CN2215972Y - 机器人上臂及手腕机构 - Google Patents

Abstract

一种机器人上臂及手腕机构，用于6自由度机器 人。由上臂、手腕部分、电机和传动系统组成，其本身 具有3个自由度。在可绕其自身纵轴轴承回转的上 臂一端，安装具有2个自由度的手腕部分。手腕部分 的两个自由度，由装在上臂另一端的两套相应的“电 机-减速器-绳轮”组件，分别通过各自的钢丝绳传动 系统驱动。该手腕结构简单，自重轻，上臂及手腕横 截面尺寸小，无传动空回，平衡好，整体刚度增强，静 态精度和动力性能高。

Description

本实用新型是用于机器人，特别是轻型6自由度关节型机器人的上臂及手腕机构。

为了灵活自如地进行各种作业，工业机器人最好具有6个自由度。公知的结构安排是：机器人底座部分具有3个自由度，上臂及手腕机构具有3个自由度。但由于技术实现上的复杂性，许多轻型工业机器人只有5个自由度，即底座部分3个自由度，而上臂及手腕机构只有2个自由度。文献［Mark E.Rosheim，“Robot wrist actuators”，John Wiley & Sons，Inc，New York，1989，p.162 & 42］所示为常见的5自由度机器人的结构。其中机器人手腕的两个自由度，是由位于腰部的两个“电机－减速器”组件，分别通过两级传动机构驱动的。

在这些公知的5自由度机器人结构中，由于当时所使用电机的功率／重量比太小，为减轻机器人上臂的自重，只能采取多级的远距离传动方式。对于这类受到连杆机构或链条传动所约束的5自由度机器人，很难再增加一个绕上臂自身纵轴转动的自由度，将其改造为6自由度机器人。

当机器人实现6自由度非常必要时，公知的方法是采用类似文献［Arthur J. Critchlow，“Introduction to Robotics”，Macmillan Publishing Comp.New York，1985，p.70］的三层套筒轴传动方式的上臂及手腕机构。此时驱动手腕三个自由度的电机都安装在上臂后端，然后通过中央轴、内层套筒和外层套筒，实现手腕的三个自由度。显然这种三层套筒轴传动方式的复杂性限制了6自由度机器人的普及。

近年来随着元器件的小型化，尤其是电机功率／重量比的提高，出现了使电机更加靠近被驱动关节，从而简化传动链的趋势，使6自由度机器人得以普及。日本安川公司（YASKAWA Elcetric Mfg.Co.Ltd.）的新型机器人Motoman KS （All－Electric Industial Robot，YASKAWA，Japan）系列，可作为这种简化传动的6自由度机器人的代表。附图1为Motoman KS机器人的传动示意图，由图可见，驱动第5自由度J5的电机5和驱动第6自由度J6的电机6放置在上臂1内，使之尽量靠近被其驱动的关节安装以简化传动链。即电机5通过锥齿轮10及锥齿轮11，再经齿形带12及相应的带轮20，21使手腕壳体13俯仰，实现J5的转动。电机6通过锥齿轮15及锥齿轮16，再经齿形带17及相应的带轮22，23，又一对锥齿轮18，19，使工具法兰14实现J6的转动。整个上臂1的第4个自由度J4则由电机4直接驱动。此处7，8，9为三个相应的减速器。显然由附图1的传动方式所组成的6自由度机器人，较之用公知的三层套筒轴传动方式所组成的6自由度机器人，在结构上大为简化。

当更全面地研究了各种可能使6自由度机器人上臂和手腕机构进一步简化的方案之后，本发明人发现，由附图1所代表的现有技术尚存在以下4个可以改进之处（以下叙述见附图1）：

1.由于J5及J6两个自由度的关节驱动电机5，6及其减速器8，9，都被包含在上臂1及手腕A之内，造成机器人上臂1及手腕A的横截面尺寸增大，降低了机器人在狭小的工作空间作业的可达性。

2.由于J5及J6两个自由度的关节驱动电机5，6及其减速器8，9，都集中布置在靠近机器人的上臂1的末端，并与正常的工作载荷（安装在工具法兰盘14的外面，未示出）相加在一起，使机器人运动时的转动惯量增大，导致动力性能下降。同时这种质量分布也使机器人上臂1的静力平衡情况恶化。

3.由于电机5的轴线及电机6的轴线都要顺着上臂1轴线的方向平行布置，因此要额外增加两套转换方向的锥齿轮10，11及15，16。而且这种结构中两套齿形带12，17及其相应的带轮20，21及22，23也因结构布置的需要而无法避免，因此传动链仍然不够简洁。

