CN113910291A

CN113910291A - 一种机器人末端内空关节结构

Info

Publication number: CN113910291A
Application number: CN202111520682.5A
Authority: CN
Inventors: 孙宝龙; 陈立博; 刘亚超; 郝以阁; 孙鹏; 陈为廉; 王金涛; 朱维金; 于伟光; 刘祥; 张鹤; 王瑞
Original assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Current assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2041-12-14
Also published as: CN113910291B

Abstract

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种机器人末端内空关节结构。包括手臂、T轴减速机、末端法兰、B轴减速机、关节结构件、B轴传动组件及T轴传动组件，其中B轴传动组件和T轴传动组件分别设置于手臂的左右两侧；B轴减速机设置于B轴传动组件的前端，B轴减速机的输入端与B轴传动组件连接，B轴减速机的输出端与关节结构件连接，关节结构件绕B轴线转动地设置于手臂的前端；T轴减速机设置于关节结构件上，T轴减速机的输入端与T轴传动组件连接，T轴减速机的输出端与末端法兰连接，T轴减速机驱动末端法兰绕与B轴线垂直的T轴线旋转。本发明降低加工、装配复杂性，具有自适应精度补偿、适应复杂的非结构环境的特点。

Description

一种机器人末端内空关节结构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种机器人末端内空关节结构。

背景技术

近年来原材料及劳动力的成本持续上升，加之疫情冲击，催生了更多行业对生产自动化的新需求。因而，作为工业自动化主体的机器人需要更强的适应能力、更强大的功能和性能。其中高温、高尘、洁净、防爆等复杂环境即是机器人需要面临挑战之一；另外，工业机器人关节的锥齿轮传动受限于加工、装配能力，噪声、精度和寿命等方面不易控制。因此，急需一种可以减轻装配、加工的复杂性，具有自适应精度补偿、适应复杂的非结构环境的末端内空关节结构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种机器人末端内空关节结构，该结构可以降低加工、装配复杂性，具有自适应精度补偿、适应复杂的非结构环境的特点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机器人末端内空关节结构，包括手臂、T轴减速机、末端法兰、B轴减速机、关节结构件、B轴传动组件及T轴传动组件，其中B轴传动组件和T轴传动组件分别设置于手臂的左右两侧；

B轴减速机设置于B轴传动组件的前端，B轴减速机的输入端与B轴传动组件连接，B轴减速机的输出端与关节结构件连接，关节结构件绕B轴线转动地设置于手臂的前端；

T轴减速机设置于关节结构件上，T轴减速机的输入端与T轴传动组件连接，T轴减速机的输出端与末端法兰连接，T轴减速机驱动末端法兰绕与B轴线垂直的T轴线旋转。

所述关节结构件上设有中心筒Ⅰ和中心筒Ⅱ，中心筒Ⅰ的中心轴线为与B轴线重合的C轴线，中心筒Ⅱ的中心轴线与T轴线重合；

所述T轴传动组件设置于中心筒Ⅰ的外侧；所述T轴减速机套装在中心筒Ⅱ的外侧。

所述T轴传动组件包括带传动机构Ⅰ、锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ及密封罩，其中锥齿轮Ⅰ套装在所述中心筒Ⅰ的外侧，且锥齿轮Ⅰ与所述中心筒Ⅰ之间留有间隙；锥齿轮Ⅰ的齿轮轴通过轴承Ⅰ和轴承Ⅱ与所述手臂转动连接；

带传动机构Ⅰ设置于所述手臂的一侧，且带传动机构Ⅰ与锥齿轮Ⅰ的齿轮轴传动连接；

锥齿轮Ⅱ设置于所述T轴减速机的输入端，锥齿轮Ⅱ与锥齿轮Ⅰ啮合；密封罩罩设于锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ的外侧，且密封罩的两端均与所述关节结构件密封连接。

