CN207327030U - 一种机械臂关节及六自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械臂关节及六自由度机械臂，第一关节通过一U型构件与第二关节相连接，U型构件包括底端、第一开口端和第二开口端；所述第一关节包括第一减速器、第一电机、第一编码器、第一蜗轮、第一蜗杆、第一蜗轮轴，第一蜗轮轴垂直安装于底座，第一蜗轮与第一蜗轮轴键连接并可绕第一蜗轮轴的轴线旋转，第一蜗杆平行设置在底座的上方并可绕其轴线转动，所述第一蜗杆与第一蜗轮相啮合且第一蜗轮的旋转轴线与第一蜗杆的旋转轴线相互垂直，第一蜗杆的一端依次与第一减速器、第一电机、第一编码器相连接，第一蜗轮轴的顶端与U型构件的底端相连接。

Description

一种机械臂关节及六自由度机械臂

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种机械臂关节及六自由度机械臂。

背景技术

现有技术中六自由度机械臂前三自由度均采用电机+减速器的一级减速来实现动力传送，这样设计会造成如下问题：1、这种结构要求电机的输出转矩大，故而电机的体积相应较大，需较大的安装空间，增加了机械臂的自身重量，对机械臂的控制要求较高；2、且该类电机需设计抱闸与制动装置来避免空回，同时减速器的成本较高，维修难度较高。

现有技术中六自由度机械臂后三自由度往往采用了电机制动装置或者复杂的传动结构，这样的设计存在下面问题：1、复杂的传动结构使得机械臂末端传动精度较差，且占用结构空间较多，后期维修难度大；2、无论是电机制动装置还是复杂传动结构均会增加设计成本，同时增加机械臂本体的质量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种机械臂关节及六自由度机械臂旨在解决现有机械臂结构中电机体积过大且需要抱闸与制动装置，传动装置复杂，后期维修难度大、设计成本高等问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

第一种方案：一种机械臂关节，包括第五减速器、第五电机、第五编码器、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、第二旋转轴，所述第五减速器依次与第五电机、第五编码器相连接，第一同步带轮与第五减速器同轴连接，同步带通过第一同步带轮与第二同步带轮拉紧，第二同步带轮与第二旋转轴同轴连接，所述第二旋转轴的旋转轴线与第五电机的旋转轴线相平行。

本实用新型还提供了一种方案：一种六自由度机械臂，包括底座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、大臂，其中第一关节设置在底座上，第二关节与第一关节相连接，第二关节通过大臂与第三关节相连接，第三关节与第四关节相连接，第四关节与第五关节相连接，第五关节与第六关节相连接；所述第五关节为第一种方案所述的机械臂关节。

进一步地，所述第一关节通过一U型构件与第二关节相连接，所述U型构件包括底端、第一开口端和第二开口端；

所述第一关节包括第一减速器、第一电机、第一编码器、第一蜗轮、第一蜗杆、第一蜗轮轴，所述第一蜗轮轴垂直安装于底座上，第一蜗轮与第一蜗轮轴键连接并可绕第一蜗轮轴的轴线旋转，所述第一蜗杆平行设置在底座的上方并可绕其轴线转动，所述第一蜗杆与第一蜗轮相啮合且第一蜗轮的旋转轴线与第一蜗杆的旋转轴线相互垂直，所述第一蜗杆的一端依次与第一减速器、第一电机、第一编码器相连接，所述第一蜗轮轴的顶端与U型构件的底端相连接。

进一步地，所述第二关节包括第二蜗杆、第二蜗轮、第二蜗轮轴、第二减速器、第二电机、第二编码器，所述U型构件的第一开口端和第二开口端分别与第二蜗轮轴的两端固定连接，第二蜗轮与第二蜗轮轴固定连接，所述第二蜗杆与第二蜗轮相啮合且第二蜗杆的轴线与第二蜗轮轴的轴线相互垂直，所述第二蜗杆的一端依次与第二减速器、第二电机、第二编码器连接；