4.由于各自由度的驱动电机及其减速器采取串接结构，使上臂1被分割为两段：即包含附图1中轴承2左端作旋转支承的固定部分，其中包含有驱动J4自由度的电机4及其减速器7等，和包含轴承2右方全部的转动部分，即所有可以随J4转动的部分。机器人的上臂1被分割为1，3两段以后，使其抗弯曲刚度减弱，同样会降低机器人的动力性能。

本实用新型的目的，就在于解决现有技术存在的上述四个问题，设计出结构简单，自重轻，上臂及手腕横截面尺寸小，无传动空回，平衡好，整体刚度增强，因而使动力性能和静态精度都改善的机器人上臂及手腕机构。

本实用新型的上述目的由如下技术方案实现：这种用于机器人特别是轻型6自由度关节型机器人的上臂及手腕机构，由上臂、手腕部分、电机和传动系统组成，其本身具有3个自由度。在可绕其自身纵轴轴承回转的上臂一端，安装具有2个自由度的手腕部分，上臂另一端装有驱动的电机。手腕部分的2个回转自由度，由装在上臂另一端两套相应的“电机－减速器”组件分别通过各自的钢丝绳－绳轮传动系统驱动，“电机－减速器－绳轮”组件，设计成一个单独单元。装有手腕的上臂一端装有一对绳轮，其一绳轮与手腕壳体固接，另一绳轮通过两个传动锥齿轮与工具法兰盘相接，该对绳轮通过钢丝绳与上臂另一端的两个减速器的外壳相连，减速器外壳为绳轮，减速器与电机连成一体。上臂绕其自身纵轴回转的自由度是由安装在上臂纵轴延长线上，与手腕部分相对一端的“电机减速器”组件以直接的方式驱动的。

本实用新型的特点是：设计结构简单，自重轻，上臂及手腕横截面尺寸小，无传动空回，平衡好，整体刚度增强，动力性能和静态精度高。

本实用新型的原理见附图2，该上臂及手腕机构具有3个自由度。在可绕其自身轴承30旋转（J4自由度）的上臂1的一端，安装具有2个自由度（J5和J6）的手腕部分A，另一端装有驱动J5和J6运动的相应两组“电机－减速器－绳轮”组件5、6。其中减速器5″、6″的外壳作成绳轮。手腕部分A中，手腕壳体11与绳轮7固接，因此可实现J5的俯仰自由度。绳轮8与锥齿轮12固接，再通过锥齿轮13可将J6的回转运动传到工具法兰盘14。减速器5″，6″的外壳（起绳轮作用）与绳轮7、8用钢丝绳9、10分别组成两套单级的钢丝绳传动系统，把“电机－减速－绳轮”组件5、6的驱动力矩分别传递到手腕部分A。

整个上臂1的J4自由度由安装在上臂1外端纵轴沿长线上的电机4’通过减速器4直接驱动。

由附图2可见，本实用新型的传动系统比附图1的现有技术更为简化：为实现J4，J5，J6三个自由度，本实用新型中总共只使用了两套钢丝绳－绳轮传动及一对锥齿轮传动，因此改进了现有技术存在的问题3。

在本实用新型中“电机－减速器－绳轮”组件5，6虽然距离绳轮7，8较远，但这并不增加传动系统的复杂性，只是增长了钢丝绳的长度而已。但这种安排所获得的两个好处是：改善了上臂1整体的静力平衡；减小了靠近机器人手腕部分A的质量。机器人是开链结构，减小其末端（手腕部分A）的质量将大大减低运动时的惯性负载，从而提高动力性能。也就是说本实用新型可以有效地克服现有技术存在的问题2。

由于本实用新型所使用的钢丝绳－绳轮传动，充分利用了钢丝绳材料易于弯曲、变向的柔性，和受直线拉伸时的高刚性，而且钢丝绳是牢固地固接在绳轮上直接拖动绳轮，并非靠钢丝绳与绳轮之间的摩擦力传动，因此可以传递很大的力矩。钢丝绳－绳轮传动的这一特点，使得通常必须紧靠被驱动关节安装才能达到所要求传动刚度的减速器，可以转移到离被驱动关节较远处安装。例如本实用新型中将驱动J5，J6两个自由度的减速器5″，6″与电机5’，6’放置在一起，然后将减速器5″，6″输出的低速大扭矩运动，用钢丝绳传递到手腕部分A。将减速器从手腕部分A移走所带来的好处，是进一步减小手腕部分A的横截面尺寸，改善机器人在狭小空间作业的可达性，即改进了现有技术存在的问题1。

本实用新型中上臂1的结构采用通长的整体圆管，这是重量最轻、刚度最好的结构形式，因此有助于提高机器人的动力性能，即可克服现有技术中将上臂分割成两段使弯曲刚度降低所产生的问题4。

