要电机制动器，不仅降低了成本更降低了机械臂重量。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的协作机器人的整体结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的底座的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的J1肩关节的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的J2上臂关节的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的J3前臂关节的结构示意图；
图6为根据本发明一个实施例的J4手腕关节以及J5前端回转关节的结构示意图。
本发明实施例涉及的附图标记如下所示：
1、底座支撑板，2、底座碳纤维底板，3、底座支撑板，4、底座上盖板，5、J1蜗轮减速器5，6、减速器支撑法兰，8、J1联轴器，9、J1驱动装置，10、肩关节连接法兰，11、肩关节固定法兰，13、J2蜗轮减速器，16、J2联轴器，17、J2驱动装置，19、上臂连接法兰，20、上臂碳纤维侧板，21、上臂横向拉杆，22、J3驱动装置，23、J3电机安装法兰，25、J3蜗轮减速器，29、前臂连接法兰，30、前臂碳纤维侧板，31、J4驱动装置，34、前臂横向拉杆，35、J4蜗轮减速器，37、手腕碳纤维侧板，38、手腕横拉法兰，39、J5驱动装置，40、J5轴承座，41、末端法兰，100、底座，200、J1肩关节，300、J2上臂关节，400、J3前臂关节，500、4手腕关节，600、J5前端回转关节；1000、协作机器人。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1至图6所示，示意出了根据本发明一个实施例的协作机器人1000。所述协作机器人1000包括：本发明提供了一种协作机器人。所述协作机器人包括：底座100，J1肩关节200，J2上臂关节300，J3前臂关节400，J4手腕关节500，以及J5前端回转关节600；
所述底座100上设置有J1驱动装置9以及与所述J1驱动装置9连接的J1蜗轮减速器5，所述J1蜗轮减速器5在所述J1驱动装置9的驱动下驱动所述J1肩关节200进行回转运动；
所述J1肩关节200上设置有J2驱动装置17，以及与所述J2驱动装置17连接的J2蜗轮减速器13，所述J2蜗轮减速器13在所述J2驱动装置17的驱动下驱动所述J2上臂关节300进行俯仰运动；
所述J2上臂关节300上设置有J3驱动装置22以及与J3驱动装置22连接的J3蜗轮减速器25；所述J3蜗轮减速器25在所述J3驱动装置22的驱动下驱动所述J3前臂关节400进行俯仰运动；
所述J3前臂关节400上设置有J4驱动装置31以及与所述J4驱动装置31连接的J4蜗轮减速器35；所述J4蜗轮减速器35在所述J4驱动装置31的驱动下驱动所述J4手腕关节500进行俯仰运动；
所述J4手腕关节500上设置有J5驱动装置39，所述J5驱动装置39用于驱动所述J5前端回转关节600进行回转；
所述J5前端回转关节600包括J5轴承座40以及设置在轴承座上的末端法兰41。
在一些实施例中，所述底座100包括：减速器支撑法兰6，J1驱动装置9以及与所述J1驱动装置9连接的J1蜗轮减速器5，
所述减速器支撑法兰6与所述J1蜗轮减速器5连接，所述J1蜗轮减速器5在所述J1驱动装置9的驱动下驱动所述J1肩关节200进行回转运动。
如图2所示，所述底座100通过底座支撑板1，2底座碳纤维底板将机器人固定于地面保证机器人运行的稳定性；同时，铝合金的减速器支撑法兰6及碳纤维的底座上盖板4同时承载J1肩关节以上的重量及负载，保证了底座100的承载能力。
所述J1驱动装置9与所述J1蜗轮减速器5之间通过J1联轴器8进行连接。
在一些实施例中，所述J1肩关节200包括：肩关节连接法兰10，肩关节固定法兰11，J2驱动装置17，以及与所述J2驱动装置17连接的J2蜗轮减速器13，所述肩关节连接法兰10将所述J1蜗轮减速器5与J1肩关节200连接在一起；所述肩关节固定法兰11，分别连接所述肩关节连接法兰10和所述J2蜗轮减速器13；所述J2蜗轮减速器13在所述J2驱动装置17的驱动下驱动所述J2上臂关节300进行俯仰运动。
