CN209599228U - 一种用于小商品包装的智能机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于小商品包装的智能机械手，包括驱动单元、底座、升降机构旋转机构、大臂本体、小臂本体和机械手，所述旋转机构固定在底座上，所述升降机构安装在旋转机构上，所述大臂本体一端安装至升降机构、所述大臂本体的另一端通过连接关节与小臂一端相连接，所述机械手安装在小臂本体的另一端，所述驱动单元包括升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机，所述升降电机安装在升降机构的顶部动力输出至大臂本体的一端，所述大臂电机安装在底座上动力输出至旋转机构，所述小臂电机安装在大臂本体上动力输出至连接关节，所述腕部电机安装在小臂的另一端动力输出至机械手。成本低，速度快，机械手具有较高的动态响应能力。

Description

一种用于小商品包装的智能机械手

技术领域

本实用新型涉及自动化设备技术领域，具体指一种用于小商品包装的智能机械手。

背景技术

为了提高生产效率，自动化技术不断的提高，机械手的运用也越来越广泛。

但是，现有的水平关节机械手主要存在以下几点不足，使之不能适用于小商品包装领域：

制造成本过高；采用了高精度谐波减速；制造成本过高；存在机械磨损，设备精度容易丧失。

执行速度过慢：由于谐波减速机的特点是高精度，大速比。电机初始速度经过大速比之后，导致最终轴输出速度过低，不能满足小商品的自动包装领域的高速性。

现有的水平关节机械手，只在电机输出轴有编码器反馈，最终输出轴的精度完全依赖谐波减速的精度得到保证。而谐波减速机的精度随着日积月累的磨损，逐年下降，导致其后续维护保养成本过高。

尤其是用于小商品的包装，小商品是属于轻质量产品，他对每一轴的最终输出扭矩要求并不高(速比大，大扭矩输出对其来讲，本身就是一种浪费)。小商品属于低附加值产品，对机械手的成本比较敏感，同时对机械手的工作速率也是很敏感的。鉴于上述，目前市面的水平关节机械手均不适用。

实用新型内容

本实用新型根据现有技术的不足，提出一种用于小商品包装的智能机械手，低成本，高精度(最终位置闭环)，高速率，小扭矩的水平关节机械手。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种用于小商品包装的智能机械手，包括驱动单元、底座、升降机构旋转机构、大臂本体、小臂本体和机械手，所述旋转机构固定在底座上，所述升降机构安装在旋转机构上，所述大臂本体一端安装至升降机构、所述大臂本体的另一端通过连接关节与小臂一端相连接，所述机械手安装在小臂本体的另一端，所述驱动单元包括升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机，所述升降电机安装在升降机构的顶部动力输出至大臂本体的一端，所述大臂电机安装在底座上动力输出至旋转机构，所述小臂电机安装在大臂本体上动力输出至连接关节，所述腕部电机安装在小臂的另一端动力输出至机械手。

作为优选，所述升降机构包括安装板、四根支撑立柱、两个第一同步轮和第一传动带，所述四根支撑立柱呈中心对称结构竖直安装在旋转机构上方，所述安装板固定在四根支撑立柱的顶端，所述升降电机安装在安装板上方，其中一个所述第一同步轮安装在升降电机的动力输出端，另一个所述第一同步轮安装在旋转机构上，所述第一传动带绕接在两个第一同步轮上，所述大臂本体的一端设有四个安装孔，所述安装孔内安装有直线轴承嵌套，四个所述直线轴承嵌套相配合的滑接在四根支撑立柱，所述第一传动带贯穿大臂本体的且其中一侧的第一传动带与大臂本体紧固连接。

作为优选，所述旋转机构包括外壳体、转动模块、第二同步轮、第二传动带和第一张紧轮，所述外壳体安装在底座上，所述转动模块、第二同步轮安装在底座上且位于外壳体内，所述第二传动带的两端分别绕接在转动模块、第二同步轮上，两个所述第一张紧轮安装在底座上且压接在第二传动带外侧，所述旋转机构安装在转动模块上。

作为优选，所述转动模块包括大臂关节旋转件、深沟球轴承、固定件、第一锥度轴承、第三同步轮和平面轴承，所述深沟球轴承、第一锥度轴承和平面轴承相配合安装在第三同步轮的中心处，所述平面轴承的底侧固定在底座上，所述固定件贯穿深沟球轴承、第一锥度轴承和平面轴承的中心处后固定连接至底座上表面，所述所述大臂关节旋转件与深沟球轴承上侧固定连接，所述第二传动带的一端绕接在第三同步轮上。

