CN103737577A - 一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人，通过腰部回转机构实现腰部整周转动，肩摆动机构和肘回转机构组成的两自由度的并联机构实现二维平动，分别由安装在回转平台上的电机带动滚珠丝杠驱动；由前臂旋转机构、腕回转机构和工具卡座回转机构相互连接的三个相互正交的旋转轴由三个电机分别独立驱动，实现执行末端工具的三自由度姿态调整。本发明既保持了串联机构较大工作空间的优点，又采用滚珠丝杠传动，不但保证了机构的刚度，而且降低驱动电机位置，获得较好的动力学特性，承载能力大，易于实现高速或超高速操作；具有无侧隙、刚度高，便于实现微动进给，累积误差小，运动精度高，正逆运动学求解方便，便于控制的优点。

Description

一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，具体是一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人。

背景技术

工业自动化就是以工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中，尽量减少人力操作的技术。工业机器人属于工业自动化产品的一个重要方面，工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。未来几年中国或成为全球最大的机器人需求市场。由于现代计算机技术的迅速发展，多轴运动控制技术不断成熟，工业机器人的成本逐渐降低，目前已进入爆发式增长阶段。绝大部分工业机器人有六个轴，其中三个轴将执行末端安装工具送至空间可达位置，而另外的三个轴实现执行末端焊接工具的空间姿态调整。传统的关节式机器人都将电机安装在关节处，使得机械手臂显得笨重，存在转动惯量大、刚度差以及累积误差大等不足。机构的动力学性能较差，难以满足日益高速高精度要求。串联机构在机构设计方面具有较好的运动学性能，而动力学性能较低；和串联机器人相比较，并联机构具有无累积误差，精度较高，驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好，结构紧凑，刚度高，承载能力大，根据这些特点，并联机器人可以应用于高承载能力的场合，但由于并联机器人受结构限制，工作空间往往很小，较难应用于对工作空间要求大的领域。而且，驱动电机均安装在关节处的机器人故障率较高，可靠性差，易造成较大的关节误差，对机器人的精度影响较大，由于这诸多缺点，现有机器人结构很难兼顾作业灵活性及高精度的特性，很难满足大工作空间、高精度、高可靠性的作业要求，成为高端工业机器人设计制造的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种串并联机构的机器人机构，综合串联机构和并联机构各自的优点，在保证机器人作业灵活性、高精度、高可靠性的前提下，尽可能的将电机安置于机座上或将电机合理布置，充分发挥串并联机构的优点，大幅提高机器人可靠性，降低维护成本，提高机器人运行稳定性，实现机器人较好的动力学性能。

本发明通过以下技术方案实现以上目的：

一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人，包括腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂旋转机构、腕回转机构、工具卡座回转机构、机座及回转平台；

所述的腰部回转机构通过回转平台由第十六转动副安装在机座上，第十六转动副由第一伺服电机驱动，实现腰部整周转动；

所述肩摆动机构包括回转平台、第一滚珠丝杠、第一滚珠丝杠套筒、第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一滚珠丝杠与回转平台由第一转动副连接，第一滚珠丝杠与第一滚珠丝杠套筒由第一螺旋副连接，第一连杆与第一滚珠丝杠套筒由第十一转动副连接，第一连杆与回转平台由第三转动副连接，第一连杆与第二连杆由第十转动副连接，第三连杆与回转平台由第四转动副连接，第二连杆与第三连杆由第九转动副连接，第一滚珠丝杠由第二伺服电机驱动；

所述肘回转机构包括第二滚珠丝杠、第二滚珠丝杠套筒、第四连杆、第五连杆和第六连杆，第二滚珠丝杠与回转平台由第二转动副连接，第二滚珠丝杠与第二滚珠丝杠套筒由第二螺旋副连接，第四连杆与第二滚珠丝杆套筒由第十二转动副连接，第四连杆与回转平台由第五转动副连接，第四连杆与第五连杆由第六转动副连接，第五连杆与第六连杆由第七转动副连接，第三连杆与第六连杆由第八转动副连接；第二滚珠丝杠由第三伺服电机驱动；