所述J2驱动装置17与所述J2蜗轮减速器13之间通过J2联轴器12进行连接。
如图3所示，所述J1肩关节200通过肩关节底部的肩关节连接法兰10，将J1蜗轮减速器5的输出法兰与J1肩关节连接在一起，为了保证结构强度和安装方便，设计了中空的肩关节固定法兰11，分别与肩关节连接法兰10和J2蜗轮减速器13连接，从而实现由J1蜗轮减速器5直接带动J1肩关节200的回转。
在一些实施例中，所述J2上臂关节300包括：上臂连接法兰19，上臂碳纤维侧板20，J3驱动装置22以及与J3驱动装置22连接的J3蜗轮减速器25；所述上臂连接法兰19将所述J2蜗轮减速器13与J2上臂关节300连接在一起；所述上臂碳纤维侧板20直接与所述J3蜗轮减速器25集成；所述J3蜗轮减速器25在所述J3驱动装置22的驱动下驱动所述J3前臂关节400进行俯仰运动。
如图4所示，所述J2上臂关节300通过上臂连接法兰19与J2蜗轮减速器13连接进行俯仰运动的。由于碳纤维板材无法制作法兰面，且锻造碳纤维价格高昂，因此，通过少量铝合金连接件连接碳纤维结构成为最为有效的方式。同时，将上臂碳纤维侧板20直接与J3蜗轮减速器25的外回转轴承环集成，不仅增加了结构的刚性，更避免了额外的零件，降低了本体的重量。且中空的框架式设计提高了机器人手臂的运动范围，并使机器人可以设计为对心式结构，便于对机器人各个关节进行位姿控制。为了增加手臂的回转刚度，通过在上臂碳纤维侧板20的内侧添加POM横向拉杆来抵消碳纤维的剪切应力，从而缩小急加速急减速过程中，碳纤维板材的形变量，提高了运动精度。
在一些实施例中，所述J3前臂关节400包括：前臂连接法兰29，前臂碳纤维侧板30，J4驱动装置31以及与所述J4驱动装置31连接的J4蜗轮减速器35；所述前臂连接法兰29将所述J3蜗轮减速器25与J3前臂关节400连接在一起；所述前臂碳纤维侧板30直接与所述J4蜗轮减速器35集成；
所述J4蜗轮减速器35在所述J4驱动装置31的驱动下驱动所述J4手腕关节500进行俯仰运动。
如图5所示，所述J3前臂关节400的结构方式与上臂关节300类似，通过前臂连接法兰29与J3蜗轮减速器25的输出法兰连接，从而带动前臂关节400的俯仰运动。前臂碳纤维侧板30直接与J4蜗轮减速器35的外壳连接。
如图6所示，J4手腕关节500通过手腕碳纤维侧板37直接与J4蜗轮减速器35连接，从而带动J4手腕关节500的俯仰运动。而J5回转关节600与固接在手腕横拉法兰38上的J5电机及减速器39的输出轴通过轴套和紧定螺钉连接，从而带动末端法兰41的回转。末端法兰41的回转留有M3的螺纹孔用于固定负载。
在一些实施例中，所述J1驱动装置9、J2驱动装置17、J3驱动装置22、J4驱动装置31以及J5驱动装置39均为电机与减速器集成的驱动装置。
在一些实施例中，所述J1驱动装置9、J2驱动装置17、J3驱动装置22、J4驱动装置31以及J5驱动装置39均为电机与减速器集成的驱动装置。
在一些实施例中，所述上臂碳纤维侧板20与所述J3蜗轮减速器25的外回转轴承环集成在一起。
在一些实施例中，所述上臂碳纤维侧板20的内侧设置有横向拉杆。所述横向拉杆为上臂横向拉杆21。
在一些实施例中，所述前臂碳纤维侧板30的内侧设置有横向拉杆。所述横向拉杆为前臂横向拉杆34。
本发明的技术效果：本发明公开的协作机器人的多个关节通过驱动装置与蜗轮减速器直连，在转换动力传输的方向的同时，降低结构的复杂性，提高动力传输效率，且蜗轮减速器具有反向自锁的特性，不仅实现了不上电的位姿固定，同时也不需要电机制动器，不仅降低了成本更降低了机械臂重量。
本发明实施例公开的协作机器人主要结构件由碳纤维板状结构和铝合金法兰组成，上臂关节及前臂关节通过POM材质的上臂横向拉杆前臂横向拉杆进行加固，从而在保证结构刚性的情况下降低了机器人的自重。由于各关节的动力均由蜗轮减速器输出，这样的设计能够直接改变动力传输的方向，取代了齿轮和轴等复杂的转动系统，从而在保证精度的同时进一步降低了机器人自重。再此基础上，减速器轴承环法兰集成在关节侧板上，同时输出法兰和关节侧板均直接采用碳纤维板材进行机加工，在保证强度的同时，再次减少了机器人的自重，进一步提高了其负载和自重比。
