CN204997661U - 一种机器人 - Google Patents

Abstract

本技术提供一种能够以较小的人力驱动关节中的运动件的机器人。它包括至少一个关节，所述关节均包括静止件和运动件、驱动机构；驱动机构包括伺服电机、驱动器、机器人控制器；伺服电机的输出轴与运动件相连；作业用机械手通过一传感器连接在机器人末端的运动件上；该传感器为力和/或力矩传感器，传感器的输出接机器人控制器；驱动器与机器人控制器相连；在机械手受到外力时，传感器将检测到的外力方向和大小的信号传送给机器人控制器，机器人控制器根据外力方向和大小控制各驱动器，使得至少一个驱动器驱动一个关节中的伺服电机动作，该关节中的运动件相对于静止件运动，机械手运动的方向与外力的方向一致；所述外力为力和/或力矩。

Description

一种机器人

技术领域

本技术涉及机器人。

背景技术

现代工业用机器人一般至少具有一个机械关节，机械关节包括静止件和运动件、驱动运动件相对静止件运动的驱动机构；驱动机构一般包括电动机，电动机的输出轴直接与运动件相连或者通过传动机构（如减速器）间接与运动件相连。作业用机械手（如切削刀具、磨削刀具、抓取用的夹具或其他作业工具等，以下统称为机械手）连接在机器人末端的运动件上；电动机动作，直接带动运动件或者通过传动机构带动运动件相对于静止件运动，实现关节动作，机械手进行作业。

为了一些特殊目的，例如为了实现机器人的手执示教（用手拖动机械手，使其按照人需要的轨迹移动），需要人力操作机械手运动时，由于运动件相对于静止件运动的阻力较大，人力操作时需要费很大的力气，使手执示教非常困难，或者根本无法操作。

另外，机械手在作业时，有时会出现意外而碰到人或其它障碍物，但由于机器人受到程序控制，仍然会按预定的程序进行运动而不会停止，所以会出现人身伤亡或者出现机器人自身损坏或工具损坏等事故。

发明内容

本技术的目的是提供一种能够以较小的人力驱动关节中的运动件的机器人。

本技术的机器人，它包括至少一个关节，所述关节均包括静止件和运动件、驱动运动件相对静止件运动的驱动机构；驱动机构均包括伺服电机、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器、机器人控制器；伺服电机包含编码器或能够将电动机的机械转动转化成电信号供驱动器判断电动机转角的转角传感器；伺服电机的输出轴与运动件相连；作业用机械手通过一传感器连接在机器人末端的运动件上；该传感器为力和/或力矩传感器，传感器的输出接机器人控制器；驱动器与机器人控制器相连；

在机械手受到外力时，传感器将检测到的外力方向和大小的信号传送给机器人控制器，机器人控制器根据外力方向和大小控制各驱动器，使得至少一个驱动器驱动一个关节中的伺服电机动作，该关节中的运动件相对于静止件运动，机械手运动的方向与外力的方向一致；所述外力为力和/或力矩。

所述的机器人，机械手运动的速度与外力的大小成正比，以便获取较好的随动效果。

所述的机器人，若传感器检测到的外力的大小超过一个最大值，则机器人控制器通过控制驱动器使得各关节中的伺服电机停止动作。这样，在作业过程中，若机械手撞到人或其它障碍物，机械手受到的力会增大，这时，机器人会停止动作，防止作业中的机器人伤人或损坏。

所述的机器人，编码器或者转角传感器的输出接机器人控制器；机器人控制器记录并储存编码器或者转角传感器的输出。这样，该机器人，则可以在手执示教过程中，通过机器人控制器记录各个编码器或者转角传感器的输出，形成各个编码器或者转角传感器的位置序列，作为轨迹学习的数据；因而，在机器人运行时，按照记录的轨迹数据运动即可实现自动按示教的轨迹作业。伺服电机内包含编码器，或含能够将电动机的机械转动转化成电信号供驱动器判断电动机转角的转角传感器。转角传感器也可看作是编码器。伺服电机与编码器（或者转角传感器）是集成为一体的结构。

