CN105583827A - 锥形机器人 - Google Patents

Abstract

一种锥形机器人，包括伸缩臂和终端工作机构；伸缩臂由多个剪叉式单元和一个半剪叉式单元依次铰接组成；剪叉式单元由两根铰接臂组成，这两根铰接臂中部通过转动轴铰接；相邻的两个剪叉式单元的铰接臂的铰接端对应铰接在一起；半剪叉式单元由两根在一端铰接的半铰接臂组成，这两个半铰铰臂的另一端分别与最外端的那个剪叉式单元的两根铰接臂的铰接端铰接；伸缩臂底部的两端，其中至少有一端是安装了用来驱动伸缩臂伸缩的伸缩驱动件的活动端；组成伸缩臂的所有剪叉式单元和半剪式单元的铰接臂和半铰接臂的长度从底部往顶部方向梯度递减形成锥度伸缩臂。它的结构更合理、安装和维护方便、应用更广泛、生产成本更低，伸缩运动更加稳定和载荷能力更大。

Description

锥形机器人

【技术领域】

本发明涉及一种工业机器人。

【背景技术】

随着现在工业的发展，机械手的使用越来越多，但是现有的机械手，主要是采用仿生技术,它设置多个可弯曲的关节，每个关节内部设置电机进行驱动；或者，采用伸缩结构，如气缸、电缸和液压缸等来实现伸缩运动。

但是，由于电机和伸缩缸自身具有重量，而且驱动力越大的电机或伸缩缸，其质量越大，体积也越大，将这些驱动结构或伸缩机构应用到机械手臂中会大大增加其重量，导致整个设备比较雍仲，占用较大空间，而且这机械手的安装和维修难度大大增中，生产成本也高。

而一些采用关节式手臂的机器人，即像人手臂的结构那样，这种结构需要采用大减速比的减速器，而大减速比的减速器的生产、加工工艺复杂，价格昂贵，一直是中小企业的开发应用的瓶颈。

【发明内容】

本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供了一种结构更合理、安装和维护方便、应用更广泛、生产成本更低的锥形机器人，它的伸缩运动更加稳定和载荷能力更大。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种锥形机器人，其包括伸缩臂和安装于所述伸缩臂一端部的终端工作机构；

所述伸缩臂在与终端工作机构连接的那一端为顶部，其底部为驱动端；所述伸缩臂由多个剪叉式单元和一个半剪叉式单元依次铰接组成；所述剪叉式单元由两根铰接臂组成，这两根铰接臂中部通过转动轴铰接；相邻的两个所述剪叉式单元的铰接臂的铰接端对应铰接在一起；所述半剪叉式单元由两根在一端铰接的半铰接臂组成，这两个半铰铰臂的另一端分别与最外端的那个剪叉式单元的两根铰接臂的铰接端铰接；所述伸缩臂底部的两端，其中至少有一端是安装了用来驱动伸缩臂伸缩的伸缩驱动件的活动端；

组成所述伸缩臂的所有剪叉式单元和半剪式单元的铰接臂和半铰接臂的长度从底部往顶部方向梯度递减形成锥度伸缩臂。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述剪叉式单元的两铰接臂在它们中部的转动轴处折弯，其折弯方向往锥度方向折弯。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述伸缩臂的锥度范围为0-80度；所述铰接臂的折弯角度范围为0-80度。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述伸缩臂的锥度由两种或以上不同折弯角度的剪叉式单元组成。

