CN104626113A - 一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人，属于工业机器人技术领域。该机器人机构包括机架、末端执行器、平行四边形四杆机构、同步带轮与同步带以及驱动装置。驱动装置两两同心分侧对称固定安装于机架上，主动臂和主传动带轮分别同心安装在四个驱动装置上，平行四边形的四杆机构作为末端执行器的动平台为其提供两个平动自由度，带轮由同步带传递转矩，分别沿连杆的两个分支路传递转矩至末端执行器实现其Z轴的轴向平动自由度和绕Z轴的转动自由度。本发明有效地解决了工业分拣机器人灵活性、安全性和轻便性等问题，本发明四自由度机器人具有制作简单、安装调试方便以及制造成本较低等特点。
Description
技术领域：
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人。
背景技术：
轻工、医药、食品和电子等行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装等作业往往需要末端执行器1在空间中进行高速作业的机械手。一般工业机器人价格较高，设备贵重，结构不够精密，尺寸比较大，占用空间大，结构笨重，无法满足人们同时对功能性、小空间、轻型化、高精度等多方面的较高要求。目前分拣类的四自由度机器人大多属于SCARA类型或者DELTA类型。虽然能够满足工也要求，但是SCARA机器人结构相对笨重，DELTA机器人占用空间相对较大。为满足轻负载快速轻型化市场的需求，杆件传动和同步带传动是一个有相对较好的发展方向。适应基本工业分拣应用，对环境要求不高，更具有柔性。可以提高机器人的研发速度,降低成本,为机器人进一步设计提供了方向及理论依据。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人，该机器人机构是一种连杆传动和同步带传动的混合传动方式，各传动链相互之间独立工作互不干涉，但是结构上却能合为一体，巧妙分工。
本发明所提供一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人包括机架18、末端执行器1、平行四边形四杆机构、同步带轮与同步带以及驱动装置。
所述驱动装置由第一驱动装置14、第二驱动装置25、第三驱动装置19以及第四驱动装置24组成，所述第一驱动装置14与第二驱动装置25同心安装于所述机架18的一侧，所述第三驱动装置19与第四驱动装置24同心安装于所述机架18的另一侧。
所述平行四边形机构由连接杆6、第二主动臂10、第一主动臂13和第一从动臂11构成，所述第一主动臂13与所述第二主动臂10是同心安装，所述第一主动臂13使用轴键连接在所述第一驱动装置14上，所述第二主动臂10使用轴键连接在所述第二驱动装置25上。
所述末端执行器1为花键滚珠丝杠结构，所述末端执行器1包括支架1-2、丝杠螺母1-1、丝杠花键1-3和丝杠1-4，所述末端执行器1通过所述支架1-2用螺栓与所述连接杆6固联。
所述同步带轮与同步带包括第一带轮22、第二带轮21、第三带轮17、第四带轮16、第五带轮12、第六带轮7、第七带轮4、第八带轮2和第九带轮26以及第一同步带23、第二同步带20、第三同步带15、第四同步带9、第五同步带8、第六同步带5以及第七同步带3。
所述第一主动臂13、第一从动臂11以及第五带轮12通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动；所述第一从动臂11、连接杆6以及第六带轮7通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动；所述第二主动臂10、连接杆6以及第七带轮4通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动。
所述第一驱动装置14与所述第四带轮16连接；所述第二驱动装置25与所述第三带轮17连接；所述第一带轮22与所述第四驱动装置24连接；所述第二带轮21与所述第三驱动装置19连接。
