CN103978477A - 一种多关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多关节机器人，包括水平设置且相互铰接的大臂和小臂、设置在小臂上的运动单元、以及用于抓取零部件的机械爪，所述运动单元包括升降机构，所述机械爪设置在升降机构上，从而能够随升降机构而作升降运动。该多关节机器人末端小巧灵活、结构紧凑、控制性能好。

Description

一种多关节机器人

技术领域

本发明涉及一种多关节机器人。

背景技术

工业机器人已被广泛应用于生产现场，能够完成焊接、搬运、装配、切割等工作任务。工业机器人的运用对提高生产效率和产品质量，改善劳动环境，保障人生安全，降低生产成本等方面有着十分重要的意义。

目前，在绝大部分小型件加工的场合，上下料的搬运、装配、码垛等作业仍主要由人工完成，由人工来完成上述作业存在着效率低、劳动强度高、安全性差等缺点。另外，对于加工空间狭小的一些工件，若采用工业机器人进行作业，要求机器人的末端能够伸入加工区域内，这样才便于作业，这就要求机器人的末端小巧、灵活，而传统SCARA机器人一般都存在末端体积过大的缺点。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供一种末端小巧灵活、占据空间小、结构紧凑、控制性能好的多关节机器人。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该多关节机器人包括水平设置且相互铰接的大臂和小臂、设置在小臂上的运动单元、以及用于抓取零部件的机械爪，所述运动单元包括升降机构，所述机械爪设置在升降机构上，从而能够随升降机构而作升降运动。

优选的是，所述运动单元还包括转动机构，所述升降机构能够带动转动机构作升降运动，机械爪设置在所述转动机构上。

优选的是，所述转动机构包括转轴、第一同步带机构和用于驱动第一同步带机构的第一驱动机构，所述转轴垂直设于小臂上，所述第一同步带机构包括第一同步带轮、第二同步带轮、以及用于连接第一同步带轮和第二同步带轮的第一转动带，机械爪设于转轴上，所述第一同步带轮套装在转轴上，转轴在第一同步带机构的作用下，能够绕自身轴线转动。

优选的是，所述第一驱动机构包括第三电机和第三减速器，所述第三电机的输出轴与第三减速器的输入端相连，第三减速器的输出端与第二同步带轮相连。

进一步优选的是，所述升降机构包括垂直设于小臂上的丝杆、设于丝杆上的螺母块、以及驱动丝杆转动的第二驱动机构，螺母块能够在丝杆上作直线运动，所述螺母块与所述转轴相连。

优选的是，所述螺母块上设有连接块，连接块上设有支持座，转轴设于支持座的座体内。

优选的是，所述第二驱动机构包括第四电机和用于增距的传动机构，所述传动机构采用第二同步带机构，所述第二同步带机构包括两个同步带轮和用于连接所述两个同步带轮的第二传动带，第四电机的输出轴与上述两个同步带轮中的一个相连，另一个同步带轮与丝杆的顶部相连。

优选的是，该多关节机器人还包括有限位单元，所述限位单元包括限位块和用于感测限位块的限位器，限位块设于螺母块上，所述限位器采用三个，三个限位器依次设于竖直方向上，并分别对应转轴的上极限位置、动作起点位置和下极限位置。

优选的是，小臂的一端部与大臂的端部铰接，所述转轴设于小臂与大臂铰接的一端的相对端上。

优选的是，该多关节机器人还包括第一动力单元，所述第一动力单元包括第一电机和第一减速器，所述第一减速器设于大臂上，第一电机设于小臂上且处于第一减速器的上方，第一电机的输出轴穿过小臂后带动处于其下方的第一减速器转动，第一减速器再带动小臂转动。

进一步优选的是，该多关节机器人还包括第二动力单元，所述第二动力单元包括第二电机和第二减速器，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入端相连，第二减速器的输出端与大臂相连。

本发明具有如下有益效果：

本发明的多关节机器人具有两个能够进行水平回转的大臂和小臂，且小臂上还具有能作升降运动的转轴，即转轴具有上下平移的自由度，可维持响应性能和定位精度并可确保其较大的可动范围，能够用于承受扭矩和倾覆弯矩。

