CN116164056A - 一种丝杆组件和多关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种丝杆组件和多关节机器人，丝杆组件包括：丝杆、第一传动轮、第二传动轮、第一摩擦片、第二摩擦片、第一套筒、第二套筒和弹力装置，第一套筒与丝杆螺纹连接，第二套筒与丝杆键连接；弹力装置能够释放弹力使得第一摩擦片与第二摩擦片相接，第一摩擦片、第二摩擦片、第一传动轮、第二传动轮、第一套筒、第二套筒和丝杆连接为一体，使得第一套筒、第二套筒和丝杆能同步转动以对丝杆的轴向运动进行限位。根据本发明避免了停机时丝杆由于重力作用向下运动而撞击第二机械臂同时降低了机器人的结构复杂程度，降低了成本；本发明制动力矩大为减小，制动效果提高，功耗大为降低。

Description

一种丝杆组件和多关节机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种丝杆组件和多关节机器人。

背景技术

现有技术中的机器人停机时，由于负载的作用，SCARA机器人滚珠丝杆轴会在重力的作用下，旋转、向下运动，造成撞击损坏机器人。因此，现有的SCARA(水平多关节)工业机器人在第三关节或/和第四关节通常设置有刹车。

一些情况下，采用第三、第四电机内置刹车的方案。刹车一旦出现问题，需要更换整个电机，增加的维修成本；

一些情况下，采用外置刹车的方式。外置刹车，使机器人结构复杂，成本也在一定程度上增加。

由于现有技术中的水平多关节机器人为了防止滚珠丝杆由于重力而撞坏机器人需设置刹车，但是设置刹车会导致存在结构复杂，成本增加等技术问题，因此本发明研究设计出一种丝杆组件和多关节机器人。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的水平多关节机器人为了防止滚珠丝杆由于重力而撞坏机器人需设置刹车，但是设置刹车会导致存在结构复杂，成本增加的缺陷，从而提供一种丝杆组件和多关节机器人。

为了解决上述问题，本发明提供一种丝杆组件，其包括：

丝杆、第一传动轮、第二传动轮、第一摩擦片、第二摩擦片、第一套筒、第二套筒和弹力装置，所述第一传动轮能同时带动所述第一套筒和所述第一摩擦片转动，第二传动轮能同时带动所述第二套筒和所述第二摩擦片转动，所述第一摩擦片与第二摩擦片相对设置，所述丝杆穿设于所述第一套筒和所述第二套筒中，所述第一套筒与所述丝杆螺纹连接，所述第二套筒与所述丝杆键连接；

所述弹力装置能够释放弹力使得所述第一摩擦片与所述第二摩擦片相接，所述第一摩擦片、所述第二摩擦片、所述第一传动轮、所述第二传动轮、所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆连接为一体，使得所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆能同步转动以对所述丝杆的轴向运动进行限位。

在一些实施方式中，所述第一套筒为丝杆螺母内圈，所述丝杆组件还包括丝杆螺母外圈，所述丝杆螺母外圈套设于所述丝杆螺母内圈的外周，所述丝杆螺母内圈相对于所述丝杆螺母外圈转动，所述丝杆螺母外圈还对所述丝杆螺母内圈的轴向运动进行限位，所述丝杆螺母内圈和所述丝杆螺母外圈组成丝杆螺母。

在一些实施方式中，所述丝杆螺母内圈的内周壁上设置有内螺纹，所述丝杆的外周壁上设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹匹配相接，使得所述丝杆螺母内圈与所述丝杆之间形成配合的螺旋副，所述丝杆螺母内圈被单独驱动转动时其带动所述丝杆相对于所述丝杆螺母内圈沿轴向运动的同时还能转动。

在一些实施方式中，所述第二套筒为花键螺母内圈，所述丝杆组件还包括花键螺母外圈，所述花键螺母外圈套设于所述花键螺母内圈的外周，所述花键螺母内圈相对于所述花键螺母外圈转动，所述花键螺母外圈还对所述花键螺母内圈的轴向运动进行限位，所述花键螺母内圈和所述花键螺母外圈组成花键螺母。

在一些实施方式中，所述花键螺母内圈的内周壁上设置有花键槽，所述丝杆的外周壁上设置有花键，所述花键与所述花键槽匹配相接，使得所述花键螺母内圈与所述丝杆之间形成配合的转动副，所述花键螺母内圈被单独驱动转动时其带动所述丝杆跟随所述花键螺母内圈一体转动，所述丝杆能相对于所述花键螺母内圈沿轴向运动。在一些实施方式中，所述弹力装置包括磁性结构和弹性结构，所述弹性结构的一端与所述第一摩擦片或与所述第二摩擦片连接以提供弹性推力使得所述第一摩擦片与所述第二摩擦片贴合，所述磁性结构设置于所述第二摩擦片的远离所述第一摩擦片的一侧以能对所述第二摩擦片提供磁吸力或者设置于所述第一摩擦片的远离所述第二摩擦片的一侧以能对所述第一摩擦片提供磁吸力，以克服所述弹性结构的弹性力以将所述第二摩擦片与所述第一摩擦片分开。

在一些实施方式中，所述磁性结构为电磁结构，当需要制动时控制所述磁性结构断电，通过所述弹性结构推动所述第二摩擦片与所述第一摩擦片贴合，使得所述第一摩擦片与所述第二摩擦片一体转动，进而带动所述丝杆、所述第一套筒结构和所述第二套筒结构均一体转动；当不需制动时，控制所述磁性结构通电，所述磁性结构产生的磁吸力克服所述弹性结构的弹性力而将所述第一摩擦片与所述第二摩擦片分离，通过控制所述第一传动轮的转动和控制所述第二传动轮的转动以控制所述丝杆沿轴向运动和/或进行转动。

在一些实施方式中，所述第一传动轮的一端与所述第一套筒相接、另一端与所述第一摩擦片相接，所述第二传动轮的一端与所述第二套筒相接、另一端与所述第二摩擦片间隔设置，所述第二摩擦片套设于所述丝杆上且能与所述丝杆不接触，所述第二摩擦片与所述第二传动轮一体转动，所述第二传动轮通过转动带动所述第二套筒转动，进而带动所述丝杆转动。