在对上述锥形机器人的改进方案中，在所述伸缩臂的顶部设有滑轨，所述滑轨设有一端开口的滑槽，所述滑轨的不开口端铰接于所述半剪式机构的两半铰接臂的铰接端上，所有剪叉式单元中部的转动轴向同一侧突出向外为凸轴，该凸轴滑动嵌套于所述滑槽内；所述终端工作机构固定于所述滑轨的不开口端。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述伸缩臂垂直安装在立柱上；所述伸缩臂底部的活动端安装有滚动轴承；在所述立柱上设有供滚动轴承在其中滑行的滑轨；所述伸缩驱动件安装在立柱上，并通过滚珠丝杆、螺母组件来驱动滚动轴承在滑轨中滑行。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述立柱竖直固定安装到旋转基座上，在所述旋转基座上安装有旋转驱动电机，其通过齿轮或皮带轮等传动来驱动立柱旋转。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述的活动端有一个；所述伸缩臂底部的另一端为固定端。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述的活动端有两个，它们分别与各自的伸缩驱动件驱动连接。

在对上述锥形机器人的改进方案中，所述的活动端有一个，与这活动端连接的伸缩驱动件的另一端与伸缩臂的任一铰接端相连；所述伸缩臂底部的另一端为固定端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)、由于锥形机械手臂采用由伸展方向单一，结构稳定的剪叉式机构组成，使其结构简单，运动方向唯一，从而可实现定向伸缩，使机器人的刚性和强度增大，载荷能力提高；

2）、由于所述伸缩臂始终呈锥形状，于是锥形状的伸缩臂具有等同于三角形的稳定性，也就是说，所述驱动端等同于三角形的底边，而所述工作端等同于三角形中与底边相对的顶点位置，这样就可使得所述锥形机械手臂的伸展或折叠运动稳定，工作时结构稳定，能实现定点工作，工作精度大大提高；而且由于驱动端宽度比所述工作端宽度大，使其伸缩比大的同时，使锥形臂的伸缩运动更加稳定，从而可以进行更长位移的伸缩；

3）、当伸缩臂从最短伸到最长，需要的底部活动端移动小，其底部活动端移动距离只是臂伸长距离的5%~10%，这样一方面保持底部从固定端到活动端的跨度始终足够大（不管臂伸长还是缩短），于是锥形伸缩臂的底部作为三角形底部就可以提高臂受力的稳定状态，另一方面又可以使底部活动端的移动小，于是可使与之相配的丝杠、导轨或齿条可取比较短的尺寸，从而节省材料和降低成本；

4）、由于所述锥形机械手臂的工作端窄小，这样可应用于狭小的空间内工作，如利用工作端窄小的优点，将所述锥形机械手臂伸进炉口夹取鍛件，因此本发明的应用范围更广泛。

5）、锥形的伸缩臂的伸展长度比传统的关节形的臂增加数倍，因为锥形的伸缩臂是由多铰接臂和多铰接关节组成，它们是在同一水平面上同时伸展和收缩的，这样要实现同等伸展长度时，驱动件所付出的能耗少，从而降低了使用成本。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：

【附图说明】

图1是本发明实施例一的结构示意图一；

图2是本发明实施例一的结构示意图二（未装上终端工作机构时）；

图3是本发明实施例二的结构示意图（未装上终端工作机构时）；

图4是本发明的伸缩臂的俯视图；

图5本发明实施例三的结构示意图（未装上终端工作机构时）；

图6是本发明实施例一、二、三的伸缩臂的收缩状态图；

图7本发明实施例四的结构示意图（未装上终端工作机构时）；

图8是图7的伸缩臂的收缩状态图；

图9是本发明的伸缩臂的运动轨迹示意图。

【具体实施方式】

本发明为一种锥形机器人，如图1至8所示，其包括伸缩臂1和安装于所述伸缩臂1一端部的终端工作机构2；

所述伸缩臂1在与终端工作机构2连接的那一端为工作端（即顶部），其另一端（即底部）为驱动端；所述伸缩臂1由多个剪叉式单元11和一个半剪叉式单元12依次铰接组成；所述剪叉式单元11由两根铰接臂111组成，这两根铰接臂111中部通过转动轴112铰接；相邻的两个所述剪叉式单元11的铰接臂111的铰接端对应铰接在一起；所述半剪叉式单元12由两根在一端铰接的半铰接臂121组成，这两个半铰铰臂121的另一端分别与最外端的那个剪叉式单元11的两根铰接臂111的铰接端铰接；所述伸缩臂底部的两端，其中至少有一端是安装了用来驱动伸缩臂伸缩的伸缩驱动件3的活动端；

