CN116061158A - 欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人涉及一种用于手腕本体始终保持初始姿态不变工况下的工业机器人。其目的是为了提供一种结构简单、使用灵活的机器人。本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人包括底座组件、腰部组件、大臂组件、小臂组件和手腕组件,大臂组件的大臂本体内设置有分别用于带动大臂和小臂运动的大臂电机和小臂电机,小臂组件的小臂本体内设置有末端执行器电机,末端执行器电机带动手腕组件的末端执行器转动;还包括欠驱动跟随传动机构,欠驱动跟随传动机构包括腰部同步轮、小臂关节轮、小臂同步轮和手腕同步轮,腰部同步轮和小臂关节轮上设置有第一传动绳,小臂同步轮和手腕同步轮上设置有第二传动绳。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域,特别是涉及一种欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人。
背景技术
近年来,我国机器人产业呈现强劲发展势头,产业规模快速增长,技术大幅提升,应用深度和广度加速拓展。为了适用于多种应用场合,工业机器人通常采用多轴串联关节机器人,且每一个关节都充当一个自由度单独控制。但在一些特定场合如码垛、钻孔、上下料等,无论机器人手臂运动到哪个位置,机器人的末端执行器的朝向始终为一个方向不变。针对这种场合,现有的工业机器人并没有特别简单的解决办法。如采用一个关节对应一个自由度的传统方法,则结构复杂,重量重,安装和维护的过程较为繁琐,成本也较高。因此,针对这种特殊工况,有必要研发一种结构更简单、更加灵活、成本更低的工业机器人。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、使用灵活的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,包括依次连接的底座组件、腰部组件、大臂组件、小臂组件和手腕组件,所述大臂组件包括大臂本体,大臂本体内设置有大臂电机和小臂电机,大臂电机带动大臂组件相对于腰部组件转动,小臂电机带动小臂组件相对于大臂组件转动;小臂组件包括小臂本体,小臂本体内设置有末端执行器电机,末端执行器电机带动手腕组件的末端执行器转动;
还包括欠驱动跟随传动机构,欠驱动跟随传动机构包括固定设置在腰部组件的腰部同步轮,活动设置在小臂组件上的小臂关节轮,与小臂关节轮同步转动的小臂同步轮和固定设置在手腕组件上的手腕同步轮,腰部同步轮和小臂关节轮上共同设置有第一传动绳,小臂同步轮和手腕同步轮上共同设置有第二传动绳。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述底座组件包括底座本体,底座本体上设置有腰关节电机,腰关节电机通过腰关节减速器活动连接腰部组件的腰部本体。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述腰部本体与大臂减速器的输出端固定连接,大臂减速器的输入端上设置有大臂减速器端同步轮;大臂电机的输出轴上设置有大臂电机端同步轮,大臂减速器端同步轮和大臂电机端同步轮上设置有大臂同步带。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述小臂本体上设置有小臂减速器的输出端,小臂减速器的输入端上设置有小臂减速器端同步轮;小臂电机的输出轴上设置有小臂电机端同步轮,小臂减速器端同步轮和小臂电机端同步轮上设置有小臂同步带。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述手腕组件包括手腕本体,手腕本体上设置有末端执行器减速器的输出端,末端执行器减速器的输入端设置有末端执行器减速器端同步轮;末端执行器电机的输出轴上设置有末端执行器电机端同步轮,末端执行器减速器端同步轮和末端执行器电机端同步轮上设置有末端执行器同步带。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述末端执行器减速器端同步轮同时还连接有锥齿轮传动链的输入端,锥齿轮传动链的输出端连接末端执行器法兰。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述小臂本体内设置有调节轮,调节轮与第二传动绳相接触。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述调节轮为凸轮。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述第一传动绳和第二传动绳为传动带或传动链。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其中所述电机的控制线缆从底座组件连出,外接控制柜对电机进行控制。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人与现有技术不同之处在于,本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人采用欠驱动传动方式,用四个致动器达到控制五个自由度的作用,使结构更加紧凑,且降低了成本、功耗和重量,增强了系统灵活性;本发明中欠驱动跟随传动可保持末端执行器在运动过程中始终保持固定角度,简化了控制手段,更方便应用;本发明所用电机和线缆均布置于机器人本体内部,可实现较高的防护等级。
下面结合附图对本发明的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人作进一步说明。
附图说明
图1为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人的结构示意图;