在一些实施方式中，当所述丝杆组件还包括花键螺母外圈时：

所述弹性结构设置于所述第二传动轮与所述第二摩擦片之间的间隔空间中，所述弹性结构的一端与所述第二传动轮连接、另一端与所述第二摩擦片连接；所述磁性结构设置在所述第二传动轮与所述花键螺母外圈之间，所述磁性结构对所述第二摩擦片提供磁吸力，所述弹性结构对所述第二摩擦片提供弹性推力。

在一些实施方式中，当所述第二套筒为花键螺母内圈时：所述电磁结构安装在所述花键螺母外圈的朝向所述第二传动轮的一侧面上，所述电磁结构固定不转动，且所述花键螺母内圈、所述第二传动轮、所述第二摩擦片、所述弹性结构均不与所述电磁结构接触。

在一些实施方式中，所述电磁结构包括电磁铁和电极板，所述电磁铁安装在所述第二传动轮的朝向所述花键螺母外圈的一侧面上，使得所述电磁铁与所述第二传动轮一体转动，所述电极板设置在所述花键螺母外圈的朝向所述第二传动轮的一侧面上，所述电磁铁的朝向所述电极板的一侧还设置有电极，所述电极板的朝向所述电磁铁的一侧设置有环形的电极区域，环形的所述电极区域与所述电极的运动位置相对，使得所述电极在转动的过程中始终与所述电极区域接触。

在一些实施方式中，所述电磁铁的朝向所述电极板的一侧面上还设置有凹槽，所述电极的部分结构位于所述凹槽中，所述电极的部分结构伸出所述凹槽并且所述电极的一端与所述电极区域接触，所述电极的另一端与所述凹槽的槽底之间连接设置有弹性推力结构，所述弹性推力结构对所述电极施加弹性推力。

本发明还提供一种多关节机器人，其包括前任一项所述的丝杆组件。

在一些实施方式中，当所述丝杆组件还包括丝杆螺母外圈和花键螺母外圈时：所述多关节机器人还包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的一端形成为第一旋转轴，即J1轴，所述第一机械臂能绕着所述J1轴转动，所述第一机械臂的另一端与所述第二机械臂的一端转动连接，形成第二旋转轴，即J2轴，所述第二机械臂能绕着所述J2轴转动，所述第二机械臂的另一端设置所述丝杆、所述第一传动轮、所述第二传动轮、所述第一摩擦片和所述第二摩擦片、所述第一套筒和所述第二套筒；所述丝杆螺母外圈与所述第二机械臂固接，所述花键螺母外圈与所述第二机械臂固接。

在一些实施方式中，所述第二机械臂上还设置有第三电机和第四电机，所述第三电机能够驱动所述第一传动轮转动，所述第四电机能够驱动所述第二传动轮转动；所述第一传动轮为丝杆螺母带轮，所述第二传动轮为花键螺母带轮，通过同时驱动所述第一传动轮和所述第二传动轮转动，以驱动所述丝杆进行轴向运动和/或转动。

本发明提供的一种丝杆组件和多关节机器人具有如下有益效果：

本发明通过设置第一摩擦片、第二摩擦片和弹力装置，第一传动轮能够同时带动第一套筒和第一摩擦片转动，第二传动轮能够同时带动第二套筒和第二摩擦片转动，使得在需要制动时，控制弹力装置而将第一摩擦片与第二摩擦片接触，使得第一摩擦片、第二摩擦片、第一传动轮、第二传动轮能一体转动，进而使得第一套筒、第二套筒和丝杆也连接为一体且能同步地转动，由于第二套筒与丝杆之间采用键连接，第一套筒与丝杆之间螺纹连接且第一套筒与丝杆之间能同步转动，能够使得第一套筒与丝杆之间的旋转副被约束，二者相对固定，则有效地对丝杆的轴向运动进行了限制，使得丝杆仅能做旋转运动(或旋转的趋势)，无法进行轴向方向的上下运动，有效地避免了停机时丝杆由于重力作用向下运动而撞击第二机械臂的情况，并且本发明通过两个摩擦片和弹力装置的设置，有效取代了现有结构的在第三和第四电机处设置的刹车结构以及设置的外置刹车的结构，有效降低了机器人的结构复杂程度，并且降低了成本；并且本发明有效控制丝杆、多个摩擦片、多个传动轮和多个套筒之间同步转动，通过同步转动的形式只需克服两个摩擦片分别与第一和第二套筒之间的摩擦阻力便能实现有效的制动，在负载较大的情况下能够实现有效的制动，且耗功较小，因此能够有效避免克服转动的力矩而导致制动力矩过大的情况发生，本发明的制动力矩大为减小，制动效果得到明显的提高，且功耗大为降低。

附图说明

图1是本发明的多关节机器人(SCARA机器人)的正面结构图；

图2是图1中的A-A剖视图(丝杆组件部分示意图)；

图3是本发明的丝杆组件的制动部分的优选结构图；

图4是本发明的丝杆组件的制动部分的替代实施例的结构图；

图5是图4中B部分的局部放大结构图。

附图标记表示为：

1、机座；2、第一电机；3、第一减速机；4、第一机械臂；5、第二减速机；6、第二电机；7、第二机械臂；8、第三电机；9、第四电机；10、丝杆；11、丝杆螺母；111、丝杆螺母内圈；112、丝杆螺母外圈；12、花键螺母；121、花键螺母内圈；122、花键螺母外圈；13、第一传动轮；14、第二传动轮；15、第一摩擦片；16、第二摩擦片；17、弹力装置；171、磁性结构；172、弹性结构；1711、电极；1712、弹性推力结构；18、电极板；181、电极区域。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，第一部分：本发明的SCARA机器人工作原理

如图1-2所示，SCARA机器人，其特征包括机座1、第一电机2、第一减速机3、第一机械臂4、第二减速机5、第二电机6、第二机械臂7、第三电机8、第四电机9、丝杆10、丝杆螺母11、花键螺母12；

