CN112743568B - 一种工业机器人手腕和相应的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业机器人手腕，包括壳体和谐波减速器，谐波减速器具有输入轴和输出法兰，所述输出法兰连接至所述壳体并驱动所述壳体转动。该手腕还包括至少一个传动轴，其延伸穿过所述谐波减速器进入所述关节壳体的内部。本发明的工业机器人手腕具有结构紧凑、重量轻、传动精度高、使用寿命长、使用方式简单等特点。本发明还提供了一种包括该手腕的工业机器人。

Description

一种工业机器人手腕和相应的机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及一种包括三个相互正交旋转关节的工业机器人手腕，以及包括该机器人手腕的机器人。

背景技术

随着用人成本的提升，工业机器人在工业生产中的应用越来越广泛，尤其是汽车产业与3C行业。工业机器人的应用，极大的提高了生产效率与产品一致性，将人们从有危害的工作环境中解脱出来。目前焊接领域、喷涂领域、打磨领域都是工业机器人集中应用的方向。工业机器人主要是通过手腕的动作来执行各种工作，所以一个结构简单、灵活快速的手腕对于工业机器人来说至关重要。

由于现有三个相互正交旋转关节的工业机器人手腕采用了大模数锥齿轮进行动力传动，通过装配大轴承承担弯矩，增大了加工成本与难度，降低了装配效率，同时锥齿轮直接作为输出端很难保证旋转精度，手腕在工作过程中大模数锥齿轮啮合的声音很大，影响用户使用体验。

本发明旨在至少克服上面提及的现有技术中的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种结构紧凑、旋转精度高、工作噪音小、低成本的拥有三个正交旋转轴的工业机器人手腕。

在第一方面，本发明提供了一种工业机器人手腕，包括：谐波减速器，其有输入轴、安装法兰和输出法兰；以及第一壳体，位于谐波减速器的第一侧，并连接至所述安装法兰，输入轴位于第一壳体内。

优选地，工业机器人手腕还包括第二壳体，位于谐波减速器的第二侧，并连接至所述输出法兰，输出法兰相对于安装法兰转动，从而驱动第二壳体相对于第一壳体转动。

优选地，第一壳体限定直角形腔室，在该直角形腔室内，输入轴经由锥齿与第一上游传动轴联接。

优选地，所述谐波减速器是中空的，其限定贯通所述输入轴、安装法兰和输出法兰的中心腔室；并且，所述工业机器人手腕还包括传动轴，其从第一壳体穿过所述中心腔室延伸至第二壳体内。

优选地，在第一壳体的直角形腔室内，所述传动轴经由锥齿与第二上游传动轴联接，所述第二上游传动轴延伸穿过所述第一上游传动轴的内侧。

优选地，第二壳体限定另一直角形腔室，在该另一直角形腔室内，所述传动轴经由锥齿与下游传动轴或另一谐波减速器的输入轴联接。

另外优选地，所述谐波减速器是中空的，其限定贯通所述输入轴、安装法兰和输出法兰的中心腔室；并且，所述工业机器人手腕包括两个同轴设置的内侧传动轴和外侧传动轴，二者从第一壳体穿过所述中心腔室延伸至第二壳体内。

优选地，在第一壳体的直角形腔室内，所述外侧传动轴经由锥齿与第二上游传动轴联接，所述内侧传动轴经由锥齿与第三上游传动轴联接，第三上游传动轴延伸穿过第二上游传动轴的内侧，第二上游传动轴延伸穿过第一上游传动轴的内侧。

优选地，第二壳体限定另一直角形腔室，在该另一直角形腔室内，所述外侧传动轴经由锥齿与另一谐波减速器的输入轴联接，所述内侧传动轴经由锥齿与下游传动轴联接，所述下游传动轴延伸穿过所述另一谐波减速器的输入轴。

优选地，工业机器人手腕还包括第三壳体和另一谐波减速器，其有另一输入轴、另一安装法兰和另一输出法兰；其中，第二壳体位于另一谐波减速器的第一侧，并连接至所述另一安装法兰，所述另一输入轴位于第二壳体内；第三壳体位于另一谐波减速器的第二侧，并连接至所述另一输出法兰，所述另一输出法兰相对于所述另一安装法兰转动，从而驱动第三壳体相对于第二壳体转动。

