CN220840182U - 一种双臂并联结构的四自由度机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双臂并联结构的四自由度机器人，包括底座、末端执行器和并联连接于底座和末端执行器之间的两个结构相同的机械臂以及用于驱动机械臂运动的驱动控制系统；机械臂包括依次连接在底座与末端执行器之间的大臂结构件和小臂结构件，大臂结构件的末端与小臂结构件相铰接，两个机械臂中的小臂结构件的末端共轴铰接。本实用新型所述的通过采用双臂并联四自由度的结构方案，双臂对称式结构能够帮助过度平面运动的不确定位置；增加末端执行器的结构刚度。每个自由度的运动都通过独立的电机进行驱动，电机间互不干扰，理论上无累计误差产生，能够很好的保证末端执行器的精度。

Description

一种双臂并联结构的四自由度机器人

技术领域

本实用新型属于自动化生产领域，尤其是涉及一种双臂并联结构的四自由度机器人。

背景技术

在工业机器人领域，机器人通常设置于生产线上用于产品生产，但是，现有的机器人由于灵活性与活动范围等多方面需求，通常需要多条转动臂相互配合，完成一次加工任务，在每条主动臂内通常都设置有控制下一节转动臂转动的电机和传动结构，使得转动臂较为粗大，不利于机器人在狭小空间中使用，转动臂上的电机和传动结构同时加大了机器人自身的重量，导致在机器人工作过程中转动臂的转动惯量较大，导致转动臂在运动和停止的过程中发生振动，影响了机器人加工的精度，使得机器人不能应用到精密产品的生产和安装中，而且转动臂过重也会导致机器人基座上的电机负载较大，影响电机使用寿命。目前市面上的机器人主要分为并联机器人和串联机器人，并联机器人和串联机器人已经成为工业机器人领域齐驱并进的两架“马车”，共同推动工业机器人向前发展。

现有技术中的串联机器人由于其各关节间采用串联的连接方式，导致其末端执行器的误差会因各机械臂的运动误差累计而增大。在进行精密的作业时，精度无法保证。为防止内部线路扭转过大导致的电气问题。因此串联机器人只可在固定位置前方180°的范围内进行运动。串联机器人会根据不同工况对结构进行定制，在后期的升级保养方面，因为零部件互不通用，会导致升级困难、维护费用较高等问题。串联机器人由于各臂串联连接，对机械臂的刚度要求很高，在机械臂内部预留走线孔并不实际，因此大部分串联机器人的电气线材均采用外露走线方案。在串联机器人电机散热方面因为串联了过多关节，电机长时间处于高负载状态，电机发热量较大，严重影响机器人运行稳定性。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种双臂并联结构的四自由度机器人。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种双臂并联结构的四自由度机器人，包括底座、末端执行器和并联连接于底座和末端执行器之间的两个结构相同的机械臂以及用于驱动机械臂运动的驱动控制系统；

机械臂包括依次连接在底座与末端执行器之间的大臂结构件和小臂结构件，大臂结构件的末端与小臂结构件相铰接，两个机械臂中的小臂结构件的末端共轴铰接。

进一步的，大臂结构件包括大臂外壳和设置在大臂外壳内的大臂传动组件，小臂结构件包括小臂外壳和设置在小臂外壳内的小臂传动组件。

进一步的，驱动控制系统包括控制机械臂的运动电机和控制末端执行器的工作电机，工作电机通过大臂传动组件和小臂传动组件控制末端执行器绕Z轴转动和沿Z轴直线运动，运动电机通过运动带轮连接有减速器，减速器与大臂外壳连接。

进一步的，大臂传动组件包括工作传动轴、套接在工作传动轴上的工作主动轮、大臂工作从动轮以及连接在工作主动轮和大臂工作从动轮之间的大臂传动同步带，工作传动轴由工作电机驱动。

进一步的，小臂传动组件包括小臂传动轴和末端工作从动轮，小臂传动轴与大臂工作从动轮连接，小臂传动轴上套接有小臂工作主动轮，小臂主动轮与末端工作从动轮之间连接有小臂传动同步带。