所述第二减速器、第二电机、第二编码器安装在大臂的空腔中。

进一步地，所述第三关节包括第三减速器、第三电机、第三编码器、第三蜗轮、第三蜗杆、第三蜗轮轴，所述大臂与第三蜗杆同轴连接，所述第三蜗杆可绕其轴线转动，第三蜗轮与第三蜗杆相啮合且可绕第三蜗轮轴的轴线转动，第三蜗轮轴的两端分别与连接构件相连接。

进一步地，所述第四关节包括第四减速器、第四电机、第四编码器、第一旋转轴，所述第四减速器的侧壁与连接构件相连接，第四减速器的一端与第一旋转轴同轴连接，第四减速器的另一端与第四电机相连接，第四电机与第四编码器相连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型的前三自由度采用了行星减速器+蜗轮蜗杆的二级减速装置，使电机输出转矩大幅减小，利用蜗轮蜗杆的反向自锁特性，无需对电机进行抱闸与制动装置设计，大大降低了设计成本，简化了机械臂的结构。

本实用新型第4和第5自由度均采用无刷且内部结构有齿槽力矩电机，解决了机械臂在断电或静止状态时重力矩与动力矩使电机反转与空回的问题，鉴于结构空间结构特点，第6自由度采用集成电机，并预留有法兰盘安装集成器。

本实用新型的蜗轮蜗杆安装定位孔集于同一箱体，并设计了中心距调节环节，最大化地提高精度。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为本实用新型第一自由度的剖面正视图；

图4为本实用新型第一自由度的剖面俯视图；

图5为本实用新型第二自由度的剖面正视图；

图6为本实用新型第二自由度的剖面俯视图；

图7为本实用新型第三自由度的剖面正视图；

图8为本实用新型第三自由度的剖面俯视图；

图9为本实用新型第四自由度的剖视图；

图10为本实用新型第五自由度的剖视图；

图中标号代表为：1—底座；2—第一关节；3—第二关节；4—大臂；5—第三关节；6—第四关节；7—第五关节；8—第六关节；9—U型构件；

2-1—第一蜗轮轴；2-2—第一蜗轮；2-4—第一蜗杆；2-5—第一减速器；2-6—第一电机；2-7—第一编码器；

3-1—第二蜗杆；3-2—第二蜗轮；3-3—第二蜗轮轴；3-4—第二减速器；3-5—第二电机；3-6—第二编码器；

5-1—第三蜗杆；5-2—第三蜗轮；5-3—第三减速器；5-4—第三电机；5-5—第三编码器；5-6—第三蜗轮轴；

6-1—第四减速器；6-2—第四电机；6-3—第四编码器；6-4—第一旋转轴；

7-1—第五减速器；7-2—第五电机；7-3—第五编码器；7-4—第一同步带轮；7-5—第二同步带轮；7-6—同步带；7-7—第二旋转轴；

9-1—底端；9-2—第一开口端；9-3—第二开口端。

具体实施方式

本实用新型提供的六自由度机械臂的前三关节采用二级减速结构，即电机+行星减速器+蜗轮蜗杆的形式。电机组合输出轴直接与蜗轮蜗杆通过键连接传动，由于所选蜗轮蜗杆具有反向自锁特性，即在机械臂断电或者静止状态下，不能从蜗轮到蜗杆实现传动。只有在通电状态下，当给定电机运动指令后，蜗杆带动蜗轮运动，才可以实现机械臂关节运动。蜗轮蜗杆具有较大的减速比，可以承载较大的载荷，使得对电机组合力矩要求不高，降低成本的同时，实现了机械臂结构的简化。

本实用新型提供的六自由度机械臂的后三关节采用耦合型的RBR结构(小臂旋转轴、手腕俯仰轴和手腕旋转轴)形式，该结构的后三个关节轴线相交于一点，有利于对机械臂实现位姿控制。