图2为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人中欠驱动跟随传动机构的结构示意图;
图3为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人的内部结构示意图;
图4为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人中欠驱动跟随传动机构工作状态1的工作原理图;
图5为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人中欠驱动跟随传动机构工作状态2的工作原理图;
图6为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人中欠驱动跟随传动机构工作状态3的工作原理图;
图7为本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人中调节轮的结构示意图;
图中标记示意为:11-底座组件;12-腰部组件;13-大臂组件;14-欠驱动跟随传动机构;15-小臂组件;16-手腕组件;21-腰部本体;22-腰部同步轮;23-大臂本体;24-第一传动绳;25-小臂关节轮;26-小臂同步轮;27-第二传动绳;28-手腕同步轮;29-手腕本体;31-底座本体;32-腰关节电机;33-腰关节减速器;34-大臂减速器;35-大臂减速器端同步轮;36-大臂同步带;37-大臂电机端同步轮;38-大臂电机;39-小臂电机端同步轮;40-小臂电机;41-小臂同步带;42-小臂减速器端同步轮;43-末端执行器电机;44-末端执行器电机端同步轮;45-末端执行器同步带;46-末端执行器减速器端同步轮;47-末端执行器减速器;48-末端执行器法兰;49-小臂减速器;61-调节轮。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1所示,本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人包括底座组件11、腰部组件12、大臂组件13、小臂组件15、手腕组件16和欠驱动跟随传动机构14,其中底座组件11、腰部组件12、大臂组件13、小臂组件15和手腕组件16依次连接,欠驱动跟随传动机构14用于驱动手腕组件16,使末端执行器的朝向始终保持不变。
如图1-图3所示,底座组件11包括底座本体31,底座本体31上安装有腰关节电机32,腰关节电机32的输出轴连接有腰关节减速器33的输入端,腰关节减速器33的输出端固定在腰部组件12上。腰关节电机32转动时可以带动腰部组件12相对于底座本体31做转动运动。控制线缆从底座本体31连出,外接控制柜以对机器人整机的电机进行控制。
腰部组件12包括腰部本体21,腰部本体21固定在腰关节减速器33的输出端上。腰部本体21上固定安装有大臂减速器34的输出端,大臂减速器34的输入端上安装有大臂减速器端同步轮35。
大臂组件13包括大臂本体23,大臂本体23上安装有大臂电机38和小臂电机40。大臂电机38的输出轴上安装有大臂电机端同步轮37,大臂电机端同步轮37上安装有大臂同步带36,大臂同步带36同时安装在大臂减速器端同步轮35上。大臂电机38用于驱动大臂关节转动,当大臂电机38工作时,大臂电机38可以依次通过大臂电机端同步轮37、大臂同步带36、大臂减速器端同步轮35和大臂减速器34带动大臂组件13转动,从而使大臂本体23能够相对于腰部本体21进行转动。小臂电机40的输出轴上安装有小臂电机端同步轮39,小臂电机端同步轮39上安装有小臂同步带41,小臂同步带41同时安装在小臂减速器端同步轮42上。小臂电机40用于驱动小臂关节转动。
小臂组件15包括小臂本体,小臂本体上安装有小臂减速器49的输出端,小臂减速器49的输入端上安装有小臂减速器端同步轮42。小臂电机40可以带动小臂本体相对于大臂本体23进行转动,当小臂电机40工作时,小臂电机40可以依次通过小臂电机端同步轮39、小臂同步带41、小臂减速器端同步轮42和小臂减速器49带动小臂组件15转动。小臂本体上还安装有末端执行器电机43,末端执行器电机43的输出轴上安装有末端执行器电机端同步轮44,末端执行器电机端同步轮44上安装有末端执行器同步带45上。末端执行器电机43用于驱动手腕组件16转动。
手腕组件16包括手腕本体29,手腕本体29上安装有末端执行器减速器47的输出端,末端执行器减速器47的输入端安装有末端执行器减速器端同步轮46,末端执行器减速器端同步轮46上安装有末端执行器同步带45。末端执行器减速器端同步轮46同时还连接有锥齿轮传动链的输入端,锥齿轮传动链的输出端连接末端执行器法兰48。当末端执行器电机43工作时,末端执行器电机43可以依次通过末端执行器电机端同步轮44、末端执行器同步带45、末端执行器减速器端同步轮46、锥齿轮传动链带动末端执行器法兰48转动。
欠驱动跟随传动机构14可以使手腕本体29在大臂本体23和小臂本体转动的过程中始终保持固定姿态(和初始姿态相同)不变。欠驱动跟随传动机构14包括腰部同步轮22、小臂关节轮25、小臂同步轮26和手腕同步轮28。腰部同步轮22固定安装在腰部本体21上,可以随腰部本体21同步转动;小臂关节轮25通过轴承安装在小臂本体上,可相对于小臂本体转动;小臂同步轮26固定安装在小臂关节轮25上,可以随小臂关节轮25同步转动;手腕同步轮28固定安装在手腕本体29上,可以随手腕本体29同步运动。腰部同步轮22和小臂关节轮25上共同安装有第一传动绳24,第一传动绳24可以使小臂关节轮25和小臂同步轮26与腰部同步轮22同步转动相同角度;小臂同步轮26和手腕同步轮28上共同安装有第二传动绳27,第二传动绳27可以使手腕同步轮28与小臂同步轮26同步转动相同角度。
