CN113459078B - 一种非圆齿轮关节机器人及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种非圆齿轮关节机器人，包括：底座、与所述底座转动连接的摆动支架、与所述摆动支架连接的大臂、与所述大臂连接的小臂以及安装在小臂末端的机械手。其中，在所述摆动支架与所述大臂之间还设置有非圆齿轮机构一，以及在所述大臂与所述小臂之间设置有非圆齿轮机构二，通过所述非圆齿轮机构一以及所述非圆齿轮机构二的适配传动，能够带动所述机械手产生特殊的非圆运动轨迹，在一些特殊工况下，带有非圆齿轮的机器人能够轻松满足生产需求。

Description

一种非圆齿轮关节机器人及其设计方法
技术领域
本公开涉及机器人技术领域，尤其涉及一种非圆齿轮关节机器人及其设计方法。
背景技术
随着人工生产成本的提高，制造业的升级转型，机器人成为重要生产设备，大量机器人逐渐代替人工。
齿轮传动是应用最广泛的一种机器人传动方式，它能够直接影响机器人末端轨迹，然而随着机器人应用行业的不断扩张，人们对机器人末端轨迹要求也越来越多样。
例如，在机器人喷涂行业，搭载传统传动齿轮的机器人产生的轨迹很难对工件的死角进行喷涂，导致工件喷涂效果差，为了解决此类问题，急需一种可以实现特殊运动轨迹的机器人。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的在于提出一种非圆齿轮关节机器人及其设计方法，以解决机器人无法生成特殊非圆末端轨迹的问题。
基于上述目的，本公开提供了非圆齿轮关节机器人，其特征在于，包括：
底座、与所述底座转动连接的摆动支架、与所述摆动支架连接的大臂、与所述大臂连接的小臂以及安装在小臂末端的机械手；
其中，所述摆动支架与所述大臂之间设置有非圆齿轮机构一、所述大臂与所述小臂之间设置有非圆齿轮机构二，所述非圆齿轮机构一与非圆齿轮机构二正交设置；
其中，通过所述非圆齿轮机构一和所述非圆齿轮机构二的适配传动，以使所述机械手实现非圆轨迹运动。
作为一种可选的实施方式，还包括：
摆动电机，固定设置于所述底座上；
摆动主齿轮，固定安装于所述摆动电机上；
摆动从齿轮，与所述摆动支架固定连接，且与所述摆动主齿轮啮合；
其中，通过摆动主齿轮与摆动从齿轮的啮合传动，以使摆动电机驱动所述摆动支架转动。
作为一种可选的实施方式，所述非圆齿轮机构一包括：
第一驱动电机，固定安装于所述摆动支架上；
第一非圆主动齿轮，与所述摆动支架转动连接，且连接至所述第一驱动电机；
第一连杆，与所述摆动支架转动连接，所述第一连杆形成有第一限位滑槽；
第一非圆从动齿轮，与所述第一非圆主动齿轮啮合，且所述第一非圆从动齿轮一侧的轴穿过所述第一限位滑槽后固定连接至所述大臂；
第一抵推弹簧，设置于所述第一限位滑槽内，且所述第一抵推弹簧的端部抵接所述第一非圆从动齿轮，以使所述第一非圆从动齿轮与所述第一非圆主动齿轮保持啮合。
作为一种可选的实施方式，还包括配重锤，所述配重锤固定连接在所述第一非圆从动齿轮的另一侧。
作为一种可选的实施方式，所述非圆齿轮机构二包括：
第二驱动电机，固定安装于所述大臂上；
第二非圆主动齿轮，与所述大臂转动连接，且连接至所述第二驱动电机；
第二连杆，与所述大臂转动连接，所述第二连杆形成有第二限位滑槽；
第二非圆从动齿轮，与所述第二非圆主动齿轮啮合，且所述第二非圆从动齿轮的轴穿过所述第二限位滑槽后固定连接至所述小臂；
第二抵推弹簧，设置于所述第二限位滑槽内，且所述第二抵推弹簧的端部抵接所述第二非圆从动齿轮，以使所述第二非圆从动齿轮与所述第二非圆主动齿轮保持啮合。
作为一种可选的实施方式，所述小臂的轴线与所述机械手的轴线重合。