如图1-2所示，第一电机2固定于机座1上；电机输出轴与第一减速机3连接；第二减速机5的输入端与第二电机6输出轴连接，输出端与第一机械臂4连接；第一机械臂4，一端与第一减速机3的输出端连接。在第一减速机3的减速作用下，第一电机2驱动第一机械臂4及安装于其上的零部件，绕J1轴旋转运动。

如图1-2所示，第二电机6安装在第二机械臂7上。第二减速机5输入端与第二电机6电机输出轴连接，输出端与第一机械臂4连接。在第二减速机5的减速作用下，第二电机6驱动第二机械臂7及安装于其上的零部件，绕J2轴旋转运动；

如图1-2所示，第三电机8安装在第二机械臂7上，第三电机8驱动丝杆螺母内圈111，丝杆螺母内圈111与丝杆10装配在一起，控制丝杆10沿着J3轴往复直线运动，(通过转动丝杆螺母内圈111固定花键螺母内圈121实现丝杆的往复运动，沿J3轴，以及转动)。

如图1-2所示，第四电机9安装在第二机械臂7上，第四电机9驱动花键螺母内圈121旋转运动，花键螺母内圈121与丝杆10装配在一起，在丝杆螺母11的配合下(丝杆螺母内圈111与所述丝杆同步转动)，可控制丝杆10绕J4轴旋转运动。

本发明的多关节机器人(优选水平多关节机器人，即SCARA工业机器人)的丝杆组件包括：

丝杆10、第一传动轮13、第二传动轮14、第一摩擦片15、第二摩擦片16、第一套筒、第二套筒和弹力装置17，所述第一传动轮13能同时带动所述第一套筒和所述第一摩擦片15转动，第二传动轮14能同时带动所述第二套筒和所述第二摩擦片16转动，所述第一摩擦片15与第二摩擦片16相对设置，所述丝杆10同时穿设于所述第一套筒和所述第二套筒中(表示状态)，所述第一套筒与所述丝杆10螺纹连接，所述第二套筒与所述丝杆10键连接；

所述弹力装置17能够释放弹力使得所述第一摩擦片15与所述第二摩擦片16相接，所述第一摩擦片15、所述第二摩擦片16、所述第一传动轮13、所述第二传动轮14、所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆连接为一体，使得所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆10能同步转动以对所述丝杆10的轴向运动进行限位。

本发明通过设置第一摩擦片、第二摩擦片和弹力装置，第一传动轮能够同时带动第一套筒和第一摩擦片转动，第二传动轮能够同时带动第二套筒和第二摩擦片转动，使得在需要制动时，控制弹力装置而将第一摩擦片与第二摩擦片接触，使得第一摩擦片、第二摩擦片、第一传动轮、第二传动轮能一体转动，进而使得第一套筒、第二套筒和丝杆也连接为一体且能同步地转动，由于第二套筒与丝杆之间采用键连接，第一套筒与丝杆之间螺纹连接且第一套筒与丝杆之间能同步转动，能够使得第一套筒与丝杆之间的旋转副被约束，二者相对固定，则有效地对丝杆的轴向运动进行了限制，使得丝杆仅能做旋转运动(或旋转的趋势)，无法进行轴向方向的上下运动，有效地避免了停机时丝杆由于重力作用向下运动而撞击第二机械臂的情况，并且本发明通过两个摩擦片和弹力装置的设置，有效取代了现有结构的在第三和第四电机处设置的刹车结构以及设置的外置刹车的结构，有效降低了机器人的结构复杂程度，并且降低了成本；并且本发明有效控制丝杆、多个摩擦片、多个传动轮和多个套筒之间同步转动，通过同步转动的形式只需克服两个摩擦片分别与第一和第二套筒之间的摩擦阻力便能实现有效的制动，在负载较大的情况下能够实现有效的制动，且耗功较小，因此能够有效避免克服转动的力矩而导致制动力矩过大的情况发生，本发明的制动力矩大为减小，制动效果得到明显的提高，且功耗大为降低。

本发明的制动指的是第三和第四电机均停机，两个传动轮不转动，第一摩擦片、第二摩擦片、第一和第二套筒和丝杆均相对静止，上述多个部件能在被负载的驱动下能一体转动或具有一体转动的趋势，从而对丝杆的轴向位移进行限位。

例如：丝杆的下端设置有负载时，负载带动丝杆具有向下运动的趋势，丝杆与丝杠螺母内圈出现轴向位移的趋势，由于二者是螺旋副配合，丝杆带动丝杆螺母内圈出现顺时针或逆时针旋转的趋势，进一步地丝杆螺母内圈带动花键螺母内圈出现顺时针或逆时针旋转的趋势，进一步花键螺母内圈带动丝杆出现顺时针或逆时针旋转的趋势，则丝杆与丝杠螺母内圈出现同步旋转(趋势)，使得丝杆和丝杆螺母内圈之间的旋转副被约束，则使得丝杆不会出现轴向位移。便能够有效地对丝杆进行轴向方向的位移限定。

本发明提出的一种SCARA机器人，发明点在于：包括：第一刹车片(即第一摩擦片)、第二刹车片(即第二摩擦片)、弹力装置、滚珠丝杆、花键螺母、丝杆螺母、花键螺母带轮、丝杆螺母带轮。

第一摩擦片固定在丝杆螺母带轮上，第二摩擦片安装在花键螺母带轮上，第二刹车片上存在一弹力装置，需要制动时，在弹力装置的作用下，第一摩擦片和第二摩擦片接触，实现制动，无需制动时，在弹力装置的作用下，第一摩擦片与第二摩擦片分离。

当第一摩擦片与第二摩擦片接触时，花键螺母带轮和丝杆螺母带轮将同步运动，使丝杆仅能做旋转，无法上下运动，出现撞机情况。

解决如下技术问题：相对于现有的J3轴和J4轴刹车结构，在避免了停机时丝杆由于重力作用向下运动而撞击第二机械臂的情况的同时，还能减少刹车的使用，降低SCARA机器人的成本。

有益效果：(1)达到第三、第四关节设置刹车目的，防止停机状态，受重力影响，丝杆下移，造成撞机。且减少的了刹车的使用，降低了机器人的复杂程度；(2)制动力扭矩小(采用电机内置刹车或外置刹车的形式，刹车的转矩根据负载的增加而增加，刹车的体积也增加)。