本实用新型中的所有电机均采用伺服电流电机，所有减速器均采用行星减速器，其中电机、减速器、编码器组成一组电机组合件。

实施例1

本实施例提供了一种机械臂关节，如图10，包括第五减速器7-1、第五电机7-2、第五编码器7-3、第一同步带轮7-4、同步带7-6、第二同步带轮7-5、第二旋转轴7-7，所述第五减速器7-1依次与第五电机7-2、第五编码器7-3相连接，第一同步带轮7-4与第五减速器7-1同轴连接，同步带7-6通过第一同步带轮7-4与第二同步带轮7-5拉紧，第二同步带轮7-5与第二旋转轴7-7同轴连接，所述第二旋转轴7-7的旋转轴线与第五电机7-2的旋转轴线相平行。这样第五电机带动第五减速器旋转，第五减速器带动第一同步带轮旋转，第一同步带轮通过同步带带动第二同步带轮旋转，由于第二同步带轮与第二旋转轴同轴连接，所以实现第二旋转轴的旋转，第二旋转轴带动关节整体做俯仰运动。

本实施例中的机械臂关节采用电机组合+同步带传动的结构，其中电机组合将动力通过1:1的同步带机构传送到与电机组合相平行的关节的旋转轴上，旋转轴带动关节整体做俯仰运动。该关节同样采用了具有齿槽力矩的Eci系列电机，使得末端负载的重力矩与动力矩在断电或者静止状态时，无法带动同步带使第五电机反转，该结构在实现关节运动的同时，节省了较大的设计空间。

实施例2

如图1、2所示，本实施例给出一种六自由度机械臂，包括底座1、第一关节2、第二关节3、第三关节5、第四关节6、第五关节7、第六关节8、大臂4，其中第一关节2设置在底座1上，第二关节3与第一关节2相连接，第二关节3通过大臂4与第三关节5相连接，第三关节5与第四关节6相连接，第四关节6与第五关节7相连接，第五关节7与第六关节8相连接；

本实施例中的底盘设计了两块相互连接的安装底板，一块用于与机械臂底部相连接，另一块与实验台连接，从而实现机械臂整体与实验台的固定连接。

所述第五关节为实施例1所提供的机械臂关节。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上提供了第一关节的具体结构，如图3所示，所述第一关节2通过一U型构件9与第二关节3相连接,所述U型构件9包括底端9-1、第一开口端9-2和第二开口端9-3；

如图4示，所述第一关节2包括第一减速器2-5、第一电机2-6、第一编码器2-7、第一蜗轮2-2、第一蜗杆2-4、第一蜗轮轴2-1，所述第一蜗轮轴2-1垂直安装于底座1上，第一蜗轮2-2与第一蜗轮轴2-1键连接并可绕第一蜗轮轴2-1的轴线旋转，所述第一蜗杆2-4平行设置在底座1的上方并可绕其轴线转动，所述第一蜗杆2-4与第一蜗轮2-2相啮合且第一蜗轮2-2的旋转轴线与第一蜗杆2-4的旋转轴线相互垂直，所述第一蜗杆2-4的一端依次与第一减速器2-5、第一电机2-6、第一编码器2-7相连接，所述第一蜗轮轴2-1的顶端与U型构件9的底端9-1相连接。

本实施例中，其中第一电机、第一减速器和第一编码器是电机组合件，第一减速器输出轴与第一蜗杆通过键连接传动，将带动第一蜗轮转动，第一蜗轮与第一蜗轮轴固连，第一蜗轮轴与U型构件固连，最后通过U型构件带动机械臂整体实现回转运动。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上提供了六自由度机械臂中第二关节的具体结构，如图5、6，所述第二关节3包括第二蜗杆3-1、第二蜗轮3-2、第二蜗轮轴3-3、第二减速器3-4、第二电机3-5、第二编码器3-6，所述U型构件9的第一开口端9-2和第二开口端9-3分别与第二蜗轮轴3-3的两端固定连接，第二蜗轮3-2与第二蜗轮轴3-3固定连接，所述第二蜗杆3-1与第二蜗轮3-2相啮合且第二蜗杆3-1的轴线与第二蜗轮轴3-3的轴线相互垂直，所述第二蜗杆3-1的一端依次与第二减速器3-4、第二电机3-5、第二编码器3-6连接；