机器人控制器根据受外力方向，计算朝该方向移动时需要各个伺服电机动作的方向，同时也可计算各关节在下一时刻的位置和到达该位置需要的时间（或者说，计算出各关节中运动件在下一时刻内的移动距离和移动速度），控制器至少控制一个驱动器驱动一个关节中的伺服电机动作，该关节中的运动件相对于静止件运动，使得机械手运动的方向与外力（和或扭矩）的方向一致。

机器人控制器用做数据运算和控制驱动器。机器人控制器和驱动器可以是分体，也可以是一体，驱动器和伺服电机可以是一体，也可以是分体。

本技术的有益效果：由于在机器人末端的运动件与机械手之间设置传感器，所以传感器能够检测到机械手受到的力和或扭矩的大小和方向。在示教时，人手抓着机械手运动，人手对机械手的施加的外力方向就是操作者所希望的机械手的运动方向。当机器人控制器根据传感器检测的外力的方向，控制至少一个伺服电机动作，关节中的运动件相对于静止件运动，机械手运动的方向与外力（力和或扭矩）的方向一致。也就是说，在示教过程中，本机器人能够实时判断出操作者希望的机械手运动方向，并作出主动跟随，所以能够使操作者用较小的力拖动机械手，降低操作难度。在其它需要人力操作机械手运动的时候，如上所述，同样能够以较小的人力驱动关节中的运动件。

附图说明

图1是机器人原理示意图；

图2是机器人控制器、伺服电机等原理框图。

具体实施方式

参见图1所示的机器人包括关节1-5共5个关节。

关节1包括作为手臂11的固定座、手臂12、驱动手臂12相对于固定座转动的驱动机构13等。驱动机构13包括伺服电机131、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器132、与伺服电机131相连的编码器133、减速器134。法兰盘14固定在手臂11上（当然，法兰盘14也可以看作是手臂11的一个组成部分），伺服电机131和减速器134壳体均固定在法兰盘14上。减速器134的输入轴与伺服电机131的输出轴相连；减速器134输出轴与手臂12通过螺栓15相连。伺服电机131动作，通过减速器134带动手臂12相对于固定座11上端绕轴线16在水平面（xoy平面）内转动。对于关节1来说，手臂11的静止件，手臂12是运动件。

关节2包括手臂12、手臂22、驱动手臂12和手臂22相对转动的驱动机构23等。驱动机构23包括伺服电机231、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器232、与伺服电机231相连的编码器233、减速器234。法兰盘24固定在手臂22上（当然，法兰盘24也可以看作是手臂22的一个组成部分），伺服电机231和减速器234壳体均固定在法兰盘24上。减速器234的输入轴与伺服电机231的输出轴相连；减速器234输出轴与手臂12通过螺栓25相连。伺服电机231动作，通过减速器234带动手臂22相对于手臂12右端绕轴线26在水平面（xoy平面）内转动。对于关节2来说，手臂12的静止件，手臂22是运动件。

关节3包括手臂22、手臂32、驱动手臂32相对于手臂22上下移动的驱动机构33、线轨等。驱动机构33包括伺服电机331、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器332、与伺服电机331相连的编码器333、联轴器335、螺母丝杆机构等。螺母丝杆机构包括转动设置在丝杠座337上的丝杠336、固定在手臂22上的滑块座338、与丝杠配合并固定在滑块座338上的螺母339等。线轨包括设置在滑块座上的线轨滑块37、与线轨滑块上下滑动配合的导轨38。电机支架34和丝杠座均固定在手臂32上（当然，电机支架34和丝杠座也可以看作是手臂32的一个组成部分），手臂32与导轨固定。伺服电机331动作，通过联轴器驱动丝杠转动，由于螺母通过滑块座固定在手臂22上，所以丝杠在转动的同时相对于螺母上下移动。丝杠上下移动时，丝杠座、伺服电机333、手臂32、导轨等一起相对于滑块座（和手臂22）上下移动。线轨设置在滑块座与手臂32之间，对手臂的上下移动起到导向作用。对于关节3来说，手臂22的静止件，手臂32是运动件。