第二部分：SCARA机器人J3轴和J4轴工作原理

一般SCARA机器人J3轴和J4轴由第三电机8和第四电机9分别驱动丝杆螺母内圈111和花键螺母内圈121，使丝杆10上下、旋转运动；

如图1-2所示，丝杆螺母11由丝杆螺母内圈111和丝杆螺母外圈112组成，丝杆螺母外圈112和丝杆螺母内圈111之间仅存在一个转动副。丝杆螺母外圈112与丝杆螺母安装板固定，再一同固定在第二机械臂7上。丝杆10与丝杆螺母内圈111的配合是螺旋副。丝杆螺母内圈111与丝杆螺母带轮(第一传动轮13)固定，第三电机8驱动丝杆螺母带轮，实现对丝杆螺母内圈111的运动控制。

如图1-2所示，花键螺母12由花键螺母内圈121和花键螺母外圈122组成，花键螺母外圈122和花键螺母内圈121之间仅存在一个转动副。花键螺母外圈122与第二机械臂7固定。丝杆10与花键螺母内圈121是花键配合，两者之间可轴向运动，不可旋转运动。花键螺母内圈121与花键螺母带轮(第二传动轮14)固定，第四电机9驱动花键螺母带轮，实现对花键螺母内圈121的运动控制。

J3轴运动：丝杆10旋转运动被限制(由于丝杆10和花键螺母内圈121为花键配合，因此丝杆10的旋转被限制，即花键螺母内圈121、花键螺母带轮(第二传动轮14)的旋转运动被限制)。转动丝杆螺母内圈111，丝杆螺母内圈111将在丝杆10上一边旋转、一边轴向运动(因为：丝杆10和丝杆螺母内圈111采用螺旋副配合)，然而，由于丝杆螺母内圈111轴向运动被限制(原因：丝杆螺母外圈112与第二机械臂7固定，且与丝杆螺母内圈111之间仅存在转动副)，因此丝杆螺母内圈111的在丝杆10上的轴向运动，转变为丝杆10在丝杆螺母内圈111上轴向运动。

J4轴运动：丝杆10与丝杆螺母内圈111同步转动时(即，花键螺母内圈121+花键螺母带轮(第二传动轮14)，带动着丝杆10，随着丝杆螺母内圈+丝杆螺母带轮同步旋转)，丝杆10与丝杆螺母内圈111之间的相对位置将不会发生变化，丝杆10与丝杆螺母内圈111，相对于丝杆螺母外圈，仅存在旋转运动。因此丝杆10相对于第二机械臂7，仅存在旋转运动，即J4轴。

合理控制J3轴和J4轴一同运动，可实现丝杆一边旋转一边上下运动。

第三部分：本发明——SCARA机器人制动结构

SCARA机器人J3轴和J4轴，需要安装制动装置，保证停机状态下，丝杆10，在受到重力时，会旋转向下运动，导致J3轴和4轴超过软限位，或丝杆受到撞击。

现有一般的SCARA机器人，J3轴和J4轴的制动有两种方式，一种方法是：在电机轴上安装制动装置，一些情况是电机内部，一些情况是电机外部。另一种方法是：在第三电机8和丝杆螺母11之间的传动环节、第四电机9和花键螺母12之间的传动环节设置制动装置。部分SCARA机器人仅在第三关节设置了刹车。上述原理，均是采用对电机进行制动，从而实现防撞功能。

本发明提出一种SCARA机器人制动系统，不同于前述。

本发明的优选实施例：

如图1-2所示，本发明提出一种SCARA机器人制动系统，其特征包括：第一刹车片(第一摩擦片15)、第二刹车片(第二摩擦片16)、弹力装置17、滚珠丝杆(丝杆10)、花键螺母12、丝杆螺母11、花键螺母带轮(第二传动轮14)、丝杆螺母带轮(第一传动轮13)。

第一摩擦片15固定在第一传动轮13上，第二摩擦片16安装在第二传动轮14上，第二摩擦片上存在一弹力装置17。

制动时，在弹力装置17的作用下，第一摩擦片15和第二摩擦片16接触，两个刹车片摩擦力的作用，使第一刹车片+丝杆螺母带轮+丝杆螺母内圈111和第二刹车片+花键螺母带轮+花键螺母内圈121同步运动，根据滚珠丝杆的特点，当丝杆螺母内圈111和花键螺母内圈121同步旋转时，丝杆10仅仅旋转，不可上下移动，避免的丝杆上下造成撞机情况。即替换掉现有技术中的外刹车的方案(即在电机处设置刹车)，实现结构简单，成本降低，还能防止丝杆撞击。

无需制动时，在弹力装置17的作用下，第一摩擦片15与第二摩擦片16分离。

第一摩擦片15和第二摩擦片16在第一传动轮13和第二传动轮14上的安装或固定位置可以互换，同样的，弹力装置也随其改变。

在一些实施方式中，所述第一套筒为丝杆螺母内圈111，所述丝杆组件还包括丝杆螺母外圈112，所述丝杆螺母外圈112套设于所述丝杆螺母内圈111的外周(丝杆螺母外圈与第二机械臂7固定)，所述丝杆螺母内圈111相对于所述丝杆螺母外圈112转动，所述丝杆螺母外圈112还对所述丝杆螺母内圈111的轴向运动进行限位，所述丝杆螺母内圈111和所述丝杆螺母外圈112组成丝杆螺母11。这是本发明的第一套筒的优选结构形式以及相应相关结构，即通过丝杆螺母内圈和丝杆螺母外圈的结构有效组成丝杆螺母，丝杆螺母外圈用于于第二机械臂固定以支承丝杆螺母内圈，丝杆螺母内圈相对于丝杆螺母外圈能够转动，即丝杆螺母内圈被第一传动轮驱动转动，丝杆螺母内圈与丝杆之间为螺旋副的连接结构，即螺纹连接，并且由于丝杆螺母外圈对丝杆螺母内圈进行轴向限位，使得在丝杆螺母内圈转动时，则通过螺旋副驱动丝杆既转动还能沿轴向运动(丝杆螺母内圈轴向固定)，实现对丝杆的轴向运动和转动的有效驱动。