组成所述伸缩臂1的所有剪叉式单元11和半剪式单元12的铰接臂111和半铰接臂121的长度从底部往顶部方向梯度递减形成锥度伸缩臂；

本发明在工作时，先由伸缩驱动件3工作，它就可以使伸缩臂伸缩，当伸缩到合适位置时，终端工作机构2就可以开始进行夹取、推动或拉动等工作了。

本发明具有如下优点：

1)、由于锥形机械手臂采用由伸展方向单一，结构稳定的剪叉式机构组成，使其结构简单，运动方向唯一，从而可实现定向伸缩，使机器人的刚性和强度增大，载荷能力提高；2）、由于所述伸缩臂始终呈锥形状，于是锥形状的伸缩臂具有等同于三角形的稳定性，也就是说，所述驱动端等同于三角形的底边，而所述工作端等同于三角形中与底边相对的顶点位置，这样就可使得所述锥形机械手臂的伸展或折叠运动稳定，工作时结构稳定，能实现定点工作，工作精度大大提高；而且由于驱动端宽度比所述工作端宽度大，使其伸缩比大的同时，使锥形臂的伸缩运动更加稳定，从而可以进行更长位移的伸缩；3）、当伸缩臂从最短伸到最长，需要的底部活动端移动小，其底部活动端移动距离只是臂伸长距离的5%~10%，这样一方面保持底部从固定端到活动端的跨度始终足够大（不管臂伸长还是缩短），于是锥形伸缩臂的底部作为三角形底部就可以提高臂受力的稳定状态，另一方面又可以使底部活动端的移动小，于是可使与之相配的丝杠、导轨或齿条可取比较短的尺寸，从而节省材料和降低成本；4）、由于所述锥形机械手臂的工作端窄小，这样可应用于狭小的空间内工作，如利用工作端窄小的优点，将所述锥形机械手臂伸进炉口夹取鍛件，因此本发明的应用范围更广泛。

优选地，所述剪叉式单元11的两铰接臂111在它们中部的转动轴112处折弯，其折弯方向往锥度方向折，这可使伸缩臂1的驱动端的宽度在伸展过程中变化较小，于是所述驱动端的宽度始终保持比较大的宽度，从而使所述伸缩臂的结构更加稳定，工作精度更高。伸缩臂的锥度通常在0至80度之间比较合适，所述铰接臂111的折弯角度范围为0-80度。如图5的实施例所示，锥度是铰接臂111的折弯角度的两倍，伸缩臂的锥度为15度，此时，铰接臂的折弯角度A=7.5度。如图1、3、5的实施例一、二、三所示，伸缩臂的所有剪叉式单元的折弯角度一样。优选地，为了使机器人臂具有更好的负载强度和刚度，并节省材料，此时，所述伸缩臂的剪叉式单元也可以由两种以上的不同折弯角度的铰接臂组成，即伸缩臂由两种以上的不同折弯角度的剪叉式单元组成，如图7、8，比如，一部分剪叉式单元的铰接臂的折弯角度可以相同，另一部分剪叉式单元的铰接臂的折弯角度可以不同，这要根据机器人的伸缩需要来定。对于不同折弯角度的伸缩臂，通常是底部的那个剪叉式单元的锥形角大，顶部的那个剪叉式单元的锥形角相对小，这样合成的锥形臂从侧面看是一个多折线的锥形。