所述第一带轮22与所述第三带轮17由所述第一同步带23传递转矩；所述第二带轮21与所述第四带轮16由第二同步带20传递转矩；所述第四带轮16与所述第五带轮12由所述第三同步带15传递转矩；所述第五带轮12与所述第六带轮7由所述第四同步带9传递转矩；所述第六带轮7与所述第九带轮26由所述第五同步带8传递转矩；所述第三带轮17与所述第七带轮4由所述第六同步带5传递转矩；所述第七带轮4与所述第八带轮2由所述第七同步带3传递转矩。其中第一带轮22和第二带轮21是主动轮，其他均属于从动轮。最终将第三驱动装置19的转矩传递到第九带轮26，将第四驱动装置24的转矩传递到第八带轮2，从而实现对末端执行器1的控制。
所述驱动装置采用伺服电机－减速器结构。
本发明采用平行四边形定理以及带轮与连杆共同传递动力的方式实现机构末端执行器1的四自由度运动，从而达到分拣工作的功能要求。该机构结构轻巧灵活，并且安装、调试与拆卸均十分方便，拥有现有四自由度分拣机构所不具备的特点和优势。
本发明具有以下技术特点：
(1)本发明的末端执行器1的四自由度由四个相同的伺服电机驱动；
(2)本发明将四个动力源通过连杆与同步带传动方式传递到末端执行器1上。
(3)本发明将连杆和同步带融合使用于同一个机构且结构紧凑，互不干预，同时该机构安装拆卸简单，维护维修方便。
(4)本发明能够实现沿X、Y、Z轴的3个平动自由度和1个绕Z轴的转动自由度，结构简单小巧，价格便宜，研发工期短，占用空间小，工作面始终保持水平，工作空间较大，可大量用于工业分拣等场合。
附图说明：
图1是本发明四自由度机器人结构示意图；
图2是本发明四自由度机器人侧面结构示意图；
图3是本发明四自由度机器人中驱动装置结构示意图；
图4是本发明四自由度机器人中平行四边形机构的俯视结构示意图；
图5是图4中局部A的剖视结构示意图；
图6是本发明四自由度机器人中末端执行器的结构示意图。
图中：1：末端执行器；1-1：丝杠螺母；1-2：支架；1-3：丝杠花键；1-4：丝杠；2：第八带轮；3：第七同步带；4：第七带轮；5：第六同步带；6：连接杆；7：第六带轮；8：第五同步带；9：第四同步带；10：第二主动臂；11：第一从动臂；12：第五带轮；13：第一主动臂；14：第一驱动装置；15：第三同步带；16：第四带轮；17：第三带轮；18：机架；19：第三驱动装置；20：第二同步带；21：第二带轮；22：第一带轮；23：第一同步带；24：第四驱动装置；25：第二驱动装置；26：第九带轮。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所提供一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人包括机架18、末端执行器1(一种花键滚珠丝杠，分别包括支架1-2、丝杠螺母1-1、丝杠花键1-3和丝杠1-4)、平行四边形四杆机构(分别包括第一主动臂13、第二主动臂10、第一从动臂11和连接杆6)、同步带轮与同步带(分别包括第一带轮22、第二带轮21、第三带轮17、第四带轮16、第五带轮12、第六带轮7、第七带轮4、第八带轮2和第九带轮26以及第一同步带23、第二同步带20、第三同步带15、第四同步带9、第五同步带8、第六同步带5和第七同步带3)、驱动装置(分别包括第一驱动装置14、第二驱动装置25、第三驱动装置19和第四驱动装置24)。所述平行四边形机构由连接杆6、第二主动臂10、第一主动臂13和第一从动臂11构成，所述第一主动臂13的杆长(见图5中的直线段P)等于连接杆6上两个安装孔的中心距离(见图5中的直线段Q)；所述的第一从动臂11的杆长(见图5中的直线段N)等于第二主动臂10的杆长(见图5中的直线段M)。P、Q、N、M四条直线杆件构成的平行四边形，P、M交点为驱动点，由平行四边形原理易知，P、M的角度变化可以使连接杆6搭载的末端执行器1移动至操作空间内平面的任一点，为其提供平动二自由度。所述的末端执行器1支架1-2用螺栓固定于连接杆6上远离第一从动臂11的一端。所述的第一主动臂13和第二主动臂10是同心安装，第一主动臂13使用轴键连接在第一驱动装置14上，第二主动臂10使用轴键连接在第二驱动装置25上。所述的第一驱动装置14和第二驱动装置25同心安装于机架18同侧。所述的第三驱动装置19和第四驱动装置24同心安装于机架18另一侧，能够有效节省空间，使整个装置更加紧凑高效。