在一些实施方式中，所述丝杆螺母内圈111的内周壁上设置有内螺纹，所述丝杆10的外周壁上且与所述丝杆螺母内圈111相对的位置设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹匹配相接，使得所述丝杆螺母内圈111与所述丝杆10之间形成配合的螺旋副，所述丝杆螺母内圈111被单独驱动转动时其带动所述丝杆10相对于所述丝杆螺母内圈111沿轴向运动的同时还能转动。这是本发明的丝杆螺母内圈与丝杆之间的螺纹连接的优选结构形式，即丝杆螺母内圈内壁设置内螺纹，丝杆上相对应的位置设置外螺纹，使得内外螺纹配合相接，则能够通过丝杆螺母内圈的转动而驱动丝杆做转动的同时还能沿轴向上下运动。

在一些实施方式中，所述第二套筒为花键螺母内圈121，所述丝杆组件还包括花键螺母外圈122，所述花键螺母外圈122套设于所述花键螺母内圈121的外周，所述花键螺母内圈121相对于所述花键螺母外圈122转动，所述花键螺母外圈122还对所述花键螺母内圈121的轴向运动进行限位，所述花键螺母内圈121和所述花键螺母外圈122组成花键螺母12。是本发明的第二套筒的优选结构形式以及相应相关结构，即通过花键螺母内圈和花键螺母外圈的结构有效组成花键螺母，花键螺母外圈用于与第二机械臂固定以支承花键螺母内圈，花键螺母内圈相对于花键螺母外圈能够转动，即花键螺母内圈被第二传动轮驱动转动，花键螺母内圈与丝杆之间为转动副的连接结构，即花键连接，并且由于花键螺母外圈对花键螺母内圈进行轴向限位，使得在花键螺母外圈内圈转动时，则通过转动副驱动丝杆只进行转动(花键螺母内圈轴向固定)，实现对丝杆的转动的有效驱动。

在一些实施方式中，所述花键螺母内圈121的内周壁上设置有花键槽，所述丝杆10的外周壁上且与所述花键螺母内圈121相对的位置设置有花键，所述花键与所述花键槽匹配相接，使得所述花键螺母内圈121与所述丝杆10之间形成配合的转动副，所述花键螺母内圈121被单独驱动转动时其带动所述丝杆10跟随所述花键螺母内圈121一体转动，所述丝杆10能相对于所述花键螺母内圈121沿轴向运动。这是本发明的花键螺母内圈与丝杆之间的花键连接的优选结构形式，即花键螺母内圈内壁设置花键槽，丝杆上相对应的位置设置花键，使得花键与花键槽配合相接，则能够通过花键螺母内圈的转动而驱动丝杆只做转动运动，丝杆相对于花键螺母内圈能沿轴向上下运动。

在一些实施方式中，所述弹力装置17包括磁性结构171和弹性结构172，所述弹性结构172的一端与所述第一摩擦片15或与所述第二摩擦片16连接以提供弹性推力使得所述第一摩擦片15与所述第二摩擦片16贴合，所述磁性结构171设置于所述第二摩擦片16的远离所述第一摩擦片15的一侧以能对所述第二摩擦片16提供磁吸力或者设置于所述第一摩擦片15的远离所述第二摩擦片16的一侧以能对所述第一摩擦片15提供磁吸力，以克服所述弹性结构172的弹性力以将所述第二摩擦片16与所述第一摩擦片15分开。

这是本发明的弹力装置的优选结构形式，即弹力装置包括磁性结构和弹性结构，弹性结构用于提供弹性推力作用于第一或第二摩擦片上，以在需要制动的时候提供弹性推力以使得第一和第二摩擦片进行贴合，从而完成丝杆、第一和第二套筒均同步转动的效果，对丝杆进行有效的轴向限位，即轴向制动；通过磁性结构能够对第一或第二摩擦片提供磁吸力，以在不需要制动时提供磁吸力，以有效克服弹性推力的作用而将第一和第二摩擦片分开，使得二者单独运转，以有效驱动丝杆完成需要的沿轴向的运动和/或转动。

在一些实施方式中，所述磁性结构171为电磁结构，当需要制动时控制所述磁性结构171断电，通过所述弹性结构172推动所述第二摩擦片16与所述第一摩擦片15贴合，使得所述第一摩擦片15与所述第二摩擦片16一体转动，进而带动所述丝杆、所述第一套筒结构和所述第二套筒结构均一体转动；当不需制动时，控制所述磁性结构171通电，所述磁性结构171产生的磁吸力克服所述弹性结构172的弹性力而将所述第一摩擦片15与所述第二摩擦片16分离，通过控制所述第一传动轮13的转动和控制所述第二传动轮14的转动以控制所述丝杆10沿轴向运动和/或进行转动。

本发明的磁性结构优选为电磁结构，能够在需要制动时控制其断电，仅通过弹性结构的弹性推力使得第一和第二摩擦片进行贴合，实现第一和第二套筒与丝杆均一体转动，对丝杆进行有效轴向限位，形成轴向制动；而在机器人正常工作时将电磁结构通电以提供磁吸力克服弹性推力的作用，有效将第一和第二摩擦片分离，使得丝杆分别地被第一和第二套筒进行控制，从而达到进行轴向运动和/或转动的效果，以满足实际需求。

在一些实施方式中，所述第一传动轮13的一端与所述第一套筒相接、另一端与所述第一摩擦片15相接，所述第二传动轮14的一端与所述第二套筒相接、另一端与所述第二摩擦片16间隔设置，所述第二摩擦片16套设于所述丝杆10的外周且所述第二摩擦片与所述第二传动轮14一体转动(第二摩擦片与丝杆之间具有间隙，二者不接触)，所述第二传动轮14通过转动带动所述第二套筒转动，进而通过所述丝杆10带动，同时第二传动轮转动带动所述第二摩擦片16转动。

