CN113021406A - 一种液压驱动的两自由度机器人关节总成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，包括后臂，后臂前端通过俯仰支架和侧摆支架转动连接；前臂连接法兰的末端与侧摆支架刚性连接，前臂连接法兰的前端设置有定位孔和螺纹孔，用于连接末端作业模块，后臂末端设置有与其他臂杆连接的支撑板和安装孔；俯仰支架通过俯仰驱动单元绕后臂前端的水平轴线相对转动，侧摆支架通过侧摆驱动单元绕俯仰支架的竖直轴线相对转动。两组液压驱动关节集中在机械臂内部，一方面避免油缸体相对臂杆的摆动，有利于进行后续无外置油管的设计，另一方面使机械臂的结构更加紧凑，从而缩短关节间的距离，进而提高末端作业工具姿态调整的灵活性。

Description

一种液压驱动的两自由度机器人关节总成
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，具体为一种液压驱动的两自由度机器人关节总成。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先的技术。
随着自动化技术和制造业的快速发展，工业机器人得到了广泛的应用，已经可以替代人工完成工业生产中的装配、焊接、喷涂、搬运等工作，以及核辐射、易燃易爆、水下、电力输送线路等危险环境中的特种作业，大大节约了劳动力成本，加快了工业生产和危险环境中特种作业的自动化程度，工业机器人通过多个关节间的协调动作可实现末端在各个方向的运动，并利用不同作业装置完成各类作业任务。
各类工业机器人中，液压机械臂负重/自重比大、抗电磁和核辐射能力强、易于防水与防爆设计，在危险环境特种作业中比电驱动工业机器人更具优势，但因液压驱动装置输出力和体积较大，现有液压机械臂各关节及驱动装置均独立布置，无法以电驱动工业机器人手腕关节那样灵活调整末端姿态。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，将两组液压驱动关节集中在机械臂内部，一方面避免油缸体相对臂杆的摆动，有利于进行后续无外置油管的设计，另一方面使机械臂的结构更加紧凑，从而缩短关节间的距离，进而提高末端作业工具姿态调整的灵活性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，包括后臂，后臂前端通过俯仰支架和侧摆支架转动连接；前臂连接法兰的末端与侧摆支架刚性连接，前臂连接法兰的前端设置有定位孔和螺纹孔，用于连接末端作业模块，后臂末端设置有与其他臂杆连接的支撑板和安装孔；
俯仰支架通过俯仰驱动单元绕后臂前端的水平轴线相对转动，侧摆支架通过侧摆驱动单元绕俯仰支架的垂直轴线相对转动，俯仰支架的转动轴线与侧摆支架的转动轴线垂直相交。
后臂包括后臂壳体，后臂壳体上开设至少两个工艺开口，分别位于后臂侧部的前端和末端，开口分别连接前开口盖和后开口盖，后臂壳体连接俯仰支架的一端安装俯仰轴端盖；前开口盖和后开口盖通过螺钉固定在后臂壳体一侧，用以封闭后臂壳体一侧前后两端的工艺开口，后臂上盖与后臂壳体通过交错布置的槽口定位并用螺钉进行固定连接。
后臂壳体底板上布置彼此平行的第一导轨和第二导轨，第一导轨和第二导轨上滑动连接两组滑块，第一滑块沿第一导轨直线运动，第二滑块沿第二导轨直线运动，第一杆端座固定在第一滑块上，第二杆端座固定在第二滑块上。
俯仰驱动单元包括位于后臂内侧的第一直线油缸，第一直线油缸的末端连接第一力传感器，第一力传感器末端通过第一油缸尾轴连接在后臂壳体末端的隔板铰座上；第一直线油缸杆端通过第一油缸前轴连接在第一杆端座上；第一位移传感器的外壳刚性固定在第一直线油缸的缸体上，第一位移传感器的拉杆刚性固定在第一直线油缸的杆端。
侧摆驱动单元包括位于后臂内侧的第二直线油缸，第二直线油缸的末端连接有第二力传感器，第二力传感器末端通过第二油缸尾轴连接在后臂壳体末端隔板铰座上；第二直线油缸杆端通过第二油缸前轴连接在第二杆端座上，第二位移传感器的外壳刚性固定在第二直线油缸的缸体上，第二位移传感器的拉杆刚性固定在第二直线油缸的杆端。
