CN109702732A - 一种七自由度协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种七自由度协作机器人，包括依次连接设置的基座、第一关节、第二关节、第一连杆、第三关节、第四关节、第二连杆、第五关节、第六关节和第七关节，所述基座的上部法兰连接端与第一关节的电机输出端固定连接，所述第一关节的法兰连接端与第二关节的电机输出端固定连接，所述第二关节的法兰连接端与第一连杆的下部法兰连接端相固定连接，该第一连杆的上部法兰连接端与第三关节的电机输出端固定连接。本发明相比于传统六轴机器人，增加额外的轴可以实现机器人躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活地适应某此特殊工作环境，改善机器人相关的运动学和动力学特性。

Description

一种七自由度协作机器人

技术领域

本发明涉及的是多自由度智能机器人领域，更具体地说是一种七自由度协作机器人。

背景技术

以轻工业为主的企业需要大量人工进行作业，急需机器人自动化设备的引入以提高工厂的生产效率和质量，同时降低工厂的用工成本。但传统的机器人设备的工作方式主要以简单、重复的工作方式为主，而轻工业机器人需要相对较高的定位精度，并且对材料的刚度有一定要求，对于机器人关节有一定的柔性要求，限制了传统机器人在轻工业（如鞋服行业）的应用。

目前传统机器人一般最多具有六个自由度，其中，前三个自由度引导夹手装置至所需的位置，而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向，机器人具有高度依赖专业技能人员的示教、编程作业，且大多只能在结构化环境中从事简单和重复性工作。这些类型的机器人一般具有定位精度高、速度快和输出力大等特点，同时这类机器人在自动化程度较高、生产行为相对固定的大企业中具有较高的工作效率和经济效益，但这些类型的机器人成本相对较高，缺乏柔顺性和快速适应性，且具有一定的危险性，需要隔离作业。所以这种类型机器人在消费品市场快速变化而导致的企业生产随之调整时，显得柔顺性不足，灵巧性和智能性不强，使一大批对市场具有重要贡献的中小企业对采用机器人进行生产持消极态度。

此外，虽然机器人近些年来获得了巨大发展和相应的政策支持，但实际上绝大多数中小企业的生产工作仍然由手工或传统机器人机械手完成，机器人的智能化程度还不足以代替人完成智能性、柔顺性和技能性要求较高的工作，面对当今复杂多变的生产和生活需求，协作机器人技术引起了越来越多的研究者和公司的重视。

发明内容

本发明公开的是一种七自由度协作机器人，其主要目的在于克服现有技术存在的上述不足和缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种七自由度协作机器人，包括依次连接设置的基座、第一关节、第二关节、第一连杆、第三关节、第四关节、第二连杆、第五关节、第六关节和第七关节，所述基座的上部法兰连接端与第一关节的电机输出端固定连接，所述第一关节的法兰连接端与第二关节的电机输出端固定连接，所述第二关节的法兰连接端与第一连杆的下部法兰连接端相固定连接，该第一连杆的上部法兰连接端与第三关节的电机输出端固定连接，该第三关节的法兰连接端与第四关节的电机输出端固定连接，该第四关节的法兰连接端与第二连杆的下部法兰连接端固定，该第二连杆的上部法兰连接端与第五关节的法兰连接端固定连接，该第五关节的电机输出端与第六关节的法兰连接端固定连接，该第六关节的电机输出端与第七关节的法兰连接端固定连接，该第七关节的电机输出端配合安装有***辅助作业设备；

所述的各个关节内部集成设有电机驱动器、电机、绝对值编码器、增量编码器、制动器以及减速器，且各个关节的一端为电机输出端，该电机输出端的输出力矩用于关节的转动，关节的另一端为用于驱动连接的法兰连接端；

还包括控制模块，该控制模块包括UPS电源、计算机控制台以及安全I/O传感器，其中，UPS电源用于向该计算机控制台及安全I/O传感器提供电源，所述计算机控制台通过CAN总线分别与所述的各个关节内部集成设置的电机驱动器及电机相配合对应控制连接设置，所述安全I/O传感器与一示教器相连接，且所述计算机控制台与该示教器相控制连接。

更进一步，所述计算机控制台上还设有USB、LAN以及VGA接口。

更进一步，所述基座、第一关节、第二关节、第一连杆、第三关节、第四关节、第二连杆、第五关节、第六关节和第七关节的各个对应连接部分别采用密封圈进行防护密封设置。

更进一步，所述第一关节和第二关节的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节和第四关节的结构相同，其输出的力矩次之，第五关节、第六关节和第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