该机器人具有末端小巧，结构紧凑、传动效率高、回差小、传动精度高等优点，特别适于加工空间狭小的工件进行使用。

附图说明

图1为本发明实施例2中某一视角的多关节机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例2中另一视角的多关节机器人的结构示意图；

图3为图1中支撑架部分结构的放大视图。

其中：10-大臂；20-小臂；30-转轴；31-气爪；40-升降机构；41-丝杆；411-丝杆固定座；42-螺母块；43-连接块；44-支持座；50-转动机构；51-第一同步带轮；52-第一传动带；60-底座；70-支撑架；71-第一架体；72-第二架体；721-支撑台；722-滑槽；723-限位器；724-限位块；80-传动机构；81-同步带轮；82-第二传动带；90-第一电机；902-第二电机；903-第三电机；904-第四电机；91-第一减速器；912-第二减速器；913-第三减速器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

针对现有的机器人存在的末端体积大、操作不灵活的问题，本发明提供一种多关节机器人，其包括水平设置且相互铰接的大臂与小臂，大臂的一端以及与小臂的一端铰接，小臂的另一端设置有可以垂直升降且能绕轴线旋转的转轴，转轴的下部设置有机械爪，用于抓取工件，该多关节机器人具有末端小巧、结构紧凑与控制性能好的优点。

实施例1：

本实施例中，该多关节机器人包括水平设置且相互铰接的大臂和小臂、设置在小臂上的运动单元、以及用于抓取零部件的机械爪，所述运动单元包括升降机构，所述机械爪设置在升降机构上，从而能够随升降机构而作升降运动。

优选的是，所述运动单元还包括转动机构，所述升降机构能够带动转动机构作升降运动，机械爪设置在所述转动机构上。

优选的是，所述转动机构包括转轴、第一同步带机构和用于驱动第一同步带机构的第一驱动机构，所述转轴垂直设于小臂上，所述第一同步带机构包括第一同步带轮、第二同步带轮、以及用于连接第一同步带轮和第二同步带轮的第一转动带，机械爪设于转轴上，所述第一同步带轮套装在转轴上，转轴在第一同步带机构的作用下，能够绕自身轴线转动。

优选的是，所述升降机构包括垂直设于小臂上的丝杆、设于丝杆上的螺母块、以及驱动丝杆转动的第二驱动机构，螺母块能够在丝杆上作直线运动，所述螺母块与所述转轴固连。

优选的是，所述螺母块上设有连接块，连接块上设有支持座，转轴设于支持座的座体内。

优选的是，所述第二驱动机构包括第四电机和用于增距的传动机构，所述传动机构采用第二同步带机构，所述第二同步带机构包括两个同步带轮和用于连接所述两个同步带轮的第二传动带，第四电机的输出轴与上述两个同步带轮中的一个相连，另一个同步带轮与丝杆的顶部相连。

优选的是，所述第一驱动机构包括第三电机和第三减速器，所述第三电机的输出轴与第三减速器的输入端相连，第三减速器的输出端与第二同步带轮相连。

优选的是，该多关节机器人还包括有限位单元，所述限位单元包括限位块和用于感测限位块的限位器，限位块设于螺母块上，所述限位器采用三个，三个限位器依次设于竖直方向上，并分别对应转轴的上极限位置、动作起点位置和下极限位置。

优选的是，小臂的一端部与大臂的端部铰接，所述转轴设于小臂与大臂铰接的一端的相对端上。

优选的是，该多关节机器人还包括第一动力单元，所述第一动力单元包括第一电机和第一减速器，所述第一减速器设于大臂上，第一电机设于小臂上且处于第一减速器的上方，第一电机的输出轴穿过小臂后带动处于其下方的第一减速器转动，第一减速器再带动小臂转动。

优选的是，该多关节机器人还包括第二动力单元，所述第二动力单元包括第二电机和第二减速器，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入端相连，第二减速器的输出端与大臂相连