所述前臂旋转机构、腕回转机构和工具座回转机构组成三维转动机构，前臂旋转机构由前臂与第六连杆通过第十三转动副连接，由安装在第六连杆上的第四伺服电机驱动，腕回转机构由前臂与手腕通过第十四转动副连接，由安装在前臂上的第五伺服电机驱动，工具卡座回转机构由手腕与末端工具卡座通过第十五转动副连接，由安装在手腕上的第六伺服电机驱动。

所述的第十六转动副垂直于机座；第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副、第十转动副和第十四转动副相互平行，其中第四转动副与第五转动副同轴；第十一转动副与第十转动副同轴，第十二转动副与第六转动副同轴，第十三转动副与第十四转动副相互垂直，第十四转动副与第十五转动副相互垂直。

本发明腰部整周转动通过回转平台上的电机驱动，肩摆动机构和肘回转机构组成的两自由度的并联机构实现二维平动，分别由安装在回转平台上的电机带动滚珠丝杠驱动；由前臂旋转机构、腕回转机构和工具卡座回转机构相互连接的三个相互正交的旋转轴由三个电机分别独立驱动，实现执行末端工具的三自由度姿态调整。与现有技术相比，具有以下突出优点：

1、采用串并联机构，兼有并联机构累积误差小、刚度大和串联机构工作空间大的优点，尽可能的将驱动装置安放在机座位置；

2、特别是采用滚珠丝杠传动方案，将驱动电机位置尽可能降到最低，降低了手臂杆件的承载负荷，降低了整机的转动惯量，传动平稳，无侧隙、精度高，刚度高且具有良好的动力学性能，降低了电机轴的承载量，有利于精度的提高；

3、将机构的驱动装置合理布置，提高整体机构的平衡性能，进一步提高了机构的动力学性能；

4、机构简单，便于正逆运动学的求解、轨迹规划、误差补偿，方便精确控制。此外，执行末端安装不同的装置可以实现不同的工业用途，如码垛、切割、装配、喷涂、焊接及搬运等。

附图说明

图1为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的结构示意图。

图2为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的肩摆动机构示意图。

图3为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的肘回转机构示意图。

图4为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的前臂扭转机构、腕回转机构和工具卡座回转机构示意图。

图5为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的第一种工作状态示意图。

图6为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的第二种工作状态示意图。

图7为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的第三种工作状态示意图。

图8为所述一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人的第四种工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

对照图1、2、3和4，一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人由机座、回转平台、腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂旋转机构、腕回转机构和工具卡座回转机构组成。所述回转平台16安装在机座1上，实现整个机构的空间六自由度运动。

对照图1，腰部回转机构通过回转平台16由第十六转动副连接在机座1上，并有第一伺服电机驱动实现整周回转运动。

对照图1、2，肩摆动机构和肘回转机构形成位置调整机构。图2所示肩摆动机构由回转平台16、第一滚珠丝杠4、第一滚珠丝杠套筒5、第一连杆3、第二连杆7和第三连杆9连接而成。第一滚珠丝杠4与第二伺服电机刚性连接，第二伺服电机与回转平台16由第一转动副18连接，第一滚珠丝杠4与第一滚珠丝杠套筒5由第一螺旋副21连接，第一连杆3与第一滚珠丝杠套筒5由第十一转动副23连接，第一连杆3与回转平台16由第三转动副19连接，第一连杆3与第二连杆7由第十转动副24连接，第三连杆9与回转平台16由第四转动副20连接，第二连杆7与第三连杆9由第九转动副28连接。

对照图1、3，肘回转机构由第二滚珠丝杠2、第二滚珠丝杠套筒6、第四连杆8、第五连杆10、第六连杆12构成。其中，第二滚珠丝杠2与第三伺服电机刚性连接，第三伺服电机与回转平台16由第二转动副17连接，第二滚珠丝杠2与第二滚珠丝杠套筒6由第二螺旋副22连接，第四连杆8与第二滚珠丝杆套筒6由第十二转动副26连接，第四连杆8与回转平台16由第五转动副27连接，第四连杆8与第五连杆10由第六转动副25连接，第五连杆10与第六连杆12由第七转动副30连接，第三连杆9与第六连杆12由第八转动副29连接。