作为优选，所述连接关节包括第二锥度轴承、上部固定件、第四同步轮和下部固定件，所述大臂本体的另一端与小臂本体的一端均设有尺寸相同通孔且中心线重合，所述第四同步轮的中心线与通孔的中心线重合，所述第四同步轮的中心处安装有两第二锥度轴承，所述小臂本体的一端与第二锥度轴承固定连接，所述上部固定件穿过通孔、第二锥度轴承和第四同步轮的中心处后与下部固定件固定连接，所述小臂电机动力传动至第四同步轮结构与大臂电机动力传动至第三同步轮的结构相同。

作为优选，所述驱动单元还包括驱动升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机运行的机械手驱动器，所述机械手驱动器通过继电器输入48V直流电，所述机械手驱动器通过继电器电连接至升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机，所述机械手驱动器上设有若干单片机串口分别输入有刹车信号、吸放气控制和取夹检验传感器。

作为优选，所述驱动单元还包括光电开关输入板，所述光电开关输入板的母线端与机械手驱动器的母线端相连接，所述光电开关输入板上设有若干跳线接口分别连接升降电机零位、小臂电机零位、大臂电机零位、腕部电机零位、升降电机限位、小臂电机限位、大臂电机限位、腕部电机限位、升降电机编码器信号、小臂电机编码器信号、大臂电机编码器信号、腕部电机编码器信号。

作为优选，所述升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机均为步进电机。

作为优选，所述机械手驱动器为型号为HS-RB-01A的伺服驱动器。

本实用新型具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，成本低，同步带轮组合减速方式的成本远低于谐波减速机，适合于低附加值的小商品分拣包装使用；速度快，由于没有采用市面的大速比谐波减速机，末端输出轴具有高速输出能力，因此，本实用新型的机械手具有较高的动态响应能力；动力电机采用步进电机，可以进一步降低制造成本，使之更适用于小商品包装领域。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的另一视角结构示意图；

图3为图1中升降机构的机构是意图；

图4为图1中大臂关节传动机构的结构示意图；

图5为图4中装配示意图；

图6为图1中小臂旋转机构的结构示意图；

图7为本实用新型中驱动单元的原理示意图。

图中，1-升降电机、2-小臂电机、3-大臂本体、4-小臂本体、5-腕部电机、6-升降机构、7-旋转机构、8-机械手、9-底座、10-连接关节、11-大臂电机、12-第一传动带、13-第一同步轮、14-支撑立柱、15-安装板、16-直线轴承嵌套、17-外壳体、18-转动模块、19-第一张紧轮、20-第二同步轮、21-第二传动带、22-大臂关节旋转件、23-深沟球轴承、24-固定件、25-第一锥度轴承、26-第三同步轮、27-平面轴承、28-安装孔、29-第二锥度轴承、30-上部固定件、31-第四同步轮、32-下部固定件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供了一种用于小商品包装的智能机械手8，如图1和图2所示，包括驱动单元、底座9、升降机构6旋转机构7、大臂本体3、小臂本体4和机械手8，所述旋转机构7固定在底座9上，所述升降机构6安装在旋转机构7上，所述大臂本体3一端安装至升降机构6、所述大臂本体3的另一端通过连接关节10与小臂一端相连接，所述机械手8安装在小臂本体4的另一端，所述驱动单元包括升降电机1、小臂电机2、大臂电机11和腕部电机5，所述升降电机1安装在升降机构6的顶部动力输出至大臂本体3的一端，所述大臂电机11安装在底座9上动力输出至旋转机构7，所述小臂电机2安装在大臂本体3上动力输出至连接关节10，所述腕部电机5安装在小臂的另一端动力输出至机械手8，所述升降电机1、小臂电机2、大臂电机11和腕部电机5均为步进电机。所述机械手8驱动器为型号为HS-RB-01A的伺服驱动器。

本实用新型的进一步设置，如图3所示，所述升降机构6包括安装板15、四根支撑立柱14、两个第一同步轮13和第一传动带12，所述四根支撑立柱14呈中心对称结构竖直安装在旋转机构7上方，所述安装板15固定在四根支撑立柱14的顶端，所述升降电机1安装在安装板15上方，其中一个所述第一同步轮13安装在升降电机1的动力输出端，另一个所述第一同步轮13安装在旋转机构7上，所述第一传动带12绕接在两个第一同步轮13上，所述大臂本体3的一端设有四个安装孔28，所述安装孔28内安装有直线轴承嵌套16，四个所述直线轴承嵌套16相配合的滑接在四根支撑立柱14，所述第一传动带12贯穿大臂本体3的且其中一侧的第一传动带12与大臂本体3紧固连接。