这是本发明的第一、第二传动轮与第一和第二套筒以及第一和第二摩擦片之间的优选位置关系以及连接关系，第一传动轮一端与第一套筒连接、另一端与第一摩擦片连接能够使得第一传动轮同时驱动第一套筒和第一摩擦片进行转动，第二传动轮与第二套筒相接则能够驱动第二套筒转动，而本申请的第二摩擦片优选与第二传动轮之间间隔设置，能够在二者之间设置弹性结构等，本发明还优选可以在第二摩擦片的下端面设置导向柱的结构，导向柱与第二摩擦片固接，第二传动轮上设置有导向孔，导向柱穿设于导向孔中，使得第二摩擦片能够被弹性结构推动相对于第二传动轮沿轴向方向运动，同时还能被第二传动轮带动进行转动。进而实现第二摩擦片与第二传动轮一体转动的效果。

在一些实施方式中，当所述丝杆组件还包括花键螺母外圈122时：

所述弹性结构172设置于所述第二传动轮14与所述第二摩擦片16之间的间隔空间中，所述弹性结构172的一端与所述第二传动轮14连接、另一端与所述第二摩擦片16连接；所述磁性结构171设置在所述第二传动轮14与所述花键螺母外圈122之间，所述磁性结构171对所述第二摩擦片16提供磁吸力，所述弹性结构172对所述第二摩擦片16提供弹性推力。本发明的弹性结构优选设置于第二传动轮与第二摩擦片之间，能够通过弹性结构将第二传动轮与第二摩擦片进行连接，实现二者的一体转动，并且弹性结构能够提供弹性推力而将第二摩擦片推至与第一摩擦片相接，从而实现第一传动轮、第二传动轮、丝杆和第一套筒、第二套筒的均同步转动，有效地形成对丝杆轴向运动的制动效果。

如图3，优选实施例，在一些实施方式中，当所述第二套筒为花键螺母内圈121时：所述电磁结构安装在所述花键螺母外圈122的朝向所述第二传动轮14的一侧面上，所述电磁结构固定不转动，且所述花键螺母内圈121、所述第二传动轮14、所述第二摩擦片16、所述弹性结构172均不与所述电磁结构接触。这是本发明的水平丝杆组件的优选结构形式，即电磁结构设置在花键螺母外圈朝向第二传动轮的一侧面上，由于花键螺母外圈为固定结构，因此电磁结构也被固定，因此通过电磁结构能够提供持续的对第二摩擦片的电磁吸力，以控制第二摩擦片与第一摩擦片不贴合，实现水平丝杆组件的正常运行，在需要制动时将电磁结构断电，通过弹性结构提供的弹性推力将第一和第二摩擦片连接到一体，实现对丝杆轴向运动的制动，电磁结构与花键螺母内圈121、所述第二传动轮14、所述第二摩擦片16、所述弹性结构172均不连接，由于上述几个部件均在工作过程中进行转动，能够有效地保证电磁结构的固定作用。

本发明的优选实施例：

如图2所示，第二摩擦片16安装在第二传动轮14上，弹力装置由磁性结构171(优选电磁结构)和弹性结构172(优选弹簧)组成。第二摩擦片16受到弹性结构172的向上(朝向第一摩擦片15)的弹力。第二摩擦片采用铁等磁性材料。

当J3轴需要制动时，磁性结构171断电，磁性消失，弹性结构172推动第二摩擦片16贴紧第一摩擦片15，两个摩擦片摩擦力的作用，使第一摩擦片15+第一传动轮13+丝杆螺母内圈111和第二摩擦片16+第二传动轮14+花键螺母内圈121同步运动，根据滚珠丝杆的特点，当丝杆螺母内圈111和花键螺母内圈121同步旋转时，丝杆10仅仅旋转，不可上下移动，避免的丝杆上下造成撞机情况。

J3轴无需制动时，磁性结构171通电，产生磁性，对第二摩擦片16产生一个吸引力，磁力和弹簧的弹性力的合力作用，使得第二摩擦片16与第一摩擦片15分离。丝杆螺母内圈111与花键螺母内圈121的运动互不干涉。

磁性结构171安装在花键螺母外圈122上，花键螺母内圈121、花键螺母带轮(第二传动轮14)、第二摩擦片16、弹性结构172均不与磁性结构171接触情况。

如图4和5，替代实施例，在一些实施方式中，所述电磁结构包括电磁铁和电极板18，所述电磁铁安装在所述第二传动轮14的朝向所述花键螺母外圈122的一侧面上，使得所述电磁铁与所述第二传动轮14一体转动，所述电极板18设置在所述花键螺母外圈122的朝向所述第二传动轮14的一侧面上，所述电磁铁的朝向所述电极板18的一侧还设置有电极1711，所述电极板18的朝向所述电磁铁的一侧设置有环形的电极区域181，环形的所述电极区域181与所述电极1711的运动位置相对，使得所述电极1711在转动的过程中始终与所述电极区域181接触。

这是本发明的水平丝杆组件的替代实施例的优选结构，即电磁结构的电磁铁设置在第二传动轮朝向花键螺母外圈的侧面上，而电极板设置在花键螺母外圈朝向第二传动轮的侧面上，将电极板上的电极区域设置为环形区域，能够使得电磁铁上设置的电极与电极板上的电极区域始终接触，能够保证电磁铁始终得电，并且有效避免线缆出现拉扯、缠绕等情况。

在一些实施方式中，所述电磁铁的朝向所述电极板18的一侧面上还设置有凹槽，所述电极1711的部分结构位于所述凹槽中，所述电极1711的部分结构伸出所述凹槽并且所述电极1711的一端与所述电极区域181接触，所述电极1711的另一端与所述凹槽的槽底之间连接设置有弹性推力结构1712，所述弹性推力结构1712对所述电极1711施加弹性推力。

本发明的替代实施例中，通过在电磁铁上设置凹槽，能够有效地设置电极于其中，对电极产生有效的定位和限位作用，并且通过弹性推力结构能够提供弹性推力作用于电极上，使得电极被推至始终与电极区域进行贴合，保证电磁铁始终能够得电。

