CN112894772A - 一种喷涂机器人腕部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷涂机器人腕部结构，涉及喷涂机器人技术领域，大臂的前端通过第一连接部与支座转动连接，形成两个自由度的转动副，末端通过第二连接部与小臂转动连接，形成一个自由度的转动副，还包括通过第二连接部安装于小臂末端的腕部机构，腕部关节包括独立驱动和运动的第一关节、第二关节、第三关节和外壳结构，共形成三个自由度的转动副。本发明腕部结构的第一关节、第二关节和第三关节转动副的轴线无共交点，呈斜交型非球形的新型运动方式，每个关节均独立驱动和传动，能够分别实现的周向转动，运动灵活性好，运动轨迹覆盖全面，特别适用于狭小环境和复杂环境下大部件的喷涂作业。

Description

一种喷涂机器人腕部结构

技术领域

本发明涉及喷涂机器人技术领域，具体涉及一种喷涂机器人的腕部结构。

背景技术

喷涂机器人是工业机器人的一个重要分支，能够自动完成喷漆或喷涂其他涂料的工作。喷涂机器人的末端执行器较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。家具喷涂也是喷涂机器人应用较为普遍的场合。家具的零部件形状多变，且对于喷涂的涂层厚度、涂层表面的平整性、均匀性均有较高的要求。

喷涂机器人的腕部用于固定末端执行器，并控制末端执行器的空间位置和姿态，为使末端执行器的灵活性能够满足喷涂要求，喷涂机器人的腕部至少需要三个以上的自由度。

现有的三自由度喷涂机器人的腕部结构分为球形手腕以及非球形手腕，其中球形手腕为目前三自由度喷涂机器人腕部结构最常见的形式。球形手腕的三个关节轴线相交于一点，其运动具有确定性，进行离线程序控制；但因其机械结构本身的限制，球形手腕的第二关节无法实现360°的周向转动，灵活性不够理想，且其允许的运动覆盖范围不够全面，导致使用该类喷涂机器人对大型家具进行喷涂时存在喷涂死角。

此外，喷涂作业进行时，需要喷涂管线与喷涂机器人同步动作，如喷涂管线设置为由喷涂机器人外围经过，存在因运动干涉导致的安全隐患；因此，喷涂管线内置是喷涂机器人的最为理想的布置形式，空心结构的非球形手腕非常适用于喷涂机器人。

但现有的正交型非球形空心手腕的内部结构会导致喷涂管线以90°弯折，易导致涂料输送堵塞，甚至导致喷涂管线破裂。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

申请号：CN201920258813.9，申请日：20190228，公开(公告)日：20200508，该现有技术公开了一种六轴喷涂机器人腕部结构，包括腕部、四轴中空齿轮轴传动部分、五轴中空齿轮轴传动部分、六轴中空齿轮轴传动部分，腕部依次包括第一腕部弯头、第二腕部弯头、第三腕部弯头；四轴中空齿轮轴传动部分，包括第一四轴中空齿轮轴、第二四轴中空齿轮轴、四轴减速机；五轴中空齿轮轴传动部分，包括第一五轴中空齿轮轴、第二五轴中空齿轮轴、第三五轴中空齿轮轴、五轴减速机；六轴中空齿轮轴传动部分，包括第一六轴中空齿轮轴、第二六轴中空齿轮轴、第三六轴中空齿轮轴、第四六轴中空齿轮轴、六轴减速机。本发明提供的六轴喷涂机器人腕部结构，用于解决腕部各轴转度过小、输出扭矩小、回转精度不高等问题。

现有技术2：

申请号：CN201911236492.3，申请日：2019.12.05，公开(公告)日：2020.04.03，该现有技术涉及工业机器人喷涂技术领域，具体是一种喷涂机器人偏置手腕结构,包括作为整个手腕基座且与机器人通过螺钉连接的四轴手腕体、按照顺序与四轴手腕体通过螺钉连接的五轴手腕体、六轴手腕体、设置在六轴手腕体上的末端输出法兰，还包括：四轴传动组件，内套在四轴手腕体内，用于实现四轴手腕体的手腕传动；五轴传动组件，内套在五轴手腕体内，用于实现五轴手腕体的手腕传动；六轴传动组件，内套在六轴手腕体内，用于实现六轴传动组件的手腕传动，通过机器人驱动轴连接平键一、平键二、平键三分别实现四轴手腕体、五轴手腕体、六轴手腕体的转动，操作灵活，喷涂机器人专用手腕配套使用喷涂机器人，提高喷涂机器人性能及适用范围。