本实用新型的进一步设置，如图4所示，所述旋转机构7包括外壳体17、转动模块18、第二同步轮20、第二传动带21和第一张紧轮19，所述外壳体17安装在底座9上，所述转动模块18、第二同步轮20安装在底座9上且位于外壳体17内，所述第二传动带21的两端分别绕接在转动模块18、第二同步轮20上，两个所述第一张紧轮19安装在底座9上且压接在第二传动带21外侧，所述旋转机构7安装在转动模块18上。

本实用新型的进一步设置，如图5所示，所述转动模块18包括大臂关节旋转件22、深沟球轴承23、固定件24、第一锥度轴承25、第三同步轮26和平面轴承27，所述深沟球轴承23、第一锥度轴承25和平面轴承27相配合安装在第三同步轮26的中心处，所述平面轴承27的底侧固定在底座9上，所述固定件24贯穿深沟球轴承23、第一锥度轴承25和平面轴承27的中心处后固定连接至底座9上表面，所述所述大臂关节旋转件22与深沟球轴承23上侧固定连接，所述第二传动带21的一端绕接在第三同步轮26上。

具体的，传动的速比为1:5，第二同步轮20是S5M的零间隙齿形，提高传动精度。第三同步轮26通过深沟轴承，锥度轴承，平面轴承固定在机械手安装底板上。这样既可以保证旋转中心的精度，量产一致的性，同时也保证了传动刚性。同步轮采用五级精度的工艺加工，确保传动的线性精度。

本实用新型的进一步设置，如图6所示，所述连接关节10包括第二锥度轴承29、上部固定件3024、第四同步轮31和下部固定件3224，所述大臂本体3的另一端与小臂本体4的一端均设有尺寸相同通孔且中心线重合，所述第四同步轮31的中心线与通孔的中心线重合，所述第四同步轮31的中心处安装有两第二锥度轴承29，所述小臂本体4的一端与第二锥度轴承29固定连接，所述上部固定件3024穿过通孔、第二锥度轴承29和第四同步轮31的中心处后与下部固定件3224固定连接，所述小臂电机2动力传动至第四同步轮31结构与大臂电机11动力传动至第三同步轮26的结构相同。

可以理解的，大臂本体和小臂本体均是由上下支撑板组成而成，然后通过上下锥度轴承固定在大臂本体上。这样可以确保小臂本体的旋转中心的精度和量产的一致性。

本实用新型的进一步设置，如图7所示，所述驱动单元还包括驱动升降电机1、小臂电机2、大臂电机11和腕部电机5运行的机械手8驱动器，所述机械手8驱动器通过继电器输入48V直流电，所述机械手8驱动器通过继电器电连接至升降电机1、小臂电机2、大臂电机11和腕部电机5，所述机械手8驱动器上设有若干单片机串口分别输入有刹车信号、吸放气控制和取夹检验传感器。所述驱动单元还包括光电开关输入板，所述光电开关输入板的母线端与机械手8驱动器的母线端相连接，所述光电开关输入板上设有若干跳线接口分别连接升降电机1零位、小臂电机2零位、大臂电机11零位、腕部电机5零位、升降电机1限位、小臂电机2限位、大臂电机11限位、腕部电机5限位、升降电机1编码器信号、小臂电机2编码器信号、大臂电机11编码器信号、腕部电机5编码器信号。

具体的，每个关节末端轴安装19位绝对值编码器，行程最终的位置闭环，使之具有高精度的重复定位精度；利用电机的反电动势，可以在没有扭力传感器的基础上，实时测得电机的扭矩输出特性曲线，使之具有力觉反馈的能力，在遇到碰撞的时候，机械手可以立即停止，避免人员工伤或者设备损伤；利用电机运行特性曲线，可以实时计算出每一个动作周期的执行时间，便于与视觉系统配合，实现动态抓取分拣的功能

