CN103867504B - 一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人转动关节驱动装置，包括驱动机构与执行输出机构；驱动机构包括伺服电机与液压泵，执行输出机构包括平行设置的两组液压缸，两组液压缸的活塞间连接有摆杆，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；机器人部件连接于摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；驱动装置还包括检测模块、处理模块与电机控制器。通过采用伺服电机驱动液压执行机构输出，输出功率大，可有效解决转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求。通过采用单向轴承传动，实现传动轴的间歇性单向周转运动。通过采用变送器与放大器的配合作用，有效调整机器人部件的转动量，保证转动的精确性、可靠性。且该装置结构简单，便于实现。

Description

一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法

技术领域

本发明属于机器人关节驱动技术领域，具体涉及一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法。

背景技术

目前绝大数转动机器人都是采用伺服电机作为关节的驱动元件。市场上销售的高性能伺服电机大多具有高转速、低扭矩的特点，因此必须进行适当的减速才能用来驱动机器人的各个关节。为了把驱动器的运动转化为机器人的运动，除直接驱动以外，还需要运动速度的变换等，并且还需要把驱动器的运动传递到位于不同地点的传动机构等。机器人的运动传递就是将这些运动变换和传递机构进行组合来实现的。

工业机器人技术发展的转动机器人的关节驱动主要采用以直流伺服电机为驱动源的机械传动执行机构来实现的。虽然直流伺服电机具有响应快，启动转矩大，惯量小，转动平滑等优点，但直流电机结构复杂、成本高。一些特殊用途的转动作业机器人需要驱动装置的输出功率大，结构紧凑，即功率密度较大的执行元件来处理机器人的质量分布问题，目前机器人关节驱动技术无法很好地解决这一问题。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种结构简单，便于实现，可靠性高，输出功率大的机器人转动关节，解决特殊用途的转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法，该驱动装置采用伺服电机驱动液压执行机构进行输出，输出功率大，可有效解决转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求，且该驱动装置结构简单，便于实现，可靠性较高。

根据本发明的目的提出的一种机器人转动关节驱动装置，用于驱动机器人部件做回转运动，包括：驱动机构与执行输出机构；

所述驱动机构包括伺服电机与液压泵，所述伺服电机与所述液压泵电连接，驱动所述液压泵转动输出压力油；

所述执行输出机构包括平行设置的两组液压缸，两组所述液压缸的活塞间连接有摆杆，所述摆杆中心转动固定，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；所述机器人部件连接于所述摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；

所述驱动装置还包括控制机构，所述控制机构包括用于检测所述机器人部件转动量的检测模块，接收所述检测模块的检测信号并与所述控制机构设定的参考信号做对比，后输出控制信号的处理模块，以及接收所述处理模块输出的控制信号并调整所述伺服电机转速，继而控制所述液压泵输出流量的电机控制器。

优选的，所述驱动装置还包括设置于所述摆杆与所述机器人部件间的运动转换机构。

优选的，所述运动转换机构包括第一传动轴与第二传动轴，以及位于两传动轴上相互啮合的第一齿轮与第二齿轮，所述第一传动轴上设置有单向轴承，所述单向轴承与所述摆杆的回转中心固定连接。

优选的，所述检测模块为传感器，所述传感器设置于所述第一传动轴上。

优选的，所述处理模块包括变送器与放大器，所述变送器接收所述传感器的检测信号并转变为一个反馈电压信号，并将反馈电压信号与变送器内部设定的参考信号做对比形成误差信号，误差信号通过放大器被放大。

优选的，所述液压缸为双杆液压缸。

优选的，所述液压泵为双向容积泵。

优选的，所述驱动装置还包括蓄能器与平衡阀。

一种机器人转动关节驱动方法，采用所述的机器人转动关节驱动装置，具体步骤如下：

（一）、转动关节运动：两液压缸活塞反向运动带动摆杆以其回转中心摆动，带动机器人部件转动；

（二）、经传感器将机器人部件的转动量反馈给变送器；

（三）、变送器将该转动量转变为一个反馈电压信号，并将该反馈电压信号与设定的参考信号即参考电压作对比形成误差，并将该误差信号通过放大器进行放大；

（四）、电机控制器接收该误差信号并作为控制输出信号输出给伺服电机；

（五）、伺服电机接收电机控制器的命令信号，调整伺服电机的转速，继而影响液压泵的流量，该流量与液压缸中的活塞运动速度成正比，通过驱动两活塞运动带动摆杆摆动，继而带动机器人部件做回转运动；通过设置运动转换机构实现输出转速的调整。

优选的，通过采用单向轴承输出，实现两传动轴的间歇单向周转运动。

与现有技术相比，本发明公开的机器人转动关节驱动装置及驱动方法的优点是：

1、该驱动装置采用伺服电机驱动液压执行机构进行输出，输出功率大，可有效解决特殊用途的转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求。