对照图1、4，前臂旋转机构包括前臂13，前臂13通过第十三转动副31与第六连杆12连接，由第四伺服电机11驱动，第四伺服电机安装在第六连杆12的前端，有利于与前臂13上前端的负载相平衡，保证良好的动力学性能；腕回转机构包括手腕14，手腕14通过第十四转动副32与前臂13连接，由第五伺服电机驱动实现转动；工具卡座回转机构包括末端工具卡座15，末端工具卡座15通过第十五转动副33与手腕14连接，由第六伺服电机驱动。通过第四伺服电机、第五伺服电机和第六伺服电机三个电机独立驱动，实现了三维转动，进而实现了工具姿态调整。

对照图1、5、6、7、8，所述的工业机器人通过由肩摆动机构和肘回转机构组成的机构实现平面的二维平动，将前臂执行末端工具卡座送达预定的区域；转动平台的整周转动实现了空间范围内执行末端的位置调整，获得较大的工作空间；前臂旋转机构、腕回转机构和工具卡座回转机构的三维转动实现了工具姿态的调整；采用无侧隙的滚珠丝杠副传动，便于实现高速运行和微动进给。以上机构特性实现了机构如图5-图8所示的各种位置姿态，灵活而简捷地将工具送至空间不同点工作，而且获得较好的动力学性能，达到高精度、高可靠性、运行稳定性和便于维护保养优良特性。

Claims (2)

1.一种含滚珠丝杠副驱动的六自由度工业机器人，包括腰部回转机构、肩摆动机构、肘回转机构、前臂旋转机构、腕回转机构、工具卡座回转机构、机座及回转平台；其特征在于：

所述的腰部回转机构通过回转平台由第十六转动副安装在机座上，第十六转动副由第一伺服电机驱动，实现腰部整周转动；

所述肩摆动机构包括回转平台、第一滚珠丝杠、第一滚珠丝杠套筒、第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一滚珠丝杠与回转平台由第一转动副连接，第一滚珠丝杠与第一滚珠丝杠套筒由第一螺旋副连接，第一连杆与第一滚珠丝杠套筒由第十一转动副连接，第一连杆与回转平台由第三转动副连接，第一连杆与第二连杆由第十转动副连接，第三连杆与回转平台由第四转动副连接，第二连杆与第三连杆由第九转动副连接，第一滚珠丝杠由第二伺服电机驱动；

所述肘回转机构包括第二滚珠丝杠、第二滚珠丝杠套筒、第四连杆、第五连杆和第六连杆，第二滚珠丝杠与回转平台由第二转动副连接，第二滚珠丝杠与第二滚珠丝杠套筒由第二螺旋副连接，第四连杆与第二滚珠丝杆套筒由第十二转动副连接，第四连杆与回转平台由第五转动副连接，第四连杆与第五连杆由第六转动副连接，第五连杆与第六连杆由第七转动副连接，第三连杆与第六连杆由第八转动副连接；第二滚珠丝杠由第三伺服电机驱动；

所述前臂旋转机构、腕回转机构和工具座回转机构组成三维转动机构，前臂旋转机构由前臂与第六连杆通过第十三转动副连接，由安装在第六连杆上的第四伺服电机驱动，腕回转机构由前臂与手腕通过第十四转动副连接，由安装在前臂上的第五伺服电机驱动，工具卡座回转机构由手腕与末端工具卡座通过第十五转动副连接，由安装在手腕上的第六伺服电机驱动。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于：所述的第十六转动副垂直于机座；第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副、第十转动副和第十四转动副相互平行，其中第四转动副与第五转动副同轴；第十一转动副与第十转动副同轴，第十二转动副与第六转动副同轴，第十三转动副与第十四转动副相互垂直，第十四转动副与第十五转动副相互垂直。

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