CN109262601A - 轻量型机械臂及具有其的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量型机械臂及具有其的机器人，该轻量型机械臂包括底座、第一臂体、第二臂体、第三臂体、第四臂体、第五臂体、第六臂体、末端执行器、第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节，所述底座、第二臂体、第四臂体、第六臂体均具有中空腔体，第一模块化关节位于底座的中空腔体内，第二模块化关节、第三模块化关节位于第二臂体内，所述第四模块化关节、第五模块化关节位于第四臂体内，第六模块化关节、第七模块化关节位于第六臂体内。该机械臂的整体重量降低，提高了机械臂负载自重比，模块化关节自成一体，可直接整体拆装。

Description

轻量型机械臂及具有其的机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种轻量型机械臂及具有其的机器人。

背景技术

目前中国已成为全球工业机器人的重要市场，并且机器人在传统汽车、消费电子领域以外正逐步向半导体(3C)、服务、医疗等行业领域不断拓展，成为行业新的增长点。新的行业领域对机器人重量、自重负载比、体积、传动精度等方面要求提升的同时，在人机协同合作领域也产生了新的需求。因此开发一款面向人机协同方向且具有大自重负载比、小体积、高传动精度的轻量型机械臂具有广阔的市场应用前景。

公开号为CN107972021A的发明专利公开了“一种多轴机械臂”，该机械臂包含包括基座、肩部安装座、主臂和前臂，前臂上设有末端安装法兰和腕部摆动关节，末端安装法兰安装于腕部摆动关节上。整个机械臂结构较为复杂，模块化程度低，不利于批量化生产和维修。旋转关节驱动装置、肩关节驱动装置和前臂旋转关节驱动装置均为带有行星减速器和旋转编码器的步进电机，虽然成本较低，但是精度较差。机械臂内部采用链传动、齿轮传动、带传动等多种方式，紧凑性差，精度较低，自重和故障率较高。同时整个机械臂没有冗余自由度，缺乏灵活性。公开号为CN104786217A的发明专利公开了“一种可变自由度的模块化机械臂”，通过多个模块化的机械臂关节能够任意拼接成不同自由度的模块化机械臂；但该机械臂的减速机、中空轴电机、双码盘等以零部件的形式安装在金属外壳上，金属外壳空间较为狭小，安装和维修都较为不便。该机械臂上没有工作状态指示信号装置，不利于判断工业生产中机械臂的状态，容易造成生产事故和损失。公开号为CN107932551A的发明专利公开了“一种七自由度协作机械臂”，它包含七个模块化关节、两个连接臂和底座。减速器和电机之间采用齿轮啮合配合传动，但此方式会增加传动误差，而且结构更加复杂，不利于减小整个关节的体积。采用的伺服电机有金属外壳因此也不利于提高机械臂的负载自重比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻量型机械臂及具有其的机器人，以解决现有技术中的机械臂重量大、自重负载比小、拆装维修困难等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一方面提供一种轻量型机械臂，包括底座、第一臂体、第二臂体、第三臂体、第四臂体、第五臂体、第六臂体、末端执行器、第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节，所述第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节均具有旋转自由度，所述底座、第二臂体、第四臂体、第六臂体均具有中空腔体，所述第一模块化关节位于所述底座的中空腔体内，所述第二模块化关节、第三模块化关节位于所述第二臂体内，所述第四模块化关节、第五模块化关节位于所述第四臂体内，所述第六模块化关节、第七模块化关节位于所述第六臂体内；

所述第一模块化关节的固定端与所述底座固定连接，所述第一模块化关节的输出端与所述第一臂体的第一端连接，所述第二模块化关节和第三模块化关节的固定端均与所述第二臂体固定连接，所述第二模块化关节的输出端与所述第一臂体的第二端连接，所述第三模块化关节的输出端与所述第三臂体的第一端连接，所述第四模块化关节和第五模块化关节的固定端均与所述第四臂体固定连接，所述第四模块化关节的输出端与所述第三臂体的第二端连接，所述第五模块化关节的输出端与所述第五臂体的第一端连接，第六模块化关节和第七模块化关节的固定端均与所述第六臂体固定连接，所述第六模块化关节的输出端与所述第五臂体的第二端连接，所述第七模块化关节的输出端与所述末端执行器连接；