本实施例中，该多关节机器人的小臂铰接于大臂的一端，使得小臂可以绕着铰接点在水平方向自由转动，从而带动转轴以铰接点为圆心在水平面内摆动，从而能够调节转轴的位置，使其定位在所要抓取零部件的上方。同时，由于转轴可以竖直升降，进而对零部件进行抓取，在进行抓取动作的同时，转轴可以绕着自身轴线转动，这样就可以使设于转轴上的机械爪与所要抓取的零件结合地更加紧密，使抓取变得更加牢固。待抓取动作完成以后，转轴竖直上升并随着小臂的转动，移动到下一个工位位置，并将其放下。如此反复动作，能够实现机器人的抓取、移动、复位等功能。当移动的角度较大或者距离较远时，大臂同样可以在水平面内转动，因此该机器人能够实现在较大的空间范围内进行作业。

实施例2：

如图1、2所示，本实施例提供一种多关节机器人，其包括水平设置且相互铰接的大臂10和小臂20、设置在小臂上的运动单元、以及用于抓取零部件的机械爪31，所述运动单元包括升降机构40，机械爪31设置在升降机构40上，并能够随升降机构40而作升降运动。

本实施例中，大臂10的一端部与小臂20的一端部铰接。机械爪31具体可采用气爪。所述气爪与气动机构相连，气爪能够根据气动机构的控制而抓取工件或者松开工件。

优选地，如果要实现较远距离的传送，可以增加大臂和/或小臂的长度，或者增加小臂的数量，即小臂的数量采用多个，多个小臂依次铰接，对于所述多个小臂中处于两个端侧的两个最外侧的小臂来说，其中一个最外侧的小臂与大臂10铰接，而运动单元则设置在另一最外侧的小臂上。

本实施例中，大臂10和小臂20均呈长条形。优选地，大臂10的长度范围为400～500mm，小臂20的长度范围为350～400mm。本实施例中，大臂10的长度为430mm，小臂20的长度为370mm。

本实施例中，大臂10和小臂20均采用铝合金机加工或铸造铝铸造加工制成。

优选地，所述运动单元还包括转动机构，所述升降机构能够带动转动机构作升降运动，机械爪31设置在所述转动机构上。

本实施例中，转动机构50包括转轴30、第一同步带机构和用于驱动第一同步带机构的第一驱动机构。其中，转轴30垂直设于小臂20上，且转轴30设置在小臂与大臂铰接的一端的相对端上。机械爪31固定在转轴30上并处于转轴的底端。

本实施例中，第一同步带机构包括第一同步带轮51、第二同步带轮、以及用于连接第一同步带轮51和第二同步带轮的第一传动带52。第一同步带轮51和第二同步带轮在小臂20上相对设置。其中，第一同步带轮51套装在转轴30的轴身上，具体是套装在转轴的轴身中部。转轴30在第一同步带机构的带动作用下，能够绕自身轴线转动，从而带动机械爪31转动。

其中，第一同步带轮51的轮径大于第二同步带轮，两者之间的轮径比为1.25:1。

由于同步带机构具有重量轻、成本低，定位精确、结构方便、传动效率高等优点，因此转动机构中采用同步带机构。当然，本领域的技术人员能够知晓，第一同步带机构也能够由具有相同功能的其他机构所替换，比如，可采用两个圆柱齿轮啮合来进行传动。

具体地，转轴30的轴身与位于小臂20上且靠近小臂一端端部的第一同步带轮51相连，而第二同步带轮与第一驱动机构相连。进一步地，转轴30通过自身轴端的轴套以胀合预紧的方式连接在第一同步带轮51的轮心位置，即使第一同步带轮51套装在转轴的轴身上，从而实现二者之间的连接以及同步转动。其中，连接第一驱动机构的第二同步带轮为主动轮，则第一同步带轮51为从动轮，在第一驱动机构的驱动下，第二同步带轮转动，并通过第一传动带52的动力传递，带动连接转轴30的第一同步带轮51转动，进而带动转轴30绕着自身轴线进行自转。