更进一步，还包括第三连杆和一关节连接件，该第三连杆连接于第五关节和第六关节之间，该第三连杆两端的法兰连接端分别与第五关节和第六关节的电机输出端相配合连接，该关节连接件连接于第三关节与第二连杆之间，该关节连接件两端的法兰连接端分别与第三关节和第二连杆的法兰连接端相连接，而第四关节和第五关节相连接，且第四关节的电机输出端与第二连杆的法兰连接端相连接；所述第一关节与第二关节的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节的输出力矩次之，第四关节、第五关节、第六关节和第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

更进一步，还包括第三连杆和一关节连接件，该第三连杆连接于第六关节和关节连接件之间，该第三连杆两端的法兰连接端分别与第六关节和关节连接件的法兰连接端相连接，所述关节连接件连接于第三连杆与第七关节之间，该关节连接件两端的法兰连接端分别与第三连杆和第七关节的法兰连接端相连接；所述第一关节和第二关节结构相同，其输出的力矩最大，所述第三关节和第四关节的结构相同，其输出的力矩次之，所述第五关节、第六关节及第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

更进一步，所述基座上还设有航空插头接口，用于电源供电线、CAN总线以及传感器的走线使用。

更进一步，还包括驱动电源，该驱动电源分别为所述的各关节的电机驱动器和电机提供电源。

通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明相比于传统六轴机器人，增加额外的轴可以实现机器人躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活地适应某此特殊工作环境，改善机器人相关的运动学和动力学特性。

2、本发明由模块化的各个关节部件和连接部件组合构成，其自重比轻，不需要有坚固的重型底座，可以方便地移动和安置，并能够实现拖动示教、碰撞检测、柔性化控制***等功能，其具有柔性关节和轻量化结构，可保护人类同事免受伤害，发挥出众的协同工作效率。

3、本发明人机即可以无缝传递接口，通过人机传递接口传递给机器人，从而实现人的技能传递，又可以实现控制器集成控制，同时，I/O接口充足，优化布局，移动方便，并支持离线编程和在线编程，编程引导功能，可以运用实时算法确定机械臂的无障碍运动路径。

4、本发明采用封闭式设计，所有线缆从机器人内部通过，方便保养与维护，同时可以根据实际作用，进行二次开发，以满足具体工况的复杂情形。

5、本发明可以与操作者具有柔性的合作关系，利用人的技能柔顺性和机器人作业精度和效率相结合，既满足工厂的生产任务量，又保证产品品质，同时将人的技能存储，降低设备对人的依赖性，从而实现生产的自动化和智能化。可以进一步保障作业人员安全，减轻劳动强度，提高工作效率，更好的满足中小企业需求，是未来机器人技术继续发展的要求。

附图说明

图1是本发明的控制结构示意图。

图2是本发明实施例一的结构示意图。

图3是图2的侧视结构示意图。

图4是本发明实施例二的结构示意图。

图5是图4的侧视结构示意图。

图6是本发明实施例三的结构示意图。

图7是图6的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明来进一步地说明本发明的具体实施方式。

实施例一

如图1、图2和图3所示，一种七自由度协作机器人，包括依次连接设置的基座1、第一关节2、第二关节3、第一连杆4、第三关节5、第四关节6、第二连杆7、第五关节8、第六关节9和第七关节10，所述基座1的上部法兰连接端与第一关节2的电机输出端固定连接，所述第一关节2的法兰连接端与第二关节3的电机输出端固定连接，所述第二关节3的法兰连接端与第一连杆4的下部法兰连接端相固定连接，该第一连杆4的上部法兰连接端与第三关节5的电机输出端固定连接，该第三关节5的法兰连接端与第四关节6的电机输出端固定连接，该第四关节6的法兰连接端与第二连杆7的下部法兰连接端固定，该第二连杆7的上部法兰连接端与第五关节8的法兰连接端固定连接，该第五关节8的电机输出端与第六关节9的法兰连接端固定连接，该第六关节9的电机输出端与第七关节10的法兰连接端固定连接，该第七关节10的电机输出端配合安装有***辅助作业设备；

所述的各个关节内部集成设有电机驱动器、电机、绝对值编码器、增量编码器、制动器以及减速器，且各个关节的一端为电机输出端，该电机输出端的输出力矩用于关节的转动，关节的另一端为用于驱动连接的法兰连接端；

