CN111452085A - 一种机器人手腕及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业机器人技术领域，具体公开了一种机器人手腕，包括小臂基体、手腕基体、自转驱动机构、俯仰驱动机构，以及对手腕基体俯仰运动辅助支撑的辅助支撑机构；手腕基体内开有空腔，自转驱动机构设置于空腔内，自转驱动机构包括自转驱动电机和自转减速器；俯仰驱动机构包括俯仰减速器。本发明还公开了上述机器人手腕的使用方法，包括自转控制步骤和俯仰控制步骤。本发明属于电机前置式，俯仰自由度高，自转传动精度高。

Description

一种机器人手腕及其使用方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，尤其涉及一种机器人手腕及其使用方法。

背景技术

现代机器人手腕又称为机器人姿态机构，如图1所示，手腕基体的姿态可由三个方位来确定，分别为侧摆角α、俯仰角β和自转角γ。大臂1、小臂2和手腕3依次连接，手腕3的图形姿态可以看作是处于X₃方向的手腕3先绕Z₃在平面X₃O₃Y₃内旋转α角，然后在Y₃与Z₃组成的垂直平面Y₃O₃Z₃内向上旋转β角得到，如果0°≤α≤360°、0°≤β≤360°、0°≤γ≤360°，则手腕3达到完全灵活。

现代机器人手腕从结构形式上分为三自由度手腕和二自由度手腕，其中，二自由度手腕可以分为电机前置式和电机后置式。

电机前置式是将电机置于手腕内，简化了传动结构，避免了传动过程的轴线干扰，提高了传动精度，但加大了手腕的重量，不利于手腕平衡，而电机后置式是将电机置于小臂后端或小臂空腔内，利于小臂平衡，但增加了传动方案的复杂度并减小了传动精度。

为解决电机后置式传动精度低，负载较大的问题，本申请人在先申请了一种二自由度工业机器人的手腕（申请公布号为CN102284959A的中国发明专利申请），公开了一种二自由度工业机器人的手腕，包括自转驱动机构和俯仰驱动机构，自转驱动机构包括动力输入轴、锥形齿轮组和自转齿轮轴，动力输入轴一端与自转齿轮轴一端通过锥形齿轮组连接，动力输入轴另一端外接自转动力源，自转齿轮轴另一端与手腕末端执行器连接，动力输入轴与自转齿轮轴垂直设置，动力输入轴设于手腕基体的轴线方向上；俯仰驱动机构包括俯仰齿轮轴，俯仰齿轮轴一端外接俯仰动力源，俯仰齿轮轴另一端与手腕基体连接，俯仰齿轮轴设于手腕基体的轴向方向上。

上述专利是对电机后置式进行改进，传动精度高，平衡性高，但是仍存在以下问题：

（1）俯仰角β的运动范围仅为：-90°≤β≤+90°，俯仰自由度较低；

（2）通过第一电机、动力输入轴、锥形齿轮组、自转齿轮轴、第一谐波减速器等部件完成手腕基体完成自转过程，整个过程的自转传动精度有待于进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自转传动精度更佳，并且俯仰自由度高的机器人手腕及其使用方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种机器人手腕及其使用方法，包括小臂基体、手腕基体、自转驱动机构和俯仰驱动机构，以及对手腕基体俯仰运动辅助支撑的辅助支撑机构；俯仰驱动机构的俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°；

手腕基体内开有空腔，自转驱动机构设置于空腔内，自转驱动机构包括自转驱动电机和自转减速器，自转驱动电机的输出轴与自转减速器的波发生器连接；

俯仰驱动机构包括俯仰减速器，小臂基体的一侧开有小臂安装孔，小臂基体的另一侧开有小臂布线孔，小臂安装孔和小臂布线孔正对布置，俯仰减速器设置于小臂安装孔上，辅助支撑机构设置于小臂布线孔上。

本发明还公开了一种机器人手腕使用方法，包括自转控制步骤和俯仰控制步骤；

自转控制步骤如下：启动自转驱动电机，自转驱动电机通过自转减速器减速后带动自转末端法兰转动，从而带动末端执行器的自转动作；

俯仰控制步骤如下：启动俯仰驱动电机，俯仰驱动电机通过俯仰主动轮、同步带、俯仰从动轮和俯仰减速器带动手腕基体做俯仰运动，手腕基体俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°。

本技术方案的工作原理和有益效果在于：

（1）本技术方案属于电机前置式，并且通过自转驱动电机和自转减速器直连的方式，驱动末端执行器自转，极大地简化传动结构，提高自转传动精度、装配效率和合格率。

（2）本技术方案独立设置自转驱动机构和俯仰驱动机构，可实现自转和俯仰两个自由度的独立运动。

（3）本技术方案中俯仰驱动机构的俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°，俯仰自由度更高。

（4）本技术方案中的辅助支撑机构是手腕基体俯仰运动的辅助支撑，能够有效平衡小臂基体两侧的受力，提高小臂基体的平衡和机器人运行的平稳性，进一步提升产品一致性和可靠性。