本实用新型的效果：

1、实现精确定位，重复定位精度0.05毫米；

2、利用电机的特性曲线，可以在线实时计算出每一个动作节拍的时间，而不需要依靠闭环控制，反复迭代，逐次逼近。这有大大降低了对CPU的运算能力的要求。

3、利用反电动势，实时计算电机的负载扭矩。当机械手遇到碰撞的时候，可以及时检测到，并立即停机，避免人员伤亡和设备损伤。

4、具有多种可扩展IO，可以驱动各种气嘴，抓手，并检测反馈信号。

本实用新型的工作流程如下：

1)上电初始化，自检；

2)等待轨迹计算机下发指令：

a、找零位指令：机械手收到指令后，自动让各个关节回归到电气零位。执行中，实时检测电机运行状态。(绕组短路，开路检测；温度检测，扭矩检测等等)

b、抓取指令：机械手自动运行到目标位置，然后执行抓取动作。执行中，实时检测电机运行状态。(绕组短路，开路检测；温度检测，扭矩检测等等)

c、摆放指令：机械手自动运行到目标位置，然后执行摆放动作。执行中，实时检测电机运行状态。(绕组短路，开路检测；温度检测，扭矩检测等等)

d、过渡指令：机械手末端抓手状态保持不变，自动运行到目标位置。执行中，实时检测电机运行状态。(绕组短路，开路检测；温度检测，扭矩检测等等)

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于小商品包装的智能机械手，其特征在于，包括驱动单元、底座、升降机构旋转机构、大臂本体、小臂本体和机械手，所述旋转机构固定在底座上，所述升降机构安装在旋转机构上，所述大臂本体一端安装至升降机构、所述大臂本体的另一端通过连接关节与小臂一端相连接，所述机械手安装在小臂本体的另一端，所述驱动单元包括升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机，所述升降电机安装在升降机构的顶部动力输出至大臂本体的一端，所述大臂电机安装在底座上动力输出至旋转机构，所述小臂电机安装在大臂本体上动力输出至连接关节，所述腕部电机安装在小臂的另一端动力输出至机械手，所述驱动单元还包括驱动升降电机、小臂电机、大臂电机和腕部电机运行的机械手驱动器。

2.根据权利要求1所述的用于小商品包装的智能机械手，其特征在于，所述升降机构包括安装板、四根支撑立柱、两个第一同步轮和第一传动带，所述四根支撑立柱呈中心对称结构竖直安装在旋转机构上方，所述安装板固定在四根支撑立柱的顶端，所述升降电机安装在安装板上方，其中一个所述第一同步轮安装在升降电机的动力输出端，另一个所述第一同步轮安装在旋转机构上，所述第一传动带绕接在两个第一同步轮上，所述大臂本体的一端设有四个安装孔，所述安装孔内安装有直线轴承嵌套，四个所述直线轴承嵌套相配合的滑接在四根支撑立柱，所述第一传动带贯穿大臂本体的且其中一侧的第一传动带与大臂本体紧固连接。

3.根据权利要求2所述的用于小商品包装的智能机械手，其特征在于，所述旋转机构包括外壳体、转动模块、第二同步轮、第二传动带和第一张紧轮，所述外壳体安装在底座上，所述转动模块、第二同步轮安装在底座上且位于外壳体内，所述第二传动带的两端分别绕接在转动模块、第二同步轮上，两个所述第一张紧轮安装在底座上且压接在第二传动带外侧，所述旋转机构安装在转动模块上。

4.根据权利要求3所述的用于小商品包装的智能机械手，其特征在于，所述转动模块包括大臂关节旋转件、深沟球轴承、固定件、第一锥度轴承、第三同步轮和平面轴承，所述深沟球轴承、第一锥度轴承和平面轴承相配合安装在第三同步轮的中心处，所述平面轴承的底侧固定在底座上，所述固定件贯穿深沟球轴承、第一锥度轴承和平面轴承的中心处后固定连接至底座上表面，所述大臂关节旋转件与深沟球轴承上侧固定连接，所述第二传动带的一端绕接在第三同步轮上。

5.根据权利要求2所述的用于小商品包装的智能机械手，其特征在于，所述连接关节包括第二锥度轴承、上部固定件、第四同步轮和下部固定件，所述大臂本体的另一端与小臂本体的一端均设有尺寸相同通孔且中心线重合，所述第四同步轮的中心线与通孔的中心线重合，所述第四同步轮的中心处安装有两第二锥度轴承，所述小臂本体的一端与第二锥度轴承固定连接，所述上部固定件穿过通孔、第二锥度轴承和第四同步轮的中心处后与下部固定件固定连接，所述小臂电机动力传动至第四同步轮结构与大臂电机动力传动至第三同步轮的结构相同。