2、通过驱动两活塞的反向运动带动摆杆的左右摆动继而带动机器人部件转动，由于采用单向轴承传动，摆杆顺时针摆动时，单向轴承带动传动轴转动，摆杆逆时针摆动时，单向轴承运动传动轴不动，即将摆杆的摆动转为传动轴的间歇单向周转运动，从而实现运动的传递。

3、通过采用变送器与放大器的配合作用，可将机器人部件的变化量及时的进行反馈并与设定值进行对比，有效调整机器人部件的转动量，保证转动量的精确性，可靠性较高。

此外，该驱动装置采用液压缸驱动机器人部件运动，结构简单，便于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种机器人转动关节驱动装置的结构示意图。

图2为运动转换机构的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、液压缸2、液压泵3、伺服电机4、电机控制器5、机器人部件6、蓄能器7、平衡阀8、单向阀9、顺序阀10、变送器11、放大器12、摆杆

21、单向轴承22、第一传动轴23、第一齿轮24、第二传动轴25、第二齿轮

具体实施方式

当前，转动机器人的关节驱动主要采用以直流伺服电机为驱动源的机械传动执行机构来实现的，但直流电机结构复杂、成本高。一些特殊用途的转动作业机器人需要驱动装置的输出功率大，结构紧凑，即功率密度较大的执行元件来处理机器人的质量分布问题，目前机器人关节驱动技术无法很好地解决这一问题。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法，该驱动装置采用伺服电机驱动液压执行机构进行输出，输出功率大，可有效解决转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求，且该驱动装置结构简单，便于实现，可靠性较高。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参见图1与图2，如图所示，一种机器人转动关节驱动装置，用于驱动机器人部件做回转运动，包括：驱动机构与执行输出机构；

驱动机构包括伺服电机3与液压泵2，伺服电机3与液压泵2电连接，驱动液压泵2转动输出压力油。

执行输出机构包括平行设置的两组液压缸1，两组液压缸1的活塞间连接有摆杆12，摆杆12中心转动固定，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；机器人部件连接于摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；液压泵通过液压油路向液压缸输送液压油，通过控制液压缸的进油与回油实现两液压缸活塞的反向运行，继而实现摆杆的摆动，通过控制液压缸的进油量与进油速度以控制摆杆的摆动角度与摆动速度。

驱动装置还包括设置于摆杆12与机器人部件间的运动转换机构。

运动转换机构包括第一传动轴22与第二传动轴24，以及位于两传动轴上相互啮合的第一齿轮23与第二齿轮25，第一传动轴22上设置有单向轴承21，单向轴承21与摆杆12的回转中心固定连接。

当摆杆回转中心以顺时针旋转时，单向轴承与第一传动轴之间起止动作用，即单向轴承21带动第一传动轴转动，从而驱动第一齿轮、第二齿轮以及第二传动轴转动，当摆杆的回转中心顺时针运动到极限后返回逆时针运动时（即活塞反向运动），单向轴承21与第一传动轴22之间起转动作用，即单向轴承运动而传动轴及齿轮组保持不动，等到摆杆回转中心逆时针运动到极限后返回进行顺时针运动时，传动轴及齿轮组再次转动，即将摆杆的摆动转为传动轴的间歇单向周转运动，传动轴克服转动惯性与机器人部件的转矩，带动机器人部件转动，从而实现运动的传递。

通过调整第一齿轮与第二齿轮的传动比调整输出转速。

驱动装置还包括控制机构，控制机构包括用于检测机器人部件转动量的检测模块，接收检测模块的检测信号并与控制机构设定的参考信号做对比，后输出控制信号的处理模块，以及接收处理模块输出的控制信号并调整伺服电机的转速，继而控制液压泵输出流量，使得机器人部件的转动量与设定的参考量相一致的电机控制器4。

检测模块为传感器（未示出），传感器设置于第一传动轴22上，用于检测输出转速，并将该检测信号传递出去。

处理模块包括变送器10与放大器11，变送器10接收传感器的检测信号并转变为一个反馈电压信号，并将反馈电压信号与变送器内部设定的参考信号做对比形成误差信号，误差信号通过放大器被放大。

其中，液压缸为双杆液压缸。可实现机器人部件等速的往复运动。此外，液压缸还可采用单杆液压缸等，具体类型不做限制。

液压泵为双向容积泵等。具体类型可根据使用需要而定，在此不做限制。

驱动装置还包括蓄能器6与平衡阀7。平衡阀设置于连接两条液压油路的支路上，平衡阀为串联设置的两组，每组包括并联设置的单向阀8与顺序阀9。通过设置蓄能器以保证液压***运行的稳定性。通过设置平衡阀以调节液压缸两端液压油路的压力差与流量差，或通过分流的方法达到流量的平衡，提高液压***运行的稳定性。