优选的，辅助支撑机构包括辅助支撑套和轴承，辅助支撑套通过轴承转动连接在小臂布线孔上。本技术方案能够十分简便地对手腕基体俯仰运动进行辅助支撑。

优选的，小臂基体内开有安装腔，俯仰驱动机构还包括俯仰驱动电机、俯仰主动轮、同步带和俯仰从动轮，俯仰驱动电机固定连接在小臂安装孔上，俯仰驱动电机的输出轴与俯仰主动轮固定连接，俯仰主动轮通过同步带带动俯仰从动轮转动，俯仰从动轮安装在俯仰减速器的输入轴上。本技术方案能够准确地控制手腕基体进行俯仰运动，传动精度高。

优选的，还包括同步带调节机构，同步带调节机构包括第一张紧块和第二张紧块，俯仰驱动机构还包括俯仰电机法兰，俯仰驱动电机与俯仰电机法兰固定连接，第一张紧块固定连接在俯仰电机法兰上，第二张紧块固定连接在小臂基体上，通过螺钉能够调节第一张紧块和第二张紧块之间的距离。本技术方案能够准确保证俯仰主动轮通过同步带带动俯仰从动轮转动，提高了俯仰传动准确度。

优选的，还包括用于对自转减速器的波发生器定位的自转定位件，自转定位件包括压盖和第一平键。本技术方案提高了自转传动精度。

优选的，还包括俯仰定位件，俯仰定位件包括主动轮垫片、第二平键、从动轮垫片和第三平键，俯仰主动轮通过主动轮垫片和第二平键定位；俯仰从动轮通过从动轮垫片和第三平键进行定位。本技术方案提高了俯仰传动精度。

附图说明

图1为现有技术中大臂、小臂和手腕的连接结构示意图；

图2为本发明实施例的部分纵截面剖视图；

图3为沿图2中A方向的主视图；

图4为沿图2中B方向的仰视图。

说明书附图中的附图标记包括：大臂1、小臂2、小臂基体201、安装口202、手腕3、手腕基体301、端盖4、自转驱动机构5、自转驱动电机501、自转电机法兰502、自转减速器503、自转末端法兰504、自转定位件6、压盖601、第一平键602、俯仰驱动电机701、俯仰电机法兰702、俯仰主动轮703、同步带704、俯仰从动轮705、俯仰减速器706、俯仰减速器法兰707、主动轮垫片801、第二平键802、从动轮垫片803、第三平键804、同步带调节机构9、第一张紧块901、第二张紧块902、辅助支撑机构10、辅助支撑套1001、中心孔1002、深沟球轴承1003、轴承压盖1004、第一密封圈11、第二密封圈12、第三密封圈13、第四密封圈14、第五密封圈15、第六密封圈16、第七密封圈17、第一油封18、第八密封圈19、第二油封20、限位块21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例基本如附图2-4所示：一种机器人手腕，包括小臂基体201、手腕基体301、自转驱动机构5、俯仰驱动机构、同步带调节机构9和辅助支撑机构10。

小臂基体201内开有纵截面呈U型的安装口202。手腕基体301转动连接在小臂基体201的安装口202上。

手腕基体301内开有空腔，自转驱动机构5设置于空腔内，沿手腕基体301的自转轴线方向，自转驱动机构5作为一个整体安装到手腕基体301的空腔内，实现整体组装和拆卸。为了进一步方便自转驱动机构5的装配、自转驱动机构5的布线，以及观察手腕基体301的内部结构，手腕基体301后部通过螺钉连接有端盖4，小臂基体201的一侧开有小臂安装孔，小臂基体201的另一侧开有小臂布线孔，小臂安装孔和小臂布线孔正对布置。

自转驱动机构5包括依次连接的自转驱动电机501、自转电机法兰502、自转减速器503和自转末端法兰504，自转减速器503为现有技术中苏州绿的谐波传动科技有限公司生产的型号为LCSG的谐波减速器。

自转驱动电机501为自转动力源，自转驱动电机501通过螺钉固定连接在自转电机法兰502上，自转减速器503的左端钢轮通过两个短螺钉固定连接在自转电机法兰502，通过螺钉将自转电机法兰502、自转减速器503和自转末端法兰504这一个整体固定连接在手腕基体301上。自转减速器503的右端柔轮与自转末端法兰504连接，自转末端法兰504外接末端执行器。