每个模块化关节均包括驱动总成、关节总成和电气总成，所述驱动总成包括谐波减速器和电机，所述关节总成包括关节安装法兰、关节输出轴，所述电机固定于所述关节安装法兰上，所述电机的输出轴与所述谐波减速器的波发生器连接，所述关节输出轴的第一端与所述谐波减速器的钢轮连接，所述关节输出轴的第二端与相邻的臂体连接，所述电气总成包括编码器。

如上所述轻量型机械臂，所述第一臂体、第三臂体、第五臂体的结构相同；所述第二臂体、第四臂体、第六臂体的结构相同；所述第一模块化关节、第三模块化关节、第五模块化关节、第七模块化关节为水平旋转驱动关节，所述第二模块化关节、第四模块化关节、第六模块化关节为竖直旋转驱动关节。

如上所述轻量型机械臂，所述第一臂体、第三臂体、第五臂体的结构相同，均包括两个可拆卸的连接法兰和第一本体，所述连接法兰为中空结构，所述第二臂体、第四臂体、第六臂体均包括第二本体、第一保护盖和第二保护盖，所述连接法兰和所述第二本体为金属材质，所述第一本体、第一保护盖和第二保护盖的材质为增强尼龙。

如上所述轻量型机械臂，所述连接法兰和与所述连接法兰连接的臂体上设置有相互配合的凸台和凹槽，用于阻止所述接法兰和相邻连臂体连接处旋转或者平移，所述连接法兰与相邻所述臂体之间设置有密封槽。

如上所述轻量型机械臂，所述第二保护盖侧边上有凸台，所述第一保护盖内侧具有凹槽，安装保护盖时所述凸台嵌入所述凹槽内。

如上所述轻量型机械臂，所述连接法兰和所述安装法兰均为中空法兰。

如上所述轻量型机械臂，所述第一模块化关节、第三模块化关节、第五模块化关节、第七模块化关节为水平旋转驱动关节，所述第二模块化关节、第四模块化关节、第六模块化关节为竖直旋转驱动关节。

如上所述轻量型机械臂，所述相邻臂体之间的连接处设置有防尘圈橡胶圈。

如上所述轻量型机械臂，所述第七模块化关节与所述末端执行器之间通过输出法兰连接，所述输出法兰包括法兰、法兰连接环和显示灯带，所述显示灯带设置于所述法兰连接环上，所述法兰连接环与所述法兰连接。

如上所述轻量型机械臂，所述第一臂体、第三臂体、第五臂体上设置有压线槽。

本发明另一方面提供一种机器人，所述机器人包括如上所述轻量型机械臂。

本发明的轻量型机械臂通过将第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节设置在第二臂体、第四臂体、第六臂体的中空腔体内，使机械臂的整体重量降低，提高了机械臂的负载自重比，模块化关节自成一体，可直接整体拆装，避免了传统安装关节零部件时受到外框尺寸约束的限制，有利于快速更换安装，同时也方便维修。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的轻量型机械臂的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的轻量型机械臂的第一臂体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的轻量型机械臂的第二臂体的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的轻量型机械臂的模块化关节结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第二臂体与第三臂体连接处的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的轻量型机械臂的输出法兰的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第一臂体上的压线结构示意图。

附图标记说明：

1－底座； 2－第一臂体； 3－第二臂体；

4－第三臂体； 5－第四臂体； 6－第五臂体；

7－第六臂体； 8－末端执行器； 9－连接法兰；

10－第一本体； 11－第二本体； 12－第一保护盖；

13－第二保护盖； 14－防尘圈； 15－橡胶圈；

16－法兰； 17－法兰连接环； 18－显示灯带；

19－灯带保护罩； 20－示教按钮； 21－水平旋转驱动关节；

22－竖直旋转驱动关节； 23－驱动板 24－散热风扇；

25－驱动板支架； 26－压线槽； 27－开孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，本文中使用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