所述的第一主动臂13、第一从动臂11以及第五带轮12通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动。所述的第一从动臂11、连接杆6以及第六带轮7通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动。所述的第二主动臂10、连接杆6以及第七带轮4通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动。所述的第一驱动装置14的轴端无键槽部分安装轴承，轴承上再安装第四带轮16，使得第四带轮16在定轴转动时与第一驱动装置14形成转动副。同样的，所述的第二驱动装置25的轴端无键槽部分安装轴承，轴承上再安装第三带轮17，使得第三带轮17在定轴转动时与第二驱动装置25形成转动副。
所述第一带轮22通过平键安装在第四驱动装置24上，第二带轮21通过平键安装在第三驱动装置19上。驱动装置的转动能够带动带轮同步转动，同步带轮由同步带传递动力。所述的第一带轮22与第三带轮17由第一同步带23传递转矩；所述的第二带轮21与第四带轮16由第二同步带20传递转矩；所述的第四带轮16与第五带轮12由第三同步带15传递转矩；所述的第五带轮12与第六带轮7由第四同步带9传递转矩；所述的第六带轮7与第九带轮26由第五同步带8传递转矩；所述的第三带轮17与第七带轮4由第六同步带5传递转矩；所述的第七带轮4与第八带轮2由第七同步带3传递转矩。其中第一带轮22和第二带轮21是主动轮，其他均属于从动轮。最终将第三驱动装置19的转矩传递到第九带轮26，将第四驱动装置24的转矩传递到第八带轮2，从而实现对末端执行器1的控制。
所述花键滚珠丝杠包括丝杠1-4、丝杠螺母1-1，丝杠花键1-3，支架1-2。所述支架1-2固连于连接杆6上，丝杠螺母1-1固连于第八带轮2上，丝杠花键1-3与第九带轮26固连，丝杠螺母1-1的转动驱动丝杠1-4做轴向线性运动，丝杠花键1-3驱动丝杠1-4做周向旋转。
如图1、图2、图4与图5所示，图中的四个伺服电机和减速器构成驱动装置作为动力源。所述的第一驱动装置14与第一主动臂13通过键连接，第一驱动装置14驱动第一主动臂13转动。所述的第一主动臂13与第一从动臂11通过轴承和轴连接，具体连接方式与图5的剖切图类似，第一主动臂13带动第一从动臂11转动。所述的第一从动臂11与连接杆6通过轴和轴承连接，具体连接方式如图5的剖视图所示。所述的第二驱动装置25与第二主动臂10通过键连接，第二驱动装置25驱动第二主动臂10转动。所述的第二主动臂10与连接杆6通过轴和轴承连接，具体连接方式与图5的剖视图类似。由于连接杆6同时连接第一从动臂11和第二主动臂10，且四杆串联构成平行四边形，故所述的连接杆6始终与第一主动臂13保持平行，且二者距离由第二主动臂10控制。从而使得花键滚珠丝杠获得一个移动平台，实现其在平面内的二自由度移动。
如图1、图3、图4、图5和图6所示，所述的第三驱动装置19、第四驱动装置24分别与第二带轮21、第一带轮22通过平键连接，周向固定，作为带动其他带轮的原始驱动力。第三带轮17通过轴承安装在第二驱动装置25的轴上，周向不固定。第四带轮16通过轴承安装在第一驱动装置14的轴上，周向不固定。第一同步带23将第一带轮22的转矩传递到第三带轮17上，第二同步带20将第二带轮21的转矩传递到第四带轮16上。第五带轮12通过轴承安装在第一主动臂13和第一从动臂11的安装轴上，第六带轮7通过轴承安装在第一从动臂11和连接杆6的安装轴上，第七带轮4通过轴承安装在连接杆6和第二主动臂10的安装轴上，第八带轮2与丝杠螺母1-1固连，第九带轮26与丝杠花键1-3固连。第四同步带9将第五带轮12的转矩传递到第六带轮7上，第五同步带8将第六带轮7的转矩传递到第九带轮26上，第六同步带5将第三带轮17的转矩传递到第七带轮4上，第七同步带3将第七带轮4的转矩传递到第八带轮2上。由此，第三驱动装置19间接控制丝杠花键1-3，第四驱动装置24间接控制丝杠螺母1-1。所述的末端执行器1获得丝杠1-4轴向移动自由度和丝杠1-4周向自由度。
Claims (2)