所述第二减速器3-4、第二电机3-5、第二编码器3-6安装在大臂4的空腔中。

本实施例中，由于第二减速器、第二电机、第二编码器组成的电机组合的尺寸较小，故将其设计安装到大臂空腔内，节省空间的同时使得机械臂整体结构美观。动力同样是通过第二减速器输出轴传递到第二蜗杆，第二蜗杆与大臂固连，第二蜗轮与蜗轮轴固连。由于机械臂自身的重量，为了在断电与静止状态下保持原有姿态，第二蜗轮轴必须与U型构件固定连接，这样电机组合驱动第二涡杆旋转后，由于第二蜗杆与U型构件固连而无法转动，第二蜗杆在电机组合的动力驱动后一方面绕着其自身轴线旋转，另一方面带动着第二关节所连接的大臂以第二蜗轮轴整体为中心进行旋转，实现了第二关节俯仰旋转的运动。

实施例5

本实施例在实施例4的基础上提供了六自由度机械臂中第二关节的具体结构，如图7、8，所述第三关节3包括第三减速器5-3、第三电机5-4、第三编码器5-5、第三蜗轮5-2、第三蜗杆5-1、第三蜗轮轴5-6，所述大臂4与第三蜗杆5-1同轴连接，所述第三蜗杆5-1可绕其轴线转动，第三蜗轮5-2与第三蜗杆5-1相啮合且可绕第三蜗轮轴5-6的轴线转动，第三蜗轮轴5-6的两端分别与连接构件10相连接。

本实施例同样是经过两级减速，第三电机、第三减速器和第三编码器组成的电机组合件安装于大臂内，行星减速器与第三蜗杆通过键连接，将驱动力矩传递到第三蜗杆，第三蜗杆与机械臂固连，第三蜗轮与第三蜗轮轴固连，最后第三蜗轮带动第三关节和其余部分实现俯仰运动。

实施例6

本实施例在实施例5的基础上提供了六自由度机械臂的第四关节的具体结构，如图9，第四关节6包括第四减速器6-1、第四电机6-2、第四编码器6-3、第一旋转轴6-4，所述第四减速器6-1的侧壁与连接构件10相连接，第四减速器6-1的一端与第一旋转轴6-4同轴连接，第四减速器6-1的另一端与第四电机6-2相连接，第四电机6-2与第四编码器6-3相连接。

本实施例中的第四关节主要作用是实现手腕轴的回转运动，第四关节采用具有齿槽力矩的Eci系列电机，正在机械臂断电或者静止状态下，在反向力或者力矩不大的时候，电机不会出现反转或者空回的情况，再加之第四减速器有较大的减速比能够使齿槽力矩大幅增加，使得锁设计结构的重力矩和其他动力矩不会带动电机反转与空回，节省了电机末端抱闸和制动装置的设计，进一步节约了设计成本且使结构更加简洁。第四电机通过第四减速器直接带动第四关节旋转轴回转运动，节省中间的传动装置，简化了结构，提高了传动精度，实现了第四关机的运动特性。

Claims (6)

1.一种机械臂关节，其特征在于，包括第五减速器(7-1)、第五电机(7-2)、第五编码器(7-3)、第一同步带轮(7-4)、同步带(7-6)、第二同步带轮(7-5)、第二旋转轴(7-7)，所述第五减速器(7-1)依次与第五电机(7-2)、第五编码器(7-3)相连接，第一同步带轮(7-4)与第五减速器(7-1)同轴连接，同步带(7-6)通过第一同步带轮(7-4)与第二同步带轮(7-5)拉紧，第二同步带轮(7-5)与第二旋转轴(7-7)同轴连接，所述第二旋转轴(7-7)的旋转轴线与第五电机(7-2)的旋转轴线相平行。