在实施例一、二、三中，如图1至6所示，在所述伸缩臂1的顶部设有滑轨4，所述滑轨4设有一端开口的滑槽41，所述滑轨41的不开口端铰接于所述半剪式机构12的两半铰接臂121的铰接端上，所有剪叉式单元11中部的转动轴112向同一侧突出向外为凸轴，该凸轴滑动嵌套于所述滑槽41内；所述终端工作机构2固定于所述滑轨4的不开口端，这样伸缩臂在伸缩时，滑轨始终处于水平状态，从而确保了工作机构工作的平稳和可靠。滑轨4的滑槽41长度比伸缩臂1伸出到最长时其最外端那个剪叉式单元的转动轴到半剪叉式单元的两半铰接臂的铰接端之间的距离长，以避免伸长到最长位置时，滑轨的滑槽开口端脱落。当伸缩臂展开时，除最靠近工作端的那个剪叉式单元11外，其余所有剪叉式单元11的转动轴112相继滑出滑槽；而当收缩时，其余剪叉式单元的转动轴则相继滑进滑槽，如图6所示就是收缩到最短状态时，所有剪叉式单元的转动轴的凸轴滑进到滑槽中。

在实施例一、二、三中，所述伸缩臂1垂直安装在立柱5上；所述伸缩臂底部的活动端安装有滚动轴承6；在所述立柱5上设有供滚动轴承6在其中滑行的滑轨51；所述伸缩驱动件3安装在立柱5上，并通过滚珠丝杆7、螺母组件8来驱动滚动轴承6在滑轨51中滑行，本实施例一、二、三都是通过“滚动轴承+滑轨”的方式来实现滑行导向的，这时由于该机器人的受力主要是承载力，不像机床有切削、振动等复杂的力，因此可使对滑轨的配合间隙、平直度、平行度，甚至表面质量的要求大大降低，从而降低了造价成本。

优选地，为了使机器人在一定的角度甚至360度圆周范围内工作，这时，将立柱5竖直固定安装到旋转基座9上，在所述旋转基座9上安装有旋转驱动电机10，其通过齿轮或皮带轮等传动来驱动立柱5旋转。由于该机器人的有效工作空间是一个绕立柱旋转的圆柱体，在从一点到另一点移动中，它的优点是锥型臂在收缩状态下成折叠状时旋转，这样可以大大减少其转动惯量，从而加快速度和提高效率。例如：如图9所示，如图从A点到B点移动时，路径选择：先从A点收回到O点--转约120度—再使伸臂从O点到B点，且当从O点到B点臂伸时还可获得一个制动停止转动的功效，因为伸臂时使得转动惯量增加从而减速，像花样滑冰运动员的凌空旋转然后张开臂停止旋转的连续动作一样。这样的路径选择可以加快移动速度，从而提高工作效率。

在本实施例中，如图4所示，伸缩臂有两排，它们平行相隔后在工作端通过连接板连成一体，这样就可以同步伸缩来使机器人的手臂伸缩更平稳。

在图2所示的实施例一中，伸缩臂的底部上端固定到立柱上，驱动件则与伸缩臂的底部下端驱动连接，这样可以使机械臂的受力好，以可承受重载。在图3所示的实施例二中，伸缩臂的底部下端固定到立柱上，驱动件则与伸缩臂的底部上端驱动连接，此时它的承载稍差些，但有个优点是当收臂时同时有个向上抬的移动，这样有利于拿取工件和提高效率。在图5所示的实施例三中，在伸缩臂底部的上、下端分别与驱动件连接，这样可通过差动移动来实现伸缩。

在图1至3所示的实施例中，所述的活动端有一个；所述伸缩臂底部的另一端为固定端。在图5所示的实施例中，所述的活动端有两个，它们分别与各自的伸缩驱动件3驱动连接，这两个伸缩驱动件同时工作时，可实现差动移动。在这两个实施例中，所述伸缩驱动件3通常通过相配合的丝杠和螺母、滑轨和导轨，或齿条和齿轮的组合来驱动伸缩臂伸缩。在图7、8所示的实施例中，所述的活动端有一个，与这活动端连接的伸缩驱动件3的另一端与伸缩臂的任一铰接端相连（在此，这端与第三个剪叉式单元的铰接端连接）；所述伸缩臂底部的另一端为固定端；在图7、8的实施例中，伸缩驱动件3主要是气缸、液压缸等缸体驱动件，或者是用电机驱动的伸缩机构。

