CN204748644U

CN204748644U - 直线驱动连杆机构机器人关节

Info

Publication number: CN204748644U
Application number: CN201520250074.0U
Authority: CN
Inventors: 梁上杰; 蔡延杰; 陈建伟; 廖伟东; 王强; 李锻能
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2025-04-23

Abstract

本实用新型涉及直线驱动连杆机构机器人关节，包括底板，固定在底板上的支承板，支承板上设有直线驱动机构和四连杆机构，四连杆机构由大臂、支承板、连架杆和传动杆构成，直线驱动机构由第一刚体、第二刚体构成，其中连架杆的一端与支承板的一端活动铰接，连架杆的另一端和传动杆的一端与第一刚体活动铰接，传动杆的另一端与大臂的一端活动铰接，大臂的另一端固接于连接件一端并与支承板的另一端活动铰接，第二刚体的一端与支承板活动铰接，第二刚体与第一刚体通过直线移动副连接。本实用新型具有较小的摩擦系数，良好的受力性能，机构简单，制造成本低等优点。

Description

直线驱动连杆机构机器人关节

技术领域

本实用新型属于机器人技术应用领域，具体涉及一种通过直线传动方式，驱动连杆机构组成的机器人关节，主要应用于关节机器人的大臂和小臂关节。

背景技术

按结构特点对工业机器人进行划分，大致可分为两类：串联型工业机器人和并联型工业机器人。串联机器人通俗点说就是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点。其结构上最大的特点就是在每个活动关节处均由电机直接连接减速器进行驱动，从而控制机器人的运动。每个关节都采用独立的驱动电机及减速器，使其技术含量高，难度大，成本高，且其质量均加载到了大、小臂上，增加了运动结构的质量，致使机器人运动过程中惯量加大。在要求高速、重载的情况下，难于控制。且各关节的误差在执行部分得到了累积和放大，致使其精度偏低。

目前工业机器人使用较多的是RV减速机，它体积外形轻巧灵活、运行平稳、适用性强，在工业机器人上已经应用成熟。但这种高性能减速机存在制造材料苛刻、制造精度要求高、结构复杂、造价成本高等问题，增加了机器人生产过程中的成本和技术要求，是目前机器人产业化进程中的薄弱一环。

而并联机器人则恰恰相反，并联机器人通常被定义为一类闭环机构，该机构中定平台通过至少两个相互独立的运动链与动平台相连接。与串联机器人相比较，其结构刚度大、承载能力强、结构稳定、驱动系统成本低、减轻了运动部分的重量、动态性能好、控制简化且精度高、经济性能好，完全对称的并联机构具有较好的各向同性。

发明内容

本实用新型的目的是提供了一种采用连杆机构，对大臂实施独立轴承简支梁支承，通过滚动直线工作元件进行驱动，实现大臂摆动的机器人关节。

本实用新型的机器人关节技术解决方案是直线驱动连杆机构机器人关节，包括底板，固定在底板上的支承板，支承板上设有直线驱动机构和四连杆机构，四连杆机构由大臂、支承板、连架杆和传动杆构成，直线驱动机构由第一刚体、第二刚体构成，其中连架杆的一端与支承板的一端活动铰接，连架杆的另一端和传动杆的一端与第一刚体活动铰接，传动杆的另一端与大臂的一端活动铰接，大臂的另一端固接于连接件的一端并与支承板的另一端活动铰接，第二刚体的一端与支承板活动铰接，第二刚体与第一刚体通过直线移动副连接。

以上所述的直线移动副可为螺母丝杆驱动装置，所述第一刚体是丝杆螺母座，所述第二刚体是滚珠丝杆。

本实用新型的直线移动副可为液压缸驱动装置或气压缸驱动装置。

本实用新型的支承板可为平行设置的两块支承板，直线驱动机构和四连杆机构设在两块支承板之间。

本实用新型的四连杆机构中可采用并联的传动杆和连架杆。

本实用新型的四连杆机构中的传动杆可为弧形连杆。

本实用新型的工作原理是机器人关节由第二刚体通过直线移动副驱动第一刚体直线往复移动，第一刚体驱动四连杆机构中的传动杆运动，再由传动杆将动力传递给大臂。因为大臂一端活动的铰接在与底座固定的支承板上，所以使大臂发生一定角度的转动。

本实用新型的机器人关节采用的是滚动部件，摩擦系数低，传动效率高；关节支承轴采用简支梁结构，具有良好的受力性能，它可以实现电机转角到大臂摆角大比数的减速传动，避免使用RV减速机，使得机器人关节结构简单，制造难度降低，制造成本减小。

附图说明

图1是本实用新型的立体图；

图2是本实用新型的构造示意图；

图3是图2中沿A-A剖视图；

图4是本实用新型的运动状态1示意图；

图5是本实用新型的运动状态2示意图；

图6是本实用新型的运动状态3示意图；

图7是本实用新型的机构原理简图；

图8是本实用新型的输入量与输出量关系机构分析图；

图9是本实用新型的输入量与输出量关系曲线图。

上述各图中标号名称：1、底座；2、支承板；3、连架杆；4、大臂；5、传动杆；6、电机支座；7、滚珠丝杆；8、同步带轮；9、调节块；10、伺服电机；11、丝杆螺母；12、第一轴；13、第二轴；14、第三轴；15、关节支承轴；16、关节轴承；17、滚珠丝杆轴承；18、丝杆螺母座；19、丝杆螺母座轴臂；