第一杆端座通过第二连杆轴与第一连杆的一端连接，第二杆端座通过第四连杆轴与第四连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过第三连杆轴与第三连杆的一端转动连接。
俯仰支架上支臂一端侧面设置有铰座，并通过第一连杆轴与第一连杆的一端转动连接。
侧摆支架为一矩形方框，在其竖直对称轴线上加工有通孔并通过两个对称布置的侧摆半轴将侧摆支架安装在俯仰支架中；侧摆支架的水平对称轴线上加工有通孔并安装对称布置的两个中心半轴，第二连杆通过一对第三轴承安装在侧摆支架内部。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、俯仰支架轴线、侧摆支架轴线和中心半轴的轴线相交于一定点，将末端作业模块的俯仰运动和侧摆运动解耦，简化了末端姿态的控制。
2、将两个液压驱动单元集中在一起，缩短了关节间的距离，使液压机械臂末端结构更加紧凑，提高了末端作业模块姿态调整的灵活性。
3、液压驱动单元固定安装在臂杆壳体内，避免了单元中的油缸体相对臂杆的摆动，有利于进一步进行油路内部化和无外置油管的设计。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的内部结构俯视示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的内部结构侧视示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的关节转轴处横向剖面示意图；
图5是本发明一个或多个实施例提供的关节转轴处纵向剖面示意图；
图中：1.后臂，2.俯仰支架，3.侧摆支架，4.前臂连接法兰，5.后臂壳体，6.前开口盖，7.后开口盖，8.俯仰轴端盖，9.第一连杆，10.第一杆端座，11.第一直线油缸，12.第一位移传感器，13.第一力传感器，14.第一油缸尾轴，15.侧摆轴端盖，16.第二连杆，17.第三连杆，18.第三连杆轴，19.第四连杆，20.第四连杆轴，21.第二杆端座，22.第一电液伺服阀，23.第二电液伺服阀，24.第二直线油缸，25.第二位移传感器，26.第二力传感器，27.第二油缸尾轴，28.第一连杆轴，29.第二连杆轴，30.第一油缸前轴，31.第二油缸前轴，32.中心半轴，33.第一滑块，34.第二滑块，35.侧摆半轴，36.第一轴承，37.第二轴承，38.第一轴端挡圈，39.第二轴端挡圈，40.交叉滚子轴承，41.第三轴承，42.后臂上盖，43.第一导轨，44.第二导轨。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，工业机器人中的液压机械臂负重/自重比大、抗电磁和核辐射能力强、易于防水和防爆设计，在危险环境特种作业中比电驱动工业机器人更具优势，但因液压驱动装置输出力和体积较大，现有液压机械臂各关节及驱动装置均独立布置，无法以电驱动工业机器人手腕关节那样灵活调整末端姿态。
因此以下实施例中给出了一种液压驱动的两自由度机器人关节总成的结构将两组液压驱动单元集成在机械臂内部，一方面使整个机械臂的结构紧凑，提高末端作业工具姿态调整的灵活性，另一方面避免油缸体相对臂杆的摆动，有利于进一步进行油路内部化(无外置油管)的设计。
实施例一：
如图1所示，一种液压驱动的两自由度关节总成，包括后臂1，后臂1前端通过俯仰支架2和侧摆支架3转动连接；俯仰支架2通过俯仰驱动单元绕后臂1前端的水平轴线相对转动，侧摆支架3通过侧摆驱动单元绕俯仰支架2的竖直轴线相对转动，俯仰支架2的转动轴线与侧摆支架3的转动轴线垂直相交；前臂连接法兰4的末端与侧摆支架3刚性连接，前臂连接法兰4的前端设置有径向定位中心孔和螺纹孔，用于连接末端作业模块，后臂1末端设置有与其他臂杆连接的支撑板和安装孔。
