CN117863227A - 四轴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴机器人。所述四轴机器人的大臂和小臂内均设有一组同步带轮机构，其中大臂内的一个同步轮固定不自转，另一个与之带连接的同步轮也不会自转，即与这个同步轮上固定连接的末端执行器、夹具与地面的角度保持不变，即保证了抓取面的角度不变。本发明的四轴机器人通过欠驱动的设计，保持了被抓取的物品始终与地面平行。

Description

四轴机器人

技术领域

本发明涉及一种四轴机器人，属于工业码垛机器人领域。

背景技术

码垛机器人是将货物按一定排列码放在托盘或指定的空间内，可以根据程序实现自动堆码，可堆码多层。码垛机器人可大大地降低劳动强度、节约人员成本，已广泛应用于自动化流水线、搬运码垛、集装箱搬运、机床上下料等自动搬运作业中。

目前的码垛机器人中，小臂电机大多安装在大臂机构与小臂机构的转动关节处，这种设计导致小臂机构的自身较量，同时导致大臂机构的旋转惯量较大；机器人每个动作都使用单独电机控制，成本高、控制难度大；大小臂因为一些特殊机械机构限制，工作范围小。

中国发明专利申请（公布号为CN112454325 A）公开了新型多关节码垛机器人，其包括依次连接的地基、腰部组件、大臂组件、小臂组件和手腕组件，各相连的组件之间能够进行相对转动，腰部组件与大臂组件之间通过第一转动关节连接，驱动第一转动关节可以带动大臂组件绕腰部组件进行转动；大臂组件与小臂组件之间通过第二转动关节连接，驱动第二转动关节可以带动小臂组件绕大臂组件进行转动；小臂组件与手腕组件之间通过第三转动关节连接，驱动第三转动关节可以带动手腕绕小臂组件进行转动；第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节可以单独驱动或同步驱动。CN112454325A的弊端主要在于：

1、驱动大、小臂的电机减速机在大臂内部，当大臂摆动时带动两个电机减速机摆动，那么（1）当大臂转动时，两个电机减速机增加了大臂自身负载，导致驱动大臂的电机耗能高；（2）驱动小臂的力臂为小臂直径（驱动点在大、小臂铰接处），属于费力杆驱动，小臂的电机耗能高；（3）驱动大、小臂的传动为同步轮、同步带传动柔性连接，同步轮的连接缺点有负载能力弱、精度低、需要经常维护且成本高。

2、为了保持手腕处于竖直状态，其中第一带轮、第二带轮、第三带轮均需绕带轮轴心转动，并且第一带轮会跟随大臂转动而转动，从而需要满足带轮齿数的比例关系：N3/N2=-N1/N2-1，其相互连接的传动要求复杂、装配调试的难度大且通用性不强。

申请人的在先中国实用新型专利（公告号为CN219054388U）公开了一种机器人手臂，主要主要的特点是：大臂机构和小臂机构分别形成了平行四边形结构（平行四连杆机构），即点AEFD的连线为一个转动的平行四边形，点DGHJ的连线为一个转动的平行四边形。其优势在于不需要设置复杂的同步轮、同步带结构就能够始终保持夹具相对于水平面保持既定的角度。但是其不足之处在于：由于平行四连杆机构的转动范围受限，采用两组平行四连杆机构的情况下，机器人手臂的抓取范围将受到很大的限制；另外设置两组平行四连杆机构将增加整个机器人手臂的重量，导致机器人手臂的旋转惯量较大，控制难度大。

发明内容

本发明旨在提供一种四轴机器人，该四轴机器人通过欠驱动的设计，可保持被抓取的物品始终与地面平行。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种四轴机器人，包括装在基座上且可转动的上装；所述上装包括支座、大臂、小臂、第一连杆、第二连杆；由大臂电机减速机驱动的所述大臂的一端铰接在支座上，所述大臂的另一端与小臂的一端转动连接于轴线M，装在支座上的小臂电机减速机驱动所述第一连杆转动，该第一连杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，第二连杆的另一端铰接在小臂上，所述大臂、第一连杆、第二连杆、小臂的一段构成了四连杆机构，当驱动小臂电机减速机旋转通过第一连杆、第二连杆的运动带动小臂转动；其结构特点是：

所述支座上固定安装有第一同步轮，且所述第一同步轮不自转，所述大臂的另一端或小臂的一端通过第一同步轴安装有第二同步轮；所述第一同步轮和第二同步轮上绕装有第一同步带，使得大臂转动时第二同步轮不会绕其轴心自转；