2.一种六自由度机械臂，包括底座(1)、第一关节(2)、第二关节(3)、第三关节(5)、第四关节(6)、第五关节(7)、第六关节(8)、大臂(4)，其中第一关节(2)设置在底座(1)上，第二关节(3)与第一关节(2)相连接，第二关节(3)通过大臂(4)与第三关节(5)相连接，第三关节(5)与第四关节(6)相连接，第四关节(6)与第五关节(7)相连接，第五关节(7)与第六关节(8)相连接；

其特征在于，所述第五关节为权利要求1所述的机械臂关节。

3.如权利要求2所述的六自由度机械臂，其特征在于，所述第一关节(2)通过一U型构件(9)与第二关节(3)相连接，所述U型构件(9)包括底端(9-1)、第一开口端(9-2)和第二开口端(9-3)；

所述第一关节(2)包括第一减速器(2-5)、第一电机(2-6)、第一编码器(2-7)、第一蜗轮(2-2)、第一蜗杆(2-4)、第一蜗轮轴(2-1)，所述第一蜗轮轴(2-1)垂直安装于底座(1)上，第一蜗轮(2-2)与第一蜗轮轴(2-1)键连接并可绕第一蜗轮轴(2-1)的轴线旋转，所述第一蜗杆(2-4)平行设置在底座(1)的上方并可绕其轴线转动，所述第一蜗杆(2-4)与第一蜗轮(2-2)相啮合且第一蜗轮(2-2)的旋转轴线与第一蜗杆(2-4)的旋转轴线相互垂直，所述第一蜗杆(2-4)的一端依次与第一减速器(2-5)、第一电机(2-6)、第一编码器(2-7)相连接，所述第一蜗轮轴(2-1)的顶端与U型构件(9)的底端(9-1)相连接。

4.如权利要求3所述的六自由度机械臂，其特征在于，所述第二关节(3)包括第二蜗杆(3-1)、第二蜗轮(3-2)、第二蜗轮轴(3-3)、第二减速器(3-4)、第二电机(3-5)、第二编码器(3-6)，所述U型构件(9)的第一开口端(9-2)和第二开口端(9-3)分别与第二蜗轮轴(3-3)的两端固定连接，第二蜗轮(3-2)与第二蜗轮轴(3-3)固定连接，所述第二蜗杆(3-1)与第二蜗轮(3-2)相啮合且第二蜗杆(3-1)的轴线与第二蜗轮轴(3-3)的轴线相互垂直，所述第二蜗杆(3-1)的一端依次与第二减速器(3-4)、第二电机(3-5)、第二编码器(3-6)连接；

所述第二减速器(3-4)、第二电机(3-5)、第二编码器(3-6)安装在大臂(4)的空腔中。

5.如权利要求4所述的六自由度机械臂，其特征在于，所述第三关节(3)包括第三减速器(5-3)、第三电机(5-4)、第三编码器(5-5)、第三蜗轮(5-2)、第三蜗杆(5-1)、第三蜗轮轴(5-6)，所述大臂(4)与第三蜗杆(5-1)同轴连接，所述第三蜗杆(5-1)可绕其轴线转动，第三蜗轮(5-2)与第三蜗杆(5-1)相啮合且可绕第三蜗轮轴(5-6)的轴线转动，第三蜗轮轴(5-6)的两端分别与连接构件(10)相连接。

6.如权利要求5所述的六自由度机械臂，其特征在于，所述第四关节(6)包括第四减速器(6-1)、第四电机(6-2)、第四编码器(6-3)、第一旋转轴(6-4)，所述第四减速器(6-1)的侧壁与连接构件(10)相连接，第四减速器(6-1)的一端与第一旋转轴(6-4)同轴连接，第四减速器(6-1)的另一端与第四电机(6-2)相连接，第四电机(6-2)与第四编码器(6-3)相连接。