作为一种可选的实施方式，还包括连接底板。
作为本发明的第二个方面，提供了一种非圆齿轮关节机器人的设计方法，所述非圆齿轮关节机器人为如前所述的非圆齿轮关节机器人，所述设计方法包括：
根据作业任务，对机器人轨迹规划，获得空间运动轨迹；
将所述空间运动轨迹分解为两个相互垂直平面内的二维运动轨迹；
进行机器人逆运动学求解，设置非圆齿轮关节位置；
基于两个所述二维运动轨迹，分别设计两组非圆齿轮副；
根据所述非圆齿轮副的结构尺寸，设计非圆齿轮关节；
机器人离线编程，控制非圆齿轮关节运动。
从上面所述可以看出，本公开提供的非圆齿轮关节机器人及其设计方法，通过设置在所述摆动支架与所述大臂之间的非圆齿轮机构一、设置在所述大臂与所述小臂之间的非圆齿轮机构二，且非圆齿轮机构一与非圆齿轮机构二正交设置，依靠变中心距达到末端件在2个垂直平面内的非圆运动，实现了空间非圆运动轨迹，可用于机器人上下料等长期固定动作应用场景，相对传统工业机器人而言，可减少1个关节，降低成本，简化控制难度。
附图说明
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开的立体结构示意图；
图2为本公开的俯视示意图；
图3为本公开的轴侧示意图；
图4为本公开的连接杆结构示意图；
图5为本公开的非圆齿轮机构一结构示意图；
图6为本公开的非圆齿轮机构二结构示意图；
图7为非圆齿轮机构一运动轨迹与非圆齿轮机构二运动轨迹形成的空间运动轨迹示意图。
图中标号：1、连接底板；2、底座；3、摆动支架；4、大臂；5、小臂；6、机械手；7、非圆齿轮机构一；8、非圆齿轮机构二；9、摆动电机；10、摆动主齿轮；11、摆动从齿轮；12、配重锤；71、第一驱动电机；72、第一非圆主动齿轮；73、第一非圆从动齿轮；74、第一连杆；74a、第一限位滑槽；75、第一抵推弹簧；81、第二驱动电机；82、第二非圆主动齿轮；83、第二非圆从动齿轮；84、第二连杆；84a、第二限位滑槽；85、第二抵推弹簧；
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
为实现上述发明目的，如图1-7所示，本公开提供了一种非圆齿轮关节机器人，其特征在于，包括：
底座2、与所述底座2转动连接的摆动支架3、与所述摆动支架3连接的大臂4、与所述大臂4连接的小臂5以及安装在小臂5末端的机械手6；
其中，所述摆动支架3与所述大臂4之间设置有非圆齿轮机构一7、所述大臂4与所述小臂5之间设置有非圆齿轮机构二8，所述非圆齿轮机构一7与非圆齿轮机构二8正交设置；
其中，通过所述非圆齿轮机构一7和所述非圆齿轮机构二8的适配传动，以使所述机械手6实现非圆轨迹运动。
本公开提供的非圆齿轮关节机器人，通过设置在所述摆动支架与所述大臂之间的非圆齿轮机构一、设置在所述大臂与所述小臂之间的非圆齿轮机构二，且非圆齿轮机构一与非圆齿轮机构二正交设置，依靠变中心距达到末端件在2个垂直平面内的非圆运动，实现了空间非圆运动轨迹，可用于机器人上下料等长期固定动作应用场景，相对传统工业机器人而言，可减少1个关节，降低成本，简化控制难度。
在本公开实施例中，根据实际工况要求对机器人轨迹进行规划，将所需达到的运动轨迹分解为平面曲线，再进行机器人逆运动学求解，设置所述非圆齿轮机构一7以及非圆齿轮机构二8的位置，计算所述非圆齿轮机构一7以及非圆齿轮机构二8所需相关参数。
可选的，还包括：摆动电机9，固定设置于所述底座2上；
摆动主齿轮10，固定安装于所述摆动电机9上；
摆动从齿轮11，与所述摆动支架3固定连接，且与所述摆动主齿轮10啮合；