所述轴承Ⅰ位于所述轴承Ⅱ的外侧，且所述轴承Ⅰ的外圈通过压盖轴向限位；所述轴承Ⅰ的内圈与所述锥齿轮Ⅰ之间设有弹簧。

所述带传动机构Ⅰ包括电机Ⅰ、同步带Ⅰ、带轮Ⅰ及带轮Ⅱ，其中电机Ⅰ设置于所述手臂内，且电机Ⅰ的输出端与带轮Ⅰ连接；带轮Ⅱ设置于所述锥齿轮Ⅰ的齿轮轴末端，带轮Ⅱ通过同步带Ⅰ与带轮Ⅰ传动连接；所述带轮Ⅱ与所述中心筒Ⅰ的外侧端部之间设有密封圈Ⅱ。

所述手臂上设有与所述中心筒Ⅰ同轴的座套，所述轴承Ⅰ和所述轴承Ⅱ均位于所述锥齿轮Ⅰ和座套之间；所述关节结构件通过轴承Ⅲ安装在座套的外侧。

所述座套与所述手臂之间设有密封垫Ⅱ；所述座套与所述锥齿轮Ⅰ之间通过密封圈Ⅰ密封连接；所述座套与所述关节结构件之间设有密封圈Ⅷ；

所述关节结构件与所述中心筒Ⅰ的内侧端部之间设有密封圈Ⅲ；所述关节结构件与所述中心筒Ⅱ的内侧端部之间设有密封圈Ⅹ，所述中心筒Ⅱ的外侧端部与所述末端法兰之间设有密封圈Ⅵ；

所述密封罩的两端与所述关节结构件的连接处分别设有密封圈Ⅳ和密封圈Ⅴ；所述关节结构件与所述T轴减速机之间设有密封圈Ⅸ。

所述B轴传动组件和所述T轴传动组件的外侧均设有侧盖，侧盖与所述手臂之间设有密封垫Ⅰ。

所述中心筒Ⅰ内设有分流棒，分流棒的侧壁上布设有多个气孔；分流棒通过接头与进气管连接；进气管容置于所述侧盖内。

所述B轴传动组件包括电机Ⅱ、带轮Ⅲ、同步带Ⅱ及带轮Ⅳ，其中电机Ⅱ设置于所述手臂内，且电机Ⅱ的输出端与带轮Ⅲ连接，带轮Ⅳ设置于所述B轴减速机的输入端，带轮Ⅳ通过同步带Ⅱ与带轮Ⅲ传动连接。

本发明的优点及有益效果是：

本发明提供的一种机器人末端内空关节结构，工具线缆内置，可适应复杂环境，相比末端工具线缆外置结构，可有效减少机器人运动相同轨迹时形成的扫略空间，可实现更狭小空间作业，提高线缆防护性，节省线缆使用长度。

本发明提供的一种机器人末端内空关节结构，通过齿轮副柔性连接结构，可进行自适应精度补偿，降低装配、加工复杂性，提高生产经济性，降低噪声、提高传动平稳性。

本发明提供的一种机器人末端内空关节结构，通过密封隔离设计，可有效降低高温、腐蚀性气体、强电磁干扰等恶劣环境的干扰，同时也可有效降低对洁净、真空、恒温等外部环境的破坏。