所述第一同步轴上还安装有第三同步轮，在所述小臂的另一端通过第二同步轴安装有第四同步轮,该小臂与第二同步轴连接于轴线N，第四同步轮的轴心与所述轴线N重合，所述第三同步轮和第四同步轮上绕装有第二同步带，使得小臂转动时第四同步轮不会绕其轴心自转；

所述第二同步轮与第三同步轮同轴设置且二者直接或间接固定连接，所述第二同步轮与第三同步轮的轴心均与所述轴线M重合。

由此，通过在大臂内设置第一同步轮、第二同步轮和第一同步带，通过在小臂内设置第三同步轮、第四同步轮和第二同步带。其中无论大臂、小臂如何转动，第一同步轮始终保持不动，进而第二同步轮不会绕其轴心自转，与第二同步轮固定相连的第三同步轮也不会绕其轴心自转，第四同步轮也不会绕其轴心自转，这样可以保证末端执行器和夹具以及被抓取的物品始终与地面保持平行。

另外，相比于申请人的在先的采用两组平行四连杆机构的机器人手臂，完全取消了小臂的平行四连杆机构，减轻了整个机器人手臂的重量；而且也避免了平行四连杆机构导致机器人手臂抓取范围受限的问题。

此外，本发明的小臂电机减速机安装在支座上，运动过程中减少了小臂机构的自身重量，同时也减少了大臂机构的旋转惯量。此外，小臂电机减速机安装在支座上，减少了小臂机构对大臂机构的作用扭矩，减少了大臂机构的负载；还减少了旋转电机减速机的扭矩，减少了支座的翻转力矩。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

在其中一个优选的实施例中，所述大臂和小臂上均装有同步带张紧机构，每个同步带张紧机构内安装有两个辊轮，两个辊轮分别与相应的同步带抵接。

在其中一个优选的实施例中，所述第二同步轴上连接有末端执行器，所述第四同步轮与末端执行器之间直接固定或间接相对固定，使得大臂和小臂转动时第四同步轮不会绕其轴心自转；所述末端执行器上固定安装有夹具旋转电机减速机，该夹具旋转电机减速机的输出端与夹具传动连接。

在其中一个优选的实施例中，所述第三同步轮固定安装在第一同步轴上，且所述第三同步轮不自转，所述第四同步轮固定安装在第二同步轴上；所述第一同步轴和第二同步轴均可绕自身的轴线自转。

在其中另一个优选的实施例中，所述第三同步轮套装在第一同步轴，所述第四同步轮套装在第二同步轴上。

在其中一个优选的实施例中，所述基座内部还包括有电机控制器组和散热风扇；所述电机控制器组与旋转电机减速机、大臂电机减速机、小臂电机减速机、夹具旋转电机减速机电连。

在其中一个优选的实施例中，所述基座底部设有移动轮机构，所述移动轮机构包括连接板和可上下移动的万向轮；所述连接板一端与基座固定连接，该连接板另一端与万向轮螺纹连接。

在其中一个优选的实施例中，所述大臂、第一连杆、第二连杆、小臂的一段构成了四边形结构。

在其中一个优选的实施例中，所述基座内固定安装有旋转电机减速机，该旋转电机减速机的输出端与所述上装传动连接。

作为一种具体的固定连接方式，所述第一同步轮通过同步轮固定座固定安装在支座上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用两组同步轮、同步带相互串联配合的带传动结构，其中一个同步轮固定不自转，另一个与之带连接的同步轮也不会自转，即与这个同步轮上固定连接的末端执行器、夹具与地面的角度保持不变，即保证了抓取面的角度不变，通过这种欠驱动的设计，实现了机构紧凑，节省了控制角度的电机，负载及成本更低。

2.相比于申请人在先的通过平行四连杆的机构解决夹具角度与地面角度保持不变的方案，本发明的双同步带、同步轮的机构避开了平行四连杆结构中临边极限角度的约束，可提高机器人抓取范围，即具有以大臂驱动点为中心，大、小臂长度和为半径的全部工作范围。

3.本发明的控制系统安装在基座内，有效减少了电机与驱动器之间的接线长度、减少电磁干扰，并且节约了电缆成本。

4.本发明所有传动装置、驱动装置、控制装置均布置与所述机器人内部，从而其外壳与本体之间容易防护，可显著提高机器人的防护性能。

5.本发明采用可拆卸移动轮机构，可在不使用大型吊装设备便可移动机器人，这样的设计增大了厂房的适用性，并可进行快速部署。

6.小臂电机减速机安装在转轴支座上，运动过程中减少了小臂机构的自身重量，同时减少了大臂机构的旋转惯量。

7.小臂电机减速机安装在支座上，减少了小臂机构对大臂机构的作用扭矩，减少了大臂机构的负载；还减少了旋转电机减速机的扭矩，减少了支座的翻转力矩；最后这种设计便于安装及走线、外形小巧、运动空间干涉少。