为了提高自转传动精度，自转定位件6包括压盖601和第一平键602。自转减速器503的波发生器靠压盖601进行轴向定位，靠第一平键602进行周向定位和扭矩传递。

压盖601通过螺钉与自转减速器503的波发生器连接，然后作为整体（通过螺钉）套装在自转驱动电机501的输出轴上，启动自转驱动电机501，自转驱动电机501带动自转定位件6和自转减速器503的波发生器转动，自转减速器503的波发生器再传递扭矩给自转减速器503的柔轮。

为了密封手腕基体301内部，防止水和灰尘等物质进入手腕基体301内部，手腕基体301和端盖4之间嵌设有第一密封圈11，手腕基体301和自转电机法兰502之间嵌设有第二密封圈12。

为了实现自转驱动机构5内部油脂密封和外部防水防尘，自转驱动电机501和自转电机法兰502之间嵌设有第三密封圈13，自转电机法兰502和自转减速器503之间嵌设有第四密封圈14，自转减速器503和自转末端法兰504之间设有第五密封圈15和第六密封圈16。

俯仰驱动机构包括俯仰驱动电机701、俯仰电机法兰702、俯仰主动轮703、同步带704、俯仰从动轮705、俯仰减速器706和俯仰减速器法兰707。俯仰减速器706为现有技术中苏州绿的谐波传动科技有限公司生产的型号为LHSG的谐波减速器。

小臂基体201内开有安装腔，俯仰驱动电机701处于安装腔内，俯仰驱动电机701作为俯仰动力源，通过螺钉安装在俯仰电机法兰702上，俯仰驱动电机701的输出轴与俯仰主动轮703通过螺钉连接，俯仰主动轮703通过同步带704与俯仰从动轮705连接，俯仰从动轮705通过螺钉安装在俯仰减速器706的输入轴上，俯仰减速器706的底部通过螺钉安装在俯仰减速器法兰707上，俯仰减速器706的顶部和手腕基体301通过螺钉固定连接。俯仰减速器法兰707通过螺钉与小臂基体201连接。俯仰减速器706处于手腕基体301的俯仰旋转轴线上。

俯仰定位件包括主动轮垫片801、第二平键802、从动轮垫片803和第三平键804。俯仰主动轮703通过主动轮垫片801进行轴向定位，俯仰主动轮703通过第二平键802进行周向定位和扭矩传递。俯仰从动轮705通过靠从动轮垫片803进行轴向定位，靠第三平键804进行周向定位和扭矩传递。

同步带调节机构9包括第一张紧块901和第二张紧块902。第一张紧块901通过螺栓固定连接在俯仰电机法兰702上，第二张紧块902通过螺栓固定连接在小臂基体201上，通过转动螺钉，第一张紧块901带动俯仰电机法兰702，俯仰电机法兰702带动俯仰驱动电机701和俯仰主动轮703向左移动，从而调节第一张紧块901和第二张紧块902的相对位置，就可以调节俯仰主动轮703和俯仰从动轮705的相对位置，从而调节同步带704的张紧力至适当大小，使俯仰驱动机构正常运行。

为了俯仰减速器706的密封，防止水和灰尘等物质进入俯仰驱动机构内部，俯仰减速器706和小臂基体201之间嵌设有第七密封圈17，俯仰减速器706和手腕基体301之间设有第一油封18。

辅助支撑机构10包括辅助支撑套1001、深沟球轴承1003和轴承压盖1004。辅助支撑套1001的中部开有中心孔1002，中心孔1002用于自转驱动电机501的布线设计。辅助支撑套1001通过一个深沟球轴承1003与小臂基体201相连接，并用轴承压盖1004压紧深沟球轴承1003的内圈，即辅助支撑套1001通过深沟球轴承1003转动连接在小臂基体201的小臂布线孔上。深沟球轴承1003的作用是支撑辅助支撑套1001并实现辅助支撑套1001的转动。辅助支撑套1001设置于手腕基体301的俯仰旋转轴线方向上。

辅助支撑套1001和手腕基体301的之间设有第八密封圈19，辅助支撑套1001和小臂基体201之间设有第二油封20。第二油封20设于深沟球轴承1003下方。第八密封圈19和第二油封20实现辅助支撑套1001部位的密封，防止水和灰尘等物质进入机构内部。

本实施例采用电机前置式，应用时，手腕3（手腕基体301）的自转运动通过自转驱动机构5实现，手腕3（手腕基体301）的俯仰运动通过俯仰驱动机构实现。

本实施例还公开了上述机器人手腕使用方法，包括自转控制步骤和俯仰控制步骤。

自转控制步骤如下：手腕3（手腕基体301）自转时，自转驱动电机501通过自转减速器503减速后带动自转末端法兰504转动，从而实现末端执行器的自转动作。

俯仰控制步骤如下：手腕3（手腕基体301）俯仰时，俯仰驱动电机701通过俯仰主动轮703、同步带704带动俯仰从动轮705转动，经俯仰减速器706减速后带动手腕基体301做俯仰运动。