本发明在一些请况下，电磁铁安装在花键螺母带轮(第二传动轮14)上，电磁铁的电源线和电磁铁会跟随着第二传动轮14转动，线缆会出现拉扯、缠绕情况。为此提出如下方案：

电磁铁上存在若干电极1711和弹性推力结构1712，在推力系统的作用下，使电极1711和电极区域181紧密接触。

存在电极板18，电极板18与花键螺母外圈122或第二机械臂7固定在一起，可与电磁铁、第二传动轮14相对旋转，电极板18上设置有若干环形电极区域181。电极板18上的电极区域181与电磁铁上的电极1711对应配合，电极1711可随着电磁铁的旋转，在电极区域181上滑动，且时刻保证电磁铁通电。

本发明还提供一种水平多关节机器人，其包括前述的丝杆组件。

在一些实施方式中，水平多关节机器人还包括第一机械臂4和第二机械臂7，所述第一机械臂4的一端形成为第一旋转轴，即J1轴，所述第一机械臂4能绕着所述J1轴转动，所述第一机械臂4的另一端与所述第二机械臂7的一端转动连接，形成第二旋转轴，即J2轴，所述第二机械臂7能绕着所述J2轴转动，所述第二机械臂7的另一端设置所述丝杆10、所述第一传动轮13、所述第二传动轮14、所述第一摩擦片15、所述第二摩擦片16、所述第一套筒和所述第二套筒；所述丝杆螺母外圈112与所述第二机械臂7固接，所述花键螺母外圈122与所述第二机械臂7固接。

这是本发明的水平丝杆组件的进一步优选结构形式，通过第一机械臂的一端形成能够转动的J1轴，第一机械臂绕着J1轴转动，第一机械臂的另一端与第二机械臂的一端转动连接而形成J2轴，使得第二机械臂能够绕着J2轴进行转动，J1轴和J2轴均为转动，能够实现在多个不同位置进行转动的效果，提高机器人工作的自由度和灵活度；本发明还通过第二机械臂的另一端设置丝杆、套筒、摩擦片、传动轮的结构，能够有效地控制丝杆进行转动，即绕着J4轴转动，以及沿着J3轴进行轴向运动，进一步提高机器人工作的自由度，花键和丝杆螺母外圈均与第二机械臂固接，能够使得对花键和丝杆螺母内圈进行支承，从而驱动丝杆绕着J4转动和/或沿J3轴轴向运动。

在一些实施方式中，所述第二机械臂7上还设置有第三电机8和第四电机9，所述第三电机8能够驱动所述第一传动轮13转动，所述第四电机9能够驱动所述第二传动轮14转动；所述第一传动轮13为丝杆螺母带轮，所述第二传动轮14为花键螺母带轮，通过同时驱动所述第一传动轮13和所述第二传动轮14转动，以驱动所述丝杆10进行轴向运动和/或转动。这是本发明的水平丝杆组件的进一步优选结构形式，即第三电机和第四电机均设置于第二机械臂上，分别用于驱动第一和第二传动轮转动，进而有效地通过丝杆和花键螺母内圈驱动丝杆进行轴向的运动以及转动，实现精准控制的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种丝杆组件，其特征在于：包括：

丝杆(10)、第一传动轮(13)、第二传动轮(14)、第一摩擦片(15)、第二摩擦片(16)、第一套筒、第二套筒和弹力装置(17)，所述第一传动轮(13)能同时带动所述第一套筒和所述第一摩擦片(15)转动，第二传动轮(14)能同时带动所述第二套筒和所述第二摩擦片(16)转动，所述第一摩擦片(15)与第二摩擦片(16)相对设置，所述丝杆(10)穿设于所述第一套筒和所述第二套筒中，所述第一套筒与所述丝杆(10)螺纹连接，所述第二套筒与所述丝杆(10)键连接；

所述弹力装置(17)能够释放弹力使得所述第一摩擦片(15)与所述第二摩擦片(16)相接，所述第一摩擦片(15)、所述第二摩擦片(16)、所述第一传动轮(13)、所述第二传动轮(14)、所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆连接为一体，使得所述第一套筒、所述第二套筒和所述丝杆(10)能同步转动以对所述丝杆(10)的轴向运动进行限位。

2.根据权利要求1所述的丝杆组件，其特征在于：

所述第一套筒为丝杆螺母内圈(111)，所述丝杆组件还包括丝杆螺母外圈(112)，所述丝杆螺母外圈(112)套设于所述丝杆螺母内圈(111)的外周，所述丝杆螺母内圈(111)相对于所述丝杆螺母外圈(112)转动，所述丝杆螺母外圈(112)还对所述丝杆螺母内圈(111)的轴向运动进行限位，所述丝杆螺母内圈(111)和所述丝杆螺母外圈(112)组成丝杆螺母(11)。

3.根据权利要求2所述的丝杆组件，其特征在于：

所述丝杆螺母内圈(111)的内周壁上设置有内螺纹，所述丝杆(10)的外周壁上设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹匹配相接，使得所述丝杆螺母内圈(111)与所述丝杆(10)之间形成配合的螺旋副，所述丝杆螺母内圈(111)被单独驱动转动时其带动所述丝杆(10)相对于所述丝杆螺母内圈(111)沿轴向运动的同时还能转动。

4.根据权利要求2或3所述的丝杆组件，其特征在于：

所述第二套筒为花键螺母内圈(121)，所述丝杆组件还包括花键螺母外圈(122)，所述花键螺母外圈(122)套设于所述花键螺母内圈(121)的外周，所述花键螺母内圈(121)相对于所述花键螺母外圈(122)转动，所述花键螺母外圈(122)还对所述花键螺母内圈(121)的轴向运动进行限位，所述花键螺母内圈(121)和所述花键螺母外圈(122)组成花键螺母(12)。

5.根据权利要求4所述的丝杆组件，其特征在于：

所述花键螺母内圈(121)的内周壁上设置有花键槽，所述丝杆(10)的外周壁上设置有花键，所述花键与所述花键槽匹配相接，使得所述花键螺母内圈(121)与所述丝杆(10)之间形成配合的转动副，所述花键螺母内圈(121)被单独驱动转动时其带动所述丝杆(10)跟随所述花键螺母内圈(121)一体转动，所述丝杆(10)能相对于所述花键螺母内圈(121)沿轴向运动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的丝杆组件，其特征在于：