关节4主要包括手臂32、手臂42、驱动手臂42相对于手臂32转动的驱动机构43等。驱动机构43包括伺服电机431、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器432、与伺服电机431相连的编码器433、减速器434。伺服电机431和减速器434壳体均固定在手臂32上。减速器434的输入轴与伺服电机431的输出轴相连；减速器434输出轴与手臂42通过螺栓45相连。伺服电机431动作，通过减速器434带动手臂42相对于手臂32绕轴线在水平面内转动。对于关节4来说，手臂32的静止件，手臂42是运动件。

关节5主要包括手臂42、手臂52、驱动手臂52相对于手臂42转动的驱动机构53等。驱动机构53包括伺服电机531、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器532、与伺服电机531相连的编码器533、减速器534。伺服电机531和减速器534壳体均固定在手臂42上。减速器534的输入轴与伺服电机531的输出轴相连；减速器534输出轴与手臂52通过螺栓55相连。伺服电机531动作，通过减速器534带动手臂52相对于手臂42绕轴线在竖直面内转动。对于关节5来说，手臂42的静止件，手臂52是运动件。

对于该机器人来说，手臂52是机器人末端的运动件，用于连接机械手8。机械手8与手臂52之间连接力和力矩传感器7。

参见图2，机器人控制器6与各驱动器132、232、332、432、532电连接，各编码器133、233、333、433、533的输出接机器人控制器。

实施例1：

假定在示教时，以人的臂力提升机械手，力和力矩传感器7检测到一个垂直于xoy平面、与z轴平行且方向向上的力F，力F的大小和方向等信息送入机器人控制器6。机器人控制器根据关节最少原则确定哪些关节运动。所谓关节最少原则就是，如果一个关节运动，就能够使得机械手运动方向与外力方向一致，则就使得该一个关节运动，而不使得两个关节或更多关节运动。

根据关节最少原则，显然只需要关节3动作即可。因此，机器人控制器通过驱动器332控制伺服电机331动作，带动手臂32、关节4、关节5、机械手8等在z轴方向竖直上升。当然，机器人控制器可以根据编码器333的反馈，控制手臂32的上升距离和所需要的时间（或者说控制上升速度）。

实施例2：

假定在示教时，以人的臂力推动机械手，传感器7检测到一个在xoy平面内的力G，力G的大小和方向等信息送入机器人控制器6。机器人控制器根据关节最少原则确定哪些关节运动。根据关节最少原则，可能只需要关节1或关节2动作即可。若需要关节2动作，机器人控制器通过驱动器232控制伺服电机231动作，带动手臂22、关节3、关节4、关节5、机械手等在xoy平面内绕手臂12的右端摆动。当然，机器人控制器可以根据编码器233的反馈，控制手臂22的摆动角度和所需要的时间（或者说控制摆动速度）。机械手运动的方向与力G的方向一致。

当然，机器人控制器也可以不根据关节最少原则确定哪些关节运动，而使得2个或更多关节均同时动作，这完全是可以的。例如，在本实施例中，机器人控制器可以通过驱动器同时使得关节1、关节2动作，或者同时使得关节1、关节4动作，或者同时使得关节2、关节4动作，或者同时使得关节1、关节2、关节4动作。

实施例3：

假定在示教时，以任意方向的人的臂力驱动机械手，传感器检测到一个力H，机器人控制器6可以将力H进行分解成x、y、z方向的三个分力。机器人控制器可以确定让2个或多个关节同时运动。例如，机器人控制器同时使得关节2-5动作，机器人控制器同时通过驱动器232、332、432、532分别控制伺服电机231、331、431、531动作，带动手臂22在xoy平面内绕手臂12的右端摆动，同时还带动手臂32竖直上升，带动手臂42在xoy平面转动，带动手臂52、机械手8在竖直平面内摆动，最终使得机械手的运动方向与力H方向一致。

实施例4：

假定在示教时，以人的臂力对机械手施加扭矩，传感器7检测到一个扭矩N，以右手法则确定该扭矩N方向，四指顺着扭矩方向，大拇指指向z轴正方向。

机器人控制器可以确定让1个、2个或多个关节同时运动。例如，机器人控制器同时使得各关节1、2、4动作，机器人控制器同时通过驱动器132、232、432分别控制伺服电机131、131、431动作，带动带动手臂12在xoy平面内相对于手臂11摆动，带动手臂22在xoy平面内绕手臂12的右端摆动，同时还带动手臂42、工件5、机械手在xoy平面转动，最终使得机械手的运动方向与扭矩N方向一致。