进一步的，末端执行器包括竖直设置的丝杆，丝杠上套接有丝杆花键和丝杠螺母，两个末端从动轮分别与丝杆花键和丝杠螺母连接。

进一步的，大臂传动组件还包括用于涨紧大臂传动同步带的大臂涨紧轮，小臂传动组件还包括用于涨紧小臂传动同步带的小臂涨紧轮。

进一步的，底座包括底座固定板和设置在底座固定板上的底座立柱，底座立柱上安装有电机固定板，电机固定板上安装运动电机和工作电机。

进一步的，底座立柱和底座固定板上分别安装有用于运动电机散热和工作电机散热的风扇组件。

进一步的，大臂外壳上设置有大臂调零定位槽，电机固定板上设置有电机固定板调零定位槽，通过将大臂调零定位槽与电机固定板调零定位槽定位实现大臂调零。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：

(1)本实用新型通过采用双臂并联四自由度的结构方案，双臂对称式结构能够帮助过度平面运动的不确定位置；增加末端执行器的结构刚度。每个自由度的运动都通过独立的电机进行驱动，电机间互不干扰，理论上无累计误差产生，能够很好的保证末端执行器的精度，解决了串联机器人末端精度低，有较大累计误差的问题。

(2)本实用新型的并联机器人因为其结构的特性，在运行过程中可依靠惯性通过死点位置。而且在运行过程中内部电气线路的扭转均不会超过180°。可显著的提高运行时的活动范围，解决了串联机器人活动范围小的问题。

(3)本实用新型的并联机器人因采用并联结构，其大臂结构件及小臂结构件可根据不同工况进行更换，因此在后期的升级方面可以根据需求对特定部件进行单独升级替换，具有极高的零部件互换性。在维护保养方面成本会明显低于传统串联机器人，解决串联机器人结构定制化，后期升级、维护保养困难问题,

(4)本实用新型采用双臂并联结构，可以很好的保证机器人末端执行器的刚度。因此在机器人各连接臂内都预留了电气走线孔，可使电气线缆通过内部直接与末端执行器相连，使结构外观整洁，降低外露线材缠绕引发事故的概率，解决了串联机器人走线外露问题。

(5)本实用新型通过优化电机安装位置，通过两侧两两组合的风扇组件组成风道，对电机进行散热，解决了串联机器人驱动电机散热问题。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的本机器人整体示意图；

图2为本实用新型的机器人底座内部结构示意图；

图3为本实用新型的机器人大臂结构件内部结构剖视图；

图4为本实用新型的机器人小臂结构件及末端执行器组件内部结构剖视图；

图5为本实用新型的机器人底座组件内部风扇风道示意图；

图6为本实用新型的机器人大臂调零示意图；

图7为本实用新型的机器人内部走线示意图；

图8为本实用新型的机器人活动范围示意图。

附图标记说明：

1、末端执行器；2、底座固定板；3、第一底座立柱；4、第二底座立柱；5、第一电机固定板；6、第二电机固定板；7、第一运动电机；8、第一工作电机；9、第二运动电机；10、第二工作电机；11、谐波减速器；12、第一工作带轮；13、第一运动带轮；14、第二工作带轮；15、第二运动带轮；16、大臂外壳；17、小臂外壳；18、工作传动轴；19、工作主动轮；20、大臂工作从动轮；21、大臂传动同步带；22、小臂传动轴；23、末端工作从动轮；24、小臂工作主动轮；25、小臂传动同步带；26、丝杆；27、丝杆花键套；28、丝杠螺母；29、大臂涨紧轮；30、小臂涨紧轮；31、第一风扇组件；32、第二风扇组件；33、大臂调零定位槽；34、电机固定板调零定位槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型提供了一种双臂并联结构的四自由度机器人，具体结构如图1-6所示，包括底座、末端执行器1和并联连接于底座和末端执行器1之间的两个结构相同的机械臂以及用于驱动机械臂运动的驱动控制系统。

具体地，如图2所示，底座包括底座固定板2和设置在底座固定板2上的第一底座立柱3和第二底座立柱4，底座固定板2与第一底座立柱3和第二底座立柱4组成底座支撑部分。第一底座立柱3上安装有第一电机固定板5，第二底座立柱4上安装有第二电机固定板6，第一电机固定板5上安装第一运动电机7、第一工作电机8和第一谐波减速器11，第二电机固定板6上安装第二运动电机9、第二工作电机10和第二谐波减速器11。