其中，通过摆动主齿轮10与摆动从齿轮11的啮合传动，以使摆动电机9驱动所述摆动支架3转动。
可选的，所述非圆齿轮机构一7包括：
第一驱动电机71，固定安装于所述摆动支架3上；
第一非圆主动齿轮72，所述第一非圆主动齿轮72的一侧与所述摆动支架3转动连接，且所述第一非圆主动齿轮72另一侧连接至所述第一驱动电机71；
第一连杆74，所述第一连杆74的一侧与所述摆动支架3转动连接，所述第一连杆74的另一侧设置有第一端盖，为所述第一连杆74作限位，所述第一连杆74形成有第一限位滑槽74a；
第一非圆从动齿轮73，与所述第一非圆主动齿轮72啮合，且所述第一非圆从动齿轮73一侧的轴穿过所述第一限位滑槽74a后固定连接至所述大臂4；
第一抵推弹簧75，设置于所述第一限位滑槽74a内，且所述第一抵推弹簧75的端部抵接所述第一非圆从动齿轮73，所述非圆齿轮机构一7运行过程中反复推动所述第一抵推弹簧75，反之所述第一抵推弹簧75通过弹簧力始终抵压所述第一非圆从动齿轮73，以使所述第一非圆从动齿轮73与所述第一非圆主动齿轮72保持啮合。
可选的，还包括配重锤12，所述配重锤12固定连接在所述第一非圆从动齿轮73的另一侧，需要说明的是，所述配重锤12的重量设定需要考虑到机器人末端搭载的负载重量。
可选的，所述非圆齿轮机构一7的法向模数为2.5mm，螺旋角为4°；
其中，所述第一非圆主动齿轮72的半长轴为37.740mm，偏心率为0.12，齿数为30；
其中，所述第一非圆从动齿轮73的半长轴为50.263mm，偏心率为0.26，齿数为40。
可选的，所述非圆齿轮机构二8包括：
第二驱动电机81，固定安装于所述大臂4上；
第二非圆主动齿轮82，与所述大臂4转动连接，且连接至所述第二驱动电机81；
第二连杆84，所述第二连杆84一侧与所述大臂4转动连接，所述第二连杆84另一侧设置有第二端盖，以用作所述第二连杆84的限位，所述第二连杆84形成有第二限位滑槽84a；
第二非圆从动齿轮83，与所述第二非圆主动齿轮82啮合，且所述第二非圆从动齿轮83的轴穿过所述第二限位滑槽84a后固定连接至所述小臂5；
第二抵推弹簧85，设置于所述第二限位滑槽84a内，且所述第二抵推弹簧85的端部抵接所述第二非圆从动齿轮83，所述非圆齿轮机构二8运行过程中反复推动所述第二抵推弹簧85，反之所述第二抵推弹簧85通过弹簧力始终抵压所述第二非圆从动齿轮83，以使所述第二非圆从动齿轮83与所述第二非圆主动齿轮82保持啮合。
可选的，所述非圆齿轮机构二8的法向模数为3mm，螺旋角为10°，齿数为28；
其中，所述第二非圆主动齿轮82的半长轴为41.5392mm，偏心率为0.20；
其中，所述第二非圆从动齿轮83的半长轴为103.848mm，齿数为42。
可选的，所述小臂5的轴线与所述机械手6的轴线重合，以保证机器人轨迹的精确。
可选的，还包括连接底板1，所述连接底板1固定连接在地面上。
作为本发明的第二个方面，提供了一种非圆齿轮关节机器人的设计方法，所述非圆齿轮关节机器人为如前所述的非圆齿轮关节机器人，所述设计方法包括：
根据作业任务，对机器人轨迹规划，获得空间运动轨迹；
将所述空间运动轨迹分解为两个相互垂直平面内的二维运动轨迹；
基于两个所述二维运动轨迹，进行机器人逆运动学求解，设置非圆齿轮关节位置；
基于两个所述二维运动轨迹，分别设计两组非圆齿轮副；
根据所述非圆齿轮副的结构尺寸，设计非圆齿轮关节；
机器人离线编程，控制非圆齿轮关节运动。
实施例
一种非圆齿轮关节机器人的设计方法，包括以下步骤：
(1)根据加工曲轴上下料作业任务，对机器人末端件轨迹规划；
(2)如图7所示，在Matlab中以点集合的方式绘制空间曲线703，将其投影至2维正交平面702和705，分别得到701和704两条二维运动轨迹；