一种机器人转动关节驱动方法，采用机器人转动关节驱动装置，具体步骤如下：

（一）、转动关节运动：两液压缸活塞反向运动带动摆杆以其回转中心摆动，带动机器人部件转动；

（二）、经传感器将机器人部件的转动量反馈给变送器；

（三）、变送器将该转动量转变为一个反馈电压信号，并将该反馈电压信号与设定的参考信号即参考电压作对比形成误差，并将该误差信号通过放大器进行放大；

（四）、电机控制器接收该误差信号并作为控制输出信号输出给伺服电机；

（五）、伺服电机接收电机控制器的命令信号，调整伺服电机的转速，继而影响液压泵的流量，该流量与液压缸中的活塞运动速度成正比，通过驱动两活塞运动带动摆杆摆动，继而带动机器人部件做回转运动；通过设置运动转换机构实现输出转速的调整。

通过采用单向轴承输出，实现两传动轴的间歇单向周转运动。

本发明公开了一种机器人转动关节驱动装置及驱动方法，该装置包括驱动机构与执行输出机构；驱动机构包括伺服电机与液压泵，执行输出机构包括平行设置的两组液压缸，两组液压缸的活塞间连接有摆杆，摆杆中心转动固定，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；机器人部件连接于摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；驱动装置还包括控制机构，控制机构包括检测模块、处理模块与电机控制器。该驱动装置采用伺服电机驱动液压执行机构进行输出，输出功率大，可有效解决特殊用途的转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求。

通过驱动两活塞的反向运动带动摆杆的左右摆动继而带动机器人部件转动，由于采用单向轴承传动，摆杆顺时针摆动时，单向轴承带动传动轴转动，摆杆逆时针摆动时，单向轴承运动传动轴不动，即将摆杆的摆动转为传动轴的间歇单向周转运动，从而实现运动的传递。

通过采用变送器与放大器的配合作用，可将机器人部件的变化量及时的进行反馈并与设定值进行对比，有效调整机器人部件的转动量，保证转动量的精确性，可靠性较高。

此外，该驱动装置采用液压缸驱动机器人部件运动，结构简单，便于实现。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机器人转动关节驱动装置，用于驱动机器人部件做回转运动，其特征在于，包括：驱动机构与执行输出机构；

所述驱动机构包括伺服电机与液压泵，所述伺服电机与所述液压泵电连接，驱动所述液压泵转动输出压力油；

所述执行输出机构包括平行设置的两组液压缸，两组所述液压缸的活塞间连接有摆杆，所述摆杆中心转动固定，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；所述机器人部件连接于所述摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；

所述驱动装置还包括控制机构，所述控制机构包括用于检测所述机器人部件转动量的检测模块，接收所述检测模块的检测信号并与所述控制机构设定的参考信号做对比，后输出控制信号的处理模块，以及接收所述处理模块输出的控制信号并调整所述伺服电机转速，继而控制所述液压泵输出流量的电机控制器。

2.如权利要求1所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括设置于所述摆杆与所述机器人部件间的运动转换机构。

3.如权利要求2所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述运动转换机构包括第一传动轴与第二传动轴，以及位于两传动轴上相互啮合的第一齿轮与第二齿轮，所述第一传动轴上设置有单向轴承，所述单向轴承与所述摆杆的回转中心固定连接。

4.如权利要求3所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述检测模块为传感器，所述传感器设置于所述第一传动轴上。

5.如权利要求4所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述处理模块包括变送器与放大器，所述变送器接收所述传感器的检测信号并转变为一个反馈电压信号，并将反馈电压信号与变送器内部设定的参考信号做对比形成误差信号，误差信号通过放大器被放大。

6.如权利要求1所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述液压缸为双杆液压缸。

7.如权利要求1所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述液压泵为双向容积泵。

8.如权利要求1所述的机器人转动关节驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括蓄能器与平衡阀。

9.一种机器人转动关节驱动方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的机器人转动关节驱动装置，具体步骤如下：

（一）、转动关节运动：两液压缸活塞反向运动带动摆杆以其回转中心摆动，带动机器人部件转动；

（二）、经传感器将机器人部件的转动量反馈给变送器；

（三）、变送器将该转动量转变为一个反馈电压信号，并将该反馈电压信号与设定的参考信号即参考电压作对比形成误差，并将该误差信号通过放大器进行放大；

（四）、电机控制器接收该误差信号并作为控制输出信号输出给伺服电机；

（五）、伺服电机接收电机控制器的命令信号，调整伺服电机的转速，继而影响液压泵的流量，该流量与液压缸中的活塞运动速度成正比，通过驱动两活塞运动带动摆杆摆动，继而带动机器人部件做回转运动；通过设置运动转换机构实现输出转速的调整。

10.如权利要求9所述的机器人转动关节驱动方法，其特征在于，通过采用单向轴承输出，实现两传动轴的间歇单向周转运动。