两个机械臂的结构相同，如图1所示，均包括依次连接在底座与末端执行器1之间的大臂结构件和小臂结构件，大臂结构件的末端与小臂结构件相铰接；两个机械臂中小臂结构件的末端共轴铰接。

如图1、图3、图4所示，大臂结构件包括大臂外壳16和设置在大臂外壳16内的大臂传动组件，小臂结构件包括小臂外壳17和设置在小臂外壳17内的小臂传动组件。

驱动控制系统包括控制机械臂的第一运动电机7和第二运动电机9，控制末端执行器1的第一工作电机8和第二工作电机10。具体如图2、图3和图4所示，第一工作电机8通过控制相应的大臂传动组件和相应的小臂传动组件来控制末端执行器1绕Z轴的转动，而第二工作电机10通过控制相应的大臂传动组件和相应的小臂传动组件来控制末端执行器1进行沿Z轴方向的直线运动。第一运动电机7通过第一运动带轮13连接有谐波减速器11，第二运动电机9通过第二运动带轮15连接有谐波减速器11，谐波减速器11与相应的大臂外壳16连接，实现两条大臂结构件以谐波减速器11为中心转动。

第一运动电机7通过第一运动带轮13将电机产生动能传递给安装在第一电机固定板5上部的谐波减速器11，第二运动电机9通过第二运动带轮15将电机产生动能传递给安装在第二电机固定板6上部的谐波减速器11。

如图3所示，大臂传动组件包括工作传动轴18、套接在工作传动轴18上的工作主动轮19、大臂工作从动轮20以及连接在工作主动轮19和大臂工作从动轮20之间的大臂传动同步带21。两个大臂传动组件中的工作传动轴18分别由第一工作电机8和第二工作电机10驱动。

第一工作电机8和第二工作电机10均通过工作传动轴18、工作带轮将电机动能传递给工作主动轮19。工作主动轮19与大臂传动同步带21的一端配合，实现了将第一工作电机8和第二工作电机10所产生的动能分别传递到两个大臂工作从动轮20的目的。

如图4所示，小臂传动组件包括小臂传动轴22和末端工作从动轮23，小臂传动轴22与大臂工作从动轮20连接，小臂传动轴22上套接有小臂工作主动轮24，小臂主动轮与末端工作从动轮23之间连接有小臂传动同步带25。小臂连接传动轴一端与大臂工作从动轮20连接，另一端与小臂工作主动轮24连接，将传递到大臂工作从动轮20的动能再次传递给小臂工作主动轮24。

如图4所示，末端执行器1包括竖直设置的丝杆26，丝杠上套接有丝杆花键套27和丝杠螺母28，两个小臂传动组件中的末端工作从动轮23分别与丝杆花键套27、丝杠螺母28连接。在本实用新型的机器人工作过程中为防止丝杆花键套27与丝杠螺母28的相互干扰，在机器人结构运行过程中，当末端执行器只进行上下方向的运动时，小臂传动组件将第一工作电机8的动能传递给丝杆螺母28，带动丝杆螺母28进行转动，从而带动丝杆26转动。而第二工作电机10输出一定功率保证与其连接的下方丝杆花键套27保持静止不动。使丝杆26在丝杆螺母28的带动下发生沿Z轴方向的直线运动，而丝杆花键套27保证丝杆26不发生绕Z轴的转动。而当丝杆26要进行绕Z轴旋转时，第二工作电机10输出动能带动丝杆花键套27转动。同时第一工作电机输出一定比例的相反动能，用于抵消因丝杆花键套27驱动丝杆26转动导致的丝杆螺母28与丝杆26之间的相对运行。

作为本实用新型的优选实施方案，如图3和图4所示，大臂传动组件还包括用于涨紧大臂传动同步带21的大臂涨紧轮29，小臂传动组件还包括用于涨紧小臂传动同步带25的小臂涨紧轮30。