附图说明

图1为本发明一种机器人末端内空关节结构的轴测图；

图2为本发明一种机器人末端内空关节结构的俯视图；

图3为本发明一种机器人末端内空关节结构的局部剖视图；

图中：1为电机Ⅰ；2为同步带Ⅰ；3为带轮Ⅰ；4为电机Ⅱ；5为带轮Ⅲ；6为同步带Ⅱ；7为手臂；8为带轮Ⅱ；9为锥齿轮Ⅰ；10为轴承Ⅰ；11为轴承Ⅱ；12为锥齿轮Ⅱ；13为T轴减速机；14为末端法兰；15为B轴减速机；16为座套；17为轴承Ⅲ；18为压盖；19为弹簧；20为侧盖；21为密封垫Ⅰ；22为密封垫Ⅱ；23为密封罩；24为关节结构件；25为密封圈Ⅳ；26为密封圈Ⅴ；27为中心筒Ⅱ；28为密封圈Ⅵ；29为密封圈Ⅶ；30为分流棒；31为进气管；32为接头；33为密封圈Ⅷ；34为密封圈Ⅰ；35为中心筒Ⅰ；36为密封圈Ⅲ；37为密封圈Ⅹ；38为密封圈Ⅸ；39为密封圈Ⅱ；40为B轴传动组件；41为T轴传动组件；42为带轮Ⅳ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种机器人末端内空关节结构，包括手臂7、T轴减速机13、末端法兰14、B轴减速机15、关节结构件24、B轴传动组件40及T轴传动组件41，其中B轴传动组件40和T轴传动组件41分别设置于手臂7的左右两侧；B轴减速机15设置于B轴传动组件40的前端，B轴减速机15的输入端与B轴传动组件40连接，B轴减速机15的输出端与关节结构件24连接，关节结构件24绕B轴线转动地设置于手臂7的前端； T轴减速机13设置于关节结构件24上，T轴减速机13的输入端与T轴传动组件41连接，T轴减速机13的输出端与末端法兰14连接，T轴减速机13驱动末端法兰14绕与B轴线垂直的T轴线旋转。

如图3所示，本发明的实施例中，关节结构件24上设有中心筒Ⅰ35和中心筒Ⅱ27，中心筒Ⅰ35和中心筒Ⅱ27的轴线垂直正交并固装在关节结构件24上。具体地，中心筒Ⅰ35的中心轴线为与B轴线重合的C轴线，中心筒Ⅱ27的中心轴线与T轴线重合；T轴传动组件41设置于中心筒Ⅰ35的外侧；T轴减速机13套装在中心筒Ⅱ27的外侧。

本发明的实施例中，T轴传动组件41包括带传动机构Ⅰ、锥齿轮Ⅰ9和锥齿轮Ⅱ12及密封罩23，其中锥齿轮Ⅰ9套装在中心筒Ⅰ35的外侧，且锥齿轮Ⅰ9与中心筒Ⅰ35之间留有间隙；锥齿轮Ⅰ9的齿轮轴通过轴承Ⅰ10和轴承Ⅱ11与手臂7转动连接；带传动机构Ⅰ设置于手臂7的一侧，且带传动机构Ⅰ与锥齿轮Ⅰ9的齿轮轴传动连接；锥齿轮Ⅱ12设置于T轴减速机13的输入端，锥齿轮Ⅱ12与锥齿轮Ⅰ9啮合；密封罩23罩设于锥齿轮Ⅰ9和锥齿轮Ⅱ12的外侧，且密封罩23的两端均与关节结构件24密封连接。

进一步地，轴承Ⅰ10位于轴承Ⅱ11的外侧，且轴承Ⅰ10的外圈通过压盖18轴向限位；轴承Ⅰ10的内圈与锥齿轮Ⅰ9之间设有带预压的弹簧19。

如图2-3所示，本发明的实施例中，带传动机构Ⅰ包括电机Ⅰ1、同步带Ⅰ2、带轮Ⅰ3及带轮Ⅱ8，其中电机Ⅰ1设置于手臂7内，且电机Ⅰ1的输出端与带轮Ⅰ3连接；带轮Ⅱ8设置于锥齿轮Ⅰ9的齿轮轴末端，带轮Ⅱ8通过同步带Ⅰ2与带轮Ⅰ3传动连接；带轮Ⅱ8与中心筒Ⅰ35的外侧端部之间设有密封圈Ⅱ39。