1.一种连杆-同步带联合传动的四自由度机器人，其特征在于该四自由度机器人包括机架(18)、末端执行器(1)、平行四边形四杆机构、同步带轮与同步带以及驱动装置；所述驱动装置由第一驱动装置(14)、第二驱动装置(25)、第三驱动装置(19)以及第四驱动装置(24)组成，所述第一驱动装置(14)与所述第二驱动装置(25)同心安装于所述机架(18)的一侧，所述第三驱动装置(19)与所述第四驱动装置(24)同心安装于所述机架(18)的另一侧；所述平行四边形机构由连接杆(6)、第二主动臂(10)、第一主动臂(13)和第一从动臂(11)构成，所述第一主动臂(13)与所述第二主动臂(10)同心安装，所述第一主动臂(13)使用轴键连接在所述第一驱动装置(14)上，所述第二主动臂(10)使用轴键连接在所述第二驱动装置(25)上；所述末端执行器(1)为花键滚珠丝杠结构，所述末端执行器(1)包括支架(1-2)、丝杠螺母(1-1)、丝杠花键(1-3)和丝杠(1-4)，所述末端执行器(1)通过所述所述支架(1-2)用螺栓与所述连接杆(6)固联；所述同步带轮与同步带包括第一带轮(22)、第二带轮(21)、第三带轮(17)、第四带轮(16)、第五带轮(12)、第六带轮(7)、第七带轮(4)、第八带轮(2)和第九带轮(26)、第一同步带(23)、第二同步带(20)、第三同步带(15)、第四同步带(9)、第五同步带(8)、第六同步带(5)以及第七同步带(3)；所述第一主动臂(13)、所述第一从动臂(11)以及所述第五带轮(12)通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间能够绕轴自由转动；所述第一从动臂(11)、所述连接杆(6)以及所述第六带轮(7)通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间能够绕轴自由转动；所述第二主动臂(10)、所述连接杆(6)以及所述第七带轮(4)通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间能够绕轴自由转动；所述第一驱动装置(14)与所述第四带轮(16)连接；所述第二驱动装置(25)与所述第三带轮(17)连接；所述第一带轮(22)与所述第四驱动装置(24)连接；所述第二带轮(21)与所述第三驱动装置(19)连接；所述第一带轮(22)与所述第三带轮(17)由所述第一同步带(23)传递转矩；所述第二带轮(21)与所述第四带轮(16)由所述第二同步带(20)传递转矩；所述第四带轮(16)与所述第五带轮(12)由所述第三同步带(15)传递转矩；所述第五带轮(12)与所述第六带轮(7)由所述第四同步带(9)传递转矩；所述第六带轮(7)与所述第九带轮(26)由所述第五同步带(8)传递转矩；所述第三带轮(17)与所述第七带轮4由所述第六同步带(5)传递转矩；所述第七带轮(4)与所述第八带轮(2)由所述第七同步带(3)传递转矩。
2.根据权利要求1所述四自由度机器人，其特征在于所述驱动装置采用伺服电机－减速器结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: FUJIAN HUANLONG MACHINERY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Effective date: 20150717 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150717 Address after: 351100 Huangshi Industrial Park, Fujian, Putian Applicant after: Fujian Hualong Machinery Co., Ltd. Address before: 243032 Anhui city in Ma'anshan Province town Ma Xianglu Applicant before: Anhui University of Technology |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150520 |