还包括控制模块，该控制模块包括UPS电源、计算机控制台以及安全I/O传感器，其中，UPS电源用于向该计算机控制台及安全I/O传感器提供电源，所述计算机控制台通过CAN总线分别与所述的各个关节内部集成设置的电机驱动器及电机相配合对应控制连接设置，所述安全I/O传感器与一示教器相连接，且所述计算机控制台与该示教器相控制连接。

更进一步，所述计算机控制台上还设有USB、LAN以及VGA接口。

更进一步，所述基座1、第一关节2、第二关节3、第一连杆4、第三关节5、第四关节6、第二连杆7、第五关节8、第六关节9和第七关节10的各个对应连接部分别采用密封圈11进行防护密封设置。

更进一步，所述第一关节2和第二关节3的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节5和第四关节6的结构相同，其输出的力矩次之，第五关节8、第六关节9和第七关节10的结构相同，其输出的力矩最小。

如图2和图3所示，机器人在该姿态情况下，第一关节2、第三关节5、第七关节10其关节旋转轴方向相互平行，第二关节3、第四关节6、第五关节8其关节旋转轴方向相互平行；此外第五关节8与第六关节9其关节旋转轴方向相互垂直，第六关节9与第七关节10其关节旋转轴方向相互垂直。

更进一步，所述基座1上还设有航空插头接口，用于电源供电线、CAN总线以及传感器的走线使用。

更进一步，还包括驱动电源，该驱动电源分别为所述的各关节的电机驱动器和电机提供电源。

实施例二

如图1、图4和图5所示，本实施例与实施例一相比，还包括第三连杆12和一关节连接件13，该第三连杆12连接于第五关节8和第六关节9之间，该第三连杆12两端的法兰连接端分别与第五关节8和第六关节9的电机输出端相配合连接，该关节连接件13连接于第三关节5与第二连杆7之间，该关节连接件13两端的法兰连接端分别与第三关节5和第二连杆7的法兰连接端相连接，而第四关节6和第五关节8相连接，且第四关节6的电机输出端与第二连杆7的法兰连接端相连接；所述第一关节2与第二关节3的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节5的输出力矩次之，第四关节6、第五关节8、第六关节9和第七关节10的结构相同，其输出的力矩最小。其它结构与实施例一相同，在此就不再复述。

如图4和图5所示，机器人在该姿态情况下，第一关节2、第三关节5、第五关节8、第七关节10其关节旋转轴方向相互平行，第二关节3、第四关节6、第六关节9其关节旋转轴方向相互平行。关节连接件13可以根据实际情况进行相应的尺寸调整，以便于第一关节2和第七关节10两者之间的关节轴线在该状态位置是否重合。

实施例三

如图1、图6和图7所示，本实施例与实施例一相比，还包括第三连杆12和一关节连接件13，该第三连杆12连接于第六关节9和关节连接件13之间，该第三连杆12两端的法兰连接端分别与第六关节9和关节连接件13的法兰连接端相连接，所述关节连接件13连接于第三连杆12与第七关节10之间，该关节连接件13两端的法兰连接端分别与第三连杆12和第七关节10的法兰连接端相连接；所述第一关节2和第二关节3结构相同，其输出的力矩最大，所述第三关节5和第四关节6的结构相同，其输出的力矩次之，所述第五关节8、第六关节9及第七关节10的结构相同，其输出的力矩最小。其它结构与实施例一相同，在此就不再复述。

如图6和图7所示，机器人在该姿态情况下，第一关节2、第三关节5、第五关节8、第七关节10其关节旋转轴方向相互平行，第二关节3、第四关节6、第六关节9其关节旋转轴方向相互平行。关节连接件13可以根据实际情况进行相应的尺寸调整，以便于第七关节10与第一关节2或第五关节8两者之间的关节轴线在该状态位置是否重合。

通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明相比于传统六轴机器人，增加额外的轴可以实现机器人躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活地适应某此特殊工作环境，改善机器人相关的运动学和动力学特性。

2、本发明由模块化的各个关节部件和连接部件组合构成，其自重比轻，不需要有坚固的重型底座，可以方便地移动和安置，并能够实现拖动示教、碰撞检测、柔性化控制***等功能，其具有柔性关节和轻量化结构，可保护人类同事免受伤害，发挥出众的协同工作效率。