在第二方面，本发明提供了一种工业机器人手腕，包括：动力输入组件，其包括同轴设置的外输入轴、中输入轴和内输入轴；第一减速器组件，其包括第一谐波减速器，第一谐波减速器具有第一输入轴和第一输出法兰，第一输入轴和外输入轴通过锥齿联接，中一级传动轴、内一级传动轴同轴设置且延伸穿过第一谐波减速器，中一级传动轴和中输入轴通过锥齿联接，内一级传动轴和内输入轴通过锥齿联接；第二减速器组件，其包括第二谐波减速器，第二谐波减速器具有第二输入轴和第二输出法兰，第二输入轴和中一级传动轴通过锥齿联接，内二级传动轴同轴设置、且延伸穿过第二谐波减速器，内二级传动轴和内一级传动轴通过锥齿联接；第三减速器组件，其包括第三谐波减速器，第三谐波减速器具有第三输入轴和第三输出法兰，第三输入轴和内二级传动轴通过锥齿联接。

优选地，所述工业机器人手腕还包括：第一壳体，其包括彼此垂直相交的两个圆筒部，在第一壳体的内侧，动力输入组件的外输入轴、中输入轴和内输入轴的下游端与第一减速器组件的第一输入轴、中一级传动轴和内一级传动轴的上游端分别通过锥齿联接；第二壳体，其包括彼此垂直相交的两个圆筒部，在第二壳体的内侧，第一减速器组件的中一级传动轴和内一级传动轴的下游端与第二减速器组件的第二输入轴和内二级传动轴的上游端分别通过锥齿联接；以及第三壳体，其包括彼此垂直相交的两个圆筒部，在第三壳体的内侧，第二减速器组件的内二级传动轴的下游端和第三减速器组件的第三输入轴的上游端通过锥齿联接。

优选地，所述第一壳体的第一圆筒部设有手腕与外部连接的接口且设有动力输入组件的安装接口，第二圆筒部设有与第一谐波减速器连接的接口，两个圆筒部交汇处设有与两圆筒部轴线斜交的第一平面开口；所述第二壳体的第一圆筒部设有与第一谐波减速器的第一输出法兰连接的接口，第二圆筒部设有与第二谐波减速器连接的接口，其两个圆筒部交汇处设有与两圆筒部轴线斜交的第二平面开口；所述第三壳体的第一圆筒部设有与第二谐波减速器的第二输出法兰连接的接口，第二圆筒部设有与第三谐波减速器连接的接口，其两个圆筒部交汇处设有与两圆筒部轴线斜交的第三平面开口。

优选地，第一盖体可拆卸地安装至第一平面开口；第二盖体可拆卸地安装至第二平面开口；第三盖体可拆卸地安装至第三平面开口。

优选的，所述动力输入组件的外输入轴、中输入轴和内输入轴彼此之间通过轴承支承，外输入轴通过轴承支承到具有法兰接口的轴承座上，所述法兰接口连接至第一壳体的第一圆筒部。

优选地，外输入轴、中输入轴和内输入轴中的每一个的上游端为花键，中输入轴的花键位于外输入轴和内输入轴的花键之间。

优选地，所述第一减速器组件的中一级传动轴和内一级传动轴彼此之间通过轴承支承，中一级传动轴通过轴承支承到由第一轴承座、第一谐波减速器、第一输入轴构成的腔体内部，内一级传动轴通过轴承支承到中一级传动轴的内部。

优选地，中一级传动轴和内一级传动轴两端均为锥齿；第一谐波减速器的第一输入轴的端部为锥齿；第一谐波减速器的下游端设置轴承座用于支持中一级传动轴。

优选地，所述第二减速器组件的内二级传动轴通过轴承支承到由第二谐波减速器、第二输入轴构成的腔体内部。

优选地，内二级传动轴两端均为锥齿；第二谐波减速器的第二输入轴的端部为锥齿。

优选地，第三谐波减速器的第三输入轴的端部为锥齿；第三谐波减速器的第三输出法兰用于连接工业机器人手腕的工作部件。

在第三方面，本发明提供了一种工业机器人，包括根据上述任一项所述的工业机器人手腕。

优选地，该工业机器人具有三个相互正交的旋转轴。

根据本发明的机器人手腕和机器人至少具有以下优势：

-通过使用谐波减速器，可以降低上游伺服电机端的输出转矩，进而减小电机和传动锥齿的尺寸，由于谐波减速器体积小、重量轻、速比大、精度高的特点，能够精简手腕的传动结构，减小手腕的体积和重量，同时相比于其他减速方式显著提高了传动精度。

