CN114102650B - 一种多自由度机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度机器人末端执行器。该末端执行器包括基板、第一翻转组件、联动组件和第二翻转组件。第一翻转组件安装在基板上。第一翻转组件与第二翻转组件通过联动组件，并形成对称运动结构。第一翻转组件包括回转环、安装环、第一驱动组件、第一定轴、第二定轴、第一端块、第一支臂、第二端块、安装轴、第三端块、第二支臂、第四端块和第二驱动组件。联动组件包括中心连接件和两个联动齿轮。第二翻转组件包括末端安装盘、第一动轴、第二动轴、第五端块、第三支臂、第六端块、第七端块、第四支臂和第八端块。本发明通过对称运动结构，能够如手腕一样可自由灵活转动，极大的简化了对内壁环境物体的加工工艺流程。

Description

一种多自由度机器人末端执行器

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具有多自由度机器人如手腕自由转动的末端执行器。

背景技术

电动执行器主要应用于工业自动化控制系统中，终端用户对执行器的智能化、耐受性、精确性、稳定性、可靠性等要求越来越高，越来越多的精细化工艺也应运而生。面对很多复杂的工业流程，如器皿内壁、工具内侧，他存在加工空间小，精细化程度要求高等问题，因此灵活的腕部关节机器人。腕部关节机器人的结构设计也在这种情况下诞生了。传统的机器人腕部机构是在串联型和并联型机构的基础上发展起来的。近年来，为了增加机器人操作的功能，许多传感器如力-力矩传感器或触觉传感器被嵌入到机器人的手或夹持器中。因此，许多电线应该穿过手腕。此外，肌腱驱动的手或夹持器系统需要一个通过手腕的导线通道。基于上述原因，并联机构型腕适合于机器人腕，它可以获得其中心的中空空间作为导线的通道。然而，通常并行类型机构比串行类型机构有更少的工作空间。针对以上问题，本发明提出了一种应用于工业上一种多自由度机器人刀具执行器，利用两个对称的空间支臂通过反向运动传输机构叠加运动而实现此刀具具有如手腕一样可自由灵活转动的特效。同时，其中空设计用于装置走线，也极大的节约了空间。

发明内容

本发明的目的是设计一种具体设计一种具有多自由度，可以如手腕一样自由转动的末端执行器。

本发明一种多自由度机器人末端执行器，包括基板、第一翻转组件、联动组件和第二翻转组件。第一翻转组件安装在基板上。第一翻转组件与第二翻转组件通过联动组件，并形成对称运动结构。

所述的第一翻转组件包括回转环、安装环、第一驱动组件、第一定轴、第二定轴、第一端块、第一支臂、第二端块、安装轴、第三端块、第二支臂、第四端块和第二驱动组件。安装环固定在基板上。回转环转动连接在安装环的外侧。第一支臂的两端分别设置有第一端块、第二端块。第二支臂的两端分别设置有第三端块、第四端块。第一定轴和第二定轴均固定在回转环上。第一端块与第一定轴转动连接。第三端块与第二定轴转动连接。回转环由第一驱动组件驱动旋转。第三端块由第二驱动组件驱动旋转。

所述的联动组件包括中心连接件和两个联动齿轮。第二端块、第四端块与中心连接件的两端分别转动连接。第一端块、第二端块、第三端块和第四端块的转动轴线交于同一点。

所述的第二翻转组件包括末端安装盘、第一动轴、第二动轴、第五端块、第三支臂、第六端块、第七端块、第四支臂和第八端块。第一动轴和第二动轴均固定在末端安装盘上，且轴线与第一定轴、第二定轴的轴线关于过联动组件的特征平面分别对称。第五端块与第一动轴转动连接。第七端块与第二动轴转动连接。第六端块、第八端块与中心连接件的两端分别转动连接。第六端块、第八端块的转动轴线与第三端块、第四端块的转动轴线关于特征平面分别对称。联动组件内的两个联动齿轮与第三端块、第六端块分别固定。两个联动齿轮啮合在一起。

作为优选，所述的第一驱动组件包括主动齿轮和第一电机。回转环呈齿圈状。主动齿轮转动连接在基板上，并与回转环外侧的轮齿啮合。第一电机固定在基板上，且输出轴与主动齿轮固定。

作为优选，所述的第二驱动组件包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二电机和支撑架。支撑架固定在回转环的内侧。第一锥齿轮与第三端块固定；第二锥齿轮转动连接在支撑架上；第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合。

作为优选，所述的末端安装盘上安装有刀具安装模块；使用多自由度机器人末端执行器实现刀具安装和的灵活驱动。所述的刀具安装模块包括安装支架、液压缸、装夹组件和移动板。安装支架固定在末端安装盘。液压缸安装在安装支架上。移动板固定在液压缸的液压杆上。装夹组件用于装夹刀具，安装在移动板上。

作为优选，所述的第一端块与第一定轴之间，第三端块与第二定轴之间，第五端块与第一动轴之间，第七端块与第二动轴之间均设置有轴承。

作为优选，所述的第二端块、第四端块、第六端块和第八端块与中心连接件之间均设置有轴承。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过对称运动结构，能够如手腕一样可自由灵活转动，上下延伸，使包括刀具在的执行器能够灵活翻转，实现自由加工，极大的简化了对内壁环境物体的加工工艺流程。