如图2～图5所示，俯仰驱动单元和侧摆驱动单元安装在后臂1的内部。
后臂1包括后臂壳体5，后臂壳体5上开设至少两个工艺开口，分别位于后臂1侧部的前端和末端，开口分别连接前开口盖6和后开口盖7；后臂壳体5连接俯仰支架2的一端，即后臂1的前端安装俯仰轴端盖8；前开口盖6和后开口盖7通过螺钉固定在后臂壳体5一侧，用以封盖后臂壳体5一侧前后两端的工艺开口，后臂上盖42与后臂壳体5通过交错布置的槽口定位并用螺钉进行固定连接。
后臂壳体5底板上布置彼此平行的第一导轨43和第二导轨44，第一导轨43和第二导轨44上滑动连接两组滑块，第一滑块33沿第一导轨43直线运动，第二滑块34沿第二导轨44直线运动，第一杆端座10固定在第一滑块33上，第二杆端座21固定在第二滑块34上。
俯仰驱动单元包括位于后臂1内侧的第一直线油缸11，第一直线油缸11的末端连接第一力传感器13，第一力传感器13末端通过第一油缸尾轴14连接在后臂壳体5末端的隔板铰座上，第一直线油缸11杆端通过第一油缸前轴30连接在第一杆端座10中部的铰座上；第一位移传感器12的外壳刚性固定在第一直线油缸11的缸体上，第一位移传感器12的拉杆刚性固定在第一直线油缸11的杆端。
侧摆驱动单元包括位于后臂1内侧的第二直线油缸24，第二直线油缸24的末端连接有第二力传感器26，第二力传感器26末端通过第二油缸尾轴27连接在后臂壳体5末端隔板铰座上，第二直线油缸24杆端通过第二油缸前轴31连接在第二杆端座21中部的铰座上，第二位移传感器25的外壳刚性固定在第二直线油缸24的缸体上，第二位移传感器25的拉杆刚性固定在第二直线油缸24的杆端。
第一电液伺服阀22和第二电液伺服阀23分别安装在第一直线油缸11和第二直线油缸24的缸体上，并通过缸体上的油孔与油缸的有杆腔和无杆腔连通。
第一连杆9的一端通过第二连杆轴29连接在第一杆端座10前端铰座上，第四连杆19的一端通过第四连杆轴20连接在第二杆端座24前端铰座上，其另一端通过第三连杆轴18与第三连杆17的一端转动连接。
交叉滚子轴承40安装在后臂壳体5前端一侧板上设置的俯仰轴安装孔内，其外圈两侧分别通过安装孔座肩和俯仰轴端盖8固定。
如图4和图5所示，俯仰支架2通过第二轴端挡圈39固定在交叉滚子轴承40的内圈上，俯仰支架2上支臂一端侧面设置有铰座，并通过第一连杆轴28与第一连杆9的一端转动连接，在俯仰支架2上支臂与下支臂另一端设置有轴承孔，第一轴承36安装在轴承孔内，并通过侧摆轴端盖15进行轴向定位。
侧摆支架3为一矩形方框，在其竖直对称轴线上加工有通孔并通过两个对称布置的侧摆半轴35将侧摆支架3安装在俯仰支架2中，侧摆半轴与第一轴承36内孔配合，在侧摆支架3的水平对称轴线上加工有通孔并安装对称布置的两个中心半轴32，第二连杆16通过一对第三轴承41安装在侧摆支架3内部，在第二连杆16上与安装第三轴承41的座孔轴线垂直相交的对称线上加工有另一轴承座孔，该轴承座孔内部安装有一对第二轴承37，第二轴承37的内孔与第三连杆17的一端配合连接并通过第一轴端挡圈38进行轴向定位。
上述结构的工作过程如下：
第一直线油缸11、第一位移传感器12、第一力传感器13、第一电液伺服22与控制器组成控制闭环，对第一直线油缸11进行位置闭环控制或力闭环控制，第一直线油缸11的伸缩运动通过第一连杆9驱动俯仰支架2调整前臂连接法兰4的俯仰角。
第二直线油缸24、第二位移传感器25、第二力传感器26、第二电液伺服23与控制器组成控制闭环，对第二直线油缸24进行位置闭环控制或力闭环控制，第二直线油缸24的伸缩运动通过第四连杆19、第三连杆17和第二连杆16驱动侧摆支架3调整前臂连接法兰4的侧摆角，前臂连接法兰4的俯仰角和侧摆角与第一直线油缸11和第二直线油缸24的位移存在唯一映射关系，可通过第一位移传感器12和第二位移传感器25的反馈进行间接伺服控制。