-本发明所述工业机器人手腕在组装完成后可通过壳体上的接口直接安装到工业机器人小臂上，这样实现了模块化安装，可单独进行组装测试，提高了装配效率及装机成品率；而且，在工作现场出现手腕损坏等现象可进行简单操作即可更换手腕，减少企业因停工带来的损失。

-本发明所述工业机器人手腕具有三个相互正交的旋转轴，使手腕更加灵活，能够实现更多复杂动作。同时三个相互正交的旋转轴能大幅度降低6轴工业机器人产生奇异点的几率，提高工作稳定性及工作效率。

-本发明所述工业机器人手腕采用模块化设计，手腕工作时远离伺服驱动电机，提高了结构防护等级，使工业机器人整体更容易进行防爆设计，此手腕可广泛应用于防爆工业机器人。

附图说明

下文将通过参考附图并借助作为非限制性示例给出的具体实施方式进一步说明本发明的特征和优势，在附图中：

图1是本发明实施例中动力输入组件的组装结构示意图；

图2是本发明实施例中第一减速器组件的组装结构示意视图；

图3是本发明实施例中第二减速器组件的组装结构示意视图；

图4是本发明实施例中第三减速器组件的组装结构示意视图；

图5是是本发明实施例手腕整体组件拆分结构示意视图；

图6是是本发明实施例手腕整体组件传动示意视图。

具体实施方式

在附图和说明中，相同的元件由相同的附图标记表示。图1示出了本发明工业机器人手腕中动力输入组件1100的组装结构示意图。如图1所示该组件有三个同心输入轴。外输入轴1102是空心旋转轴，一端为可拆卸花键1102-1，另一端为可拆卸锥齿1102-2，外输入轴1102的外表面通过轴承支承于轴承座1101内部，内表面通过轴承支承中输入轴1103。轴承座1101是整个组件的基座，具有与第一壳体1001中第一圆筒部连接的法兰接口。中输入轴1103是空心旋转轴，一端为可拆卸花键1103-1，另一端为可拆卸锥齿1103-2。内输入轴1104一端为可拆卸花键1104-1，另一端为可拆卸锥齿1104-2，内输入轴1104的外表面通过轴承支承于中输入轴1103的内部。整个组件的三个花键1102-1、1103-1、1104-1在同一端，从由外侧轴向内侧轴依次变细变长，便于与工业机器人小臂接口安装；三个锥齿1102-2、1103-2、1104-2在另一端由外侧轴向内侧轴依次变小变长，便于组装和传递动力。

在本发明的第一减速器组件1200中，如图2所示，第一谐波减速器1201为中空的谐波减速器。第一谐波减速器1201的中空波发生器一端连接第一输入轴1202，另一端连接第一轴承座1203。第一输入轴1202通过螺钉固定在第一谐波减速器1201的中空波发生器接口上，通过接收上一级外输入轴1102传递过来的转动来带动第一谐波减速器1201的波发生器轴旋转，进而实现减速器的减速输出。中一级传动轴1204用于驱动下一级谐波减速器，其一端为可拆卸锥齿1204-1，另一端为可拆卸锥齿1204-2，中一级传动轴1204的外表面通过轴承支承于第一谐波减速器1201、第一输入轴1202、第一轴承座1203构成的中空孔的内部，内表面通过轴承支承内一级传动轴1205。内一级传动轴1205一端为可拆卸锥齿1205-1，另一端为可拆卸锥齿1205-2，用于驱动第三谐波减速器1301旋转。整个第一减速器组件1200通过第一谐波减速器1201的固定法兰与第一壳体1001的第二圆筒部连接，通过第一谐波减速器1201的第一输出法兰与第二壳体1003的第一圆筒部连接。

谐波减速器是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。主要由波发生器、柔轮、刚轮三个基本构件组成。通常使用中，谐波减速器配有安装孔和输出法兰用于安装固定减速器和输出转动。通过谐波减速器，可以将波发生器接收的高转速和低转矩转化成输出法兰输出的低速和高转矩。在本发明中谐波减速器的使用可以降低上游伺服电机端的输出转矩，进而减小电机和传动锥齿的尺寸。谐波减速器体积小、重量轻、速比大、精度高的特点能够精简手腕的传动结构，减小手腕的体积和重量，同时相比于其他减速方式提高了传动精度。