下面结合具体实施例对本发明提供的轻量型机械臂及具有其的机器人进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例提供的轻量型机械臂的结构示意图，请参阅图1所示，本实施例的轻量型机械臂包括底座1、第一臂体2、第二臂体3、第三臂体4、第四臂体5、第五臂体6、第六臂体7、末端执行器8，第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节、以及第七模块化关节，所述第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节均具有旋转自由度，所述底座、第二臂体3、第四臂体5、第六臂体7均具有中空腔体，所述第一模块化关节位于所述底座1的中空腔体内，所述第二模块化关节、第三模块化关节位于所述第二臂体3内，所述第四模块化关节、第五模块化关节位于所述第四臂体内5，所述第六模块化关节、第七模块化关节位于所述第六臂体7内；所述第一模块化关节的固定端与所述底座1固定连接，所述第一模块化关节的输出端与所述第一臂体2的第一端连接，所述第二模块化关节和第三模块化关节的固定端均与所述第二臂体3固定连接，所述第二模块化关节的输出端与所述第一臂体的第二端连接，所述第三模块化关节的输出端与所述第三臂体的第一端连接，所述第四模块化关节和第五模块化关节的固定端均与所述第四臂体5固定连接，所述第四模块化关节的输出端与所述第三臂体4的第二端连接，所述第五模块化关节的输出端与所述第五臂体6的第一端连接，第六模块化关节和第七模块化关节的固定端均与所述第六臂体7固定连接，所述第六模块化关节的输出端与所述第五臂体6的第二端连接，所述第七模块化关节的输出端与所述末端执行器连接；

每个模块化关节均包括驱动总成、关节总成和电气总成；

所述驱动总成包括谐波减速器和电机，所述关节总成包括关节安装法兰、关节输出轴，所述电机固定于所述关节安装法兰上，所述电机的输出轴与所述谐波减速器的波发生器连接，所述关节输出轴的第一端与所述谐波减速器的钢轮连接，所述关节输出轴的第二端与相邻的机械臂连接，所述电气总成包括编码器。

本实施例中，所述电机包括中空电机转子、中空电机定子和中空电机轴，进一步减小了机械臂的整体质量。本发明对所述编码器的具体形式不做特别限制，本实施例中的编码器包括绝对式编码器和增量式编码器，其中，增量式编码器用于检测电机转子位置，绝对式编码器用于检测模块化关节输出轴位置，增量式编码器与电机轴相连接，绝对式编码器与关节输出轴连接。

本实施例的轻量型机械臂通过将第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节设置在第二臂体、第四臂体、第六臂体的中空腔体内，使机械臂的整体重量降低，提高了机械臂的负载和自重比，模块化关节自成一体，可直接整体拆装，避免了传统安装关节零部件时受到外框尺寸约束的限制，有利于快速更换安装，同时也方便维修。

图2为本发明实施例提供的轻量型机械臂的第一臂体的结构示意图，图3为本发明实施例提供的轻量型机械臂的第二臂体的结构示意图，图4为本发明实施例提供的轻量型机械臂的模块化关节结构示意图，图5为本发明实施例提供的第二臂体与第三臂体连接处的结构示意图请参阅图1－5所示，进一步地，本实施例中，所述第一臂体2、第三臂体4、第五臂体6的结构相同；所述第二臂体1、第四臂体3、第六臂体5的结构相同；所述第一模块化关节、第三模块化关节、第五模块化关节、第七模块化关节为水平旋转驱动关节21，所述第二模块化关节、第四模块化关节、第六模块化关节为竖直旋转驱动关节22，灵活度高。