2.本发明采用双杆并联结构，具有较大的刚度，稳定性强。此外，本发明利用四根旋转轴线交于同一点的方式，实现空间共约束，确保了运动学上的单一方位点。

3.本发明获得中空空间作为导线的通道，便于现代化集成传感器等其他信息器件的走线布局及安装。

附图说明

图1为本发明的第一张整体结构示意图；

图2为本发明的第二张整体结构示意图；

图3为本发明弯向其中一侧的示意图；

图4为本发明弯向另一侧的示意图；

图5为本发明中刀具安装模块的结构示意图；

图6为本发明中刀具安装模块向外推出的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种多自由度机器人末端执行器，包括基板3、第一翻转组件、联动组件和第二翻转组件。第一翻转组件安装在基板3上。第一翻转组件与第二翻转组件通过联动组件，并形成对称运动结构。

第一翻转组件包括回转环1、安装环18、第一驱动组件、第一定轴2、第二定轴、第一端块4、第一支臂5、第二端块7、安装轴8、第三端块11、第二支臂12、第四端块13和第二驱动组件。安装环18固定在基板3上。回转环1转动连接在安装环18的外侧。第一支臂5的两端与第一端块4、第二端块7分别固定。第二支臂12的两端与第三端块11、第四端块13分别固定。

回转环1的外侧固定有垫板。垫板通过加工工艺固定在回转环1上，使其成为一个整体。倾斜设置的第一定轴的一端固定在垫板上。第一端块4与第一定轴通过轴承转动连接。倾斜设置的第二定轴的内端固定在回转环1的内侧。第三端块11与第二定轴通过轴承转动连接。回转环1由第一驱动组件驱动旋转。第一驱动组件包括主动齿轮10和第一电机。回转环1呈齿圈状。主动齿轮10转动连接在基板3上，并与回转环1外侧的轮齿啮合。第一电机固定在基板3上，且输出轴与主动齿轮10固定。

第三端块11由第二驱动组件驱动旋转。第二驱动组件包括第一锥齿轮16、第二锥齿轮17、第二电机19和支撑架15。支撑架15固定在回转环1的内侧。第一锥齿轮16与第三端块11固定；第二锥齿轮17转动连接在支撑架15上；第一锥齿轮16与第二锥齿轮17啮合。

联动组件包括中心连接件9和两个联动齿轮14。第二端块7、第四端块13与中心连接件9的两端分别转动连接。第一端块4、第二端块7、第三端块11和第四端块13的转动轴线6交于同一点，由此形成空间共约束，使得第二电机能够带动中心连接件9进行单一稳定的运动。

第二翻转组件包括末端安装盘20、第一动轴、第二动轴、第五端块、第三支臂、第六端块、安装轴、第七端块、第四支臂、第八端块和第二驱动组件(由于第一翻转组件与第二翻转组件为对称结构；故第二翻转组件中的各部件未详细标号)。第一动轴和第二动轴均固定在末端安装盘20上，且轴线与第一定轴、第二定轴的轴线关于过联动组件的特征平面分别对称。

第五端块与第一动轴通过轴承转动连接。第七端块与第二动轴通过轴承转动连接。第六端块、第八端块与中心连接件9的两端分别转动连接。第六端块、第八端块的转动轴线与第三端块、第四端块的转动轴线关于特征平面分别对称。联动组件内的两个联动齿轮14与第三端块、第六端块分别固定，实现第一翻转组件与第二翻转组件的传动连接。两个联动齿轮14啮合在一起。

当第二电机带动中心连接件9运动时，在两个联动齿轮14的传动下，末端安装盘20相对中心连接件9发生运动，使得末端安装盘20与回转环1持续保持对称状态；该过程中，末端安装盘20相对于基板3呈现类似于手腕翻转的运动，能够灵活执行各种任务。

如图5和6所示，本实施例中，末端安装盘上安装有刀具安装模块；使用多自由度机器人末端执行器实现刀具安装和的灵活驱动。所述的刀具安装模块包括安装支架、液压缸21-5、装夹组件和移动板21-11。安装支架固定在末端安装盘。液压缸21-5安装在安装支架上。移动板21-11固定在液压缸21-5的液压杆21-6上。装夹组件用于装夹刀具，安装在移动板21-11上。

所述的安装支架包括固定在一起的下底板21-1、支撑柱21-2、中底板21-3和上底板21-4。所述的装夹组件包括夹具底板21-8、夹具上板21-9和螺栓21-10。中底板21-3为如图2中普通圆板正上方短板，中底板21-3与普通圆板通过螺栓固定。下底板21-1与上底板21-4通过支撑柱21-2固定相连。液压缸21-5固定在下底板21-1处，液压杆21-6与液压缸21-5相连。移动板21-11与液压杆21-6相连。下底板21-1上开设有中心孔21-7，其目的为导线通道，疏通导线。夹具底板21-8固定在移动板21-11上，夹具底板21-8与夹具上板21-9中间为刀具，通过螺栓21-10控制夹具底板21-8与夹具上板21-9的松紧装夹夹具。