附图说明

图1是本发明一种四轴机器人的等轴视图；

图2是本发明一种四轴机器人的主视图；

图3是图2的右侧视图；

图4是图2的左侧视图；

图5是图3的A向剖视图；

图6是图3的B向剖视图；

图7是图2的顶视图；

图8是图4的C向剖视图；

图9是图7中Ⅱ范围的局部放大视图；

图10是图8中Ⅰ范围的局部放大视图；

图11是图2的H向剖视图；

图12是图10的实施例2；

图13是图11的实施例2；

图14是本发明一种四轴机器人的最大工作范围示意图。

其中：

1-基座；2-旋转电机减速机；3-支座；4-大臂电机减速机；5-小臂电机减速机；6-大臂；7-小臂；8-末端执行器；9-夹具旋转电机减速机；10-夹具；11-第一连杆；12-第二连杆；13-同步轮固定座；14-第一同步轮；15-第一同步带；16-同步带张紧机构；17-第二同步轮；18-第三同步轮；19-第二同步带；20-第四同步轮；21-第一同步轴；22-第二同步轴；23-电机控制器组；24-散热风扇；25-移动轮机构；26-连接板；27-万向轮。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例

如图1和2所示，本实施例的四轴机器人包括基座1、旋转电机减速机2、支座3，所述旋转电机减速机2的固定端固定安装在基座1上，其输出端与机器人的上装传动连接，驱动旋转电机减速机2可实现机器人上装绕轴线J的整体转动。

如图2、3、5所示，一种四轴机器人的上装包括支座3、大臂电机减速机4、小臂电机减速机5、大臂6、小臂7、第一连杆11、第二连杆12。所述支座3与大臂6的一端铰接于D点，D点在轴线K上，大臂电机减速机4的固定端与支座3的一侧固定连接，大臂电机减速机4的输出端与大臂6的一端传动连接，驱动大臂电机减速机4旋转从而驱动大臂6绕轴线K进行转动；大臂6的另一端与小臂7的一端转动连接于G点，G点在轴线M上；所述支座3的另一侧与小臂电机减速机5的固定端固定连接，小臂电机减速机5的输出端与第一连杆11的一端传动连接，此处为了描述方便转动点为D点，需要说明的是，实际上转动点也可以不是D点，即驱动小臂电机减速机5旋转从而带动第一连杆11绕轴线L旋转，轴线L与轴线K可共线也可不共线，第一连杆11的另一端与第二连杆12的一端转动连接于E点，第二连杆12的另一端与小臂7转动连接于F点，此时大臂6、第一连杆11、第二连杆12、小臂7的一段构成了四边形结构，当驱动小臂电机减速机5旋转从而带第一连杆11、第二连杆12运动，进而带动小臂7绕轴线M进行转动。

如图2、3、6、7、8、9、10所示，一种四轴机器人的上装还包括同步轮固定座13、第一同步轮14、第一同步带15、同步带张紧机构16、第二同步轮17、第三同步轮18、第二同步带19、第四同步轮20、第一同步轴21、第二同步轴22。所述支座3与同步轮固定座13的一端固定连接，同步轮固定座13的另一端与第一同步轮14固定连接，所述第一同步轮14轴心与轴线K重合并相对于支座3固定不动。

所述第一同步轴21的一端与大臂6的另一端套装，第一同步轴21的轴线与轴线M重合，第二同步轮17与第一同步轴21同轴固定连接，第二同步轮17与第一同步轮14通过第一同步带15带传动连接，此时无论大臂6如何转动，第二同步轮17都不会绕其轴轴线M自转，因为同步轮与同步带传动需要其中一个同步轮转动，如果一个同步轮相对轴心固定不动且不自转，那么另一端通过带连接的同步轮也不会转动，所以第二同步轮17不会绕轴线M转动；所述第一同步轴21上通过键还同轴固定连接第三同步轮18，小臂7的另一端与第二同步轴22套装，其轴线为N，第二同步轴22通过键同轴固定连接有第四同步轮20，第三同步轮18、第四同步轮20与第二同步带19带传动连接，由于第一同步轴21不会绕其轴线M自转，那么与其固定连接的第三同步轮18也不会绕其轴线M自转，同理第四同步轮20也不会绕轴线N自转，所以无论小臂7绕轴线M如何转动，第四同步轮20也不会绕其轴线N自转，那么第二同步轴22也不会绕轴线N自转；所述大臂6、小臂7上还装有同步带张紧机构16，同步带张紧机构16内安装有两个辊轮，两个辊轮分别与第一同步带15、第二同步带19的外侧进行压紧，通过调节两个辊轮距离，来调节第一同步带15、第二同步带19的松紧度，便于安装及调整同步带的松紧。