所述第一臂体2、第三臂体4、第五臂体6均包括两个可拆卸的连接法兰9和第一本体10，所述连接法兰9为中空结构，所述第二臂体3、第四臂体5、第六臂体7均包括第二本体11、第一保护盖12和第二保护盖13，所述连接法兰和所述第二本体11为金属材质，所述第一本体10、第一保护盖12和第二保护盖13的材质为增强尼龙。第二本体11、第一保护盖12通过模具注塑形成，机械臂通过使用复合材料，在满足机械臂的刚度和强度的基础上，减小了机械臂的整体重量，进一步提高了机械臂的负载自重比。

更进一步地，所述连接法兰9和与所述连接法兰9连接的臂体上设置有相互配合的凸台和凹槽，用于阻止所述接法兰9和臂体的连接端旋转或者平移，所述连接法兰与相邻所述臂体之间设置有密封槽。

进一步地，所述第二保护盖13侧边上有凸台，所述第一保护盖12内侧具有凹槽，安装保护盖时所述凸台嵌入所述凹槽内，能够保证保护盖和复合杆件的相对位置，安装方式简单快捷。其中保护盖上有密封槽，其内装有O型圈，用于保护盖和臂体之间的密封。

本实施例中臂体与臂体连接处设置有防尘圈14和橡胶圈15。

图6为本发明实施例提供的轻量型机械臂的输出法兰的结构示意图，请参阅图6所示，进一步地，本实施例中所述第七关节模块与所述末端执行器之间通过输出法兰8连接，所述输出法兰8包括法兰16、法兰连接环17和显示灯带，所述显示灯带设置于所述法兰连接环17上，所述法兰连接环17与所述法兰16连接，本实施例中显示灯带上设置有灯带保护罩19、输出法兰上还设置有示教按钮20，本实施例通过显示灯带的颜色来指示机械臂的工作状态，其中当显示灯带发恒蓝色时表示机械臂处于正常工作状态，当显示灯带发闪烁蓝色时表示用户正在训练机械臂，当显示灯带18闪烁红色时表示机械臂处于错误状态，当显示灯带18发恒绿色时表示机械臂处于拖拽示教状态，当显示灯带18发恒白色时表示机械臂处于设置状态。安装时，先将灯带保护罩19和显示灯带18安装在法兰连接环17上，然后将其和法兰16通过螺钉连接起来，将整体安装在模块化关节的关节安装法兰上，通过螺钉进行径向紧固，最后将橡胶圈18套在螺钉安装环面上。法兰16直径尺寸适合人手抓握。使得操作者能够握着输出法兰的同时用手指按压示教按钮20，仅使用单手即可完成机械臂的示教过程，降低了人工操作强度且极大提高了操作便利程度。

本实施例中，所述第一模块化关节、第三模块化关节、第五模块化关节、第七模块化关节为水平旋转驱动关节21，所述第二模块化关节、第四模块化关节、第六模块化关节为竖直旋转驱动关节22。所述第二臂体，第四臂体，第六臂体内的中空腔体内设置有驱动板23、散热风扇24、驱动板支架25，散热风扇24安装在驱动板23上，驱动板23安装在驱动板支架25上，驱动板支架25安装在臂体上。其中驱动板23和驱动板支架25上均有中空孔，有利于线束的固定和穿插。散热风扇24能够降低驱动板上的热量，使得机械臂内的热量能够跟随气流循环流动，减轻机械臂内局部过热的状况。

图7为本发明实施例提供的第一臂体上的压线结构示意图，请参阅图7所示，进一步地，所述底座、第一臂体、第三臂体、第五臂体上设置有压线槽26，将裸露在外的电线敷设于压线槽26内；所述第一臂体、第三臂体、第五臂体的内侧具有开孔27，所述开孔用于固定外部线缆，避免机械臂在运动时被外部线缆缠绕。

实施例二：

本实施例提供一种机器人，该机器人包括实施例一所述的轻量型机械臂。

本实施例机器人的轻量型机械臂通过将第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节设置在第二臂体、第四臂体、第六臂体的中空腔体内，使机械臂的整体重量降低，提高了机械臂的负载和自重比，模块化关节自成一体，可直接整体拆装，避免了传统安装关节零部件时受到外框尺寸约束的限制，有利于快速更换安装，同时也方便维修。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种轻量型机械臂，其特征在于：