第一同步带轮51和第二同步带轮与第一传动带52之间的传动为齿轮齿条配合传动。

本实施例中，所述第一驱动机构包括第三电机903和第三减速器913。具体来说，第三电机的输出轴与第三减速器的输入端相连，第三减速器的输出端与第二同步带轮相连。

优选地，升降机构40采用滚珠丝杆机构。由于滚珠丝杆机构具有传动效率高，传动平稳的优点，因此升降机构40采用滚珠丝杆机构，可以保证转轴30在竖直升降过程中的运动稳定。其中，升降机构40包括垂直设于小臂20上的丝杆41、设于丝杆41上的螺母块42、以及驱动丝杆41转动的第二驱动机构，螺母块42能够在丝杆41上作直线运动，且螺母块42与转轴30相连。

本实施例中，为了节约小臂20上的空间，以使整个结构更加紧凑，优选丝杆41自下而上竖直设置在小臂20上且位于第一同步带轮51和第二同步带轮之间的位置，丝杆41的下端通过轴承以及轴承座固定在小臂20上，同时为了不与第一同步带轮51、第二同步带轮以及第一传动带52发生干涉，将丝杆41的下端设于上述两个同步带轮之间，且处于第一传动带52的带体空隙范围之内。丝杆41上的螺母块42在靠近转轴30的一侧位置上延伸有连接块43，在螺母块的连接块43上设置有支持座44，转轴30的顶部设于支持座44的座体内。这样，当螺母块42在丝杆41上作垂直升降运动时，就可以通过支持座44带动转轴30作上下升降运动。支持座44主要用于对转轴30起固定支撑作用，以确保转轴在升降过程中不会发生偏移，同时也能保证转轴30正常地绕其轴线自转。

优选地，可将第二驱动机构设于第一驱动机构的上方，以进一步节约小臂20上的空间。

优选地，第二驱动机构包括第四电机904和用于增距的传动机构80。第二驱动机构通过传动机构80的传动增矩，将第四电机904的动力传递至丝杆41，以带动丝杆41转动，从而带动螺母块42在丝杆41上作上下直线运动。其中，传动机构80可设于丝杆41的上方。

本实施例中，传动机构80采用第二同步带机构，所述第二同步带机构包括两个相对设置的同步带轮81和用于连接上述两个同步带轮的第二传动带82，第四电机的输出轴与上述两个同步带轮中的一个相连，而另一个同步带轮81与丝杆41的顶部相连。

同理，由于同步带机构具有重量轻、成本低，定位精确、结构方便、传动效率高等优点，因此传动机构80采用同步带机构。当然，本领域的技术人员能够知晓，第二同步带机构也能够由具有相同功能的其他机构所替换，比如，可采用两个圆柱齿轮啮合来进行传动。

由于丝杆41的下端通过轴承以及轴承座固定在小臂20上，为了确保螺母块42能在丝杆41上作直线运动，丝杆41的上端必须与传动机构80固连且能够自由转动。因此，本实施例中，传动机构80的结构与转动机构50一样，也采用同步带机构，然而，第二同步带机构中的两个同步带轮81的轮径相等(两个同步带轮81的轮径减速比为1:1)且小于转动机构50中第一同步带轮51以及第二同步带轮的轮径，以进一步减小第二同步带机构的体积。

小臂20上还可设有支撑架70，支撑架70主要能够为传动机构80、第一驱动机构以及第二驱动机构提供有效的支撑。丝杆41的上端通过传动机构80连接第二驱动机构，传动机构80、第二驱动机构以及第一驱动机构均设置于支撑架70上。

优选地，在考虑支撑架70的支撑作用的同时，同时考虑到便于第一驱动机构、第二驱动机构以及传动机构80的设置，以及为了进一步节约小臂20上的空间，而将支撑架70设置在小臂20上的丝杆41的旁侧。

本实施例中，如图1、2所示，支撑架70包括第一架体71和第二架体72，且第一架体71和第二架体72呈上、下两段式的结构，二者之间通过螺栓固连为一体。其中，第二架体72呈门框状且固连在小臂20上，第一架体71呈板条状且其上端向两侧延伸有台阶状的支撑台721。门框状的第二架体72罩设于第二同步带轮上，这样，通过将第一驱动机构设置在第二架体72上，而将第二驱动机构与传动机构80设置在第一架体71上，使得支撑架70既能有效支撑第一驱动机构和第二驱动机构，又充分节省了它们的安装空间，并使两个驱动机构之间互不干涉、互不影响。