附图3和附图4是本实用新型附图2内所示的两个关键部分：手腕部分A以及“电机－减速器－绳轮”组件5（6完全与5相同）的实施例。

在附图3的手腕部分A实施例中，手腕壳体11与绳轮7固接在一起，当使J5运动的驱动力矩通过钢丝绳9拖动绳轮7转动时，即实现了手腕壳体11俯仰的J5自由度。另外绳轮8通过中介轴15与锥齿轮12连接，因此J6运动的驱动力矩通过钢丝绳10传到绳轮8时，使锥齿轮12转动，并经锥齿轮13带动工具法兰盘14作J6运动。拆下螺钉16，17，可以卸除结构相同的两个绳轮7，8，从而将手腕壳体及包含于其内部的锥齿轮12，13等作为一个完整的部件取出，这增加了使用和维修的便利。

附图4为“电机－减速器－绳轮”组件的实施例。谐波减速器由波发生器18，柔轮19，输出刚轮20，固定刚轮21所组成。波发生器18用键固定在电机5’的轴上，用档环28轴向限位。固定刚轮21固定在底座24上。输出刚轮20与圆盘22固定在一起，并且由一个十字交叉轴承26所支承。柔轮19被松松地限制在底座24与圆盘22所构成的轴向空间之中，柔轮19的外齿同时与输出刚轮20与固定刚轮21的内齿相啮合。由于输出刚轮20与固定刚轮21是做成少齿差的，因此当波发生器18被电机5’带动高速旋转时，输出刚轮20就有低速的大转矩输出。减速器的低速输出经过与输出刚轮固接的园盘22传到与之固接的绳轮23，再经钢丝绳9向手腕部分传递运动。在本“电机－减速器－绳轮”组件的实施例中，使用维修的便利也作了重点考虑。例如易损的电机5’及其轴上安装的波发生器18，只要拆下螺钉27就可以方便地取下，而不会破坏附图2中由减速器5″与绳轮7，钢丝绳9所组成的钢丝绳传动系统的正常工作。而且从附图2中也可以看出，本实用新型中几个主要部件：如手腕部分A，两个“电机－减速器－绳轮”组件5，6等，不但本身有完整性，自成独立的单元，便于装配、调试和使用维修，而且相互之间的连接关系十分简便：只要将钢丝绳9，10绕在相应的绳轮上，并收紧至一定予张力即可，不象其他公知的结构中，常常需要将相互啮合的齿轮对中和调整齿隙等作高精度的装配调整。而且由于钢丝绳传动是有予张力的，因此不但有结构简单、装配方便的优点，而且是无传动空回的。附图2中的“电机－减速器－绳轮”组件5，6完全相同，另一套“电机－减速器－绳轮”组件4中，电机4’和减速器4″和附图7所示的“电机－减速器－绳轮”组件5相比，其差别总共只有1个零件不同：即附图4中的绳轮23，在减速器4″（附图2）中换成另一个园盘形连接件。由此可以看出，本实用新型的实施例在结构上很紧凑，零件的种类少而且通用性强，便于经济地组织生产。

附图5为利用本实用新型各部件的实施例组成的6自由度机器人整机示意图，图中1为机器人的上臂，包含3个自由度，即J4，J5，J6。整个上臂1可在推杆B作用下绕支点C旋转。可以仔细选择C点的位置，使其与上臂1与推杆B的共同重心靠近或重合，从而最大限度地改善上臂的静力平衡。

Claims (3)

1、一种用于机器人，特别是轻型6自由度关节型机器人的上臂及手腕机构，由上臂、手腕部分、电机和传动系统组成，其本身具有3个自由度。在可绕其自身纵轴轴承回转的上臂一端，安装具有2个自由度的手腕部分，上臂另一端装有驱动的电机，其特征在于手腕部分的2个回转自由度，由装在上臂另一端两套相应的“电机-减速器-绳轮”组件，分别通过各自的钢丝绳传动系统驱动。

2、根据权利要求1的上臂及手腕机构，其特征在于上臂绕其自身纵轴回转的自由度，是由安装在上臂纵轴延长线上与手腕部分相对一端的电机通过减速器以直接方式驱动的。

3、根据权利要求1或2的上臂及手腕机构，其特征在于将“电机－减速器－绳轮”组件，设计成一个独立单元，装有手腕的上臂一端装有一对轮绳，其一轮绳与手腕壳体固接，另一轮绳通过两个传动锥齿轮与工具法兰盘相接，该对绳轮通过钢丝绳与上臂另一端的两个减速器外壳相连，减速器外壳为绳轮，减速器与电机连成一体。

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