T轴传动组件41由电机Ⅰ1驱动带轮Ⅰ3转动，带轮Ⅰ3通过同步带Ⅰ2将动力传至带轮Ⅱ8，因带轮Ⅱ8设置于锥齿轮Ⅰ9上，带轮Ⅱ8和锥齿轮Ⅰ9绕B轴线转动。锥齿轮Ⅰ9带动锥齿轮Ⅱ12转动，锥齿轮Ⅱ12与T轴减速机13的输入法兰固连，通过T轴减速机13将转动传递至末端法兰14，实现末端法兰14绕T轴线旋转，T轴线与B轴线垂直正交。

具体地，弹簧19推动轴承Ⅰ10，给轴承Ⅰ10施加预压，一方面消除了轴承Ⅰ10的游隙，提高了轴承Ⅰ10的旋转精度；另一方面抵消了同步带张力和锥齿轮径向力所产生的弯矩，保证C轴线与B轴线的共线，保证齿轮良好的啮合状态，可降低齿轮运行噪声和磨损不均匀情况，保证良好传动精度。

如图3所示，本发明的实施例中，手臂7上设有与中心筒Ⅰ35同轴的座套16，轴承Ⅰ10和轴承Ⅱ11均位于锥齿轮Ⅰ9和座套16之间；关节结构件24通过轴承Ⅲ17安装在座套16的外侧。轴承Ⅰ10外侧的压盖18与座套16固定连接，轴承Ⅰ10的外圈通过座套16的台阶面和压盖18进行轴向限位。

进一步地，座套16与手臂7之间设有密封垫Ⅱ22；座套16与锥齿轮Ⅰ9之间通过密封圈Ⅰ34密封连接；座套16与关节结构件24之间设有密封圈Ⅷ33；关节结构件24与中心筒Ⅰ35的内侧端部之间设有密封圈Ⅲ36；关节结构件24与中心筒Ⅱ27的内侧端部之间设有密封圈Ⅹ37，中心筒Ⅱ27的外侧端部与末端法兰14之间设有密封圈Ⅵ28；密封罩23的两端与关节结构件24的连接处分别设有密封圈Ⅳ25和密封圈Ⅴ26；关节结构件24与T轴减速机13之间设有密封圈Ⅸ38。末端法兰14和用户工具之间可通过密封圈Ⅶ29密封，通过上述系列密封可保证T轴侧的管线回路与外界的密封隔离。锥齿轮Ⅰ9和锥齿轮Ⅱ12所在腔体同为密封结构，保证腔体内润滑剂不泄露，即通过上述轴孔和端面密封保证锥齿轮腔体的密封。

如图3所示，本发明的实施例中，B轴传动组件40和T轴传动组件41的外侧均设有侧盖20，侧盖20与手臂7连接，且侧盖20与手臂7之间设有密封垫Ⅰ21。

进一步地，中心筒Ⅰ35内设有分流棒30，分流棒30的侧壁上布设有多个气孔；分流棒30通过接头32与进气管31连接；进气管31容置于侧盖20内。针对高温和防爆环境，冷空气由进气管31进入分流棒30内，再由分流棒30上的气孔充入T轴密封内腔（由中心筒Ⅰ35、密封罩23和中心筒Ⅱ27形成），冷空气被内腔加热后由中心筒Ⅰ35的外侧端口流出，向手臂7的后端流动，经出气管排出，从而带走多余热量。需建立正压时，进气管31可加装溢流阀，保持手臂内压力恒定。

如图2-3所示，本发明的实施例中，B轴传动组件40包括电机Ⅱ4、带轮Ⅲ5、同步带Ⅱ6及带轮Ⅳ42，其中电机Ⅱ4设置于手臂7内，且电机Ⅱ4的输出端与带轮Ⅲ5连接，带轮Ⅳ42设置于B轴减速机15的输入端，带轮Ⅳ42通过同步带Ⅱ6与带轮Ⅲ5传动连接。

B轴传动组件40的动力由电机Ⅱ4输出，电机Ⅱ4通过同步带Ⅱ6将动力传至B轴减速机15的输入端，经B轴减速机15将动力传递给与B轴减速机15的输出端固接的关节结构件24，实现关节结构件24绕B轴线转动。