实施例5：

假定在示教时，以任意方向的人的臂力驱动机械手并施加一个扭矩，传感器检测到一个力K和一个扭矩M。

对于力K，机器人控制器6可以将力K进行分解成x、y、z方向的三个分力。机器人控制器根据力K可以确定让2个或多个关节同时运动。例如，机器人控制器同时使得关节2-5动作，机器人控制器同时通过驱动器232、332、432、532分别控制伺服电机231、331、431、531动作，带动手臂22在xoy平面内绕手臂12的右端摆动，同时还带动手臂32竖直上升，带动手臂42在xoy平面转动，带动手臂52、机械手8在竖直平面内摆动。

对于扭矩M，以右手法则确定该扭矩M方向，四指顺着扭矩方向，大拇指指向z轴正方向。机器人控制器可以确定让1个、2个或多个关节同时运动。例如，机器人控制器同时使得各关节1、2、4动作，机器人控制器同时通过驱动器132、232、432分别控制伺服电机131、131、431动作，带动带动手臂12在xoy平面内相对于手臂11摆动，带动手臂22在xoy平面内绕手臂12的右端摆动，同时还带动手臂42、工件5、机械手在xoy平面转动。

最终，机器人各关节的运动是合成运动，它是机器人控制器根据扭矩M驱动的各关节的运动和机器人控制器根据力K驱动的各关节的运动的合成运动。最终使得机械手的运动方向与力K和扭矩M方向一致。

机械手运动的方向与外力的方向一致。所述的“一致”包括两者方向完全相同的情形，当然也包括机械手在伺服电机带动下而运动的方向与机械手在人的臂力驱动下的运动方向基本相同的情形，也就是说，机械手在伺服电机带动下而运动的方向是操作者的臂力所希望的机械手运动方向，伺服电机对操作者起到了跟随作用。

机器人控制器记录在示教过程中的各关节中的驱动器输出数据、编码器输出数据等数据，即可完成示教过程。在机器人正常运行过程，机器人即可根据记录的示教过程的数据进行输出，控制机器人按照示教过程运行。

力F、G、H、K的大小、方向和扭矩N、M均可以是实时变化的，传感器将实时检测外力的变化，机器人控制器控制根据实时检测的外力的大小、方向实时确定哪些关节动作、如何动作，实现动态实现控制。

可以设定力F、G、H、K和扭矩N、M超过一定值时，机器人控制器通过各驱动器使得各伺服电机停止动作。

Claims (4)

1.一种机器人，它包括至少一个关节，所述关节均包括静止件和运动件、驱动运动件相对静止件运动的驱动机构；驱动机构均包括伺服电机、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器、机器人控制器；伺服电机包含编码器或能够将电动机的机械转动转化成电信号供驱动器判断电动机转角的转角传感器；伺服电机的输出轴与运动件相连；其特征是：作业用机械手通过一传感器连接在机器人末端的运动件上；该传感器为力和/或力矩传感器，传感器的输出接机器人控制器；驱动器与机器人控制器相连；

在机械手受到外力时，传感器将检测到的外力方向和大小的信号传送给机器人控制器，机器人控制器根据外力方向和大小控制各驱动器，使得至少一个驱动器驱动一个关节中的伺服电机动作，该关节中的运动件相对于静止件运动，机械手运动的方向与外力的方向一致；所述外力为力和/或力矩。

2.如权利要求1所述的机器人，其特征是：机械手运动的速度与外力的大小成正比。

3.如权利要求1所述的机器人，其特征是：若传感器检测到的外力的大小超过一个最大值，则机器人控制器通过控制驱动器使得各关节中的伺服电机停止动作。

4.如权利要求1所述的机器人，其特征是：编码器或者转角传感器的输出接机器人控制器；机器人控制器记录编码器或者转角传感器的输出。