具体地，第一架体包括竖直设置的板体和设置在板体上的支撑台721。支撑台721包括高台和低台，高台和低台分设于板体的两侧(即高台和低台由板体分别向其两侧延伸而形成)，其中高台的位置高于低台的高度。两个同步带轮81分别位于支撑台721的高台和低台上，第四电机904(第二驱动机构)设于高台的下表面上，并处于高台上的同步带轮81的下方，通过高台上的同步带轮81连接第四电机的输出轴，处于低台上的同步带轮81下部设置丝杆固定座411，丝杆41设于低台的下方，且丝杆41穿过丝杆固定座411连接低台上的同步带轮81。这样就既保证了丝杆41与同步带轮81的固连，又保证了丝杆41的自转，同时还进一步节约了空间。

第三电机903安装在第二架体72的顶部，并与第四电机904的位置相对，由于第二架体72为门框状，因此第三减速器913可以安装在门框形的第二架体72内，且处于第三电机903的下部并处于转动机构50中的第二同步带轮的上方，通过第三减速器913下部的输出端连接第二同步带轮，从而实现动力的传递。

优选地，该多关节机器人还包括控制单元(图中未示出)和限位单元。所述限位机构包括限位块724和用于感测限位块724的限位器723，限位块设于螺母块42上，限位器723与控制单元电连接，当限位器723在感测到限位块724时，限位器723发送相应的感测信号至控制单元，由于控制单元与第一驱动机构，第二驱动机构分别相连，这样控制单元根据接收到的感测信号能够控制第一驱动机构、第二驱动机构的运动。

本实施例中，所述限位器723采用三个，三个限位器沿竖直方向依次设置，并分别对应转轴的上极限位置、动作起点位置和下极限位置。

具体地，如图3所示，第二架体72中的板体面对丝杆41的一侧上设有滑槽722，滑槽722的上端位置设有两个限位器723，下端位置设有一个限位器723，与之相对应的限位块724设置在螺母块42的外侧且限位块能够在滑槽722内滑动，限位器723与限位块724构成转轴30在竖直方向进行运动的限位机构。

其中，滑槽上端的两个限位器723，一个作为动作起点，另一个，即处于最高位置的一个限位器作为转轴向上运动的上极限位置，滑槽下端的一个限位器作为转轴向下运动的下极限位置。该多关节机器人每次工作时，都会从动作起点开始动作，每一次工作完成以后，都会返回到动作起点的位置，当感测到限位块724到达上、下极限位置时，控制单元发出控制指令控制第一驱动机构、第二驱动机构停止动作，机器人会停止工作。

优选地，该多关节机器人还包括第一动力单元，第一动力单元设于大臂10和小臂20的铰接位置处。所述第一动力单元包括第一电机90和第一减速器91，第一减速器91固设于大臂10上，第一电机90固设于小臂20上且处于第一减速器91的上方，第一电机的输出轴穿过小臂20后带动处于其下方的第一减速器91转动，第一减速器91再带动小臂20转动。由于小臂20的另一端为自由端，通过上述结构，使得小臂20能够相对于大臂10进行360度地全方位灵活转动。

进一步优选地，该多关节机器人还包括底座60和第二动力单元，第二动力单元设于大臂10与小臂20铰接位置处的相对端。第二动力单元包括第二电机902和第二减速器912，第二减速器912固连在大臂10的下方，第二电机902设置在第二减速器912的下方，并与底座60固连。第二电机的输出轴与第二减速器的输入端相连，第二减速器的输出端与大臂10相连，从而能够带动大臂10在底座60上进行360度全方位的转动。