本发明的实施例中，轴承Ⅰ10和轴承Ⅱ11的内圈与锥齿轮Ⅰ9的齿轮轴部均为微过渡配合；弹簧19的一端推动锥齿轮Ⅰ9沿C轴线向锥齿轮Ⅰ9的小端方向运动，使运动锥齿轮Ⅰ9与锥齿轮Ⅱ12接触为止，锥齿轮Ⅱ12作为锥齿轮Ⅰ9的轴向限位；弹簧19的另一端推动轴承Ⅰ10的内圈，轴承Ⅰ10的外圈通过座套16与压盖18固定，在弹簧19的弹簧力作用下将轴承Ⅰ10的内圈、滚珠及外圈之间压紧，消除轴承Ⅰ10的游隙。也就是说，弹簧19推动锥齿轮Ⅰ9向小端方向运动，一方面可消除锥齿轮Ⅰ9与锥齿轮Ⅱ12之间的啮合间隙，提高机器人关节传动精度、消除齿轮正反向运转时的齿隙误差；另一方面锥齿轮副由锥齿轮、轴承、结构件等多个零件配合形成，如需要保证高精度，需要每个配合零件都具备很高的加工精度，实际中非常难实现，即使通过提高精度实现价格也将非常昂贵；采用弹簧19使得锥齿轮副变为柔性连接，锥齿轮Ⅰ9可沿轴向进行微小运动，使B轴在任意角度时，都可以实现T轴任意转动的零背隙，大大降低了对零件的制造和装配难度。

本实施例中，在手臂7的内部传动及走线，实现与外部隔离，避免手臂7内部与外界环境间的相互扰动。T轴侧的中心筒Ⅰ35和中心筒Ⅱ27内可用于末端工具的线缆穿过，保护线缆不受外界高温、腐蚀性气体、强电磁干扰等恶劣环境的干扰，同时，线缆内置减少了手臂7的整体运动包络空间，避免洁净环境中由于线缆摩擦产生的粉尘。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种机器人末端内空关节结构，其特征在于，包括手臂（7）、T轴减速机（13）、末端法兰（14）、B轴减速机（15）、关节结构件（24）、B轴传动组件（40）及T轴传动组件（41），其中B轴传动组件（40）和T轴传动组件（41）分别设置于手臂（7）的左右两侧；

B轴减速机（15）设置于B轴传动组件（40）的前端，B轴减速机（15）的输入端与B轴传动组件（40）连接，B轴减速机（15）的输出端与关节结构件（24）连接，关节结构件（24）绕B轴线转动地设置于手臂（7）的前端；

T轴减速机（13）设置于关节结构件（24）上，T轴减速机（13）的输入端与T轴传动组件（41）连接，T轴减速机（13）的输出端与末端法兰（14）连接，T轴减速机（13）驱动末端法兰（14）绕与B轴线垂直的T轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述关节结构件（24）上设有中心筒Ⅰ（35）和中心筒Ⅱ（27），中心筒Ⅰ（35）的中心轴线为与B轴线重合的C轴线，中心筒Ⅱ（27）的中心轴线与T轴线重合；

所述T轴传动组件（41）设置于中心筒Ⅰ（35）的外侧；所述T轴减速机（13）套装在中心筒Ⅱ（27）的外侧。

3.根据权利要求2所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述T轴传动组件（41）包括带传动机构Ⅰ、锥齿轮Ⅰ（9）和锥齿轮Ⅱ（12）及密封罩（23），其中锥齿轮Ⅰ（9）套装在所述中心筒Ⅰ（35）的外侧，且锥齿轮Ⅰ（9）与所述中心筒Ⅰ（35）之间留有间隙；锥齿轮Ⅰ（9）的齿轮轴通过轴承Ⅰ（10）和轴承Ⅱ（11）与所述手臂（7）转动连接；