但现有技术1和现有技术2均采用连续三组正交锥齿轮传动的结构，结构较为复杂，同时由于机械臂内部空间不足，喷涂管线需要外置，连续90°的弯折角也会影响管线的正常工作。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种喷涂机器人腕部结构。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种喷涂机器人腕部结构，大臂的前端通过第一连接部与支座转动连接，末端通过第二连接部与小臂转动连接，还包括通过所述第二连接部安装于所述小臂末端的腕部机构，所述腕部关节包括第一关节、第二关节、第三关节和外壳结构；

第一传动轴的前端与第一电机的输出端连接固定，末端设有第一驱动齿轮，外齿套呈套筒结构，其前端设有与所述第一驱动齿轮啮合的第一齿圈，构成所述第一关节；

第二传动轴的前端与第二电机的输出端连接固定，末端设有第二驱动齿轮，内主动齿套呈套筒结构，其前端设有第二齿圈，末端设有第二主动锥齿圈，内从动齿套前端设有第二从动锥齿圈，所述第二驱动齿轮与所述第二齿圈啮合，所述第二主动锥齿圈与所述第二从动锥齿圈啮合，构成所述第二关节；

第三传动轴的前端与第三电机的输出端连接固定，末端设有第三驱动齿轮，主动齿轮轴的前端和末端分别设有第三齿圈和第三锥齿轮，传动齿轮轴的前端和末端各设一个传动锥齿轮，从动齿轮轴的前端设有从动锥齿轮，所述第三驱动齿轮与所述第三齿圈啮合，所述传动齿轮轴前端和末端的所述传动锥齿轮分别与所述第三锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合，构成所述第三关节；

所述外壳结构包括圆筒结构的第一外壳以及呈弧形圆管结构的第二外壳和第三外壳；

所述第一外壳前端与所述小臂末端连接固定，所述外齿套转动配合连接于所述第一外壳末端内，其末端与所述第二外壳的前端连接固定；所述内主动齿套转动配合连接于所述外齿套内，内从动齿套转动配合连接于所述第二外壳末端内，其末端与所述第三外壳的前端连接固定；所述主动齿轮轴转动配合连接于所述内主动齿套内，所述传动齿轮轴转动配合连接于所述内从动齿套内，所述从动齿轮轴转动配合连接于所述第三外壳末端内，其末端伸出至所述第三外壳外部，与末端执行机构连接固定；

所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机设于所述第二连接部内，所述第一传动轴、所述第二传动轴和所述第三传动轴设于所述小臂内。

进一步的，所述第三齿圈、所述第二齿圈和所述第一齿圈的直径递增，呈依次嵌套的结构设置。

进一步的，所述第三关节整体呈中空结构。

进一步的，从动齿轮轴的末端通过法兰结构与末端执行机构连接固定。

进一步的，所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机为伺服交流电机。

进一步的，所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机设有编码器和谐波减速器。

进一步的，所述腕部机构由铝合金制成。

进一步的，所述第二外壳和所述第三外壳的转轴夹角为30°～60°。

进一步的，所述第二外壳和所述第三外壳的转轴夹角为30°。

本发明提供了一种喷涂机器人腕部结构，具有以下有益效果：

1、本发明腕部结构的第一关节、第二关节和第三关节转动副的轴线无共交点，呈斜交型非球形的新型运动方式，每个关节均独立驱动和传动，能够分别实现360°的周向转动，运动灵活性好，运动轨迹覆盖全面，特别适用于狭小环境和复杂环境下大部件的喷涂作业；

2、本发明的腕部结构内部整体呈中空结构，喷涂管线可安置于结构内部，同时各关节设置为斜交结构，能有效避免喷涂管线因大角度弯折导致的涂料流动不均匀和管线断裂，保证喷涂工作安全、稳定地进行；

3、本发明各关节独立驱动，控制简单、运动可靠、载荷大、精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明腕部机构内部的结构示意图；

图3为本发明腕部结构的局部剖视结构示意图。

图中：

1、支座，2、大臂，3、小臂；41、第一连接部，42、第二连接部；5、腕部机构，51、第一关节，511、第一电机，512、第一传动轴，513、第一驱动齿轮，514、外齿套，5141、第一齿圈；52、第二关节，521、第二电机，522、第二传动轴，523、第二驱动齿轮，524、内主动齿套，5241、第二齿圈，5242、第二主动锥齿圈，525、内从动齿套，5251、第二从动锥齿圈；53、第三关节，531、第三电机，532、第三传动轴，533、第三驱动齿轮，534、主动齿轮轴，5341、第三齿圈，5342、第三锥齿轮，535、传动齿轮轴，5351、传动锥齿轮，536、从动齿轮轴，5361、从动锥齿轮；54、外壳结构，541、第一外壳，542、第二外壳，543、第三外壳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