包括底座、第一臂体、第二臂体、第三臂体、第四臂体、第五臂体、第六臂体、末端执行器、第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节，所述第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节均具有旋转自由度，所述底座、第二臂体、第四臂体、第六臂体均具有中空腔体，所述第一模块化关节位于所述底座的中空腔体内，所述第二模块化关节、第三模块化关节位于所述第二臂体内，所述第四模块化关节、第五模块化关节位于所述第四臂体内，所述第六模块化关节、第七模块化关节位于所述第六臂体内；

所述第一模块化关节的固定端与所述底座固定连接，所述第一模块化关节的输出端与所述第一臂体的第一端连接，所述第二模块化关节和第三模块化关节的固定端均与所述第二臂体固定连接，所述第二模块化关节的输出端与所述第一臂体的第二端连接，所述第三模块化关节的输出端与所述第三臂体的第一端连接，所述第四模块化关节和第五模块化关节的固定端均与所述第四臂体固定连接，所述第四模块化关节的输出端与所述第三臂体的第二端连接，所述第五模块化关节的输出端与所述第五臂体的第一端连接，第六模块化关节和第七模块化关节的固定端均与所述第六臂体固定连接，所述第六模块化关节的输出端与所述第五臂体的第二端连接，所述第七模块化关节的输出端与所述末端执行器连接；

每个模块化关节均包括驱动总成、关节总成和电气总成；

所述驱动总成包括谐波减速器和电机，所述关节总成包括关节安装法兰、关节输出轴，所述电机固定于所述关节安装法兰上，所述电机的输出轴与所述谐波减速器的波发生器连接，所述关节输出轴的第一端与所述谐波减速器的钢轮连接，所述关节输出轴的第二端与相邻的臂体连接，所述电气总成包括编码器。

2.根据权利要求1所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述第一臂体、第三臂体、第五臂体的结构相同；

所述第二臂体、第四臂体、第六臂体的结构相同；

所述第一模块化关节、第三模块化关节、第五模块化关节、第七模块化关节为水平旋转驱动关节，所述第二模块化关节、第四模块化关节、第六模块化关节为竖直旋转驱动关节。

3.根据权利要求2所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述第一臂体、第三臂体、第五臂体的结构相同，均包括两个可拆卸的连接法兰和第一本体，所述连接法兰为中空结构，所述第二臂体、第四臂体、第六臂体均包括第二本体、第一保护盖和第二保护盖，所述连接法兰和所述第二本体为金属材质，所述第一本体、第一保护盖和第二保护盖的材质为增强尼龙。

4.根据权利要求3所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述连接法兰和与所述连接法兰连接的臂体上设置有相互配合的凸台和凹槽，用于阻止所述接法兰和相邻连臂体连接处旋转或者平移，所述连接法兰与相邻所述臂体之间设置有密封槽。

5.根据权利要求3所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述第二保护盖侧边上有凸台，所述第一保护盖内侧具有凹槽，安装保护盖时所述凸台嵌入所述凹槽内。

6.根据权利要求3所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述连接法兰和所述安装法兰均为中空法兰。

7.根据权利要求5所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述相邻臂体之间的连接处设置有防尘圈和橡胶圈。

8.根据权利要求1－7任一项所述的轻量型机械臂，其特征在于：所述第七模块化关节与所述末端执行器之间通过输出法兰连接，所述输出法兰包括法兰、法兰连接环和显示灯带，所述显示灯带设置于所述法兰连接环上，所述法兰连接环与所述法兰连接。

9.根据权利要求8所述的轻量型机械臂，其特征在于：

所述第一臂体、第三臂体、第五臂体上设置有压线槽。

10.一种机器人，其特征在于：所述机器人包括权利要求1－9任一项所述的轻量型机械臂。