如图2、7、9、11所示，一种四轴机器人的上装还包括末端执行器8、夹具旋转电机减速机9、夹具10。所述末端执行器8与第二同步轴22通过键固定连接，所述末端执行器8与夹具旋转电机减速机9的固定端固定连接，夹具旋转电机减速机9的输出端与夹具10传动连接，驱动夹具旋转电机减速机9旋转可使夹具10及其抓取的物品绕轴线P旋转。

综上所述，无论大臂6、小臂7如何转动，第二同步轴22也不会绕轴心自转，那么末端执行器8及夹具旋转电机减速机9、夹具10及其抓取的物品相对于地面始终保持角度不变，若夹具10与地面保持水平，那么可保证机器人在搬运物品时始终与地面平行。

如图1、2、3所示，所述基座1内部还包括有电机控制器组23、散热风扇24。所述电机控制器组23与旋转电机减速机2、大臂电机减速机4、小臂电机减速机5、夹具旋转电机减速机9电连，散热风扇24安装在基座1内，用于基座1内部与外部的换气。这种电机控制器组23安装在基座1内部可利于减少电机与驱动器之间的接线长度、减少电磁干扰，并且节约了电缆成本，且走线美观。

如图1、2、3所示，所述基座1下部还包括有移动轮机构25，所述移动轮机构25由连接板26、万向轮27组成。所述连接板26一端与基座1底部螺栓连接，连接板26另一端与万向轮27螺纹连接。当需要整体移动此机器人时，分别向下旋转万向轮27的螺纹处，将机器人顶升一定高度，这样可不用桁车就可以移动此机器人的位置，当确定好位置后，分别向上旋转万向轮27的螺纹处，将机器人基座1落于地面，这样可方便快捷的进行部署。

如图10、图11所示，在一些实施例中，第一同步轴21与大臂6或小臂7套装相连，具体分别有如下三种情况：

①第二同步轮17与第一同步轴21套装，第三同步轮18与第二同步轮17固定连接。

②第三同步轮18与第一同步轴21套装，第二同步轮17与第三同步轮18固定连接。

③第二同步轮17与第一同步轴21固定连接，第三同步轮18与第一同步轴21固定连接或者第三同步轮18与第二同步轮17固定连接。

如图11所示，在另一些实施例中，第二同步轴22小臂7套装，具体又分为如下三种情况：

①第四同步轮20与第二同步轴22套装，末端执行器8与第四同步轮20固定连接。

②末端执行器8与第二同步轴22套装，第四同步轮20与末端执行器8固定连接。

③第四同步轮20与第二同步轴22固定连接，末端执行器8与第四同步轮20固定连接或末端执行器8与第二同步轴22固定连接。

根据以上情况，发明人的总结是：第二同步轮17与第三同步轮18同轴且直接或间接固定连接，并且第二同步轮17与第三同步轮18的轴心与轴线M重合。

实施例

如图12所示，与实施例1不同的是，第一同步轴21与大臂或小臂的铰接处固定连接，第二同步轮17与第一同步轴21套装连接，那么第二同步轮17与第一同步轴21不是固定连接，可以相对转动；第三同步轮18与第二同步轮17固定连接，第三同步轮18与第一同步轴21套装连接。需要说明书的是，第二同步轮17与第三同步轮18直接或间接相对固定连接且同轴连接，这个轴一定是与大小臂铰接的轴线M重合。

同理，如图13所示，第二同步轴22与小臂7的铰接处固定连接，第四同步轮20与第二同步轴22套装连接，那么第四同步轮20与第二同步轴22不是固定连接，可以相对转动，末端执行器8与第四同步轮20固定连接。