相应地，控制单元还与第一动力单元和第二动力单元相连，并用于控制第一动力单元和第二动力单元的动作的启停。

本实施例中，第一电机90、第二电机902、第三电机903和第四电机904都采用伺服电机。

本实施例中，多关节机器人包括水平设置且相互铰接的大臂10与小臂20，大臂10以及与小臂20铰接点均设置有动力单元，小臂20的另一端垂直设置有可以升降以及绕轴线旋转的转轴30，转轴30的下部设置机械爪31，转轴竖直升降的运动方向上设有限位机构。其中，大臂10能够绕底座60转动，小臂20铰接于大臂10的外端，小臂20可以绕着铰接点在水平方向自由转动，从而带动转轴30以所述铰接点为圆心在水平面内摆动，进而调节转轴30的位置使其能够定位在所要抓取零部件的上方。同时转轴30可竖直升降，进而能够抓取工件，在进行抓取动作的同时，转轴30可以绕着自身轴线转动，这样就可以使转轴30下部的机械爪31与所要抓取的工件结合得更加紧密，从而使抓取更加牢固。待抓取动作完成以后，转轴30竖直上升并随着小臂20的转动，随着小臂20的转动，转轴30被移动到下一个工位位置，并将工件放下。如此反复动作，从而实现机器人的抓取、移动、复位功能。当需要移动的角度较大或者距离较远时，通过大臂10可以在水平面内转动。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多关节机器人，其特征在于，包括水平设置且相互铰接的大臂和小臂、设置在小臂上的运动单元、以及用于抓取零部件的机械爪，所述运动单元包括升降机构，所述机械爪设置在升降机构上，从而能够随升降机构而作升降运动。

2.如权利要求1所述的多关节机器人，其特征在于，所述运动单元还包括转动机构，所述升降机构能够带动转动机构作升降运动，机械爪设置在所述转动机构上。

3.如权利要求2所述的多关节机器人，其特征在于，所述转动机构包括转轴、第一同步带机构和用于驱动第一同步带机构的第一驱动机构，所述转轴垂直设于小臂上，所述第一同步带机构包括第一同步带轮、第二同步带轮、以及用于连接第一同步带轮和第二同步带轮的第一转动带，机械爪设于转轴上，所述第一同步带轮套装在转轴上，转轴在第一同步带机构的作用下，能够绕自身轴线转动。

4.如权利要求3所述的多关节机器人，其特征在于，所述第一驱动机构包括第三电机和第三减速器，所述第三电机的输出轴与第三减速器的输入端相连，第三减速器的输出端与第二同步带轮相连。

5.如权利要求3所述的多关节机器人，其特征在于，所述升降机构包括垂直设于小臂上的丝杆、设于丝杆上的螺母块、以及驱动丝杆转动的第二驱动机构，螺母块能够在丝杆上作直线运动，所述螺母块与所述转轴相连。

6.如权利要求5所述的多关节机器人，其特征在于，所述第二驱动机构包括第四电机和用于增距的传动机构，所述传动机构采用第二同步带机构，所述第二同步带机构包括两个同步带轮和用于连接所述两个同步带轮的第二传动带，第四电机的输出轴与上述两个同步带轮中的一个相连，另一个同步带轮与丝杆的顶部相连。

7.如权利要求5所述的多关节机器人，其特征在于，还包括有限位单元，所述限位单元包括限位块和用于感测限位块的限位器，限位块设于螺母块上，所述限位器采用三个，三个限位器依次设于竖直方向上，并分别对应转轴的上极限位置、动作起点位置和下极限位置。

8.如权利要求3所述的多关节机器人，其特征在于，小臂的一端部与大臂的端部铰接，所述转轴设于小臂与大臂铰接的一端的相对端上。

9.如权利要求1-8任一项所述的多关节机器人，其特征在于，还包括第一动力单元，所述第一动力单元包括第一电机和第一减速器，所述第一减速器设于大臂上，第一电机设于小臂上且处于第一减速器的上方，第一电机的输出轴穿过小臂后带动处于其下方的第一减速器转动，第一减速器再带动小臂转动。

10.如权利要求9所述的多关节机器人，其特征在于，还包括第二动力单元，所述第二动力单元包括第二电机和第二减速器，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入端相连，第二减速器的输出端与大臂相连。