该装置左右侧二端约为45°的工作夹角，适应产品内壁的加工。当工作夹角大于45°时，会造成加工表面与刀具夹角过大而产生爆刀等情况，阻碍加工流程的正常进行，因此该工作量程契合目标的工作环境需求。

如图4所示，本发明执行器中腕部关节的工作流程如下：

电机旋转，第二锥齿轮17旋转带动第一锥齿轮16旋转。第二支臂12旋转，并与上臂相较于两臂内侧收拢。普通圆板15与该上臂连接一侧向下倾斜，另一端翘起。该运动带动第二支臂12和其上方支臂向内侧收拢。可实现左右对称约90°的工作量程，如图4所示。小齿轮旋转，带动大齿轮旋转，该装置实现面向360°的类似手腕旋转运动。

如图6所示，本发明执行器中工作台的工作流程：

当装有刀具的装夹组件向外推出时，启动液压缸21-5，推动21-6液压杆上升，移动板21-11推出。

当装有刀具的装夹组件向内缩回时，启动液压缸21-5，推动21-6液压杆下降，移动板21-11向内缩回。

需要换刀时，通过螺栓21-10控制位于夹具底板21-8与夹具上板21-9的刀具，实现对刀具的松紧。

Claims (4)

1.一种多自由度机器人末端执行器，包括基板（3）、第一翻转组件、联动组件和第二翻转组件；其特征在于：所述的第一翻转组件安装在基板（3）上；第一翻转组件与第二翻转组件通过联动组件，并形成对称运动结构；

所述的第一翻转组件包括回转环（1）、安装环（18）、第一驱动组件、第一定轴（2）、第二定轴、第一端块（4）、第一支臂（5）、第二端块（7）、安装轴（8）、第三端块（11）、第二支臂（12）、第四端块（13）和第二驱动组件；安装环（18）固定在基板（3）上；回转环（1）转动连接在安装环（18）的外侧；第一支臂（5）的两端分别设置有第一端块（4）、第二端块（7）；第二支臂（12）的两端分别设置有第三端块（11）、第四端块（13）；第一定轴和第二定轴均固定在回转环（1）上；第一端块（4）与第一定轴转动连接；第三端块（11）与第二定轴转动连接；回转环（1）由第一驱动组件驱动旋转；第三端块（11）由第二驱动组件驱动旋转；

所述的联动组件包括中心连接件（9）和两个联动齿轮（14）；第二端块（7）、第四端块（13）与中心连接件（9）的两端分别转动连接；第一端块（4）、第二端块（7）、第三端块（11）和第四端块（13）的转动轴线（6）交于同一点；

所述的第二翻转组件包括末端安装盘（20）、第一动轴、第二动轴、第五端块、第三支臂、第六端块、第七端块、第四支臂和第八端块；第一动轴和第二动轴均固定在末端安装盘（20）上；第一动轴的轴线与第一定轴的轴线关于过联动组件的特征平面对称；第二动轴的轴线与第二定轴的轴线关于过联动组件的特征平面对称；第五端块与第一动轴转动连接；第七端块与第二动轴转动连接；第六端块、第八端块与中心连接件（9）的两端分别转动连接；

第五端块、第八端块与第三支臂的两端分别固定；第六端块、第七端块与第四支臂的两端分别固定；第六端块的转动轴线与第四端块的转动轴线关于特征平面分别对称；第八端块的转动轴线与第二端块的转动轴线关于特征平面分别对称；联动组件内的两个联动齿轮（14）与第四端块、第六端块分别固定；两个联动齿轮（14）啮合在一起；

所述的第一驱动组件包括主动齿轮（10）和第一电机；回转环（1）呈齿圈状；主动齿轮（10）转动连接在基板（3）上，并与回转环（1）外侧的轮齿啮合；第一电机固定在基板（3）上，且输出轴与主动齿轮（10）固定；

所述的第二驱动组件包括第一锥齿轮（16）、第二锥齿轮（17）、第二电机（19）和支撑架（15）；支撑架（15）固定在回转环（1）的内侧；第一锥齿轮（16）与第三端块（11）固定；第二锥齿轮（17）转动连接在支撑架（15）上；第一锥齿轮（16）与第二锥齿轮（17）啮合。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人末端执行器，其特征在于：所述的末端安装盘上安装有刀具安装模块；所述的刀具安装模块包括安装支架、液压缸（21-5）、装夹组件和移动板（21-11）；安装支架固定在末端安装盘；液压缸（21-5）安装在安装支架上；移动板（21-11）固定在液压缸（21-5）的液压杆（21-6）上；装夹组件安装在移动板（21-11）上，用于装夹刀具。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人末端执行器，其特征在于：所述的第一端块（4）与第一定轴之间，第三端块（11）与第二定轴之间，第五端块与第一动轴之间，第七端块与第二动轴之间均设置有轴承。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人末端执行器，其特征在于：所述的第二端块（7）、第四端块（13）、第六端块和第八端块与中心连接件（9）之间均设置有轴承。