(3)根据正交平面内的两条二维运动轨迹701和704分别确定非圆齿轮关节空间布置，依据空间轨迹曲线特征，进行机器人逆运动学分析，采用迭代牛顿－欧拉算法(RNE)，实现关节型机器人的快速求解，获取非圆齿轮关节运动规律；
(4)根据正交平面内的两条二维运动轨迹701和704分别设计2个非圆齿轮副，如图5和图6所示；
(5)根据非圆齿轮副结构尺寸，设计2个非圆齿轮关节，如图1所示；
(6)根据机器人系统特点，离线编程，控制非圆齿轮关节运动，实现加工曲轴上下料作业任务。
需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非圆齿轮关节机器人，其特征在于，包括：底座、与所述底座转动连接的摆动支架、与所述摆动支架连接的大臂、与所述大臂连接的小臂以及安装在小臂末端的机械手；
其中，所述摆动支架与所述大臂之间设置有非圆齿轮机构一、所述大臂与所述小臂之间设置有非圆齿轮机构二，所述非圆齿轮机构一与非圆齿轮机构二正交设置；
其中，通过所述非圆齿轮机构一和所述非圆齿轮机构二的适配传动，以使所述机械手实现非圆轨迹运动；
其中，还包括：
摆动电机，固定设置于所述底座上；
摆动主齿轮，固定安装于所述摆动电机上；
摆动从齿轮，与所述摆动支架固定连接，且与所述摆动主齿轮啮合；
其中，通过摆动主齿轮与摆动从齿轮的啮合传动，以使摆动电机驱动所述摆动支架转动；
所述非圆齿轮机构一包括：
第一驱动电机，固定安装于所述摆动支架上；
第一非圆主动齿轮，与所述摆动支架转动连接，且连接至所述第一驱动电机；
第一连杆，与所述摆动支架转动连接，所述第一连杆形成有第一限位滑槽；
第一非圆从动齿轮，与所述第一非圆主动齿轮啮合，且所述第一非圆从动齿轮一侧的轴穿过所述第一限位滑槽后固定连接至所述大臂；
第一抵推弹簧，设置于所述第一限位滑槽内，且所述第一抵推弹簧的端部抵接所述第一非圆从动齿轮，以使所述第一非圆从动齿轮与所述第一非圆主动齿轮保持啮合。
2.根据权利要求1所述的非圆齿轮关节机器人，其特征在于，还包括配重锤，所述配重锤固定连接在所述第一非圆从动齿轮的另一侧。
3.根据权利要求1所述的非圆齿轮关节机器人，其特征在于，所述非圆齿轮机构二包括：
第二驱动电机，固定安装于所述大臂上；
第二非圆主动齿轮，与所述大臂转动连接，且连接至所述第二驱动电机；
第二连杆，与所述大臂转动连接，所述第二连杆形成有第二限位滑槽；
第二非圆从动齿轮，与所述第二非圆主动齿轮啮合，且所述第二非圆从动齿轮的轴穿过所述第二限位滑槽后固定连接至所述小臂；
第二抵推弹簧，设置于所述第二限位滑槽内，且所述第二抵推弹簧的端部抵接所述第二非圆从动齿轮，以使所述第二非圆从动齿轮与所述第二非圆主动齿轮保持啮合。
4.根据权利要求1所述的一种非圆齿轮关节机器人，其特征在于，所述小臂的轴线与所述机械手的轴线重合。
5.根据权利要求1所述的一种非圆齿轮关节机器人，其特征在于，还包括连接底板。
6.一种非圆齿轮关节机器人的设计方法，其特征在于，所述非圆齿轮关节机器人为如权利要求1-5任意一项所述的非圆齿轮关节机器人，所述设计方法包括：
根据作业任务，对机器人轨迹规划，获得空间运动轨迹；
将所述空间运动轨迹分解为两个相互垂直平面内的二维运动轨迹；
进行机器人逆运动学求解，设置非圆齿轮关节位置；
基于两个所述二维运动轨迹，分别设计两组非圆齿轮副；
根据所述非圆齿轮副的结构尺寸，设计非圆齿轮关节；
机器人离线编程，控制非圆齿轮关节运动。
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