带传动机构Ⅰ设置于所述手臂（7）的一侧，且带传动机构Ⅰ与锥齿轮Ⅰ（9）的齿轮轴传动连接；

锥齿轮Ⅱ（12）设置于所述T轴减速机（13）的输入端，锥齿轮Ⅱ（12）与锥齿轮Ⅰ（9）啮合；密封罩（23）罩设于锥齿轮Ⅰ（9）和锥齿轮Ⅱ（12）的外侧，且密封罩（23）的两端均与所述关节结构件（24）密封连接。

4.根据权利要求3所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述轴承Ⅰ（10）位于所述轴承Ⅱ（11）的外侧，且所述轴承Ⅰ（10）的外圈通过压盖（18）轴向限位；所述轴承Ⅰ（10）的内圈与所述锥齿轮Ⅰ（9）之间设有弹簧（19）。

5.根据权利要求3所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述带传动机构Ⅰ包括电机Ⅰ（1）、同步带Ⅰ（2）、带轮Ⅰ（3）及带轮Ⅱ（8），其中电机Ⅰ（1）设置于所述手臂（7）内，且电机Ⅰ（1）的输出端与带轮Ⅰ（3）连接；带轮Ⅱ（8）设置于所述锥齿轮Ⅰ（9）的齿轮轴末端，带轮Ⅱ（8）通过同步带Ⅰ（2）与带轮Ⅰ（3）传动连接；所述带轮Ⅱ（8）与所述中心筒Ⅰ（35）的外侧端部之间设有密封圈Ⅱ（39）。

6.根据权利要求3所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述手臂（7）上设有与所述中心筒Ⅰ（35）同轴的座套（16），所述轴承Ⅰ（10）和所述轴承Ⅱ（11）均位于所述锥齿轮Ⅰ（9）和座套（16）之间；所述关节结构件（24）通过轴承Ⅲ（17）安装在座套（16）的外侧。

7.根据权利要求6所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述座套（16）与所述手臂（7）之间设有密封垫Ⅱ（22）；所述座套（16）与所述锥齿轮Ⅰ（9）之间通过密封圈Ⅰ（34）密封连接；所述座套（16）与所述关节结构件（24）之间设有密封圈Ⅷ（33）；

所述关节结构件（24）与所述中心筒Ⅰ（35）的内侧端部之间设有密封圈Ⅲ（36）；所述关节结构件（24）与所述中心筒Ⅱ（27）的内侧端部之间设有密封圈Ⅹ（37），所述中心筒Ⅱ（27）的外侧端部与所述末端法兰（14）之间设有密封圈Ⅵ（28）；

所述密封罩（23）的两端与所述关节结构件（24）的连接处分别设有密封圈Ⅳ（25）和密封圈Ⅴ（26）；所述关节结构件（24）与所述T轴减速机（13）之间设有密封圈Ⅸ（38）。

8.根据权利要求2所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述B轴传动组件（40）和所述T轴传动组件（41）的外侧均设有侧盖（20），侧盖（20）与所述手臂（7）之间设有密封垫Ⅰ（21）。

9.根据权利要求8所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述中心筒Ⅰ（35）内设有分流棒（30），分流棒（30）的侧壁上布设有多个气孔；分流棒（30）通过接头（32）与进气管（31）连接；进气管（31）容置于所述侧盖（20）内。

10.根据权利要求1所述的机器人末端内空关节结构，其特征在于，所述B轴传动组件（40）包括电机Ⅱ（4）、带轮Ⅲ（5）、同步带Ⅱ（6）及带轮Ⅳ（42），其中电机Ⅱ（4）设置于所述手臂（7）内，且电机Ⅱ（4）的输出端与带轮Ⅲ（5）连接，带轮Ⅳ（42）设置于所述B轴减速机（15）的输入端，带轮Ⅳ（42）通过同步带Ⅱ（6）与带轮Ⅲ（5）传动连接。