在实际运行过程中，通过控制第一运动电机7和第二运动电机9使末端执行器1在水平面的移动；通过控制第一工作电机8的动能输出来控制丝杆26以其竖向中轴线为旋转中心的转动，从而实现末端执行器1绕Z轴的转动；通过控制第二工作电机10的动能输出来控制丝杆26沿其竖向中轴线方向的上下移动，从而实现末端执行器1沿Z轴方向的直线移动。

第一底座立柱3和第一底座固定板2上分别安装有用于第一运动电机7散热和第一工作电机8散热的第一风扇组件31，第二底座立柱4和第二底座固定板2上分别安装有用于第二运动电机9散热和第二工作电机10散热的第二风扇组件32，具体如图5所示。由于在机器人所有运动电机及工作电机均集中安装在底座组件内，所以安装了风扇组件对电机进行散热。其中固定在底座固定板2上的风扇组件将外部空气从底部吸入底座立柱内，而固定带底座立柱上的风扇组件将底座立柱内部热空气吹出，形成下进上出的散热风道。

第一电机固定板5上安装的大臂外壳16上设置有大臂调零定位槽33，第一电机固定板5上设置有电机固定板调零定位槽34，如图6所示，通过将大臂调零定位槽33与电机固定板调零定位槽34定位实现大臂调零。通过金属定位片插入大臂调零定位槽33与电机固定板调零定位槽34内即可完成调零工作。

另外，本实施例中机器人的内部走线是通过各级同步带轮的中空轴内部，并通过大臂外壳16、小臂外壳17内预留的线材固定位置进行固定，具体如图7所示。

在机器人运行时，第一运动电机7和第二运动电机9，可通过加大转速，利用惯性使结构通过死点到达对侧，增大了机器人的运动范围，末端执行器1的活动范围如图8所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：包括底座、末端执行器和并联连接于底座和末端执行器之间的两个结构相同的机械臂以及用于驱动机械臂运动的驱动控制系统；

机械臂包括依次连接在底座与末端执行器之间的大臂结构件和小臂结构件，大臂结构件的末端与小臂结构件相铰接，两个机械臂中的小臂结构件的末端共轴铰接。

2.根据权利要求1所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：大臂结构件包括大臂外壳和设置在大臂外壳内的大臂传动组件，小臂结构件包括小臂外壳和设置在小臂外壳内的小臂传动组件。

3.根据权利要求2所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：驱动控制系统包括控制机械臂的运动电机和控制末端执行器的工作电机，工作电机通过大臂传动组件和小臂传动组件控制末端执行器绕Z轴转动和沿Z轴直线运动，运动电机通过运动带轮连接有减速器，减速器与大臂外壳连接。

4.根据权利要求2所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：大臂传动组件包括工作传动轴、套接在工作传动轴上的工作主动轮、大臂工作从动轮以及连接在工作主动轮和大臂工作从动轮之间的大臂传动同步带，工作传动轴由工作电机驱动。

5.根据权利要求2所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：小臂传动组件包括小臂传动轴和末端工作从动轮，小臂传动轴与大臂工作从动轮连接，小臂传动轴上套接有小臂工作主动轮，小臂主动轮与末端工作从动轮之间连接有小臂传动同步带。

6.根据权利要求5所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：末端执行器包括竖直设置的丝杆，丝杠上套接有丝杆花键和丝杠螺母，两个末端从动轮分别与丝杆花键和丝杠螺母连接。

7.根据权利要求4所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：大臂传动组件还包括用于涨紧大臂传动同步带的大臂涨紧轮，小臂传动组件还包括用于涨紧小臂传动同步带的小臂涨紧轮。

8.根据权利要求1所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：底座包括底座固定板和设置在底座固定板上的底座立柱，底座立柱上安装有电机固定板，电机固定板上安装运动电机和工作电机。

9.根据权利要求8所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：底座立柱和底座固定板上分别安装有用于运动电机散热和工作电机散热的风扇组件。

10.根据权利要求2所述的双臂并联结构的四自由度机器人，其特征在于：大臂外壳上设置有大臂调零定位槽，电机固定板上设置有电机固定板调零定位槽，通过将大臂调零定位槽与电机固定板调零定位槽定位实现大臂调零。