3、本发明人机即可以无缝传递接口，通过人机传递接口传递给机器人，从而实现人的技能传递，又可以实现控制器集成控制，同时，I/O接口充足，优化布局，移动方便，并支持离线编程和在线编程，编程引导功能，可以运用实时算法确定机械臂的无障碍运动路径。

4、本发明采用封闭式设计，所有线缆从机器人内部通过，方便保养与维护，同时可以根据实际作用，进行二次开发，以满足具体工况的复杂情形。

5、本发明可以与操作者具有柔性的合作关系，利用人的技能柔顺性和机器人作业精度和效率相结合，既满足工厂的生产任务量，又保证产品品质，同时将人的技能存储，降低设备对人的依赖性，从而实现生产的自动化和智能化。可以进一步保障作业人员安全，减轻劳动强度，提高工作效率，更好的满足中小企业需求，是未来机器人技术继续发展的要求。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不仅局限于此，凡是利用此构思对本发明进行非实质性地改进，均应该属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种七自由度协作机器人，其特征在于：包括依次连接设置的基座、第一关节、第二关节、第一连杆、第三关节、第四关节、第二连杆、第五关节、第六关节和第七关节，所述基座的上部法兰连接端与第一关节的电机输出端固定连接，所述第一关节的法兰连接端与第二关节的电机输出端固定连接，所述第二关节的法兰连接端与第一连杆的下部法兰连接端相固定连接，该第一连杆的上部法兰连接端与第三关节的电机输出端固定连接，该第三关节的法兰连接端与第四关节的电机输出端固定连接，该第四关节的法兰连接端与第二连杆的下部法兰连接端固定，该第二连杆的上部法兰连接端与第五关节的法兰连接端固定连接，该第五关节的电机输出端与第六关节的法兰连接端固定连接，该第六关节的电机输出端与第七关节的法兰连接端固定连接，该第七关节的电机输出端配合安装有***辅助作业设备；

所述的各个关节内部集成设有电机驱动器、电机、绝对值编码器、增量编码器、制动器以及减速器，且各个关节的一端为电机输出端，该电机输出端的输出力矩用于关节的转动，关节的另一端为用于驱动连接的法兰连接端；

还包括控制模块，该控制模块包括UPS电源、计算机控制台以及安全I/O传感器，其中，UPS电源用于向该计算机控制台及安全I/O传感器提供电源，所述计算机控制台通过CAN总线分别与所述的各个关节内部集成设置的电机驱动器及电机相配合对应控制连接设置，所述安全I/O传感器与一示教器相连接，且所述计算机控制台与该示教器相控制连接。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：所述计算机控制台上还设有USB、LAN以及VGA接口。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：所述基座、第一关节、第二关节、第一连杆、第三关节、第四关节、第二连杆、第五关节、第六关节和第七关节的各个对应连接部分别采用密封圈进行防护密封设置。

4.根据权利要求2所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：所述第一关节和第二关节的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节和第四关节的结构相同，其输出的力矩次之，第五关节、第六关节和第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

5.根据权利要求2所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：还包括第三连杆和一关节连接件，该第三连杆连接于第五关节和第六关节之间，该第三连接两端的法兰连接端分别与第五关节和第六关节的电机输出端相配合连接，该关节连接件连接于第三关节与第二连杆之间，该关节连接件两端的法兰连接端分别与第三关节和第二连杆的法兰连接端相连接，而第四关节和第五关节相连接，且第四关节的电机输出端与第二连杆的法兰连接端相连接；所述第一关节与第二关节的结构相同，其输出的力矩最大，第三关节的输出力矩次之，第四关节、第五关节、第六关节和第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

6.根据权利要求2所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：还包括第三连杆和一关节连接件，该第三连杆连接于第六关节和关节连接件之间，该第三连杆两端的法兰连接端分别与第六关节和关节连接件的法兰连接端相连接，所述关节连接件连接于第三连杆与第七关节之间，该关节连接件两端的法兰连接端分别与第三连杆和第七关节的法兰连接端相连接；所述第一关节和第二关节结构相同，其输出的力矩最大，所述第三关节和第四关节的结构相同，其输出的力矩次之，所述第五关节、第六关节及第七关节的结构相同，其输出的力矩最小。

7.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：所述基座上还设有航空插头接口，用于电源供电线、CAN总线以及传感器的走线使用。

8.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机器人，其特征在于：还包括驱动电源，该驱动电源分别为所述的各关节的电机驱动器和电机提供电源。