本发明实施例公开的协作机器人以廉价的碳纤维版材及加工件代替铝合金或钢组成机器人的主要本体结构，有效降低了机器人运动的惯量，提高了其负载自重比。通过将蜗轮减速器直接集成在碳纤维法兰上，利用其实现动力传递方向变换的同时，实现了每个关节的轴线端点首尾相接，降低了关节质量和位姿控制难度。利用蜗轮减速器具有反向自锁的特性，具有不上电的位姿保持能力，不需要电机制动器，不仅降低了成本更降低了机械臂重量。
本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种协作机器人，其特征在于，包括：
底座，J1肩关节，J2上臂关节，J3前臂关节，J4手腕关节，以及J5前端回转关节；
所述底座上设置有J1驱动装置以及与所述J1驱动装置连接的J1蜗轮减速器，所述J1蜗轮减速器在所述J1驱动装置的驱动下驱动所述J1肩关节进行回转运动；
所述J1肩关节上设置有J2驱动装置，以及与所述J2驱动装置连接的J2蜗轮减速器，所述J2蜗轮减速器在所述J2驱动装置的驱动下驱动所述J2上臂关节进行俯仰运动；
所述J2上臂关节上设置有J3驱动装置以及与J3驱动装置连接的J3蜗轮减速器；所述J3蜗轮减速器在所述J3驱动装置的驱动下驱动所述J3前臂关节进行俯仰运动；
所述J3前臂关节上设置有J4驱动装置以及与所述J4驱动装置连接的J4蜗轮减速器；所述J4蜗轮减速器在所述J4驱动装置的驱动下驱动所述J4手腕关节进行俯仰运动；
所述J4手腕关节上设置有J5驱动装置，所述J5驱动装置用于驱动所述J5前端回转关节进行回转；
所述J5前端回转关节包括J5轴承座以及设置在轴承座上的末端法兰。
2.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述底座包括：减速器支撑法兰，J1驱动装置以及与所述J1驱动装置连接的J1蜗轮减速器，所述减速器支撑法兰与所述J1蜗轮减速器连接，所述J1蜗轮减速器在所述J1驱动装置的驱动下驱动所述J1肩关节进行回转运动。
3.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述J1肩关节包括：肩关节连接法兰，肩关节固定法兰，J2驱动装置，以及与所述J2驱动装置连接的J2蜗轮减速器，所述肩关节连接法兰将所述J1蜗轮减速器与J1肩关节连接在一起；所述肩关节固定法兰，分别连接所述肩关节连接法兰和所述J2蜗轮减速器；所述J2蜗轮减速器在所述J2驱动装置的驱动下驱动所述J2上臂关节进行俯仰运动。
4.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述J2上臂关节包括：上臂连接法兰，上臂碳纤维侧板，J3驱动装置以及与J3驱动装置连接的J3蜗轮减速器；所述上臂连接法兰将所述J2蜗轮减速器与J2上臂关节连接在一起；所述上臂碳纤维侧板直接与所述J3蜗轮减速器集成；所述J3蜗轮减速器在所述J3驱动装置的驱动下驱动所述J3前臂关节进行俯仰运动。
5.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述J3前臂关节包括：前臂连接法兰，前臂碳纤维侧板，J4驱动装置以及与所述J4驱动装置连接的J4蜗轮减速器；所述前臂连接法兰将所述J3蜗轮减速器与J3前臂关节连接在一起；所述前臂碳纤维侧板直接与所述J4蜗轮减速器集成；所述J4蜗轮减速器在所述J4驱动装置的驱动下驱动所述J4手腕关节进行俯仰运动。
6.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述J1驱动装置、J2驱动装置、J3驱动装置、J4驱动装置以及J5驱动装置均为电机与减速器集成的驱动装置。
7.根据权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述J1驱动装置、J2驱动装置、J3驱动装置、J4驱动装置以及J5驱动装置均为电机与减速器集成的驱动装置。
8.根据权利要求4所述的协作机器人，其特征在于，所述上臂碳纤维侧板与所述J3蜗轮减速器的外回转轴承环集成在一起。
9.根据权利要求4所述的协作机器人，其特征在于，所述上臂碳纤维侧板的内侧设置有横向拉杆。
10.根据权利要求5所述的协作机器人，其特征在于，所述前臂碳纤维侧板的内侧设置有横向拉杆。
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