A、第一铰接点；B、第二铰接点；C、第三铰接点；D、第四铰接点；E、第五铰接点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6,本实用新型为一种直线驱动连杆机构机器人关节，包括：底座1、支承板2、连架杆3、大臂4、传动杆5、电机支座6、滚珠丝杆7、同步带轮8、调节块9、伺服电机10、杆丝螺母11、第一轴12、第二轴13、第三轴14、关节支承轴15、关节轴承16、滚珠丝杆轴承17、丝杆螺母座18、丝杆螺母座轴臂19。

平行设置的两块支承板2通过螺栓固定安装在底座1上，构成机器人关节的基座。

伺服电机10固定安装在电机支座6上，滚珠丝杆7通过一对角接触球轴承铰接在电机支座6上，使滚珠丝杆7可以绕着其轴线旋转运动。伺服电机10与滚珠丝杆7之间采用同步带传动，以达到一级减速的目的。电机支座6通过第三轴14和角接触球轴承活动铰接在支承板2上，使得电机支座6可以绕着第三轴14的轴线旋转。

为了保证伺服电机10与滚珠丝杆7之间的同步带始终保持预紧状态，在电机支座6上安装了调节块9，通过移动调节块9调节同步带的预紧力。

本实用新型中的四连杆机构由两支承板2、两连架杆3、大臂4、两传动杆5组成。大臂4与关节支承轴15过盈配合通过紧定螺钉实现轴向固定，再通过关节轴承16与支承板2铰接。传动杆5一端与第一轴12过盈配合通过紧定螺钉实现轴向固定，再通过角接触轴承与大臂4铰接。连架杆3一端与第二轴13过盈配合通过紧定螺钉实现轴向固定，再通过角接触轴承与支承板2铰接。传动杆5的另一端和连架杆3的另一端通过深沟球轴承与固定焊接在丝杆螺母座18上的丝杆螺母座轴臂19铰接。因此，传动杆5、连架杆3、丝杆螺母座18三者之间可以相互转动。

为了让直线驱动机构与四连杆机构合理的链接，将丝杆螺母座18和丝杆螺母11固定连接。

为了增大大臂4的摆角极限，四连杆机构中的传动杆5采用弧形连杆。

所述直线移动副可采用液压缸驱动装置或者气压缸驱动装置。

如图7所示,由伺服电机10通过同步带轮8输入的驱动力实现丝杆螺母11的直线往复移动，从而驱动四连杆机构运动。由于支承板2是固定，所以C点带动传动杆5运动，B点再驱动大臂4发生一定角度的转动，完成转矩输出，最终实现伺服电机10转角到大臂4转角所需要的减速功能。

如图4所示的直线驱动连杆机构机器人关节运动状态1，大臂4能达到最大摆角的机构运动状态。

如图5所示的直线驱动连杆机构机器人关节运动状态2，大臂4处于一般摆角的机构运动状态。

如图6所示的直线驱动连杆机构机器人关节运动状态3，是大臂4能达到最小摆角的机构运动状态。

如图8所示，该直线减速机构是非线性系统，因而需要求出大臂4的摆角和滚珠丝杆7的长度的对应关系方程。利用matlab软件进行仿真再用曲线拟合功能求出伺服电机10转角与大臂4摆角之间的关系函数。

设AB=L1，AD=L2，CD=L3，BC=L4，DE=L5，BD=L6，CE=L;

由图可知：L1，L2，L3，L4，L5，2，4，7均为固定值。

将AF（大臂4）与水平线的夹角1作为自变量x，CE（丝杆长度L）作为因变量y，而建立方程。

3=360o-∠1-∠2-∠4；

根据余弦定理：L6=

∠5=

∠6=

1、当∠3<180o时∠8=360o-∠5-∠6-∠7

2、当∠3>180o时∠8=360o-∠6-∠7+∠5

根据余弦定理：L=

利用matlab软件中的模拟功能求得关系曲线如图9所示。

利用曲线拟合功能求得：大臂4与水平线的夹角1即x与滚珠丝杆7长度L即y的关系方程：

y=a*x²+b*x+c

上式中参数a,b,c视L1，L2，L3，L4，L5，L6，∠4，∠7而定。

通过对上述尺寸进行不同的设定和组合，可以得到不同的大臂4的摆角与滚珠丝杆7长度的关系方程，从而得到关节不同的运动性能，实际应用中可调整优化上述尺寸的大小，满足实际工况下关节运动性能要求。

Claims

1.直线驱动连杆机构机器人关节，包括底板，固定在底板上的支承板，支承板上设有直线驱动机构和四连杆机构，其特征在于：四连杆机构由大臂、支承板、连架杆和传动杆构成，直线驱动机构由第一刚体、第二刚体构成，其中连架杆的一端与支承板的一端活动铰接，连架杆的另一端和传动杆的一端与第一刚体活动铰接，传动杆的另一端与大臂的一端活动铰接，大臂的另一端固接于连接件的一端并与支承板的另一端活动铰接，第二刚体的一端与支承板活动铰接，第二刚体与第一刚体通过直线移动副连接。

2.根据权利要求1所述的直线驱动连杆机构机器人关节，其特征在于：所述直线移动副是螺母丝杆驱动装置，所述第一刚体是丝杆螺母座，所述第二刚体是滚珠丝杆。

3.根据权利要求1所述的直线驱动连杆机构机器人关节，其特征在于：所述直线移动副为液压缸驱动装置或气压缸驱动装置。

4.根据权利要求1所述的直线驱动连杆机构机器人关节，其特征在于：所述支承板为平行设置的两块支承板，直线驱动机构和四连杆机构设在两块支承板之间。

5.根据权利要求1所述的直线驱动连杆机构机器人关节，其特征在于：所述四连杆机构中采用并联的传动杆和连架杆。

6.根据权利要求1所述的直线驱动连杆机构机器人关节，其特征在于：所述四连杆机构中的传动杆为弧形连杆。