尽管参照上面实施例详细说明了本脱离所述的权利要求限定的本发明的原理及精神范围的情况下，可对本发明做出各种变化或修改，即通过本公开对于本领域技术人员显而易见的是，本公开实施例的详细描述仅用来解释，而不是用来限制本发明，而是由权利要求的内容限定保护的范围。

Claims (10)

1.一种锥形机器人，其特征在于，其包括伸缩臂（1）和安装于所述伸缩臂（1）一端部的终端工作机构（2）；

所述伸缩臂（1）在与终端工作机构（2）连接的那一端为顶部，其底部为驱动端；所述伸缩臂（1）由多个剪叉式单元（11）和一个半剪叉式单元（12）依次铰接组成；所述剪叉式单元（11）由两根铰接臂（111）组成，这两根铰接臂（111）中部通过转动轴（112）铰接；相邻的两个剪叉式单元（11）的铰接臂（111）的铰接端对应铰接在一起；所述半剪叉式单元（12）由两根在一端铰接的半铰接臂（121）组成，这两个半铰铰臂（121）的另一端分别与最外端的那个剪叉式单元（11）的两根铰接臂（111）的铰接端铰接；所述伸缩臂底部的两端，其中至少有一端是安装了用来驱动伸缩臂伸缩的伸缩驱动件（3）的活动端；

组成所述伸缩臂（1）的所有剪叉式单元（11）和半剪式单元（12）的铰接臂（111）和半铰接臂（121）的长度从底部往顶部方向梯度递减形成锥度伸缩臂。

2.根据权利要求1所述的锥形机器人，其特征在于，所述剪叉式单元（11）的两铰接臂（111）在它们中部的转动轴（112）处折弯，其折弯方向往锥度方向折弯。

3.根据权利要求2所述的锥形机器人，其特征在于，所述伸缩臂（1）的锥度范围为0-80度；所述铰接臂的折弯角度范围为0-80度。

4.根据权利要求1、2或3所述的锥形机器人，其特征在于，所述伸缩臂的锥度由两种或以上不同折弯角度的剪叉式单元组成。

5.根据权利要求4所述的锥形机器人，其特征在于，在所述伸缩臂（1）的顶部设有滑轨（4），所述滑轨（4）设有一端开口的滑槽（41），所述滑轨（41）的不开口端铰接于所述半剪式机构（12）的两半铰接臂（121）的铰接端上，所有剪叉式单元（11）中部的转动轴（112）向同一侧突出向外为凸轴，该凸轴滑动嵌套于所述滑槽（41）内；所述终端工作机构（2）固定于所述滑轨（4）的不开口端。

6.根据权利要求5所述的锥形机器人，其特征在于，所述伸缩臂（1）垂直安装在立柱（5）上；所述伸缩臂底部的活动端安装有滚动轴承（6）；在所述立柱（5）上设有供滚动轴承（6）在其中滑行的滑轨（51）；所述伸缩驱动件（3）安装在立柱（5）上，并通过滚珠丝杆（7）、螺母组件（8）来驱动滚动轴承（6）在滑轨（51）中滑行。

7.根据权利要求6所述的锥形机器人，其特征在于，所述立柱5竖直固定安装到旋转基座（9）上，在所述旋转基座（9）上安装有旋转驱动电机（10），其通过齿轮或皮带轮传动来驱动立柱（5）旋转。

8.根据权利要求5、6或7所述的锥形机器人，所述的活动端有一个；所述伸缩臂底部的另一端为固定端。

9.根据权利要求5、6或7所述的锥形机器人，所述的活动端有两个，它们分别与各自的伸缩驱动件（3）驱动连接。

10.根据权利要求5、6或7所述的锥形机器人，所述的活动端有一个，与这活动端连接的伸缩驱动件（3）的另一端与伸缩臂的任一铰接端相连；所述伸缩臂底部的另一端为固定端。