图3示出了第二减速器组件1300，其包括核心部件第二谐波减速器1301，用于为第二谐波减速器1301输入动力的第二输入轴1302，以及用于驱动下一级减速器转动的内二级传动轴1303。第二谐波减速器1301为中空的谐波减速器，第二输入轴1302通过第二轴承座1304与第二谐波减速器1301的波发生器的接口相连，通过接收中一级传动轴1204传递过来的转动来带动谐波减速器波发生器轴旋转，进而实现减速器的减速输出。同时，第二输入轴1302、第二轴承座1304与第二谐波减速器1301构成的中空内部空间容许内二级传动轴1303穿过并通过轴承支承内二级传动轴1303旋转。内二级传动轴1303一端为可拆卸锥齿1303-1，另一端为可拆卸锥齿1303-2。整个第二减速器组件1300通过第二谐波减速器1301的固定法兰与第二壳体1003的第二圆筒部连接，通过第二谐波减速器1301的第二输出法兰与第三壳体1005的第一圆筒部连接。

图4示出了第三减速器组件1400，其包括核心部件第三谐波减速器1401，用于为第三谐波减速器1401输入动力的第三输入轴1402以及支承第三输入轴1402旋转的第三轴承座1403。第三输入轴1402的一端可拆卸的连接输入锥齿，另一端可拆卸的连接第三谐波减速器1401的波发生器。锥齿通过接收内二级传动轴1303传递过来的转动来带动减速器波发生器旋转，进而实现减速器的减速输出。第三轴承座1403通过接口用多个螺钉固定到第三谐波减速器1401上，通过轴承支承第三输入轴1402旋转，这样可以实现整体组件组装完毕并测试无问题后使用，降低装配成本。第三谐波减速器1401的固定法兰与第三壳体1005的第二圆筒部连接，第三谐波减速器1401的第三输出法兰则作为整个工业机器人手腕的接口使用。

图5示出了所有组件之间的安装位置关系。如图5所示，该工业机器人手腕1000由动力输入组件1100、第一壳体1001、第一盖板1002、第一减速器组件1200、第二壳体1003、第二盖板1004、第二减速器组件1300、第三壳体1005、第三盖板1006、第三减速器组件1400组成。其中动力输入组件1100通过轴承座1101上的固定法兰连接到第一壳体1001的第一圆筒部上，并将具有三个锥齿的一端伸入第一壳体1001的内侧。第一减速器组件1200通过第一谐波减速器1201上的固定法兰将该组件固定到第一壳体1001的第二圆筒部上，并将具有三个锥齿的一端伸入第一壳体1001的内侧，第一谐波减速器1201上的第一输出法兰连接到第二壳体1003的第一圆筒部上，并将具有两个锥齿的一端伸入到第二壳体1003的内侧。第二减速器组件1300通过第二谐波减速器1301上的固定法兰将该组件固定到第二壳体1003的第二圆筒部上，并将具有两个锥齿的一端伸入第二壳体1003的内侧，第二谐波减速器1301上的第二输出法兰连接到第三壳体1005的第一圆筒部上，并将具有一个锥齿的一端伸入到第三壳体1005的内侧。第三减速器组件1400通过第三谐波减速器1401上的固定法兰固定到第三壳体1005的第二圆筒部上，并将具有一个锥齿的一端伸入到第三壳体1005的内侧。三个壳体1001、1003、1005均在两个圆筒部交汇处设有与两圆筒部轴线斜交的平面开口，该平面开口便于观察锥齿运动啮合情况以及装填润滑脂，该平面开口通过三个盖板1002、1004、1006盖住密封。

图6示出了所有组件之间的动力传动方式。如图6所示，同时伸入第一壳体1001内侧的两个组件1100和1200的三对锥齿相互啮合，其中第一输入轴1202将外输入轴1102接收来的动力传递给第一谐波减速器1201，实现了整个手腕第一轴旋转；同时伸入第二壳体1003内侧的两个组件1200和1300的两对锥齿相互啮合，通过中一级传动轴1204的传递，第二输入轴1302将中输入轴1103接收来的动力传递给第二谐波减速器1301，实现了整个手腕第二轴旋转；同时伸入第三壳体1005内侧的两个组件1300和1400的一对锥齿相互啮合，通过内一级传动轴1205和内二级传动轴1303的传递，第三输入轴1402将内输入轴1104接收来的动力传递给第三谐波减速器1401，实现了整个手腕第三轴旋转。通过此种传动方式实现的三个旋转轴相互正交，在工业机器人运行过程中很大程度上避免了奇异点的产生，提高了工作效率与用户体验。

本发明的工业机器人手腕常用于工业机器人领域，具有重量轻、体积小、传动精度高、运行噪音小、成本低等优势，在未来的工业机器人尤其是喷涂机器人的普及中具有很大的使用潜力，提高了工业机器人的灵活性与工作效率。同时，本发明的手腕在直角坐标移动平台领域、防爆机器人领域、医疗机器人领域也具有很好的应用前景。