如图1～图3所示，其结构关系为：大臂2的前端通过第一连接部41与支座1转动连接，形成两个自由度的转动副，末端通过第二连接部42与小臂3转动连接，形成一个自由度的转动副，还包括通过第二连接部42安装于小臂3末端的腕部机构5，腕部关节5包括第一关节51、第二关节52、第三关节53和外壳结构54；

第一传动轴512的前端与第一电机511的输出端连接固定，末端设有第一驱动齿轮513，外齿套514呈套筒结构，其前端设有与第一驱动齿轮啮合的第一齿圈5141，构成第一关节51；

第二传动轴522的前端与第二电机521的输出端连接固定，末端设有第二驱动齿轮523，内主动齿套524呈套筒结构，其前端设有第二齿圈5241，末端设有第二主动锥齿圈5242，内从动齿套525前端设有第二从动锥齿圈5251，第二驱动齿轮523与第二齿圈5241啮合，第二主动锥齿圈5242与第二从动锥齿圈5251啮合，构成第二关节52；

第三传动轴532的前端与第三电机531的输出端连接固定，末端设有第三驱动齿轮533，主动齿轮轴534的前端和末端分别设有第三齿圈5341和第三锥齿轮5342，传动齿轮轴535的前端和末端各设一个传动锥齿轮5351，从动齿轮轴536的前端设有从动锥齿轮5361，第三驱动齿轮533与第三齿圈5341啮合，传动齿轮轴535前端和末端的传动锥齿轮5351分别与第三锥齿轮5342和从动锥齿轮5361啮合，构成第三关节53；

外壳结构43包括圆筒结构的第一外壳541以及呈弧形圆管结构的第二外壳542和第三外壳543；

第一外壳541前端与小臂3末端连接固定，外齿套514转动配合连接于第一外壳541末端内，其末端与第二外壳542的前端连接固定，形成腕部机构5第一个自由度的转动副；

内主动齿套524转动配合连接于外齿套514内，内从动齿套525转动配合连接于第二外壳542末端内，其末端与第三外壳543的前端连接固定，形成腕部机构5第二个自由度的转动副；

主动齿轮轴534转动配合连接于内主动齿套524内，传动齿轮轴535转动配合连接于内从动齿套525内，从动齿轮轴536转动配合连接于第三外壳543末端内，其末端伸出至第三外壳543外部，与末端执行机构连接固定，形成腕部机构5第三个自由度的转动副；

第一电机511、第二电机521和第三电机531设于第二连接部42内，第一传动轴512、第二传动轴522和第三传动轴532设于小臂3内；

各部件间的转动配合连接可通过滚针轴承进行支撑、连接，各传动轴选用深沟球轴承连接，深沟球轴承的摩擦系数小，使用寿命长，维护简单。

优选的，第三齿圈5341、第二齿圈5241和第一齿圈5141的直径递增，呈依次嵌套的结构设置，利于第一驱动齿轮513、第二驱动齿轮523和第三驱动齿轮533的设置，避免三者之间产生运动干涉。

优选的，第三关节53整体呈中空结构，输送管线可布置于腕部结构内部，以保证输送管线的非裸露安置。

优选的，从动齿轮轴536的末端通过法兰结构与末端执行机构连接固定，以便于便捷地更换连接的末端执行结构。

优选的，第一电机511、第二电机521和第三电机531为伺服交流电机，实际使用时，可以选用60ST系列伺服电机，该伺服电机的额定转速为3000r/min，转矩为0.63N·M～12N·M。

优选的，第一电机511、第二电机521和第三电机531设有编码器和谐波减速器，使各电机能够实现较大的转矩输出并能高精度回位；实际使用时，根据需要的运动轨迹，通过上位机生成转动参数，分别控制第一电机511、第二电机521和第三电机531协同工作完成运动。

优选的，腕部机构5由铝合金制成，具有重量轻、强度高、成本合理的优点。

优选的，第二外壳542和第三外壳543的转轴夹角为30°～60°。

优选的，第二外壳542和第三外壳543的转轴夹角为30°。

具体使用时，上述喷涂机器人腕部结构的第一关节51、第二关节52和第三关节53可分别独立地动作。

第一关节51动作时，第一电机511驱动第一传动轴512及连接于第一传动轴512末端的第一驱动齿轮513转动；外齿套514前端设置的第一齿圈5141与第一驱动齿轮513啮合，外齿套514跟随第一驱动齿轮513转动，进而带动连接于其末端的第二外壳542相对于第一外壳541转动，实现第一关节51的转动动作。

第二关节52动作时，第二电机521驱动第二传动轴522及连接于第二传动轴522末端的第二驱动齿轮523转动；内主动齿套524前端设置的第二齿圈5241与第二驱动齿轮523啮合，内主动齿套524跟随第二驱动齿轮523转动；内从动齿套525前端设置的第二从动锥齿圈5251与内主动齿套524末端设置的第二主动锥齿圈5242啮合，内从动齿套525跟随内主动齿套524转动，进而带动连接于其末端的第三外壳543相对于第二外壳542转动，实现第二关节52的转动动作。