如图7所示,小臂本体内安装有调节轮61,调节轮61为凸轮,调节轮61与第二传动绳27相接触,通过旋转调节轮61,可以调整第二传动绳27的有效传动长度,使得手腕同步轮28初始接触点的相位改变,从而改变手腕本体29的初始姿态。在其他实施例中,传动绳也可以为传动带或传动链。
欠驱动跟随传动机构14的工作过程包括:(1)大臂本体23从初始姿态起相对于腰部本体21转动α角度;(2)小臂本体相对于大臂本体23转动β角度;(3)大臂本体23从初始姿态起相对于腰部本体21转动了α角度,同时小臂本体相对于大臂本体23针转动了β角度。
对于工作状态1:如图4所示,当大臂本体23从初始姿态起相对于腰部本体21逆时针转动α角度时,腰部同步轮22随腰部本体21固定不动,第一传动绳24随着大臂本体23转动而缠绕在腰部同步轮22上,由于第一传动绳24的绳长为固定值,则第一传动绳24带动小臂关节轮25顺时针转动α角度,小臂同步轮26也相应顺时针转动α角度,并通过第二传动绳27带动手腕本体29顺时针转动α角度,最终手腕本体29的姿态可保持与初始状态相同。
对于工作状态2:如图5所示,当小臂本体相对于大臂本体23顺时针转动β角度时,由于腰部本体21固定不动,故第一传动绳24没有传动作用,小臂关节轮25和小臂同步轮26固定不动;此时第二传动绳27的绳长为固定值,其与手腕同步轮28接触点B1沿轮周逆时针移动,带动手腕组件16逆时针转动β角度,最终手腕本体29的姿态可保持与初始状态相同。
对于工作状态3:如图6所示,当大臂本体23从初始姿态起相对于腰部本体21逆时针转动α角度,小臂本体相对于大臂本体23顺时针转动β角度,则小臂本体相对于小臂初始状态(水平位置)顺时针旋转了β-α角度。在这个过程中,腰部同步轮22随腰部本体21固定不动,第一传动绳24随着大臂转动而缠绕在腰部同步轮22上,由于绳长为固定值,则第一传动绳24带动小臂关节轮25顺时针转动α角度,小臂同步轮26也相应顺时针转动α角度,并通过第二传动绳27带动手腕组件16顺时针转动α角度;同时,第二传动绳27绳长为固定值,其与手腕同步轮28接触点沿轮周逆时针移动,带动手腕组件16逆时针转动β角度,最终手腕组件16逆时针转动了β-α,保持手腕末端法兰的姿态始终垂直向下。
本发明欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人采用欠驱动传动方式,用四个致动器达到控制五个自由度的作用,使结构更加紧凑,且降低了成本、功耗和重量,增强了系统灵活性;本发明中欠驱动跟随传动可保持末端执行器在运动过程中始终保持固定角度,简化了控制手段,更方便应用;本发明所用电机和线缆均布置于机器人本体内部,可实现较高的防护等级。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,包括依次连接的底座组件、腰部组件、大臂组件、小臂组件和手腕组件,其特征在于:所述大臂组件包括大臂本体,大臂本体内设置有大臂电机和小臂电机,大臂电机带动大臂组件相对于腰部组件转动,小臂电机带动小臂组件相对于大臂组件转动;小臂组件包括小臂本体,小臂本体内设置有末端执行器电机,末端执行器电机带动手腕组件的末端执行器转动;
还包括欠驱动跟随传动机构,欠驱动跟随传动机构包括固定设置在腰部组件的腰部同步轮,活动设置在小臂组件上的小臂关节轮,与小臂关节轮同步转动的小臂同步轮和固定设置在手腕组件上的手腕同步轮,腰部同步轮和小臂关节轮上共同设置有第一传动绳,小臂同步轮和手腕同步轮上共同设置有第二传动绳。
2.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述底座组件包括底座本体,底座本体上设置有腰关节电机,腰关节电机通过腰关节减速器活动连接腰部组件的腰部本体。
3.根据权利要求2所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述腰部本体与大臂减速器的输出端固定连接,大臂减速器的输入端上设置有大臂减速器端同步轮;大臂电机的输出轴上设置有大臂电机端同步轮,大臂减速器端同步轮和大臂电机端同步轮上设置有大臂同步带。
4.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述小臂本体上设置有小臂减速器的输出端,小臂减速器的输入端上设置有小臂减速器端同步轮;小臂电机的输出轴上设置有小臂电机端同步轮,小臂减速器端同步轮和小臂电机端同步轮上设置有小臂同步带。
5.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述手腕组件包括手腕本体,手腕本体上设置有末端执行器减速器的输出端,末端执行器减速器的输入端设置有末端执行器减速器端同步轮;末端执行器电机的输出轴上设置有末端执行器电机端同步轮,末端执行器减速器端同步轮和末端执行器电机端同步轮上设置有末端执行器同步带。
6.根据权利要求5所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述末端执行器减速器端同步轮同时还连接有锥齿轮传动链的输入端,锥齿轮传动链的输出端连接末端执行器法兰。
7.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述小臂本体内设置有调节轮,调节轮与第二传动绳相接触。
8.根据权利要求7所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述调节轮为凸轮。
9.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述第一传动绳和第二传动绳为传动带或传动链。
10.根据权利要求1所述的欠驱动定手腕姿态的跟随传动串联关节机器人,其特征在于:所述电机的控制线缆从底座组件连出,外接控制柜对电机进行控制。
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