俯仰驱动机构的俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°，具体的，如图4所示，小臂基体201靠近手腕基体301的一侧一体连接有两个限位块21，两个限位块21分别处于小臂基体201的上侧和小臂基体201的下侧，手腕基体301俯仰时，限位块21限制了俯仰角β的范围。

辅助支撑套1001起到辅助支撑手腕基体301的作用，平衡小臂2（小臂基体201）两侧的受力，实现末端执行器的俯仰动作。

本实施例设置了完善的密封结构，避免减速器内部油脂泄漏到机器人手腕3（手腕基体301）外部，同时也防止外部的水和灰尘等物质进入手腕3（手腕基体301）内部，提升机器人手腕3（手腕基体301）的防护等级。

本实施例不仅极大地简化传动结构，提高装配效率、合格率，而且有利于小臂2（小臂基体201）部分的平衡和机器人运行的平稳性，提升产品一致性和可靠性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人手腕，其特征在于，包括小臂基体（201）、手腕基体（301）、自转驱动机构（5）和俯仰驱动机构，以及对手腕基体（301）俯仰运动辅助支撑的辅助支撑机构（10）；俯仰驱动机构的俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°；

手腕基体（301）内开有空腔，自转驱动机构设置于空腔内，自转驱动机构（5）包括自转驱动电机（501）和自转减速器（503），自转驱动电机（501）的输出轴与自转减速器（503）的波发生器连接；

俯仰驱动机构包括俯仰减速器（706），小臂基体（201）的一侧开有小臂安装孔，小臂基体（201）的另一侧开有小臂布线孔，小臂安装孔和小臂布线孔正对布置，俯仰减速器（706）设置于小臂安装孔上，辅助支撑机构（10）设置于小臂布线孔上。

2.根据权利要求1所述的一种机器人手腕，其特征在于，辅助支撑机构（10）包括辅助支撑套（1001）和轴承，辅助支撑套（1001）通过轴承转动连接在小臂布线孔上。

3.根据权利要求1或2所述的一种机器人手腕，其特征在于，小臂基体（201）内开有安装腔，俯仰驱动机构还包括俯仰驱动电机（701）、俯仰主动轮（703）、同步带（704）和俯仰从动轮（705），俯仰驱动电机（701）固定连接在小臂安装孔上，俯仰驱动电机（701）的输出轴与俯仰主动轮（703）固定连接，俯仰主动轮（703）通过同步带（704）带动俯仰从动轮（705）转动，俯仰从动轮（705）安装在俯仰减速器（706）的输入轴上。

4.根据权利要求1或2所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括同步带调节机构（9），同步带调节机构（9）包括第一张紧块（901）和第二张紧块（902），俯仰驱动机构还包括俯仰电机法兰（702），俯仰驱动电机（701）与俯仰电机法兰（702）固定连接，第一张紧块（901）固定连接在俯仰电机法兰（702）上，第二张紧块（902）固定连接在小臂基体（201）上，通过螺钉能够调节第一张紧块（901）和第二张紧块（902）之间的距离。

5.根据权利要求1或2所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括用于对自转减速器（503）的波发生器定位的自转定位件（6），自转定位件（6）包括压盖（601）和第一平键（602）。

6.根据权利要求3所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括用于对自转减速器（503）的波发生器定位的自转定位件（6），自转定位件（6）包括压盖（601）和第一平键（602）。

7.根据权利要求4所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括用于对自转减速器（503）的波发生器定位的自转定位件（6），自转定位件（6）包括压盖（601）和第一平键（602）。

8.根据权利要求3所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括俯仰定位件，俯仰定位件包括主动轮垫片（801）、第二平键（802）、从动轮垫片（803）和第三平键（804），俯仰主动轮（703）通过主动轮垫片（801）和第二平键（802）定位；俯仰从动轮（705）通过从动轮垫片（803）和第三平键（804）进行定位。

9.根据权利要求6所述的一种机器人手腕，其特征在于，还包括俯仰定位件，俯仰定位件包括主动轮垫片（801）、第二平键（802）、从动轮垫片（803）和第三平键（804），俯仰主动轮（703）通过主动轮垫片（801）和第二平键（802）定位；俯仰从动轮（705）通过从动轮垫片（803）和第三平键（804）进行定位。

10.一种机器人手腕使用方法，包括自转控制步骤和俯仰控制步骤；

自转控制步骤如下：启动自转驱动电机（501），自转驱动电机（501）通过自转减速器（503）减速后带动自转末端法兰（504）转动，从而带动末端执行器的自转动作；

俯仰控制步骤如下：启动俯仰驱动电机（701），俯仰驱动电机（701）通过俯仰主动轮（703）、同步带（704）、俯仰从动轮（705）和俯仰减速器（706）带动手腕基体（301）做俯仰运动，手腕基体（301）俯仰角β的范围是：-140°≤β≤+140°。

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