上述结构中的俯仰支架轴线、侧摆支架轴线和中心半轴的轴线相交于一定点，将末端作业模块的俯仰运动和侧摆运动解耦，简化了末端姿态的控制。
通过将两个液压驱动单元集中在一起，缩短了关节间的距离，使液压机械臂末端结构更加紧凑，提高了末端作业工具姿态调整的灵活性。
液压驱动单元固定安装在臂杆壳体内，避免了单元中的油缸体相对臂杆的摆动，有利于进一步进行油路内部化(无外置油管)设计。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：包括后臂，后臂前端通过俯仰支架和侧摆支架转动连接；前臂连接法兰的末端与侧摆支架刚性连接，前臂连接法兰的前端设置有定位孔和螺纹孔，用于连接末端作业模块，后臂末端设置有与其他臂杆连接的支撑板和安装孔；
俯仰支架通过俯仰驱动单元绕后臂前端的水平轴线相对转动，侧摆支架通过侧摆驱动单元绕俯仰支架的垂直轴线相对转动，俯仰支架的转动轴线与侧摆支架的转动轴线垂直相交。
2.如权利要求1所述的一种液压驱动的两自由度关节总成，其特征在于：所述后臂包括后臂壳体，后臂壳体上开设至少两个开口，分别位于后臂侧部的前端和末端，开口分别连接前开口盖和后开口盖，后臂壳体连接俯仰支架的一端安装俯仰轴端盖。
3.如权利要求2所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述后臂壳体的底板上布置彼此平行的第一导轨和第二导轨，第一导轨和第二导轨上滑动连接至少两组滑块，第一滑块沿第一导轨直线运动，第二滑块沿第二导轨直线运动，第一杆端座固定在第一滑块上，第二杆端座固定在第二滑块上。
4.如权利要求3所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述俯仰驱动单元包括位于后臂内侧的第一直线油缸，第一直线油缸的末端连接第一力传感器，第一力传感器末端通过第一油缸尾轴连接在后臂壳体末端的隔板铰座上；第一直线油缸杆端通过第一油缸前轴连接在第一杆端座中部的铰座上。
5.如权利要求4所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述第一直线油缸的缸体上安装第一位移传感器的外壳，第一位移传感器的拉杆安装在第一直线油缸的杆端。
6.如权利要求5所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述侧摆驱动单元包括位于后臂内侧的第二直线油缸，第二直线油缸的末端连接有第二力传感器，第二力传感器末端通过第二油缸尾轴连接在后臂壳体末端隔板铰座上；第二直线油缸杆端通过第二油缸前轴连接在第二杆端座中部的铰座上。
7.如权利要求6所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述第二直线油缸的缸体上安装第二位移传感器的外壳，第二位移传感器的拉杆安装在第二直线油缸的杆端。
8.如权利要求7所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述第一杆端座通过第二连杆轴与第一连杆的一端连接，第二杆端座通过第四连杆轴与第四连杆的一端连接，第四连杆的另一端通过第三连杆轴与第三连杆的一端转动连接。
9.如权利要求8所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述俯仰支架上支臂一端侧面设置有铰座，并通过第一连杆轴与第一连杆的一端转动连接。
10.如权利要求9所述的一种液压驱动的两自由度机器人关节总成，其特征在于：所述侧摆支架为一矩形方框，在其竖直对称轴线上具有通孔并通过两个对称布置的侧摆半轴将侧摆支架安装在俯仰支架中；侧摆支架的水平对称轴线上具有通孔并安装对称布置的两个中心半轴，第二连杆通过一对第三轴承安装在侧摆支架内部。
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