第三关节53动作时，第三电机531驱动第三传动轴532及连接于第三传动轴532末端的第三驱动齿轮533转动；主动齿轮轴534前端设置的第三齿圈5341与第三驱动齿轮533啮合，主动齿轮轴534跟随第三驱动齿轮533转动；传动齿轮轴535前端设置的传动锥齿轮5351与主动齿轮轴534末端设置的第三锥齿轮5342啮合，传动齿轮轴535跟随主动齿轮轴534转动；从动齿轮轴536前端设置的从动锥齿轮5361与传动齿轮轴535末端设置的传动锥齿轮5351啮合，从动齿轮轴536跟随传动齿轮轴535转动，进而带动连接于从动齿轮轴536末端的末端执行机构相对于第三外壳543转动，实现第三关节53的转动动作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种喷涂机器人腕部结构，大臂(2)的前端通过第一连接部(41)与支座(1)转动连接，末端通过第二连接部(42)与小臂(3)转动连接，其特征在于：还包括通过所述第二连接部(42)安装于所述小臂(3)末端的腕部机构(5)，所述腕部关节(5)包括第一关节(51)、第二关节(52)、第三关节(53)和外壳结构(54)；

第一传动轴(512)的前端与第一电机(511)的输出端连接固定，末端设有第一驱动齿轮(513)，外齿套(514)呈套筒结构，其前端设有与所述第一驱动齿轮啮合的第一齿圈(5141)，构成所述第一关节(51)；

第二传动轴(522)的前端与第二电机(521)的输出端连接固定，末端设有第二驱动齿轮(523)，内主动齿套(524)呈套筒结构，其前端设有第二齿圈(5241)，末端设有第二主动锥齿圈(5242)，内从动齿套(525)前端设有第二从动锥齿圈(5251)，所述第二驱动齿轮(523)与所述第二齿圈(5241)啮合，所述第二主动锥齿圈(5242)与所述第二从动锥齿圈(5251)啮合，构成所述第二关节(52)；

第三传动轴(532)的前端与第三电机(531)的输出端连接固定，末端设有第三驱动齿轮(533)，主动齿轮轴(534)的前端和末端分别设有第三齿圈(5341)和第三锥齿轮(5342)，传动齿轮轴(535)的前端和末端各设一个传动锥齿轮(5351)，从动齿轮轴(536)的前端设有从动锥齿轮(5361)，所述第三驱动齿轮(533)与所述第三齿圈(5341)啮合，所述传动齿轮轴(535)前端和末端的所述传动锥齿轮(5351)分别与所述第三锥齿轮(5342)和所述从动锥齿轮(5361)啮合，构成所述第三关节(53)；

所述外壳结构(43)包括圆筒结构的第一外壳(541)以及呈弧形圆管结构的第二外壳(542)和第三外壳(543)；

所述第一外壳(541)前端与所述小臂(3)末端连接固定，所述外齿套(514)转动配合连接于所述第一外壳(541)末端内，其末端与所述第二外壳(542)的前端连接固定；

所述内主动齿套(524)转动配合连接于所述外齿套(514)内，内从动齿套(525)转动配合连接于所述第二外壳(542)末端内，其末端与所述第三外壳(543)的前端连接固定；

所述主动齿轮轴(534)转动配合连接于所述内主动齿套(524)内，所述传动齿轮轴(535)转动配合连接于所述内从动齿套(525)内，所述从动齿轮轴(536)转动配合连接于所述第三外壳(543)末端内，其末端伸出至所述第三外壳(543)外部，与末端执行机构连接固定；

所述第一电机(511)、所述第二电机(521)和所述第三电机(531)设于所述第二连接部(42)内，所述第一传动轴(512)、所述第二传动轴(522)和所述第三传动轴(532)设于所述小臂(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第三齿圈(5341)、所述第二齿圈(5241)和所述第一齿圈(5141)的直径递增，呈依次嵌套的结构设置。

3.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第三关节(53)整体呈中空结构。

4.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：从动齿轮轴(536)的末端通过法兰结构与末端执行机构连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第一电机(511)、所述第二电机(521)和所述第三电机(531)为伺服交流电机。

6.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第一电机(511)、所述第二电机(521)和所述第三电机(531)设有编码器和谐波减速器。

7.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述腕部机构(5)由铝合金制成。

8.根据权利要求1所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第二外壳(542)和所述第三外壳(543)的转轴夹角为30°～60°。

9.根据权利要求8所述的一种喷涂机器人腕部结构，其特征在于：所述第二外壳(542)和所述第三外壳(543)的转轴夹角为30°。

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