上文所述和附图所示的实施例不是限制性的，而仅用于更清楚地阐述本发明的构思。本发明的保护范围由所附权利要求限定。在本发明的教导之下，本领域技术人员可对实施例中的布置进行增加、替换、省略、组合、分离等各种变型，这些变型均落入本发明的保护范围中。

Claims (12)

1.一种工业机器人手腕，其特征在于，包括：

谐波减速器，其有输入轴、安装法兰和输出法兰，输出法兰用于作为输出接口用于与后一级设备连接，输出法兰相对于安装法兰转动；

第一壳体，位于谐波减速器的第一侧，并连接至所述安装法兰，输入轴位于第一壳体内；

动力输入组件，其包括同轴设置的外输入轴、中输入轴、内输入轴，其中外输入轴通过轴承支承于轴承座的内部，轴承座安装于第一壳体的与谐波减速器相反的一侧，外输入轴、中输入轴、内输入轴在同一侧的一端从外侧轴向内侧轴依次变细变长便于与工业机器人小臂接口安装，外输入轴、中输入轴、内输入轴在同一侧的另一端由外侧轴向内侧轴依次变小变长便于组装和传递动力，外输入轴的一端设置有锥齿以使外输入轴与所述输入轴通过所述锥齿连接。

2.根据权利要求1所述的工业机器人手腕，其特征在于，还包括：

第二壳体，位于谐波减速器的第二侧，并连接至所述输出法兰，输出法兰相对于安装法兰转动，从而驱动第二壳体相对于第一壳体转动。

3.根据权利要求2所述的工业机器人手腕，其特征在于，包括：

第一壳体限定直角形腔室，在该直角形腔室内，输入轴经由锥齿与第一上游传动轴联接。

4.根据权利要求3所述的工业机器人手腕，其特征在于，

所述谐波减速器是中空的，其限定贯通所述输入轴、安装法兰和输出法兰的中心腔室；并且，所述工业机器人手腕还包括传动轴，其从第一壳体穿过所述中心腔室延伸至第二壳体内。

5.根据权利要求4所述的工业机器人手腕，其特征在于，

在第一壳体的直角形腔室内，所述传动轴经由锥齿与第二上游传动轴联接，所述第二上游传动轴延伸穿过所述第一上游传动轴的内侧。

6.根据权利要求5所述的工业机器人手腕，其特征在于，

第二壳体限定另一直角形腔室，在该另一直角形腔室内，所述传动轴经由锥齿与下游传动轴或另一谐波减速器的输入轴联接。

7.根据权利要求3所述的工业机器人手腕，其特征在于，

所述谐波减速器是中空的，其限定贯通所述输入轴、安装法兰和输出法兰的中心腔室；并且，所述工业机器人手腕包括两个同轴设置的内侧传动轴和外侧传动轴，二者从第一壳体穿过所述中心腔室延伸至第二壳体内。

8.根据权利要求7所述的工业机器人手腕，其特征在于，

在第一壳体的直角形腔室内，所述外侧传动轴经由锥齿与第二上游传动轴联接，所述内侧传动轴经由锥齿与第三上游传动轴联接，第三上游传动轴延伸穿过第二上游传动轴的内侧，第二上游传动轴延伸穿过第一上游传动轴的内侧。

9.根据权利要求8所述的工业机器人手腕，其特征在于，

第二壳体限定另一直角形腔室，在该另一直角形腔室内，所述外侧传动轴经由锥齿与另一谐波减速器的输入轴联接，所述内侧传动轴经由锥齿与下游传动轴联接，所述下游传动轴延伸穿过所述另一谐波减速器的输入轴。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的工业机器人手腕，其特征在于，

还包括第三壳体和另一谐波减速器，其有另一输入轴、另一安装法兰和另一输出法兰；

其中，第二壳体位于另一谐波减速器的第一侧，并连接至所述另一安装法兰，所述另一输入轴位于第二壳体内；第三壳体位于另一谐波减速器的第二侧，并连接至所述另一输出法兰，所述另一输出法兰相对于所述另一安装法兰转动，从而驱动第三壳体相对于第二壳体转动。

11.一种工业机器人，其特征在于，包括根据权利要求1至10中任一项所述的工业机器人手腕。

12.根据权利要求11所述的工业机器人，其特征在于，具有三个相互正交的旋转轴。

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