如图12、图13所示，在一些实施例中，第一同步轴21与大臂6或小臂7固定连接，具体分为如下二种情况：

第一种情况，第二同步轮17与第一同步轴21套装，第三同步轮18与第二同步轮17固定连接。

第二种情况，第三同步轮18与第一同步轴21套装，第二同步轮17与第三同步轮18固定连接。

如图13所示，在另一些实施例中，第二同步轴22与小臂7固定连接，具体又分为如下二种情况：

第一种情况，第四同步轮20与第二同步轴22套装，末端执行器8与第四同步轮20固定连接。

第二种情况，末端执行器8与第二同步轴22套装，第四同步轮20与末端执行器8固定连接。

综上所述，第二同步轮17与第三同步轮18同轴且直接或间接固定连接，并且第二同步轮17与第三同步轮18的轴心与轴线M重合。第四同步轮20与末端执行器8直接或间接相对固定，并且第四同步轮20的轴心在轴线N上。除了第一同步轮14是固定且不自转外，其它的同步轮在大臂、小臂7转动时都会绕轴心自转，也就是在平面上，第一同步轮14是恒星轮，与之通过同步带连接的同步轮是行星轮。

实施例

与实施例1不同的是，由于第四同步轮20不绕其轴线N自转，末端执行器8与第四同步轮20固定连接，也可以满足角度不变。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种四轴机器人，包括装在基座（1）上且可转动的上装；所述上装包括支座（3）、大臂（6）、小臂（7）、第一连杆（11）、第二连杆（12）；由大臂电机减速机（4）驱动的所述大臂（6）的一端铰接在支座（3）上，所述大臂（6）的另一端与小臂（7）的一端转动连接于轴线M，装在支座（3）上的小臂电机减速机（5）驱动所述第一连杆（11）转动，该第一连杆（11）的另一端与第二连杆（12）的一端转动连接，第二连杆（12）的另一端铰接在小臂（7）上，所述大臂（6）、第一连杆（11）、第二连杆（12）、小臂（7）的一段构成了四连杆机构，当驱动小臂电机减速机（5）旋转通过第一连杆（11）、第二连杆（12）的运动带动小臂（7）转动；其特征在于：

所述支座（3）上固定安装有第一同步轮（14），且所述第一同步轮（14）不自转，所述大臂（6）的另一端或小臂（7）的一端通过第一同步轴（21）安装有第二同步轮（17）；所述第一同步轮（14）和第二同步轮（17）上绕装有第一同步带（15），使得大臂（6）转动时第二同步轮（17）不会绕其轴心自转；

所述第一同步轴（21）上还安装有第三同步轮（18），在所述小臂（7）的另一端通过第二同步轴（22）安装有第四同步轮（20）,该小臂（7）与第二同步轴（22）连接于轴线N，第四同步轮（20）的轴心与所述轴线N重合，所述第三同步轮（18）和第四同步轮（20）上绕装有第二同步带（19），使得小臂（7）转动时第四同步轮（20）不会绕其轴心自转；

所述第二同步轮（17）与第三同步轮（18）同轴设置且二者直接或间接固定连接，所述第二同步轮（17）与第三同步轮（18）的轴心均与所述轴线M重合。

2.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述第二同步轴（22）上连接有末端执行器（8），所述第四同步轮（20）与末端执行器（8）之间直接固定或间接相对固定，使得大臂（6）和小臂（7）转动时第四同步轮（20）不会绕其轴心自转；所述末端执行器（8）上固定安装有夹具旋转电机减速机（9），该夹具旋转电机减速机（9）的输出端与夹具（10）传动连接。

3.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述第三同步轮（18）固定安装在第一同步轴（21）上，且所述第三同步轮（18）不自转，所述第四同步轮（20）固定安装在第二同步轴（22）上；所述第一同步轴（21）和第二同步轴（22）均可绕自身的轴线自转。

4.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述第三同步轮（18）套装在第一同步轴（21），所述第四同步轮（20）套装在第二同步轴（22）上。

5.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述基座（1）内部还包括有电机控制器组（23）和散热风扇（24）；所述电机控制器组（23）与旋转电机减速机（2）、大臂电机减速机（4）、小臂电机减速机（5）、夹具旋转电机减速机（9）电连接。

6.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述基座（1）底部设有移动轮机构（25），所述移动轮机构（25）包括连接板（26）和可上下移动的万向轮（27）；所述连接板（26）一端与基座（1）固定连接，该连接板（26）另一端与万向轮（27）螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述基座（1）内固定安装有旋转电机减速机（2），该旋转电机减速机（2）的输出端与所述上装传动连接。

8.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述大臂（6）和小臂（7）上均装有同步带张紧机构（16），每个同步带张紧机构（16）内安装有两个辊轮，两个辊轮分别与相应的同步带抵接。

9.根据权利要求1所述的四轴机器人，其特征在于，所述第一同步轮（14）通过同步轮固定座（13）固定安装在支座（3）上。