所述弹力装置(17)包括磁性结构(171)和弹性结构(172)，所述弹性结构(172)的一端与所述第一摩擦片(15)或与所述第二摩擦片(16)连接以提供弹性推力使得所述第一摩擦片(15)与所述第二摩擦片(16)贴合，所述磁性结构(171)设置于所述第二摩擦片(16)的远离所述第一摩擦片(15)的一侧以能对所述第二摩擦片(16)提供磁吸力或者设置于所述第一摩擦片(15)的远离所述第二摩擦片(16)的一侧以能对所述第一摩擦片(15)提供磁吸力，以克服所述弹性结构(172)的弹性力以将所述第二摩擦片(16)与所述第一摩擦片(15)分开。

7.根据权利要求6所述的丝杆组件，其特征在于：

所述磁性结构(171)为电磁结构，当需要制动时控制所述磁性结构(171)断电，通过所述弹性结构(172)推动所述第二摩擦片(16)与所述第一摩擦片(15)贴合，使得所述第一摩擦片(15)与所述第二摩擦片(16)一体转动，进而带动所述丝杆、所述第一套筒结构和所述第二套筒结构均一体转动；当不需制动时，控制所述磁性结构(171)通电，所述磁性结构(171)产生的磁吸力克服所述弹性结构(172)的弹性力而将所述第一摩擦片(15)与所述第二摩擦片(16)分离，通过控制所述第一传动轮(13)的转动和控制所述第二传动轮(14)的转动以控制所述丝杆(10)沿轴向运动和/或进行转动。

8.根据权利要求7所述的丝杆组件，其特征在于：

所述第一传动轮(13)的一端与所述第一套筒相接、另一端与所述第一摩擦片(15)相接，所述第二传动轮(14)的一端与所述第二套筒相接、另一端与所述第二摩擦片(16)间隔设置，所述第二摩擦片(16)套设于所述丝杆(10)的外周且能与所述丝杆(10)不接触，所述第二摩擦片(16)能被所述第二传动轮(14)带动而一体转动，所述第二传动轮(14)通过转动带动所述第二套筒转动，进而带动所述丝杆(10)转动。

9.根据权利要求8所述的丝杆组件，其特征在于：

当所述丝杆组件还包括花键螺母外圈(122)时：

所述弹性结构(172)设置于所述第二传动轮(14)与所述第二摩擦片(16)之间的间隔空间中，所述弹性结构(172)的一端与所述第二传动轮(14)连接、另一端与所述第二摩擦片(16)连接；所述磁性结构(171)设置在所述第二传动轮(14)与所述花键螺母外圈(122)之间，所述磁性结构(171)对所述第二摩擦片(16)提供磁吸力，所述弹性结构(172)对所述第二摩擦片(16)提供弹性推力。

10.根据权利要求9所述的丝杆组件，其特征在于：

当所述第二套筒为花键螺母内圈(121)时：所述电磁结构安装在所述花键螺母外圈(122)的朝向所述第二传动轮(14)的一侧面上，所述电磁结构固定不转动，且所述花键螺母内圈(121)、所述第二传动轮(14)、所述第二摩擦片(16)、所述弹性结构(172)均不与所述电磁结构接触。

11.根据权利要求9所述的丝杆组件，其特征在于：

所述电磁结构包括电磁铁和电极板(18)，所述电磁铁安装在所述第二传动轮(14)的朝向所述花键螺母外圈(122)的一侧面上，使得所述电磁铁与所述第二传动轮(14)一体转动，所述电极板(18)设置在所述花键螺母外圈(122)的朝向所述第二传动轮(14)的一侧面上，所述电磁铁的朝向所述电极板(18)的一侧还设置有电极(1711)，所述电极板(18)的朝向所述电磁铁的一侧设置有环形的电极区域(181)，环形的所述电极区域(181)与所述电极(1711)的运动位置相对，使得所述电极(1711)在转动的过程中始终与所述电极区域(181)接触。

12.根据权利要求11所述的丝杆组件，其特征在于：

所述电磁铁的朝向所述电极板(18)的一侧面上还设置有凹槽，所述电极(1711)的部分结构位于所述凹槽中，所述电极(1711)的部分结构伸出所述凹槽并且所述电极(1711)的一端与所述电极区域(181)接触，所述电极(1711)的另一端与所述凹槽的槽底之间连接设置有弹性推力结构(1712)，所述弹性推力结构(1712)对所述电极(1711)施加弹性推力。

13.一种多关节机器人，其特征在于：包括权利要求1-12中任一项所述的丝杆组件。

14.根据权利要求13所述的多关节机器人，其特征在于：

当所述丝杆组件还包括丝杆螺母外圈(112)和花键螺母外圈(122)时：

所述多关节机器人还包括第一机械臂(4)和第二机械臂(7)，所述第一机械臂(4)的一端形成为第一旋转轴，即J1轴，所述第一机械臂(4)能绕着所述J1轴转动，所述第一机械臂(4)的另一端与所述第二机械臂(7)的一端转动连接，形成第二旋转轴，即J2轴，所述第二机械臂(7)能绕着所述J2轴转动，所述第二机械臂(7)的另一端设置所述丝杆(10)、所述第一传动轮(13)、所述第二传动轮(14)、所述第一摩擦片(15)、所述第二摩擦片(16)、所述第一套筒和所述第二套筒；所述丝杆螺母外圈(112)与所述第二机械臂(7)固接，所述花键螺母外圈(122)与所述第二机械臂(7)固接。

15.根据权利要求14所述的多关节机器人，其特征在于：

所述第二机械臂(7)上还设置有第三电机(8)和第四电机(9)，所述第三电机(8)能够驱动所述第一传动轮(13)转动，所述第四电机(9)能够驱动所述第二传动轮(14)转动；所述第一传动轮(13)为丝杆螺母带轮，所述第二传动轮(14)为花键螺母带轮，通过同时驱动所述第一传动轮(13)和所述第二传动轮(14)转动，以驱动所述丝杆(10)进行轴向运动和/或转动。

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